一種微波高光譜輻射計的製作方法

2023-09-20 23:40:05

專利名稱：一種微波高光譜輻射計的製作方法
技術領域：
本發明涉及微波遙感技術領域，特別涉及一種微波高光譜輻射計。
背景技術：
在微波遙感領域，微波輻射計是一款被動式的基微波遙感設備，能全天候、全天時工作。主要用於中小尺度天氣現象，如暴風雨、閃電、強降雨、霧、冰凍及邊界層紊流。對於短時間內生成或消散的中小尺度天氣災害，雖然只是地區性的，但部分事件危害性較大。在目前中尺度天氣現象監測過程中，探空氣球和天氣雷達是常用的手段。微波輻射計具有獨立工作能力，能在幾乎各種環境條件工作，非常適合於自動天氣站，用於反演完整的大氣廓線，反演數據和原始數據全部保存，提供完備的顧客定製或全球標準算法。微波輻射計雖然具有以上優點，但是，其具有頻譜解析度低，靈敏度低並且掃描速·度慢的缺點。因此，如何提高微波輻射計的頻譜解析度，靈敏度以及掃描速度，是目前有待解決的技術問題。

發明內容
本發明實施例中提供了一種微波高光譜輻射計，以提高微波輻射計的頻譜解析度、靈敏度以及掃描速度。為此，本發明提供一種微波高光譜輻射計，包括微波反射鏡裝置，受控於轉動平臺控制裝置，用於掃描並反射大氣輻射信號給接收天線裝置；接收天線裝置，用於接收所述大氣輻射信號，並將所述大氣輻射信號輸出至微波高光譜接收機裝置；轉動平臺裝置，用於控制所述微波反射鏡裝置的旋轉角度，以便於所述微波反射鏡裝置與所述接收天線裝置的中心一致；以及改變接收天線裝置的工作波束指向，實現對不同仰角大氣輻射譜線的測量，並將測量的角度信息傳輸至所述微波高光譜數字處理與控制裝置；微波高光譜晴空定標裝置，用於通過所述微波反射鏡裝置指向的特定天空仰角控制定標波束，測量晴空背景下所有定標波速的大氣輻射溫度，並計算所述大氣輻射溫度的大氣平均輻射溫度；所述大氣平均輻射溫度為不同地區、不同月份、不同頻率以及不同仰角的大氣平均輻射溫度；根據設定天頂方向晴空背景的大氣不透明度和所述大氣平均輻射溫度計算天頂方向晴空背景的大氣亮溫；測量黑體定標源的輻射溫度；根據所述大氣亮溫和輻射溫度進行兩點定標，計算微波高光譜輻射計的所有通道的系統增益；根據所述系統增益計算所有定標波速照射方向的大氣不透明度；對所述大氣不透明度進行迭代計算，獲得滿足晴空定標模型新的定標數據；微波高光譜接收機裝置，用於接收所述接收天線裝置輸入的高頻信號，對所述高頻信號進行頻段劃分，並將頻段劃分的所述高頻信號下變頻為第一中頻信號，放大所述第一中頻信號，以及將放大後的所述第一中頻信號等功率劃分為多路中頻信號，並對所述多路中頻信號中的每路中頻信號進行頻段劃分後進行平方率檢波，得到帶有天空亮溫信息的電壓信號，放大並輸出所述電壓信號至微波高光譜數字處理與控制裝置；恆溫裝置，用於使所述微波高光譜接收機裝置工作於恆定溫度；微波高光譜數字處理與控制裝置，用於接收所述微波高光譜接收機裝置輸出的帶有天空亮溫信息的電壓信號，以及採集大氣廓線反演所需的實時地表氣象數據，所述地表氣象數據包括微波高光譜晴空定標裝置中黑體定標源的輻射溫度和大氣的絕對壓強；並將所述電壓信號以及地表氣象數據反演為氣象參數曲線。可選的，所述轉動平臺控制裝置包括伺服電機，用於控制微波反射鏡裝置的旋轉；
俯仰角定位儀，用於實時測量所述微波反射鏡裝置的旋轉角度，並將測量的角度信息傳輸至所述微波高光譜數字處理與系統控制裝置。可選的，所述微波高光譜晴空測量裝置包括黑體定標源單元、定標波束控制單元和微波高光譜晴空定標單元，其中，所述黑體定標源單元，用於作為微波高光譜輻射計兩點定標中的熱定標源，提供大氣的輻射溫度，所述輻射溫度取決於自身的物理溫度，所述物理溫度通過微波高光譜輻射計數字處理與控制裝置中的溫度傳感器採集得到；並將所述物理溫度發送所述微波高光譜晴空定標裝置；所述定標波束控制單元，用於作為微波輻射計兩點定標中的冷定標源；通過微波高光譜輻射計的微波反射鏡指向的九個特定天空仰角控制定標波束，並測量晴空背景下所有定標波速的大氣輻射溫度，並計算所述大氣輻射溫度的大氣平均輻射溫度；將所述大氣平均輻射溫度發送給所述微波高光譜晴空定標裝置；其中，所述大氣平均輻射溫度為不同地區、不同月份、不同頻率以及不同仰角的大氣平均輻射溫度；所述微波高光譜晴空定標單元，用於設定天頂方向晴空背景的大氣不透明度；根據所述大氣不透明度和所述定標波束控制單元發送的大氣平均輻射溫度計算天頂方向晴空背景的大氣亮溫；獲取黑體定標源的輻射溫度；根據所述大氣亮溫和輻射溫度進行兩點定標，計算微波高光譜輻射計的所有通道的系統增益；根據所述系統增益計算所有定標波速照射方向的大氣不透明度；對所述大氣不透明度進行迭代計算，獲得滿足晴空定標模型新的定標數據。可選的，所述微波高光譜晴空定標單元包括資料庫，用於存儲氣象數據和定標參數數據，其中，所述定標參數數據包括大氣平均輻射溫度、大氣質量因子以及晴空定標模型的定標數據；其中，所述大氣平均輻射溫度為不同地區、不同月份、不同頻率以及不同仰角的大氣平均輻射溫度；設定單元，用於設定天頂方向晴空背景大氣不透明度；第一獲取單元，用於從資料庫中獲取大氣平均輻射溫度；第一計算單元，用於根據所述大氣不透明度和大氣平均輻射溫度計算天頂方向晴空背景的大氣亮溫；第二獲取單元，用於獲取黑體定標源的輻射溫度；第二計算單元，用於根據所述大氣亮溫和輻射溫度兩點定標，計算微波高光譜輻射計的所有通道的系統增益；第三計算單元，用於根據所述系統增益計算所有定標波速照射方向的大氣不透明度；迭代計算單元，用於對所述大氣不透明度進行迭代計算，獲得滿足晴空定標模型新的定標數據。可選的，所述迭代計算單元包括質量因子獲取單元，用於從資料庫中獲取大氣質量因子；歸一化處理單元，用於根據所述大氣質量因子對所述定標波束照射方向的大氣不透明度進行歸一化處理；系統計算單元，用於計算所述歸一化處理單元處歸一化處理後的曲線的係數；
·
