1、华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文I分 类 号 学 号 学校代码 密 级 硕 士 学 位 论 文地基微波辐射计的倾斜曲线定标方法研究学位申请人：学科专业： 电子与通信工程指导教师： 答辩日期： 年 月 日华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文II华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文III摘 要微波辐射计作为被动式的遥感仪器，可以根据所测量的目标辐射的亮度温度反演，得到需要的目标信息，目标信息的准确与否很大程度上取决于辐射计定标是否精确。本文首先介绍了大气微波传输模型、微波辐射计的工作原理，以及液氮-常温两点定标、噪声注入定标；随后，在大气传输理论和天空亮温计算的基
2、础上，重点介绍了倾斜曲线定标方法的工作原理，用无线电探空仪数据库（Rawinsonde Data Sources 简称 RAOB)上武汉地区的大气数据对地基微波辐射计该倾斜曲线定标方案进行仿真和定标精度的误差分析。另外，在辐射计实际测量当中，由于不能根据无线电探空仪数据实时获得大气平均辐射温度，本文从地表温度推算出大气平均辐射温度；最后，通过 8mm 狄克辐射计定标实验验证上述倾斜曲线定标方法的可行性。关键词： 微波辐射计，倾斜曲线定标，两点定标，误差分析，大气平均辐射温度华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文IVAbstractMicrowave radiometer , as a
3、passive remote sensing instrument , is used to obtain objective information mainly basing on brightness temperature and related theory. The accuracy of the objective information depends on the accuracy of the radiometer calibration. Therefore , calibration is an important step in absolute measuremen
4、ts , and calibration accuracy makes a direct impact on the measurement accuracy.This thesis introduces the working principle of the microwave radiometer , a brief introduction of liquid nitrogen-the normal temperature calibration , noise injection calibration. It focuses on the tipping-curve calibra
5、tion based on atmospheric transmission theory and the sky brightness temperature calculation , and proposes a tipping-curve calibration program suitable for ground-based meteorological microwave radiometer and realize it using MATLAB . We analyze the simulation of tipping-curve calibration program u
6、sing the atmospheric data in WuHan from RAOB . In addition , as the lack of access to the atmospheric mean radiant temperature data in real time base on sounding ballons in the actual measurement , the paper proposes a algorithm to get the atmospheric mean radiant temperature deduced from the surfac
7、e temperature .Finally , an experiment using 8 mm DICKE radiometer is made to proof the feasibility of the tipping-curve calibration program described above . Key words: microwave radiometer , tipping-curve calibration , two points calibration , error analysis , atmospheric mean radiant temperature华
