地基大气温湿特性探测微波辐射计

• 论文作者 孙鸿雁
• 指导教师 赵凯研究员 中科院东地理与农业生态研究所
• 申请学位级别 博 士
• 学科专业名称 地图学与地理信息系统
• 论文提交日期 2008年4月
• 论文答辩日期 2008年6月
• 培养单位 中国科学院东北地理与农业生态研究所
• 学位授予单位 中国科学院研究生院

摘要

微波辐射计是唯一的 无源微波遥感仪器，也是进行目标微波辐射特性探测的主要工具。此探测系统具有高灵敏度、高增益和宽频带接收的性能特点，可实现在强背景噪声中提取微弱的信号变化量。它 通过接收被测目标自身的微波辐射能量获取其相应的物理特性，并可经有效的数据反演对目标进行定量分析。微波辐射计的探测特性和优势，使其在射电天文研究、大气研究、海 洋环境监测、植被和土壤特性、矿产资源调查以及军事目标检测等领域都得到了广泛的应用。 随着数值化天气预报和大气研究的发展，常规的气象探测仪器由于时空分辨率较低 、探测高度和范围较窄等条件因素的限制，无法满足气象服务和大气研究中对高精度数据获取和小区域快速动态监测的实际需求。同时，卫星遥感大气数据的定量化反演也需要地 面探测数据支持。因此，研制新型的地基遥感气象探测设备成为气象和战备部门的亟需。地基大气温湿特性探测微波辐射计，主要用于探测低空大气水汽总量、云液水和垂直大气 温度分布，具有高灵敏度、高时间分辨率、受环境因素影响小、直观、快速、经济等特点。

2008年我国将发射“风云三号”气象卫星，首次载荷业务运行的被动微波遥感器 ，用来探测大气的湿度和温度信息。应用户和未来气象探测研究的需求，研制高精度的地基大气温湿特性探测设备具有十分重要的意义。 为保证地基大气温湿特性探测微波辐射 计在无人值守和环境因素不稳定的情况下能够长期稳定的工作，并保证大气探测中对气象要素高敏感度、获取高精度数据的要求。地基大气温湿特性探测微波辐射计系统的设计采 用了数字增益自动补偿这一核心技术，通过测量参考基准源相应的输出量的变化进行增益补偿，消除系统增益波动引起的测量不确定性，很好的解决了长期困扰辐射计系统发展的 精确度不足和长期稳定性较低的问题。 本文从考核微波辐射计的三项主要指标高灵敏度、高绝对精度以及良好的长期工作稳定性入手，结合国内器件的发展水平和地基系统实际 工作的特点，提出了湿度探测和温度探测两个主探测模块单元分立工作系统设计方案。并在文中介绍了包括微波辐射计的组成、技术指标、硬件及主控程序的设计。硬件设计中包 括微波开关的选取、接收机前端设计、环境温度检测电路设计，给出了各部分的电路原理图和相应的性能指标。同时，针对平方律检波系统受环境温度影响的非线性输出，进行了 系统的分析和研究，并利用相应的温度补偿算法（切比雪夫算法）实现了其温度非线性的补偿。本文结合相应的实验方法，从软件的角度补偿了平方律检波器温度非线性，降低了 其对系统功率非线性对绝对测量精度的影响，并获得了很好的接收机线性度测量结果。

本文进一步从提高系统灵敏度的角度，讨论了A/D量化误差对辐射计测量精度的影响以 及如何通过调整数字积分器的平均点数来获取辐射计的最佳灵敏度的方法。并在分析两点定标方法误差来源的基础上，具体地推导了定标噪声源逆向辐射对天线反射系数影响所造 成的测量误差，给出了在同一喇叭天线不同指向情况下的逆向辐射的影响程度曲线，对提高辐射计的测量精度具有一定的现实意义。文章中还介绍了对辐射计定标，对系统各项参 数的测试方法（接收机噪声系数测试、接收机线性度测试、接收机带宽测试、接收机工作频率测试）。实验结果表明，地基大气温湿特性探测微波辐射计具有较高的绝对精度和长 期稳定性。 地基大气温湿特性探测微波辐射计采用了各通道独立的分波段天线系统设计，有效地降低了各探测通道间的相互干扰。其分立的湿度和温度主探测模块单元设计，使 其各通道既可以各自独立工作又可以同时进行探测。

经过精密调试，大气湿度探测单元的灵敏度优于0.15K，大气温度探测单元的灵敏度优于0.3K，系统的线性相关系数 优于0.9995，72小时的系统稳定性优于1.0K，测量亮度温度范围5～400K，系统无需频繁定标即可稳定工作。 地基大气温湿特性探测微波辐射计各项试验结果 表明，地基大气温湿特性探测微波辐射计的各项指标达到了实际测量需求，其测量结果在军事和大气研究上都具有重要的意义。地基大气温湿特性微波辐射计的研制成功，为我国 的区域性大气温度和湿度特性反演提供了新的载体。

关键词

微波辐射计 数字增益自动补偿 切比雪夫算法 反射系数 定标噪声源 地基 大气探测