第一判斷單元，用於判斷所述系統是否大於定標預設值，並將大於等於定標預設值的判斷結果發送給第二判斷單元；將小於定標預設值的判斷結果發送給重新定標單元；第二判斷單元，用於在接收到大於等於定標預設值的判斷結果時，確定所述歸一化處理後的曲線為直線，並繼續判斷所述直線是否經過原點，並將經過原點的判斷結果發送給確定單元；將不經過原點的判斷結果發送給斜率計算單元；第一確定單元，用於在接收到所述經過原點的判斷結果時，將所述系統增益作為滿足晴空定標模型新的定標數據；斜率計算單元，用於在接收到所述不經過原點的判斷結果時，計算所述直線的斜率；發送單元，用於將所述斜率發送給設定單元；重新定標單元，用於在接收到所述小於定標預設值的判斷結果時，重新進行定標；所述設定單元，還用於根據將接收到的所述斜率作為新的天頂方向大氣不透明度；所述第二計算單元，還用於根據設定單元設定的新的天頂方向大氣不透明度重新計算系統增益。可選的，所述晴空測量裝置還包括傳輸單元，用於將迭代計算單元得到的滿足晴空定標模型新的定標數據傳輸到所述數字處理與系統控制裝置中。可選的，所述資料庫包括氣象資料資料庫和定標參數資料庫，其中，所述氣象資料資料庫，用於統計當地氣象資料，並按月份排列後輸出給定標參數資料庫；其中，所述當地氣象資料包括大氣溫度廓線、氣壓廓線和水汽壓廓線；所述定標參數資料庫，用於存儲接收到的當地氣象資料，以及當地高頻譜解析度的大氣吸收係數、大氣平均輻射溫度和大氣質量因子，其中，所述大氣平均輻射溫度為不同地區、不同月份、不同頻率以及不同仰角的大氣平均輻射溫度。可選的，所述微波高光譜接收機裝置包括一級接收裝置，用於接收接收天線裝置輸入的大氣輻射信號，所述大氣輻射信號為高頻信號，對所述高頻信號進行頻段劃分，並將頻段劃分的所述高頻信號下變頻為第一中頻信號，放大輸出所述第一中頻信號至所述二級接收裝置；
二級接收裝置，用於接收放大後的所述第一中頻信號，將所述第一中頻信號等功率劃分為多路中頻信號，並對所述多路中頻信號中的每路中頻信號進行頻段劃分後進行平方率檢波，得到帶有天空亮溫信息的電壓信號，放大並輸出所述電壓信號。可選的，所述一級接收裝置包括高頻放大單元、鏡像噪聲濾波單元、下變頻單元和中頻放大單元，其中，所述高頻放大單元，用於接收天線輸入的高頻信號，放大並輸出所述高頻信號；所述鏡像噪聲濾波單元，用於對高頻放大單元產生的額外噪聲分量進行濾波；對將要輸出給下變頻單元的高頻信號進行預濾波，抑制鏡像噪聲；以及接收下變頻單元發出的控制信號，根據所述控制信號控制所述高頻信號輸出至對應的腔體濾波器中；所述下變頻單元，用於接收所述鏡像噪聲濾波單元預濾波後的高頻信號，對所述高頻信號進行頻段劃分，並將頻段劃分的所述高頻信號進行下變頻處理， 得到第一中頻信號，輸出所述第一中頻信號；所述中頻放大單元，用於接收並放大所述第一中頻信號，輸出所述放大的第一中頻信號至所述二級接收裝置。可選的，所述鏡像噪聲濾波單元包括第一微波開關、第二微波開關，以及多個多階帶通濾波器，其中，每個多階帶通濾波器的一端連接有第一微波開關，另一端連接有第二微波開關，所述第一微波開關還與高頻放大模塊和頻率合成器連接，所述第二微波開關還與下變頻模塊中的下變頻器和頻率合成器連接；第一微波開關的開和關，以及第二微波開關的開和關，受所述頻率合成器輸出的控制信號的控制。可選的，所述下變頻單元包括頻率合成器和下變頻器，其中，所述頻率合成器，用於生成不同頻率的本振信號，並輸出所述本振信號給所述下變頻器；以及生成控制信號，將所述控制信號輸出至所述鏡像噪聲濾波單元；所述下變頻器，用於根據所述本振信號對所述高頻放大模塊輸出的高頻信號進行下變頻處理，得到第一中頻信號，並將所述第一中頻信號輸出給中頻放大單元。可選的，所述頻率合成器包括鎖相模塊和倍頻模塊；其中，所述鎖相模塊，用於將低頻的參考頻率源提供的參考頻率倍頻至中頻頻段；所述倍頻模塊，用於依據頻率合成器的所需的輸出頻率，根據所述參考頻率選取低頻倍頻通路或高頻倍頻通路，輸出滿足預設帶寬的本振信號。可選的，所述鎖相模塊包括參考頻率源、數字分頻器、鑑相器和壓控振蕩器，其中，所述參考頻率源，用於提供標準的參考頻率；所述數字分頻器，用於提供不同分頻比，以所述參考頻率源提供的參考頻率為頻率步進，在所述鑑相器配合下控制所述壓控振蕩器的輸出頻率。可選的，所述倍頻模塊包括第一二倍頻器、第一單刀雙擲開關、第二單刀雙擲開關、第一帶通濾波器、第二二倍頻器、第二帶通濾波器、本振放大器和低通濾波器；其中，所述第一帶通濾波器與第二二倍頻器形成高頻倍頻通路，第二帶通倍頻器形成低頻倍頻通路，其中，所述第一二倍頻器，用於將所述鎖相模塊的輸出信號進行倍頻；所述第一單刀雙擲開關，用於控制所述第一二倍頻器輸出的信號輸出至所述第一帶通濾波器或第二帶通濾波器；所述第一帶通濾波器，用於濾取接收到信號的低頻信號，並將所述低頻信號輸出至所述第二二倍頻器；所述第二二倍頻器對接收到的低頻信號進行倍頻後輸出至所述第二單刀雙擲開關;所述第二帶通濾波器，用於濾取所述鎖相模塊輸出的高頻信號，並將所述高頻信號輸出至所述第二單刀雙擲開關；所述第二單刀雙擲開關，用於控制所述第二二倍頻器發送的信號或所述第二帶通濾波器發送的信號輸出至本振放大器；
所述本振放大器，用於接收並放大所述第二單刀雙擲開關輸入的本振信號；所述第一低通濾波器，用於濾取所述低頻倍頻通路或高頻倍頻通路所產生的額外噪聲分量，輸出本振信號至所述下變頻器。可選的，所述二級接收裝置包括功分單元，用於將一級接收裝置輸出的第一中頻信號等功率劃分為多路中頻信號，並通過多路通道輸出所述多路中頻信號至腔體濾波單元組；腔體濾波單元組，用於對接收到的每路中頻信號進行頻段劃分，並將頻段劃分後的中頻信號輸出至平方率檢波單元組；平方率檢波單元組，用於對接收到頻段劃分後的每路中頻信號進行平方率檢波，控制輸出帶有天空亮溫信息的電壓信號的帶寬；視頻放大單元，用於對接收到平方率檢波模塊組輸出的電壓信號進行放大，並將放大後的電壓信號輸出至氣象信息至微波高光譜數字處理與控制裝置。可選的，所述腔體濾波單元組包括多個腔體濾波器，每個腔體濾波器為七階橢圓腔體濾波器；所述平方率檢波單元組包括多個檢波器，每個檢波器為二極體檢波器；其中，所述腔體濾波器和檢波器的個數相同；所述視頻放大模塊包括級聯的兩級運算放大器。可選的，所述微波高光譜數字處理與控制裝置包括採集單元，用於採集微波高光譜輻射計中微波高光譜接收機單元輸出的帶有天空亮溫信息的電壓信號以及大氣廓線反演所需的實時地表氣象數據；並將所述電壓信號和地表氣象數據傳輸給所述微波高光譜數字處理裝置；其中，所述地表氣象數據包括微波高光譜晴空定標裝置中黑體定標源的輻射溫度、大氣的絕對壓強；微波高光譜數字處理單元，用於接收採集單元發送的帶有天空亮溫信息的電壓信號以及大氣廓線反演所需的實時地表氣象數據；並將所述電壓信號以及地表氣象數據反演為氣象參數曲線。可選的，所述採集單元包括高速數據採集單元，用於採集微波高光譜接收機單元輸出的帶有天空亮溫信息的電壓信號；全球定位單元，用於測量全球定位系統GPS數據，以便於對時鐘進行定位；溫溼度傳感單元，用於檢測地表的溫度、溼度信息；