8、 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文V目录摘 要 .IAbstract .II1 绪论1.1 研究背景及意义 .(1)1.2 国内外研究概况 .(1)1.3 论文主要内容和结构安排 .(4)2 微波辐射测量的基本原理2.1 辐射测量学 .(5)2.2 微波在大气中的传播 .(7)2.3 辐射计的工作原理 .(12)2.4 辐射计常用定标方法 .(14)2.5 本章小结 .(15)3 倾斜曲线定标方法的仿真与误差分析3.1 倾斜曲线定标法原理 .(16)3.2 倾斜曲线定标法的仿真与误差分析 .(20)3.3 倾斜曲线定标的误差分析 .(28)3.4 本章小结 .(39)4 倾斜曲线定标
9、方法的实验验证及误差分析4.1 液氮-黑体两点定标 .(41)4.2 倾斜曲线定标 .(43)4.3 本章小结 .(45)5 全文总结与展望5.1 全文总结 .(46)5.2 展望 .(46)致 谢 .(48)参考文献 .(49)华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文VI图形目录图 2.1 穿过无限小圆柱体的辐射传递 .6图 2.2 全功率辐射计方框图 .13图 2.3 全功率辐射计等效表示图 .13图 3.1 倾斜曲线定标示意图 .19图 3.2 倾斜曲线定标流程图 .20图 3.3 天空亮温随频率变化图 .21图 3.4 TM 随频率变化图 .22图 3.5 不透明度的变化 .23
10、图 3.6 天顶不透明度随角度变化 .24图 3.7 定标后的亮温误差 .26图 3.8 地基微波辐射计倾斜曲线定标算法流程图 .27图 3.9 测量角度数量对定标误差的影响 .29图 3.10 液氮温度测量有偏差时，倾斜曲线定标的效果 .31图 3.11 黑体温度测量有偏差时，倾斜曲线定标的效果 .32图 3.12 测量液氮输出电压示数有误差时，倾斜曲线定标的效果 .33图 3.13 测量黑体输出电压示数有误差时，倾斜曲线定标的效果 .34图 3.14 TM 对定标误差的影响 .36图 3.15 TM 值随地表温度的变化 .38图 4.1 液氮定标后大气辐射衰减情况 .42图 4.2 实验中
11、倾斜曲线定标流程图 .43图 4.3 倾斜曲线定标后大气衰减情况 .44华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文VII表格目录表 2.1 谱线的参数 .9表 2.2 44 条氧气吸收谱线的中心频率和参数值 .9表 2.3 35 条水蒸汽吸收谱线的中心频率和参数 .11表 3.1 37GHZ 各天顶角下的亮温值 .22表 3.2 22GHZ 各天顶角亮温值和电压值 .23表 3.3 倾斜曲线定标后的值 .26表 3.4 测量角度数量对倾斜曲线定标的影响 .28表 3.5 部分频率和角度下的 TM 值 .35表 3.6 一个月内的 TM 值 .37表 3.7 指向角度误差对定标的影响 .39
12、表 4.1 各角度下辐射计输出电压值和液氮-黑体定标后得到的天空亮温 .42表 4.2 倾斜曲线定标后的天空亮温值 .44表 4.3 测量垂直方向时输出电压对定标影响 .45华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文11 绪论1.1 研究背景及意义微波遥感技术发展至今，人们对它进行深入研究，将其应用在社会生产的各个方面，并取得了很大的成就 1-3。微波遥感仪器有很多种，辐射计作为一款被动式的遥感仪器，被应用在非常宽的领域范围，如环境、天文、军事等 4。环境上可用于观测大气和海洋，对地面实现微波遥感；天文上可用于射电望远镜；军事上用于侦察和导弹制导等。上述应用的实现都是建立在微波辐射计精确定
13、标的基础上 5-7。微波辐射计对目标物体进行测量，得到对应的亮度温度数据，反演得到最终需要的目标信息。由此可以看出，最后得到的目标信息是否准确与所测量的亮温数据是否准确非常相关，而所测亮温数据的准确性又取决于辐射计的定标是否精确。因此，保证辐射计的定标精确，是研究微波辐射计的重要工作之一。微波辐射计输出的是电压值，为此需要精确构造出辐射计输出电压信号与接收到的辐射量值之间的定量关系，这个过程称之为辐射计定标，定标精度直接影响辐射计测量的绝对精度 8。因此，定标方案的选择是微波辐射计系统设计的关键课题之一，而定标精度、稳定性、定标实现的可行性则是定标方案所需要重点考虑的因素。1.2 国内外研究概
14、况微波辐射计主要应用于大气探测、海洋观测、对地观测 3 个方面，已成为对地观测和空间探测的重要手段。微波辐射计从工作平台来分，可分为地基、空基、星基辐射计，从功能上来分，分为传统的实孔径辐射计，以及新发展起来的综合孔径辐射计和全极化微波辐射计，后两者代表了微波辐射计发展的新技术方向。目前常用的定标方法主要是两点定标法。分为两种：一是分步定标法，二是整机定标法。分步定标法从原理上说物理意义比较明确，但是方法比较复杂，在定标过程中引入了比较多的误差，很多的物理量难以精确测量和计算。整机定标法本华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文2质上采用两点定标，通常采用液氮定标方案，相对于分步定标法，
