阅读说明：本技术 基于变温源天线口面定标的地基微波辐射计系统及其定标方法 (Foundation microwave radiometer system based on variable-temperature source antenna aperture surface calibration and calibration method thereof ) 是由 苏兴华 左惠文 李义龙 王暐 于 2020-11-03 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种基于变温源天线口面定标的地基微波辐射计系统及其定标方法,系统包括：天线反射面、变温定标源、中间链路,包括极化分离装置及馈源、多通道接收机以及下位机。其中,变温定标源用于在定标过程提供不同温度。该系统定标时通过下位机精确控制天线线口面指向变温源并控制其适时温度,实现至少二个变高温点下接收通道电压数据,并进行相应计算公式得到适用定标方程。(The invention provides a foundation microwave radiometer system based on variable-temperature source antenna aperture calibration and a calibration method thereof, wherein the system comprises the following steps: the antenna comprises an antenna reflecting surface, a variable-temperature calibration source and an intermediate link, and comprises a polarization separation device, a feed source, a multi-channel receiver and a lower computer. Wherein, the variable temperature calibration source is used for providing different temperatures in the calibration process. In the system, the lower computer accurately controls the antenna port surface to point to the variable temperature source and controls the timely temperature of the variable temperature source, so that the voltage data of the receiving channel at least two variable temperature points is realized, and a corresponding calculation formula is carried out to obtain an applicable calibration equation.)

基于变温源天线口面定标的地基微波辐射计系统及其定标 方法

技术领域

本发明涉及地基微波遥感设备领域，特别涉及一种基于变温源天线口面定标的地基微波辐射计系统及其定标方法。

背景技术

地基微波辐射计是利用被动的接收各个高度传来的大气辐射的微波信号来判断大气温度、湿度变化的地基微波遥感设备，其对中小尺度天气现象，如暴风雨、闪电、强降雨、雾、冰冻及边界层紊流具有重要的检测作用。地基微波辐射计在对流层剖面的温度、湿度和液态水，天气和气候模型研究，卫星追踪(GPS，伽利略)湿/干延迟和湿度廓线，临近预报大气稳定性(灾害性天气检测)，温度反演检测、雾、空气污染，绝对校准云雷达，湿/干延迟改正VLBI有着重要应用，已成为探空气球与天气雷达外的重要检测手段。地基微波辐射计由于其具有独立工作能力，且能够在几乎各种环境条件工作，适合于自动天气站，常用于反演完整的大气廓线，反演数据和原始数据全部保存，可提供完备的顾客定制或全球标准算法。

地基微波辐射计遥测的电压信号与其目标信号存在一定关系，合适的定标方法可精确确定其对应关系。地基微波辐射计定标操作是确定目标特性与数据采集的基本方法，以获取目标特性与数据采集线性关系方程。

一般的地基辐射计常规天线口面定标必须外带外置的液氮冷源，参考图1所示，通过天线转动使其对准液氮冷源和对准内置常温源获取二点的接收数据并通过复杂的温度变换来得到定标方程。由于液氮冷源在高湿环境下其表面容易结霜及水珠，均对其定标精度造成影响。另外地基微波辐射计因使用于地面环境，选择空旷高地(如小山丘)，父无遮挡对天观察，且长期无人执守。很多场合无法满足于液氮的基本条件。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于变温源天线口面定标的地基微波辐射计系统及其定标方法，以解决现有的地基辐射计常规天线口面定标技术所存在的需要复杂的液氮冷源计算、容易出现误差及难以满足液氮基本条件的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于变温源天线口面定标的地基微波辐射计系统，包括：

天线反射面，用于接收地表上方大气的水汽、氧气及/或特定目标的微波辐射信号；

变温源，用于在定标过程提供所述天线反射面所需的不同温度；

中间链路及K、V多通道接收机，包括极化分离装置及馈源，所述极化分离装置用于处理所述微波辐射信号进行分频检波得到第一波段信号及第二波段信号，所述馈源分别将所述第一波段信号及第二波段信号送入K多通道接收机及V多通道接收机；以及

下位机，用于接收来自所述K多通道接收机及V多通道接收机接收的数据，以及精确控制所述天线反射面的天线口面指向所述变温源并控制其温度。

较佳地，还包括驱动机构，用于在所述下位机的控制下驱动所述天线反射面转动。

较佳地，所述变温定标源包括：透波窗、尖锥阵列、加热板、金属内框、隔热层及金属外框所述尖锥阵列的下发设有加热板，所述透波窗设于所述尖锥阵列上方，所述尖锥阵列设置于所述加热板上，所述金属内框呈“∪”型并配合所述透波窗包覆所述尖锥阵列及加热板，所述隔热层设置于所述金属内框外侧，所述金属外框设于所述隔热层外侧。