氣壓傳感單元，用於檢測地表的氣壓信息。可選的，所述微波高光譜數字處理單元包括神經網絡數據處理單元，用於獲取當地氣象局多年公開的大氣溫度廓線、氣壓廓線和水汽壓廓線；將所述大氣溫度廓線、氣壓廓線和水汽壓廓線換算為第一大氣亮溫矩陣；並對所述第一大氣亮溫矩陣進行頻譜壓縮，得到壓縮後的第一大氣亮溫矩陣；以及利用神經網絡算法對壓縮後的第一大氣亮溫矩陣進行訓練處理，得到反演單元所需的已訓練的微波高光譜神經網絡，並存儲所述已訓練的微波高光譜神經網絡；反演單元，用於根據所述神經網絡數據處理單元已訓練的微波高光譜神經網絡將所述採集單元採集到的帶有天空亮溫信息的電壓信號以及大氣廓線反演所需的實時地表氣象數據反演為氣象參數曲線或大氣廓線。可選的，所述神經網絡數據處理單元包括
廓線收集單元，用於統計當地氣象局多年公開的大氣溫度廓線、氣壓廓線和水汽壓廓線；亮溫模擬單元，用於將統計的所述大氣溫度廓線、氣壓廓線和水汽壓廓線換算為大第一氣亮溫矩陣；所述第一大氣亮溫矩陣包括多年的高頻譜解析度的大氣亮溫信息；第一微波高光譜信息壓縮單兀，用於對所述亮溫模擬單兀輸出的第一大氣亮溫矩陣進行頻譜壓縮，得到壓縮後的第一大氣亮溫矩陣；神經網絡訓練單元，用於利用神經網絡算法根據所述大氣溫度廓線、氣壓廓線和水汽壓廓線對壓縮後第一大氣亮溫矩陣進行訓練處理，得到反演單元所需已訓練的微波高光譜神經網絡，並存儲所述已訓練的微波高光譜神經網絡。可選的，所述神經網絡訓練單元包括輸入埠，用於輸入所述廓線收集單元所統計的當地大氣溫度廓線、氣壓廓線和水汽壓廓線；神經元，用於通過設定的神經網絡利用輸入埠輸入的大氣溫度廓線、氣壓廓線和水汽壓廓線對壓縮後的第一大氣亮溫矩陣進行迭代收斂，得到反演單元所需已訓練的微波高光譜神經網絡；輸出埠，用於輸出所述神經元迭代收斂後的已訓練的神經網絡。可選的，所述反演單元包括亮溫數據處理單元，用於獲取所述採集單元採集的大氣亮溫信息，根據所述大氣亮溫信息，產生第二大氣亮溫矩陣，並將所述第二大氣亮溫矩陣傳輸給第二微波高光譜信息壓縮單元；第二微波高光譜信息壓縮單元，對所述亮溫數據處理單元輸出的第二大氣亮溫矩陣進行頻譜壓縮，得到壓縮後的第二大氣亮溫矩陣；神經網絡處理單元，用於根據所述神經網絡訓練單元已訓練的微波高光譜神經網絡將所述第二大氣亮溫矩陣反演為氣象參數曲線或大氣廓線。可選的，所述微波高光譜數字處理與控制裝置還包括控制單元，用於在所述採集單元採集到所述電壓信號以及地表氣象數據之前，啟動所述轉動平臺控制裝置控制微波反射鏡裝置的旋轉角度；並控制所述微波高光譜接收機單元中一級接收機的頻段通道選擇；以及控制微波高光譜輻射計的人工操作或自動化操作。可選的，所述控制單元包括轉動平臺控制單元，用於控制微波反射鏡單元轉動到指定仰度和方位角，以便於所述微波反射鏡單元與所述微波高光譜接收機單元連接的接收天線單元的中心一致；接收機控制單元，用於控制微波高光譜接收機裝置中一級接收機的頻段劃分；現場操作單元，用於對微波高光譜輻射計的前置面板直接進行操作。可選的，所述微波高光譜數字處理與控制裝置還包括遠程操作控制單元，用於在所述採集單元採集微波高光譜輻射計輸出的帶有天空亮溫信息的電壓信號以及大氣廓線反演所需的實時地表氣象數據之前，接收遠程發送的控制信號，根據所述控制信號控制所述微波反射鏡裝置的轉動角度；以及控制所述微波高光·譜接收機裝置中一級接收機的頻段通道選擇；以及控制微波高光譜輻射計的人工操作或自動化操作。由上述技術方案可知，本發明實施例中，利用一套轉動平臺裝置調整微波反射鏡裝置的旋轉角度，用於改變接收天線裝置的工作波束指向，實現對不同仰角大氣輻射譜線的測量。入射的微波能量通過微波反射鏡裝置反射到接收天線裝置內，通過將微波反射鏡裝置進行360度旋轉，改變天線波束的指向。此時天線波束的仰角可由俯仰角定位儀精確測得；當計算機或者遠程計算機發出一系列微波輻射計的觀測指令後，轉動平臺裝置指示微波反射鏡裝置轉動到指定的仰角和方位角。微波高光譜數字處理與控制裝置將設置微波高光譜接收機裝置到所需通道，同時命令微波高光譜接收機裝置開始觀測天空，然後將觀測到的數據反演為氣象參數曲線。也就是說，本發明採用微波高光譜輻射測量技術，將寬帶高解析度接收機技術與傳統微波輻射計技術相結合，構成了一種高頻譜解析度、高靈敏度、低系統複雜度且掃描速度快的微波高光譜輻射計。


為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。圖I為本發明實施例提供的一種微波高光譜輻射計的第一種結構示意圖；圖IA為本發明實施例提供的微波反射鏡裝置的機構示意圖；圖2為本發明實施例提供的一種接收天線裝置的結構示意圖；圖3為本發明實施例提供的微波高光譜輻射計的第二結構示意圖；圖4為本發明實施例提供的微波高光譜晴空定標單元的結構示意圖；圖5為本發明實施例提供的微波高光譜晴空定標單元工作時的定標波束示意圖；圖6為本發明實施例提供的微波高光譜接收機裝置的結構示意圖；圖7為本發明實施例提供的一種微波高光譜輻射計中現場操作單元的結構示意圖；圖8為本發明實施例提供的一種微波高光譜輻射計中現場操作單元的界面示意圖。
具體實施例方式下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整的描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。請參閱圖1，為本發明實施例提供的一種微波高光譜輻射計的結構示意圖，所述微波高光譜輻射計包括微波反射鏡裝置11、接收天線裝置12、轉動平臺裝置13、微波高光譜晴空定標裝置14、微波高光譜接收機裝置15、恆溫裝置16和微波高光譜數字處理與控制裝置17，其中，所述微波反射鏡裝置11，受控於轉動平臺控制裝置13，用於掃描並反射大氣輻射信號給接收天線裝置12 ；