15、实现上相对容易一些。整机定标法也存在缺点，例如液氮定标操作比较复杂，另外在定标的过程中，也存在一些不确定的因素需要仔细分析。还有其它一些定标方法，比如倾斜曲线定标法、噪声注入定标法和增量基准定标法等。倾斜曲线定标法也被称作为天空定标法，从国内外的文献中可以看出，倾斜曲线定标法在气象台用的比较多。这种方法受天气因素的制约比较大，另外还需要无线探空仪即时测得的气象数据通过辐射传递模型计算不同天顶角下的亮温。虽然在倾斜曲线定标过程中存在许多的不确定性，但考虑到液氮定标操作比较复杂，因此倾斜曲线定标也不失为一种简易可行的方法。在国外的有关文献中，对其中的定标不确定性做了详细的分析，提出了一些改进的方法
16、。本文将主要对倾斜曲线定标法进行研究分析及仿真。倾斜曲线定标法最早由Dicke 引入 9，他将辐射计定标方程和大气传输理论结合起来，论证了通过大气辐射传输理论进行辐射计定标这一方法的可行性。他指出在大气传输过程中，微波辐射的吸收量是在水蒸气吸收谱线的附近，也就是 1.00cm、1.25cm 和 1.50cm 这三个波长测量得到的，文章论述了有关测量方法以及吸收率和热辐射之间的关系。文献中提到，当测量环境为标准条件（293K）时，在 1.00cm、1.25cm 和 1.50cm 这三个波长所测得的大气吸收系数分别为 0.011、0.026 和 0.014。这些数据比 Van Vleck 的理论中
17、得到的数据要准确近 50%。Matzler 对 Dicke 的理论进行了改进 10, 他分析了利用地基多频率（频率为4.9、10.4、21.35 和 94GHz）辐射计对远场积雪层、海冰和植被的微波信号的探测。他将倾斜曲线理论用于两个方面，一方面用于辐射测量的定标，另一方面用于测定天顶角的不透明度。在任意频率所测得的数据的关键参数有大气温度和天顶角不透明度，在不同场景测得的大量数据表明了大气衰减的统计特性，文献发现了在 35和 94GHz 之间的不透明度有很高的相关性，在晴朗无云的天气情况下，21GHz 时的不透明度与它们也有跟高的相关性。文章中对水蒸气 V 和云液态水 L 总体的大气含量是根
18、据在 21、35 和 94GHz 这三个频率所得到的不透明度估计的，然而，水蒸气 L 显然与地面大气温度相关，云液态水 L 在温度为 0 摄氏度左右聚集。以无线电探空仪测得的数据为标准数据，Matzler 对水蒸气测得的数据标准差为 0.22cm，偏差为-0.11cm，同样方法测得的云液态水标准差为 0.33cm。Liljegren 将倾斜曲线定标法应用于地基微波辐射计中来校准噪声注入的温度 11。华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文3Han 和 Westwater 对定标误差作了深入的分析 12，针对提出的误差来源提出了相应改进的措施。他指出因为倾斜曲线定标理论将辐射计与辐射传输理
19、论和大气环境结合起来，所以定标比较困难。在文献中，首先运用数据模拟分析方法分别分析研究在定标过程中可能的影响因素，并相应提出有效的方法来减小定标不确定度，然后将这些方法运用到实际数据中去。影响因素包括辐射计天线波束宽度、辐射计指向误差、平均辐射温度误差和大气水平不均匀性，这些误差可能很大甚至无法接受。Han 和 Westwater 设计了一种方法可以让定标不确定度大大减小甚至消除，定标的绝对精度可以达到 0.5K。DOrazio 分析了倾斜曲线定标过程中的最佳化方法 13，考虑了辐射计天线方向图、辐射计指向误差、系统随机噪声和地球曲率等因素对定标的影响，并通过在大量观测角度下的测量得到精确的倾
20、斜曲线。Schneebeli 和 Matzler 在辐射计增益和系统噪声温度变化的统计特性这两方面作了深入研究 14，提出使用 Kalman 滤波来提高定标精度的方法。倾斜曲线定标理论以辐射计倾斜角度和在该角度的大气不透明度之间已知的关联性为基础，大气的不均匀性会影响这种已知的关联性进而导致定标误差。文章介绍了一种定标方案，它考虑了在 Kalman 滤波器 15框架内辐射计增益和系统温度变化的统计特性。Kai-Jen C.Tien 总结了三种不同的定标方法 16，外部定标法、倾斜曲线定标法和内部定标法，并利用 C 波段的地基辐射计比较了这些方法的定标稳定性，得出外部定标法的稳定性最好。另外还得
21、到分别利用三种方法进行定标后测量的绝对误差范围为 2-4K，三者差别不大，由于在该频段大气不透明度随测量角度的变化不明显，所以倾斜曲线定标不适合运用在 C 波段的定标。Li Wu 描述了一种 W 波段的辐射计，通过倾斜曲线获得辐射计的定标方程，并且介绍了确定辐射计定标系数的方法，并利用南京地区 2010 年的数据进行定标，得到天顶角的不透明度 0为 0.23035，与理想值之间的均方根误差为 0.0023317。韩恒敏和郭立新将倾斜曲线定标方法应用到双通道水汽微波辐射计中，针对系统增益波动和天线损耗等因素对辐射计输出亮温造成的影响，他们提出了可以利用倾斜曲线定标来较小甚至消除这些干扰，从而提高辐射计测量亮温的精度 6。此外，他们还将 Schneebeli 和 Matzler 提到的卡尔曼滤波算法引入到定标过程中 14，为了验证该算法是否提高了定标精度，利用 ITU-R 大气模型结合实测地面参数进行了仿真研究，结果表明卡尔曼滤波方法可以有效的减少倾斜曲线定标过程中系统误差对