较佳地，所述变温定标源中的尖锥阵列的尖锥为高热导的碳化硅复合材料结构，并且外表面加设透波保护材料。

较佳地，所述变温定标源中的传感器设置于所述尖锥内。

较佳地，所述多波段信号包括第一波段信号及第二波段信号；所述多通道接收机包括K通道接收机及V通道接收机，所述馈源用于分别将所述第一波段信号及第二波段信号送入所述K通道接收机及V通道接收机；所述下位机用于接收来自所述K通道接收机及V通道接收机接收的数据。

本发明还提供了一种基于变温源天线口面定标的地基微波辐射计系统的定标方法，应用上面所述的基于变温源天线口面定标的地基微波辐射计系统进行定标，包括以下步骤：

步骤1：所述变温定标源进行第一高温的天线口面定标：

所述下位机控制所述天线反射面指向内置的所述变温定标源，下位机对所述变温定标源进行加热控制，使其恒定于第一高温值Th1，直接读取相应的多通道接收机检波电压Vh1及第一高温值Th1；

步骤2：所述变温定标源进行第二高温的天线口面定标：

所述天线反射面仍指向内置的所述变温定标源，下位机对所述变温定标源进行加热控制，使其恒定于第二高温值Th2，直接读取相应的多通道接收机检波电压Vh2及高温Th2；

步骤3：根据步骤1、2结果，确定定标方程系数：

其中，K为定标增益系数；G为全链路亮温电压转换系数；L为中间链路插损；

得到定标方程：

Ta＝K×V+b；

其中，Ta为目标亮温；K为增益系数；b为带中间链路的接收系统等效亮温，V为遥测电压值；

这里T0为常温；Trec为接收机等效亮温。

本发明中的变温源是其关键件，采用高热导碳化硅复合材料结构，并且外表面加透波保护材料，从而保证快速升温同时，其全波段辐射率均在0.999以上，高精度内置式测温传感器充分反映尖锥辐射体的温度。

由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，本发明具有以下的优点和积极效果：

1)规避了外置液氮冷源定标的复杂程度及引入的结霜、水珠影响以及等效计算误差。

TC＝TE-0.00825×(1013.25-PE)

(TC：液氮冷源等效温度；TE：地表环境温度；PE：地表大气压)

2)通过多温度点的定标测试，还可以检验系统的线性度。

附图说明

图1为常规地基微波辐射计天线口面冷热源外定标；

图2为本发明提供的地基微波辐射计变温源天线口面定标；

图3为本发明提供的关键组件-变温源的结构；

图4为本发明提供的地基微波辐射计定标时序设定；

图5为常规线性度测量示意图；

图6为本发明提供的地基微波辐射计线性度测量时序设定。

具体实施方式

以下将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述和讨论，显然，这里所描述的仅仅是本发明的一部分实例，并不是全部的实例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

为了便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例作进一步的解释说明，且各个实施例不构成对本发明实施例的限定。

本实施例提供了一种基于变温源天线口面定标的地基微波辐射计系统及其定标方法，具体地，参考图2所示，该系统包括：

天线反射面，用于接收地表上方大气的水汽、氧气及/或特定目标的微波辐射信号；

变温定标源，用于在定标过程提供天线反射面所需的不同温度；

中间链路，包括极化分离装置及馈源，极化分离装置用于处理微波辐射信号进行分频检波得到预设波段数的多波段信号并由馈源进行馈送；

多通道接收机，用于接收来自所述馈源馈送的多波段信号；以及

下位机，用于接收来自多通道接收机接收的数据，以及精确控制天线反射面的天线口面指向变温定标源并控制其温度。

其中，参考图2，该系统的中间链路部分及接收机部分设置在恒温接收系统(温度为T0)中。此外，该系统还包括驱动机构，用于在下位机的控制下驱动天线反射面转动，从而使其天线口面朝向需要的方向。

参考图3所示，本实施例提供的变温定标源包括：透波窗31、尖锥阵列32、加热板33、金属内框34、隔热层35及金属外框36。其中，加热板33设置于尖锥阵列的下方，透波窗31设于尖锥阵列32的上方，尖锥阵列32设置于加热板33上，金属内框34呈“∪”型，并配合透波窗31包覆尖锥阵列32及加热板33，隔热层35设置于金属内框34的外侧，金属外框36设于隔热层35的外侧。变温定标源中的尖锥阵列32的尖锥为高热导的碳化硅复合材料结构，并且外表面加设透波保护材料。变温定标源中的传感器37设置于尖锥内，这里注意每个尖锥内均设有传感器。本实施例中采用的内埋式传感器，相比如常规的常温源(传感器为表面式，即传感器设置在尖锥外部，且尖锥外表面无透波材料，常温源也未设置加热板、金属内框和隔热层)，具有更准确的感温性能。