其中，所述微波反射鏡裝置(或微波反射鏡單元)的結構可以是硬鋁材料的平面反射鏡結構，其外型為圓形；該微波反射鏡裝置與轉動平臺控制單元連接，可以掃描並反射大氣輻射信號給接收天線裝置。其中，微波反射鏡裝置的結構示意圖如圖IA所示，所述接收天線裝置12，用於接收所述微波反射鏡裝置11反射的大氣輻射信號，並將所述大氣輻射信號輸出至微波高光譜接收機裝置15 ；其中，所述接收天線裝置(或接收天線單元)的結構為光壁圓錐喇叭結構，具體如圖2所示，圖2為本發明實施例提供的一種接收天線裝置的結構示意圖；該接收天線裝置的工作波束呈圓錐面，該圓錐面的軸線經過微波反射鏡裝置(或微波反射鏡單元)的中心；該接收天線裝置由波導接口連接於微波高光譜接收機裝置(或微波高光譜接收機裝置單元)。所述轉動平臺裝置13，用於控制所述微波反射鏡裝置11的旋轉角度，以便於所述微波反射鏡裝置11與所述接收天線裝置12的中心一致；並將測量的角度信息傳輸至所述微波高光譜數字處理與控制裝置17 ；所述微波高光譜晴空定標裝置14，用於通過所述微波反射鏡裝置11指向的特定天空仰角控制定標波束，測量晴空背景下所有定標波速的大氣輻射溫度，並計算所述大氣輻射溫度的大氣平均輻射溫度；所述大氣平均輻射溫度為不同地區、不同月份、不同頻率以及不同仰角的大氣平均輻射溫度；根據設定天頂方向晴空背景的大氣不透明度和所述大氣平均輻射溫度計算天頂方向晴空背景的大氣亮溫；測量黑體定標源的輻射溫度；根據所述大氣亮溫和輻射溫度進行兩點定標，計算微波高光譜輻射計的所有通道的系統增益；根據所述系統增益計算所有定標波速照射方向的大氣不透明度；對所述大氣不透明度進行迭代計算，獲得滿足晴空定標模型新的定標數據；所述微波高光譜接收機裝置15，用於接收所述接收天線裝置12輸入的高頻信號，對所述高頻信號進行頻段劃分，並將頻段劃分的所述高頻信號下變頻為第一中頻信號，放大所述第一中頻信號，以及將放大後的所述第一中頻信號等功率劃分為多路中頻信號，並對所述多路中頻信號中的每路中頻信號進行頻段劃分後進行平方率檢波，得到帶有天空亮溫信息的電壓信號，放大並輸出所述電壓信號至微波高光譜數字處理與控制裝置17 ；所述恆溫裝置16，用於使所述微波高光譜接收機裝置15工作於恆定溫度；其中，該恆溫裝置(或恆溫單元)可以採用KLG—9000系列緊密鼓風乾燥箱實現，它包括金屬箱體、風道結構、加熱模塊、散熱模塊和溫度控制器等這幾個部分，其中，加熱模塊產生的熱量通過風道結構在散熱模塊與箱體內物品進行循環，從而使箱內溫度達到均勻，工作溫度則由溫度控制器進行控制。所述微波高光譜數字處理與控制裝置17，用於接收所述微波高光譜接收機裝置15輸出的帶有天空亮溫信息的電壓信號，以及採集大氣廓線反演所需的實時地表氣象數據，所述地表氣象數據包括微波高光譜晴空定標裝置中黑體定標源的輻射溫度、大氣的絕對壓強；並將所述電壓信號以及地表氣象數據反演為氣象參數曲線。還請參閱圖3，圖3為本發明實施例提供的微波高光譜輻射計的第二結構示意圖，該實施例在圖I實施例的基礎上，其中，所述轉動平臺控制裝置13包括伺服電機131和俯仰角定位儀132 ;其中，所述伺服電機131，用於控制微波反射鏡單元的旋轉；其中，伺服電機可以選用實時補償型閉環控制伺服電機，它包括電機、電機驅動器、閉環控制器和編碼器等幾個部分。伺服電機用於控制微波反射鏡裝置的旋轉。所述俯仰角定位儀132，用於實時測量所述微波反射鏡裝置的旋轉角度，並將測量的角度信息傳輸至所述微波高光譜數字處理與控制裝置。其中，所述俯仰角定位儀通過所連接的微波高光譜數字處理與控制裝置進行角度控制。當微波反射鏡裝置旋轉到天頂角度的時候，伺服電機中編碼器發射一個脈衝信號給微波高光譜數字處理與控制裝置，用於周期校準俯仰角度。該俯仰角定位儀可以選用二維重力感應器晶片實現，它連接於伺服電機，用於實時測量微波反射鏡裝置的旋轉角度，俯仰角定位儀連接並傳輸角度信息與微波高光譜數字處理與控制裝置。所述微波高光譜晴空定標裝置14包括黑體定標源單元141、定標波束控制單元142和微波高光譜晴空定標單元143 ;其中，所述黑體定標源單元141，用於作為微波高光譜輻射計兩點定標中的熱定標源，提供大氣的輻射溫度，所述輻射溫度取決於自身的物理溫度，所述物理溫度通過微波高光譜輻射計數字處理與控制裝置中的溫度傳感器採集得到；並將所述物理溫度發送所述微波高 光譜晴空定標單元143 ；其中，所述黑體定標源單元(或黑體定標源)可以包括錐形吸波材料和金屬保溫圓桶，並將所述錐形吸波材料放置於金屬保溫圓桶中，所述金屬保溫圓桶用於恆定吸波材料周圍的物理溫度。一種實施例中，所述黑體定標源單元(或黑體定標源)可以由三角錐形狀的吸波材料和金屬保溫圓桶組成；該吸波材料可以採用角錐SA型聚氨酯泡沫吸波材料，但並不限於此。所述吸波材料放置於金屬保溫圓桶中，吸波材料的垂直反射率小於_20dB。該金屬保溫圓桶可以採用真空隔熱層進行隔熱，它的上方覆蓋一層介電常數較低的透波材料。金屬保溫圓桶用於恆定吸波材料周圍的物理溫度，提高對黑體定標源的溫度測量精度。其中，所述黑體定標源的物理溫度可以由微波高光譜輻射計數字處理與控制裝置中的溫度傳感器採集得到，溫度精度達到0.1° C。本實施例中，黑體定標源用於作為微波輻射計兩點定標中的熱定標源，輻射溫度取決於它的物理溫度。所述定標波束控制單元142，用於作為微波輻射計兩點定標中的冷定標源；通過微波高光譜輻射計的微波反射鏡裝置指向的九個特定天空仰角控制定標波束，並測量晴空背景下所有定標波速的大氣輻射溫度，並計算所述大氣輻射溫度的大氣平均輻射溫度；將所述大氣平均輻射溫度發送給所述微波高光譜晴空定標單元；其中，所述大氣平均輻射溫度為不同地區、不同月份、不同頻率以及不同仰角的大氣平均輻射溫度。其中，所述定標波束控制單元所控制的定標波束為圓錐面波束，它通過微波高光譜輻射計的微波反射鏡指向19.35°、23.4。,30. 15° ,41.85°、90。>138. 15°、149.85° >156.6°和160. 65°等九個特定天空仰角。這九個天空仰角滿足天頂雙邊角度對稱，用於補償微波反射鏡的角度轉動誤差。所述微波高光譜晴空定標單元143，用於設定天頂方向晴空背景的大氣不透明度；根據所述大氣不透明度和所述定標波束控制單元發送的大氣平均輻射溫度計算天頂方向晴空背景的大氣亮溫；獲取黑體定標源的輻射溫度；根據所述大氣亮溫和輻射溫度進行兩點定標，計算微波高光譜輻射計的所有通道的系統增益；根據所述系統增益計算所有定標波速照射方向的大氣不透明度；對所述大氣不透明度進行迭代計算，獲得滿足 晴空定標模型新的定標數據。可選的，所述微波高光譜晴空定標單元143包括資料庫41，設定單元42，第一獲取單元43，第一計算單元44，第二獲取單元45，第二計算單元46、第三計算單元47和迭代計算單元48。其結構示意圖如圖4所示，圖4為本發明實施例提供的微波高光譜晴空定標單元的結構示意圖；其中，所述資料庫41，用於存儲氣象數據和定標參數數據，其中，所述定標參數數據包括大氣平均輻射溫度、大氣質量因子以及晴空定標模型的定標數據；其中，所述大氣平均輻射溫度為不同地區、不同月份、不同頻率以及不同仰角的大氣平均輻射溫度；其中，所述資料庫可以包括氣象資料資料庫和定標參數資料庫，其中，所述氣象資料資料庫，用於統計當地氣象資料，並按月份排列後輸出給定標參數資料庫；其中，所述當地氣象資料包括大氣溫度廓線、氣壓廓線和水汽壓廓線；所述定標參數資料庫212，用於存儲接收到的當地氣象資料，以及當地高頻譜解析度的大氣吸收係數、大氣平均輻射溫度和大氣質量因子，其中，所述大氣平均輻射溫度為不同地區、不同月份、不同頻率以及不同仰角的大氣平均輻射溫度。