- 論文作者 孫鴻雁
- 指導教師 趙凱研究員 中科院東地理與農業生態研究所
- 申請學位級別 博 士
- 學科專業名稱 地圖學與地理信息系統
- 論文提交日期 2008年4月
- 論文答辯日期 2008年6月
- 培養單位 中國科學院東北地理與農業生態研究所
- 學位授予單位 中國科學院研究生院
摘要
微波輻射計是唯一的 無源微波遙感儀器，也是進行目標微波輻射特性探測的主要工具。此探測系統具有高靈敏度、高增益和寬頻帶接收的性能特點，可實現在強背景噪聲中提取微弱的信號變化量。它 通過接收被測目標自身的微波輻射能量獲取其相應的物理特性，并可經有效的數據反演對目標進行定量分析。微波輻射計的探測特性和優勢，使其在射電天文研究、大氣研究、海 洋環境監測、植被和土壤特性、礦產資源調查以及軍事目標檢測等領域都得到了廣泛的應用。 隨著數值化天氣預報和大氣研究的發展，常規的氣象探測儀器由于時空分辨率較低 、探測高度和范圍較窄等條件因素的限制，無法滿足氣象服務和大氣研究中對高精度數據獲取和小區域快速動態監測的實際需求。同時，衛星遙感大氣數據的定量化反演也需要地 面探測數據支持。因此，研制新型的地基遙感氣象探測設備成為氣象和戰備部門的亟需。地基大氣溫濕特性探測微波輻射計，主要用于探測低空大氣水汽總量、云液水和垂直大氣 溫度分布，具有高靈敏度、高時間分辨率、受環境因素影響小、直觀、快速、經濟等特點。
2008年我國將發射“風云三號”氣象衛星，首次載荷業務運行的被動微波遙感器 ，用來探測大氣的濕度和溫度信息。應用戶和未來氣象探測研究的需求，研制高精度的地基大氣溫濕特性探測設備具有十分重要的意義。 為保證地基大氣溫濕特性探測微波輻射 計在無人值守和環境因素不穩定的情況下能夠長期穩定的工作，并保證大氣探測中對氣象要素高敏感度、獲取高精度數據的要求。地基大氣溫濕特性探測微波輻射計系統的設計采 用了數字增益自動補償這一核心技術，通過測量參考基準源相應的輸出量的變化進行增益補償，消除系統增益波動引起的測量不確定性，很好的解決了長期困擾輻射計系統發展的 精確度不足和長期穩定性較低的問題。 本文從考核微波輻射計的三項主要指標高靈敏度、高絕對精度以及良好的長期工作穩定性入手，結合國內器件的發展水平和地基系統實際 工作的特點，提出了濕度探測和溫度探測兩個主探測模塊單元分立工作系統設計方案。并在文中介紹了包括微波輻射計的組成、技術指標、硬件及主控程序的設計。硬件設計中包 括微波開關的選取、接收機前端設計、環境溫度檢測電路設計，給出了各部分的電路原理圖和相應的性能指標。同時，針對平方律檢波系統受環境溫度影響的非線性輸出，進行了 系統的分析和研究，并利用相應的溫度補償算法（切比雪夫算法）實現了其溫度非線性的補償。本文結合相應的實驗 *** ，從軟件的角度補償了平方律檢波器溫度非線性，降低了 其對系統功率非線性對絕對測量精度的影響，并獲得了很好的接收機線性度測量結果。
本文進一步從提高系統靈敏度的角度，討論了A/D量化誤差對輻射計測量精度的影響以 及如何通過調整數字積分器的平均點數來獲取輻射計的更佳靈敏度的 *** 。并在分析兩點定標 *** 誤差來源的基礎上，具體地推導了定標噪聲源逆向輻射對天線反射系數影響所造 成的測量誤差，給出了在同一喇叭天線不同指向情況下的逆向輻射的影響程度曲線，對提高輻射計的測量精度具有一定的現實意義。文章中還介紹了對輻射計定標，對系統各項參 數的測試 *** （接收機噪聲系數測試、接收機線性度測試、接收機帶寬測試、接收機工作頻率測試）。實驗結果表明，地基大氣溫濕特性探測微波輻射計具有較高的絕對精度和長 期穩定性。 地基大氣溫濕特性探測微波輻射計采用了各通道獨立的分波段天線系統設計，有效地降低了各探測通道間的相互干擾。其分立的濕度和溫度主探測模塊單元設計，使 其各通道既可以各自獨立工作又可以同時進行探測。
經過精密調試，大氣濕度探測單元的靈敏度優于0.15K，大氣溫度探測單元的靈敏度優于0.3K，系統的線性相關系數 優于0.9995，72小時的系統穩定性優于1.0K，測量亮度溫度范圍5～400K，系統無需頻繁定標即可穩定工作。 地基大氣溫濕特性探測微波輻射計各項試驗結果 表明，地基大氣溫濕特性探測微波輻射計的各項指標達到了實際測量需求，其測量結果在軍事和大氣研究上都具有重要的意義。地基大氣溫濕特性微波輻射計的研制成功，為我國 的區域性大氣溫度和濕度特性反演提供了新的載體。
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關鍵詞
微波輻射計 數字增益自動補償 切比雪夫算法 反射系數 定標噪聲源 地基 大氣探測
來源：開源地理空間基金會中文分會
來源鏈接：https://www.osgeo.cn/post/5874g
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