进一步地，本实施例中处理后的多波段信号包括第一波段信号及第二波段信号；相应地，再次参考图2所示，这里的多通道接收机包括K通道接收机及V通道接收机，馈源对应分为K波段馈源及V波段馈源，用于分别将第一波段信号及第二波段信号送入K通道接收机及V通道接收机；下位机用于接收来自K通道接收机及V通道接收机接收的数据，并将数据转发至地基辐射计支撑平台，同时在定标操作时也接收来自地基辐射计支撑平台的操作指令。

本实施例还提供了一种基于变温源天线口面定标的地基微波辐射计系统的定标方法，应用上述的基于变温源天线口面定标的地基微波辐射计系统进行定标，包括以下步骤：

步骤1：变温定标源进行第一高温的天线口面定标：

下位机控制天线反射面指向内置的变温定标源，下位机对变温定标源进行加热控制，使其恒定于第一高温值Th1，直接读取相应的多通道接收机检波电压Vh1及第一高温值Th1；

步骤2：变温定标源进行第二高温的天线口面定标：

所述天线反射面仍指向内置的所述变温定标源，下位机对所述变温定标源进行加热控制，使其恒定于第二高温值Th2，直接读取相应的多通道接收机检波电压Vh2及高温Th2；

步骤3：根据步骤1、2结果，确定定标方程系数：

其中，K为定标增益系数；G为全链路亮温电压转换系数；L为中间链路插损；

得到定标方程：

Ta＝K×V+b；

其中，Ta为目标亮温；K为增益系数；b为带中间链路的接收系统等效亮温，V为遥测电压值；

这里T0为常温；Trec为接收机等效亮温。

该地基微波辐射计系统安置于地表，主要接收地表上方大气的水汽和氧气或特定目标的微波辐射信号，信号经过天线口面收集，转入馈源、波导结构件、隔离等无源组件后再进入辐射计微波接收机系统完成接收、放大、分频检波、AD数据采集过程，最后经过通道数据反演得到大气温湿廓线或特定目标特性。

本发明的地基辐射计在传统内置常温源源处替换成变温源，定标过程不需外置冷源配合，仅通过精确控制变温源温度，并经过多次数据采集和方法运算，就完成其定标过程，不需要复杂的液氮冷源计算，也同样消除了不必要的误差。本发明地基微波辐射计彻底解决了原辐射计的外场液氮定标难题，适用于所有应用场合的适时定标。

下面结合具体应用例，对该地基微波辐射计系统的定标操作过程进行详细说明。

应用例1：地基微波辐射计定标操作

原则上，地基微波辐射计任何场地移动，开机前均需进行系统定标，系统定标的基本要求是确定从0级电压数据转换成1级亮温数据的对应关系。在一般情况下，辐射计接收机设计时已经对其线性度要求达99.99％，因而两点外定标就可确定定标方程：Ta＝K×V+b。

地基微波辐射计开机后或其遥测的中间过程，恒温接收系统稳定工作一段时间(正常监控T₀值波动小于0.03℃)。由地基辐射计主控计算机界面发送指令，要求下位机引导地基微波辐射计进入定标状态，地基辐射计下位机随即响应指令要求，并引导俯仰步进电机转动天线口面向下指向正下方的变温源，如图2所示。

地基辐射计主控计算机界面出现相应两点变温源温度设定Th1(大于等于目前变温源传感器实际遥测值；缺省值为当前遥测值)、Th2(大于Th1；缺省为变温源最高温度值)及其定标段维持时间T；如图4所示。

下位机对变温源进行加热控制，使其恒定于温度值Th1，并保持T时段，且直接读取相应接收机检波电压Vh1i，并将检波电压遥测信号以及温度遥测值上传给平台的主控计算机。

在完成对Th1温度下T时段电压遥测数据读取之后；下位机自动按最大加热模式和自动恒温保持程序对变温源加热，使其以最快时间达到变温温度Th2，并进行恒温保持。

当其自动判定为恒温保持状态后，直接保持T时段，并读取相应接收机检波电压Vh2i，并将检波电压遥测信号以及温度遥测值上传给平台的主控计算机。

下位机完成上述操作后，在没有新的主控计算机指令前，将释放对变温源温度保持控制，使基缓慢降至外界常温。(考虑制作的复杂性，本变温源未加下变温的制冷操作，因而仅为上变温定标操作；增加制冷控制的变温源可以实现下变温定标操作)。