所述設定單元42，用於設定天頂方向晴空背景大氣不透明度；所述第一獲取單元43，用於從資料庫中獲取大氣平均輻射溫度；所述第一計算單元44，用於根據所述大氣不透明度和大氣平均輻射溫度計算天頂方向晴空背景的大氣亮溫；所述第二獲取單元45，用於獲取黑體定標源的輻射溫度；所述第二計算單元46，用於根據所述大氣亮溫和輻射溫度兩點定標，計算微波高光譜輻射計的所有通道的系統增益；所述第三計算單元47，用於根據所述系統增益計算所有定標波速照射方向的大氣不透明度；所述迭代計算單元48，用於對所述大氣不透明度進行迭代計算，獲得滿足晴空定標模型新的定標數據。可選的，所述迭代計算單元可以包括質量因子獲取單元，歸一化處理單元，系統計算單元，第一判斷單元，第二判斷單元，第一確定單元，斜率計算單元，發送單元和重新定標單元，其中，所述質量因子獲取單元，用於從資料庫中獲取大氣質量因子；所述歸一化處理單元，用於根據所述大氣質量因子對所述定標波束照射方向的大氣不透明度進行歸一化處理；所述系統計算單元，用於計算所述歸一化處理單元處歸一化處理後的曲線的係數；所述第一判斷單元，用於判斷所述系統是否大於定標預設值，並將大於等於定標預設值的判斷結果發送給第二判斷單元；將小於定標預設值的判斷結果發送給重新定標單元；所述第二判斷單元，用於在接收到大於等於定標預設值的判斷結果時，確定所述歸一化處理後的曲線為直線，並繼續判斷所述直線是否經過原點，並將經過原點的判斷結果發送給確定單元；將不經過原點的判斷結果發送給斜率計算單元；所述第一確定單元，用於在接收到所述經過原點的判斷結果時，將所述系統增益作為滿足晴空定標模型新的定標數據；所述斜率計算單元，用於在接收到所述不經過原點的判斷結果時，計算所述直線的斜率；所述發送單元，用於將所述斜率發送給設定單元；所述重新定標單元，用於在接收到所述小於定標預設值的判斷結果時，重新進行定標；所述設定單元，還用於根據將接收到的所述斜率作為新的天頂方向大氣不透明度；所述第二計算單元，還用於根據設定單元設定的新的天頂方向 大氣不透明度重新計算系統增益。其中，迭代計算單元的迭代計算過程為從資料庫中獲取大氣質量因子；根據所述大氣質量因子對所述定標波束照射方向的大氣不透明度進行歸一化處理；計算歸一化處理後的曲線的係數；如果所述係數大於等於定標預設值，則所述歸一化處理後的曲線為直線；判斷所述直線是否經過原點，如果是，將所述系統增益作為滿足晴空定標模型的定標數據；否則，計算所述直線的斜率，並將所述斜率設定為新的天頂方向大氣不透明度，重新計算系統增益；如果所述係數小於所述定標預設值，則重新進行定標。其中，在該實施例中，所述定標預設值可以為O. 995，但並不限於此，還可以在此基礎上，上下浮動O. 01-0. 1，本實施例不作限制。也就是說，根據所述大氣質量因子對所述定標波束照射方向的大氣不透明度進行歸一化，對歸一化後的曲線進行相關係數計算，若相關係數小於〈O. 995，則認為所測數據不符合晴空定標條件，需要微波輻射計重新進行定標；如果相關係數小於> O. 995，則可認為大氣不透明度歸一化後的曲線為直線；然後，判斷這條直線是否過原點，如果直線沒有過原點，則計算直線的斜率k ;將直線的斜率k設定為新的天頂方向大氣不透明度；如果直線過原點，則滿足大氣微波高光譜晴空定標模型，跳出迭代循環；將微波輻射計系統增益作為新的定標數據存入微波高光譜輻射計的數字處理與控制裝置中。可選的，所述微波高光譜晴空定標裝置還可以包括傳輸單元，用於將迭代計算單元得到的滿足晴空定標模型新的定標數據傳輸到所述微波高光譜數字處理與控制裝置中。其中，在該實施例中，微波高光譜晴空定標單元143工作時的定標波束示意圖如圖5所示，圖5為本發明實施例提供的微波高光譜晴空定標單元工作時的定標波束示意圖。通過快速測量幾個天空仰角的大氣輻射，同時調整定標參數直到輻射計的系統輸出符合當地的大氣微波高光譜定標模型，從而得到輻射計各通道的系統增益。比如，定標波束的波束寬度為10度，天空仰角的角度誤差小於O. I度。所述定標波束用於測量晴空背景的輻射溫度，作為微波輻射計兩點定標中的冷定標源，並將測量的輻射溫度傳輸給微波高光譜晴空定標單元進行定標計算，其計算的過程詳見下述。
也就是說，本實施例中的所述微波高光譜晴空定標單元可以通過微波高光譜晴空定標模型中所述微波高光譜晴空定標軟體來實現，其中，該微波高光譜晴空定標軟體基於微波高光譜晴空定標模型實現，該模型根據所在地區十年以上的氣象統計數據建立。在微波高光譜晴空定標模型中，通過統計高光譜大氣平均輻射溫度和高光譜大氣等效高度這兩個參數來區分地區。它們由當地氣象局獲得的氣象資料得到，所需氣象資料包括氣溫廓線、氣壓廓線和水汽壓廓線。所述微波高光譜晴空定標軟體可以通過資料庫和晴空定標模塊來實現，也就是說，設定單元，第一獲取單元，第一計算單元，第二獲取單元，第二計算單元、第三計算單元和迭代計算單元可以集成在定標模塊中。其中，所述資料庫包括氣象資料資料庫和定標參數資料庫。其中，所述氣象資料資料庫，用於存儲某地區(比如北京市等)氣象局公開的大氣溫度廓線、氣壓廓線和水汽壓廓線，它基於近1989 2011年的大氣廓線數據統計而成。也就是說，氣象資料資料庫用於統計當地氣象資料，並按月份排列後輸出給所述定標參數資料庫。
所述定標參數資料庫，用於存儲某地區(由北京市等)高頻譜解析度的大氣吸收係數、大氣平均輻射溫度和大氣質量因子組成。其中，大氣吸收係數Ka可以採用大氣MPM模型，由氧氣與水氣的線性譜線擬合近似得到的；其中，大氣吸收係數Ka的計算公式為Ka(f) =0. 1820fN " (f)(I)其中，f為微波高光譜下的頻率參數，N " (f)為大氣復折射率的虛部，在晴空天氣條件下，它包括了氧氣、水氣線性譜線的貢獻；所述氧氣與水氣的線性譜線的貢獻計算具體如下
4434~/)=Σ*·νΓ(.Α+Σ*￥Γ(/),
減(2)其中，Si表示第i條譜線的強度(KHz)，F(f)i是對應譜線的譜形函數(GHz—1)，f,為第i條譜線的頻率。對於氧氣吸收譜Si=IO^a1P Θ 3exp [a2 (I- Θ t) ] (3)
f I /.->I -f /ΛU )i =J..................￡...............................— -ZJ...............￡.............................]
/ γτ >%/ττS V
Ji Ji J iTi JilIi (4)其中K =10—%(/^廣—- + Ι. ^}(5) Si S= I (廣("；+ αβ, )ρθ^⑷θ t=300/(t+273. 15)(7)對於水氣吸收譜Si. =10K3exp[%(卜 <9,)](8)
權利要求
1.一種微波高光譜輻射計，其特徵在於，包括 微波反射鏡裝置，受控於轉動平臺控制裝置，用於掃描並反射大氣輻射信號給接收天線裝置； 接收天線裝置，用於接收所述大氣輻射信號，並將所述大氣輻射信號輸出至微波高光譜接收機裝置； 轉動平臺裝置，用於控制所述微波反射鏡裝置的旋轉角度，以便於所述微波反射鏡裝置與所述接收天線裝置的中心一致；以及改變接收天線裝置的工作波束指向，實現對不同仰角大氣輻射譜線的測量，並將測量的角度信息傳輸至所述微波高光譜數字處理與控制裝置； 微波高光譜晴空定標裝置，用於通過所述微波反射鏡裝置指向的特定天空仰角控制定標波束，測量晴空背景下所有定標波速的大氣輻射溫度，並計算所述大氣輻射溫度的大氣平均輻射溫度；所述大氣平均輻射溫度為不同地區、不同月份、不同頻率以及不同仰角的大氣平均輻射溫度；根據設定天頂方向晴空背景的大氣不透明度和所述大氣平均輻射溫度計算天頂方向晴空背景的大氣亮溫；測量黑體定標源的輻射溫度；根據所述大氣亮溫和輻射溫度進行兩點定標，計算微波高光譜輻射計的所有通道的系統增益；根據所述系統增益計算所有定標波速照射方向的大氣不透明度；對所述大氣不透明度進行迭代計算，獲得滿足晴空定標模型新的定標數據； 微波高光譜接收機裝置，用於接收所述接收天線裝置輸入的高頻信號，對所述高頻信號進行頻段劃分，並將頻段劃分的所述高頻信號下變頻為第一中頻信號，放大所述第一中頻信號，以及將放大後的所述第一中頻信號等功率劃分為多路中頻信號，並對所述多路中頻信號中的每路中頻信號進行頻段劃分後進行平方率檢波，得到帶有天空亮溫信息的電壓信號，放大並輸出所述電壓信號至微波高光譜數字處理與控制裝置； 恆溫裝置，用於使所述微波高光譜接收機裝置工作於恆定溫度； 微波高光譜數字處理與控制裝置，用於接收所述微波高光譜接收機裝置輸出的帶有天空亮溫信息的電壓信號，以及採集大氣廓線反演所需的實時地表氣象數據，所述地表氣象數據包括微波高光譜晴空定標裝置中黑體定標源的輻射溫度和大氣的絕對壓強；並將所述電壓信號以及地表氣象數據反演為氣象參數曲線。
2.根據權利要求I所述的微波高光譜輻射計，其特徵在於，所述轉動平臺控制裝置包括 伺服電機，用於控制微波反射鏡裝置的旋轉； 俯仰角定位儀，用於實時測量所述微波反射鏡裝置的旋轉角度，並將測量的角度信息傳輸至所述微波高光譜數字處理與系統控制裝置。
3.根據權利要求I所述的微波高光譜輻射計，其特徵在於，所述微波高光譜晴空測量裝置包括黑體定標源單元、定標波束控制單元和微波高光譜晴空定標單元，其中， 所述黑體定標源單元，用於作為微波高光譜輻射計兩點定標中的熱定標源，提供大氣的輻射溫度，所述輻射溫度取決於自身的物理溫度，所述物理溫度通過微波高光譜輻射計數字處理與控制裝置中的溫度傳感器採集得到；並將所述物理溫度發送所述微波高光譜晴空定標裝置； 所述定標波束控制單元，用於作為微波輻射計兩點定標中的冷定標源；通過微波高光譜輻射計的微波反射鏡指向的九個特定天空仰角控制定標波束，並測量晴空背景下所有定標波速的大氣輻射溫度，並計算所述大氣輻射溫度的大氣平均輻射溫度；將所述大氣平均輻射溫度發送給所述微波高光譜晴空定標裝置；其中，所述大氣平均輻射溫度為不同地區、不同月份、不同頻率以及不同仰角的大氣平均輻射溫度； 所述微波高光譜晴空定標單元，用於設定天頂方向晴空背景的大氣不透明度；根據所述大氣不透明度和所述定標波束控制單元發送的大氣平均輻射溫度計算天頂方向晴空背景的大氣亮溫；獲取黑體定標源的輻射溫度；根據所述大氣亮溫和輻射溫度進行兩點定標，計算微波高光譜輻射計的所有通道的系統增益；根據所述系統增益計算所有定標波速照射方向的大氣不透明度；對所述大氣不透明度進行迭代計算，獲得滿足晴空定標模型新的定標數據。
4.根據權利要求3所述的微波高光譜輻射計，其特徵在於，所述微波高光譜晴空定標單元包括 資料庫，用於存儲氣象數據和定標參數數據，其中，所述定標參數數據包括大氣平均輻射溫度、大氣質量因子以及晴空定標模型的定標數據；其中，所述大氣平均輻射溫度為不同地區、不同月份、不同頻率以及不同仰角的大氣平均輻射溫度； 設定單元，用於設定天頂方向晴空背景大氣不透明度； 第一獲取單元，用於從資料庫中獲取大氣平均輻射溫度； 第一計算單元，用於根據所述大氣不透明度和大氣平均輻射溫度計算天頂方向晴空背景的大氣亮溫； 第二獲取單元，用於獲取黑體定標源的輻射溫度； 第二計算單元，用於根據所述大氣亮溫和輻射溫度兩點定標，計算微波高光譜輻射計的所有通道的系統增益； 第三計算單元，用於根據所述系統增益計算所有定標波速照射方向的大氣不透明度；迭代計算單元，用於對所述大氣不透明度進行迭代計算，獲得滿足晴空定標模型新的定標數據。
5.根據權利要求4所述的微波高光譜輻射計，其特徵在於，所述迭代計算單元包括 質量因子獲取單元，用於從資料庫中獲取大氣質量因子； 歸一化處理單元，用於根據所述大氣質量因子對所述定標波束照射方向的大氣不透明度進行歸一化處理； 系統計算單元，用於計算所述歸一化處理單元處歸一化處理後的曲線的係數； 第一判斷單元，用於判斷所述系統是否大於定標預設值，並將大於等於定標預設值的判斷結果發送給第二判斷單元；將小於定標預設值的判斷結果發送給重新定標單元； 第二判斷單元，用於在接收到大於等於定標預設值的判斷結果時，確定所述歸一化處理後的曲線為直線，並繼續判斷所述直線是否經過原點，並將經過原點的判斷結果發送給確定單元；將不經過原點的判斷結果發送給斜率計算單元； 第一確定單元，用於在接收到所述經過原點的判斷結果時，將所述系統增益作為滿足晴空定標模型新的定標數據； 斜率計算單元，用於在接收到所述不經過原點的判斷結果時，計算所述直線的斜率； 發送單元，用於將所述斜率發送給設定單元； 重新定標單元，用於在接收到所述小於定標預設值的判斷結果時，重新進行定標；所述設定單元，還用於根據將接收到的所述斜率作為新的天頂方向大氣不透明度； 所述第二計算單元，還用於根據設定單元設定的新的天頂方向大氣不透明度重新計算系統增益。