与此同时，主控计算机根据下位机的状态指令及时间段的所有遥测检波电压均值确定为定标电压，其对应时段变温源温度传感器遥测均值确定为相应亮温。

其中，N1、N2：T时段、变温Th1状态检波电压遥测、温度传感器遥测读取次数；N3、N4：T时段、变温Th2状态检波电压遥测、温度传感器遥测读取次数。

主控计算机依据程序化定标方程系数公式，并根据对应通道的电压值及其温度值得到各个通道的系数K、b。

据此，遥感1级数据按新的定标方程T＝K×V+b形成得到。

应用例2：地基微波辐射计线性度测量操作

在一般情况下，辐射计接收机设计时要求其线性度要求达99.99％，因此严格要求其动态范围内，链路设计接收放大处于线性回退状态工作，检波处于严格的平方律检波。

但线性度测量一直较难，整机测试更难。很多应用场合采用接收机输入端与低温定标源之间插入高精度可调衰减器进行等效方法测量，如图5所示，通过改变中间精密可调衰减器的衰减量，相当于在接收机与定标源之间增加不同的附加链路插损，等效间接改变接收机前的输入信号(辐射亮温)，最终通过接收机遥测检波电压值变化比较，反应出接收机的线性度指标，从而间接反映动态范围内整个辐射计系统的线性度。这种测量虽可有效测量其线性度，但同样引入衰减器误差以及冷源长时间定标所带来的不确性问题(如表面结霜等)。

本发明的系统当需要地基辐射计进行线性度测量时，不需要外置任何配合，仅由地基辐射计主控计算机界面发送指令，要求下位机引导地基微波辐射计进入线性度测试状态，地基辐射计下位机随即响应指令要求，并控制驱动机构中的俯仰步进电机转动天线口面向下指向正下方的变温源，如图2所不。

地基辐射计主控计算机界面出现相应变温源温度初值设定Th1(大于等于目前变温源传感器实际遥测值；缺省值为当前遥测值)、ΔTa(变温步进值：最小值为1K，最大值为(Thh-Th1)/2(相当于3点测量)，缺省值为10K)、及其定标段维持时间T；如图6所示。

下位机对变温源进行加热控制，使其恒定于温度值初值Th1，并保持T时段，直接读取相应接收机检波电压Vh1i，并将检波电压遥测信号以及温度遥测值上传给平台的主控计算机。

在完成对Th1温度下T时段电压遥测数据的读取之后；下位机自动按最大加热模式和自动恒温保持程序对变温源进行加热，使其以最快时间达到变温温度Th1+ΔTa(记为Th2)，并进行恒温保持。

当其自动判定为恒温保持状态后，直接保持T时段，并读取相应接收机检波电压Vh2i，并将检波电压遥测信号以及温度遥测值上传给平台的主控计算机。

在完成对Th2温度下T时段电压遥测数据读取之后；下位机自动按最大加热模式和自动恒温保持程序对变温源进行加热，使其以最快时间达到变温温度Th1+2ΔTa(记为Th3)，并进行恒温保持。

当其自动判定为恒温保持状态后，直接保持T时段，并读取相应接收机检波电压Vh3i，并将检波电压遥测信号以及温度遥测值上传给平台的主控计算机。

如此反复，下位机完成最接近变温源最高温度点Thh的第n项接收机检波电压T时段Vhni采样，并将检波电压遥测信号以及温度遥测值上传给平台的主控计算机。

下位机完成所有操作后，在没有新的主控计算机指令前，将释放对变温源温度保持控制，使其缓慢降至外界常温。

同理，主控计算机根据下位机的状态指令及时间段的所有遥测检波电压均值确定为各温度点下的测定电压，其对应时段变温源温度传感器遥测均值确定为相应亮温，并根据相临两个温度点遥测量程序化计算其各分段增益系数Ki：

另外，主控计算机根据下位机初值Th1状态下的数据及最终Thn下的数据，计算标准增益系数K：

通过比较K与各个K1、K2、…、K(n-1)的差值得其最大偏差，记为ΔKmax，其线性度为：

L＝(1-ΔK max/K)×100％。

本发明的地基辐射计在传统的内置常温源源处替换成变温源，定标过程不需外置冷源配合，仅通过精确控制变温源温度，并经过多次数据采集和方法运算，就完成其定标过程，不需要复杂的液氮冷源计算，也同样消除了不必要的误差。

另外地基微波辐射计因使用于地面环境，选择空旷高地(如小山丘)，父无遮挡对天观察，且长期无人执守。很多场合无法满足于液氮的基本条件，本发明的地基微波辐射计彻底解决了原辐射计的外场液氮定标难题，适用于所有应用场合的适时定标。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，对本发明所做的变形或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述的权利要求的保护范围为准。