6.根據權利要求4或5所述的微波高光譜輻射計，其特徵在於，所述晴空測量裝置還包括 傳輸單元，用於將迭代計算單元得到的滿足晴空定標模型新的定標數據傳輸到所述數字處理與系統控制裝置中。
7.根據權利要求4所述的微波高光譜輻射計，其特徵在於，所述資料庫包括氣象資料資料庫和定標參數資料庫，其中， 所述氣象資料資料庫，用於統計當地氣象資料，並按月份排列後輸出給定標參數資料庫；其中，所述當地氣象資料包括大氣溫度廓線、氣壓廓線和水汽壓廓線； 所述定標參數資料庫，用於存儲接收到的當地氣象資料，以及當地高頻譜解析度的大氣吸收係數、大氣平均輻射溫度和大氣質量因子，其中，所述大氣平均輻射溫度為不同地區、不同月份、不同頻率以及不同仰角的大氣平均輻射溫度。
8.根據權利要求I所述的微波高光譜輻射計，其特徵在於，所述微波高光譜接收機裝置包括 一級接收裝置，用於接收接收天線裝置輸入的大氣輻射信號，所述大氣輻射信號為高頻信號，對所述高頻信號進行頻段劃分，並將頻段劃分的所述高頻信號下變頻為第一中頻信號，放大輸出所述第一中頻信號至所述二級接收裝置； 二級接收裝置，用於接收放大後的所述第一中頻信號，將所述第一中頻信號等功率劃分為多路中頻信號，並對所述多路中頻信號中的每路中頻信號進行頻段劃分後進行平方率檢波，得到帶有天空亮溫信息的電壓信號，放大並輸出所述電壓信號。
9.根據權利要求8所述的微波高光譜輻射計，其特徵在於，所述一級接收裝置包括高頻放大單元、鏡像噪聲濾波單元、下變頻單元和中頻放大單元，其中， 所述高頻放大單元，用於接收天線輸入的高頻信號，放大並輸出所述高頻信號； 所述鏡像噪聲濾波單元，用於對高頻放大單元產生的額外噪聲分量進行濾波；對將要輸出給下變頻單元的高頻信號進行預濾波，抑制鏡像噪聲；以及接收下變頻單元發出的控制信號，根據所述控制信號控制所述高頻信號輸出至對應的腔體濾波器中； 所述下變頻單元，用於接收所述鏡像噪聲濾波單元預濾波後的高頻信號，對所述高頻信號進行頻段劃分，並將頻段劃分的所述高頻信號進行下變頻處理，得到第一中頻信號，輸出所述第一中頻信號； 所述中頻放大單元，用於接收並放大所述第一中頻信號，輸出所述放大的第一中頻信號至所述二級接收裝置。
10.根據權利要求9所述的微波高光譜輻射計，其特徵在於所述鏡像噪聲濾波單元包括第一微波開關、第二微波開關，以及多個多階帶通濾波器，其中，每個多階帶通濾波器的一端連接有第一微波開關，另一端連接有第二微波開關，所述第一微波開關還與高頻放大模塊和頻率合成器連接，所述第二微波開關還與下變頻模塊中的下變頻器和頻率合成器連接；第一微波開關的開和關，以及第二微波開關的開和關，受所述頻率合成器輸出的控制信號的控制。
11.根據權利要求9所述的微波高光譜輻射計，其特徵在於所述下變頻單元包括頻率合成器和下變頻器，其中， 所述頻率合成器，用於生成不同頻率的本振信號，並輸出所述本振信號給所述下變頻器；以及生成控制信號，將所述控制信號輸出至所述鏡像噪聲濾波單元； 所述下變頻器，用於根據所述本振信號對所述高頻放大模塊輸出的高頻信號進行下變頻處理，得到第一中頻信號，並將所述第一中頻信號輸出給中頻放大單元。
12.根據權利要求11所述的微波高光譜輻射計，其特徵在於所述頻率合成器包括鎖相模塊和倍頻模塊；其中， 所述鎖相模塊，用於將低頻的參考頻率源提供的參考頻率倍頻至中頻頻段； 所述倍頻模塊，用於依據頻率合成器的所需的輸出頻率，根據所述參考頻率選取低頻倍頻通路或高頻倍頻通路，輸出滿足預設帶寬的本振信號。
13.根據權利要求12所述的微波高光譜輻射計，其特徵在於，所述鎖相模塊包括參考頻率源、數字分頻器、鑑相器和壓控振蕩器，其中， 所述參考頻率源，用於提供標準的參考頻率； 所述數字分頻器，用於提供不同分頻比，以所述參考頻率源提供的參考頻率為頻率步進，在所述鑑相器配合下控制所述壓控振蕩器的輸出頻率。
14.根據權利要求12所述的微波高光譜輻射計，其特徵在於，所述倍頻模塊包括 第一二倍頻器、第一單刀雙擲開關、第二單刀雙擲開關、第一帶通濾波器、第二二倍頻器、第二帶通濾波器、本振放大器和低通濾波器；其中，所述第一帶通濾波器與第二二倍頻器形成高頻倍頻通路，第二帶通倍頻器形成低頻倍頻通路，其中， 所述第一二倍頻器，用於將所述鎖相模塊的輸出信號進行倍頻； 所述第一單刀雙擲開關，用於控制所述第一二倍頻器輸出的信號輸出至所述第一帶通濾波器或第二帶通濾波器； 所述第一帶通濾波器，用於濾取接收到信號的低頻信號，並將所述低頻信號輸出至所述第二二倍頻器； 所述第二二倍頻器對接收到的低頻信號進行倍頻後輸出至所述第二單刀雙擲開關；所述第二帶通濾波器，用於濾取所述鎖相模塊輸出的高頻信號，並將所述高頻信號輸出至所述第二單刀雙擲開關； 所述第二單刀雙擲開關，用於控制所述第二二倍頻器發送的信號或所述第二帶通濾波器發送的信號輸出至本振放大器； 所述本振放大器，用於接收並放大所述第二單刀雙擲開關輸入的本振信號； 所述第一低通濾波器，用於濾取所述低頻倍頻通路或高頻倍頻通路所產生的額外噪聲分量，輸出本振信號至所述下變頻器。
15.根據權利要求8至14任一項所述的微波高光譜輻射計，其特徵在於，所述二級接收裝置包括 功分單元，用於將一級接收裝置輸出的第一中頻信號等功率劃分為多路中頻信號，並通過多路通道輸出所述多路中頻信號至腔體濾波單元組； 腔體濾波單元組，用於對接收到的每路中頻信號進行頻段劃分，並將頻段劃分後的中頻信號輸出至平方率檢波單元組；平方率檢波單元組，用於對接收到頻段劃分後的每路中頻信號進行平方率檢波，控制輸出帶有天空亮溫信息的電壓信號的帶寬； 視頻放大單元，用於對接收到平方率檢波模塊組輸出的電壓信號進行放大，並將放大後的電壓信號輸出至氣象信息至微波高光譜數字處理與控制裝置。
16.根據權利要求15所述的微波高光譜輻射計，其特徵在於 所述腔體濾波單元組包括多個腔體濾波器，每個腔體濾波器為七階橢圓腔體濾波器；所述平方率檢波單元組包括多個檢波器，每個檢波器為二極體檢波器；其中，所述腔體濾波器和檢波器的個數相同； 所述視頻放大模塊包括級聯的兩級運算放大器。
17.根據權利要求I所述的微波高光譜輻射計，其特徵在於所述微波高光譜數字處理與控制裝置包括 採集單元，用於採集微波高光譜輻射計中微波高光譜接收機單元輸出的帶有天空亮溫信息的電壓信號以及大氣廓線反演所需的實時地表氣象數據；並將所述電壓信號和地表氣象數據傳輸給所述微波高光譜數字處理裝置；其中，所述地表氣象數據包括微波高光譜晴空定標裝置中黑體定標源的輻射溫度、大氣的絕對壓強； 微波高光譜數字處理單元，用於接收採集單元發送的帶有天空亮溫信息的電壓信號以及大氣廓線反演所需的實時地表氣象數據；並將所述電壓信號以及地表氣象數據反演為氣象參數曲線。
18.根據權利要求17所述的微波高光譜輻射計，其特徵在於，所述採集單元包括 高速數據採集單元，用於採集微波高光譜接收機單元輸出的帶有天空亮溫信息的電壓信號; 全球定位單元，用於測量全球定位系統GPS數據，以便於對時鐘進行定位； 溫溼度傳感單元，用於檢測地表的溫度、溼度信息； 氣壓傳感單元，用於檢測地表的氣壓信息。
19.根據權利要求17所述的微波高光譜輻射計，其特徵在於，所述微波高光譜數字處理單元包括 神經網絡數據處理單元，用於獲取當地氣象局多年公開的大氣溫度廓線、氣壓廓線和水汽壓廓線；將所述大氣溫度廓線、氣壓廓線和水汽壓廓線換算為第一大氣亮溫矩陣；並對所述第一大氣亮溫矩陣進行頻譜壓縮，得到壓縮後的第一大氣亮溫矩陣；以及利用神經網絡算法對壓縮後的第一大氣亮溫矩陣進行訓練處理，得到反演單元所需的已訓練的微波高光譜神經網絡，並存儲所述已訓練的微波高光譜神經網絡； 反演單元，用於根據所述神經網絡數據處理單元已訓練的微波高光譜神經網絡將所述採集單元採集到的帶有天空亮溫信息的電壓信號以及大氣廓線反演所需的實時地表氣象數據反演為氣象參數曲線或大氣廓線。
20.根據權利要求19所述的微波高光譜輻射計，其特徵在於，所述神經網絡數據處理單元包括 廓線收集單元，用於統計當地氣象局多年公開的大氣溫度廓線、氣壓廓線和水汽壓廓線. 亮溫模擬單元，用於將統計的所述大氣溫度廓線、氣壓廓線和水汽壓廓線換算為大第一氣亮溫矩陣；所述第一大氣亮溫矩陣包括多年的高頻譜解析度的大氣亮溫信息； 第一微波高光譜信息壓縮單元，用於對所述亮溫模擬單元輸出的第一大氣亮溫矩陣進行頻譜壓縮，得到壓縮後的第一大氣亮溫矩陣； 神經網絡訓練單元，用於利用神經網絡算法根據所述大氣溫度廓線、氣壓廓線和水汽壓廓線對壓縮後第一大氣亮溫矩陣進行訓練處理，得到反演單元所需已訓練的微波高光譜神經網絡，並存儲所述已訓練的微波高光譜神經網絡。
21.根據權利要求20所述的微波高光譜輻射計，其特徵在於，所述神經網絡訓練單元包括 輸入埠，用於輸入所述廓線收集單元所統計的當地大氣溫度廓線、氣壓廓線和水汽壓廓線； 神經元，用於通過設定的神經網絡利用輸入埠輸入的大氣溫度廓線、氣壓廓線和水汽壓廓線對壓縮後的第一大氣亮溫矩陣進行迭代收斂，得到反演單元所需已訓練的微波高光譜神經網絡； 輸出埠，用於輸出所述神經元迭代收斂後的已訓練的神經網絡。
22.根據權利要求19所述的微波高光譜輻射計，其特徵在於，所述反演單元包括 亮溫數據處理單元，用於獲取所述採集單元採集的大氣亮溫信息，根據所述大氣亮溫信息，產生第二大氣亮溫矩陣，並將所述第二大氣亮溫矩陣傳輸給第二微波高光譜信息壓縮單元； 第二微波高光譜信息壓縮單元，對所述亮溫數據處理單元輸出的第二大氣亮溫矩陣進行頻譜壓縮，得到壓縮後的第二大氣亮溫矩陣； 神經網絡處理單元，用於根據所述神經網絡訓練單元已訓練的微波高光譜神經網絡將所述第二大氣亮溫矩陣反演為氣象參數曲線或大氣廓線。
23.根據權利要求17至22任一項所述的微波高光譜輻射計，其特徵在於，所述微波高光譜數字處理與控制裝置還包括 控制單元，用於在所述採集單元採集到所述電壓信號以及地表氣象數據之前，啟動所述轉動平臺控制裝置控制微波反射鏡裝置的旋轉角度；並控制所述微波高光譜接收機單元中一級接收機的頻段通道選擇；以及控制微波高光譜輻射計的人工操作或自動化操作。
24.根據權利要求23所述的微波高光譜輻射計，其特徵在於，所述控制單元包括轉動平臺控制單元，用於控制微波反射鏡單元轉動到指定仰度和方位角，以便於所述微波反射鏡單元與所述微波高光譜接收機單元連接的接收天線單元的中心一致； 接收機控制單元，用於控制微波高光譜接收機裝置中一級接收機的頻段劃分； 現場操作單元，用於對微波高光譜輻射計的前置面板直接進行操作。
25.根據權利要求17至22任一項所述的微波高光譜輻射計，其特徵在於，所述微波高光譜數字處理與控制裝置還包括 遠程操作控制單元，用於在所述採集單元採集微波高光譜輻射計輸出的帶有天空亮溫信息的電壓信號以及大氣廓線反演所需的實時地表氣象數據之前，接收遠程發送的控制信號，根據所述控制信號控制所述微波反射鏡裝置的轉動角度；以及控制所述微波高光譜接收機裝置中一級接收機的頻段通道選擇；以及控制微波高光譜輻射計的人工操作或自動化操作。
全文摘要
本發明提供一種微波高光譜輻射計，利用一套轉動平臺裝置調整微波反射鏡裝置的旋轉角度，用於改變接收天線裝置的工作波束指向，實現對不同仰角大氣輻射譜線的測量。入射的微波能量通過微波反射鏡裝置反射到接收天線裝置內，通過將微波反射鏡裝置進行360度旋轉，改變天線波束的指向。此時天線波束的仰角可由俯仰角定位儀精確測得；當計算機或者遠程計算機發出一系列微波輻射計的觀測指令後，轉動平臺裝置指示微波反射鏡裝置轉動到指定的仰角和方位角。微波高光譜數字處理與控制裝置將設置微波高光譜接收機裝置到所需通道，同時命令微波高光譜接收機裝置開始觀測天空，然後將觀測到的數據傳入計算機或遠程計算機中，以將其反演為氣象參數曲線。
文檔編號G01J5/02GK102829874SQ20121029893
公開日2012年12月19日 申請日期2012年8月21日 優先權日2012年8月21日
發明者苗俊剛, 謝衍, 鄭成, 趙海博 申請人:北京琨奇電子系統有限公司