论文总字数：18315字

目 录

1.引言 4

1.1本文的目的和意义 4

1.2国内外研究现状 5

2.微波辐射计定标Tipping定标原理及推导 5

2.1大气辐射传输方程 5

2.2 微波辐射计Tipping定标方法原理及推导 6

2.2.1基本方法 6

2.2.2 派生方法 8

3.地基微波辐射计的Tipping法的实现 10

3.1基本Tipping定标法的实现 10

3.1.1定标晴空数据的选择 10

3.1.2 基本Tipping定标法的实现过程 10

3.1.3 基本Tipping定标与液氮定标法的结果比较 13

3.1.4 不同通道对基本Tipping定标的影响 14

3.1.5 三小时连续Tipping定标 15

3.2派生Tipping定标方法 16

3.2.1派生Tipping定标法的实现 16

3.2.2 派生Tipping定标与液氮定标结果比较 18

4.Tipping定标法的误差分析 19

4.1由天顶角θ引起的误差 19

4.2 由平均辐射温度引起的误差 21

4.3由地球曲率和大气折射率引起的误差 22

4.4由天线波束宽度引起的误差 23

4.5其他误差 24

5.总结与展望 24

5.1总结 24

5.2本文的创新点 25

5.3不足与展望 25

参考文献 26

致谢 27

地基微波辐射计的Tipping定标方案^[2]

车轲

, China

Abstract: The Tipping Curve calibration method has been an important calibration technique for ground-based microwave radiometers that measure atmospheric emission at low optical depth. It combines the atmospheric radiative transfer theory with the radiometer calibration equation. Calibration uncertainties may arise from both the system and the application of the theory. Firstly, iteration of two tipping curve methods is derived and it is based on the microwave radiative transfer equation. Then cloudless data have been obtained for quality control and then the selected data are used in the calibration. After that, the two calibration methods are experimentally verified for accuracy and compared with LN2 method. The influence of channels is analyzed. Then, the three hour continuous calibration was also carried out. The last step analyzes the errors caused by a series of error factors. The results of this paper provide a reference for the further study of the Tipping curve calibration for ground-based microwave radiometers.

Key word: Ground-based microwave radiometer; Tipping calibration; Brightness temperature; Quality control; Errors.

1.引言

1.1本文的目的和意义

微波辐射计可安装于飞机、卫星等平台上以实现各种不同的功能。本文主要针对地基情况进行讨论。地基微波辐射计是地面用来测量地表垂直向上10km内大气辐射能量的仪器，为被动式大气遥感设备^[16]。

很多辐射计内部因素或是外部环境因素都可能导致测出的亮温不精确，进而影响我们得到所需信息的准确性。因此，我们需要对它精确定标以得到准确的大气亮温。

地基微波辐射计定标分为内部定标和外部定标。内部定标是先对接收机定标，再对天线定标，最后根据了两者之间的联系得出定标方程^[15]。外部定标是对辐射计天线和接收机整体进行定标。相对于内部定标来说，外部定标无中间环节，且精度高，应用性较广。常用的外部定标法有液氮定标法和Tipping定标法。液氮定标是设计一个定标负载，将高吸收率的微波吸收材料置于金属盒内，将聚苯乙烯泡沫做成的隔热层包在盒的外部，由聚氨酯泡沫材料做成的保角罩放在吸收体上，辐射计的天线放置于定标负载的上面，再利用高低两点定标法得出^[15]。Tipping定标法通常适用于K波段，具体是扫角电压数据拟合直线求定标系数。Tipping定标法相比于液氮定标法来说，有许多独特的优势之处：过程简单，易于实现，尤其适用于长期经常性的目标，适用Tipping定标法的微波辐射计有自动化的定标设备，可适用于气象的自动化测量；Tipping定标由于没有定标源的限制，因此可以对大口径的微波辐射计进行测量^[12]。

定标的误差来源有天顶角选择带来的误差、大气平均辐射温度带来的误差、地球曲率和大气折射率的垂直分布带来的误差、辐射计天线波束宽度带来的误差由于大气的水平不均匀性带来的误差^[15]。这些误差或多或少的影响着Tipping定标的精确程度。但是，经过合理的修正，这些误差也可以有效地减少。

本文着重分析Tipping定标的数据选择、算法流程以及误差影响，旨在微波辐射计测出的亮温精确，提高微波辐射计观测精度。Tipping定标在实际使用中的流程算法虽核心思想一样，但是具体流程算法中却有着一定的差别，本文中统计了两种种实用的算法进行分析，并对其代入真实数据来进行Tipping标定。最后对Tipping定标的误差因素，本文也进行了归纳与总结。

1.2国内外研究现状

Tipping定标法全称Tipping Curve定标法，常被用来实现K波段(20-30GHz)的定标。它将辐射计定标方程和大气传输理论结合起来，Dicke等人最先提出，Matzler等人改进^[3,4,12]。1995年D.D. Morabito和L. Skjerve等^[5]对32.0GHz和8.45GHz下的DSS-13 光束波导天线进行了Tipping定标及分析。2000年，Yong Han 和 Ed R.Westwater 等^[6]综合分析了Tipping定标，阐述了该方法的局限，并进一步将其完善。后Schneebeli等根据辐射计增益和系统噪声温度变化的统计特性，提出了使用 kalman 滤波提高定标精度的方法^[4,23]。 2003年由D'Orazio A, Sario M D, Gramegna T等^[8]研究了倾斜标定法的优势之处，并提出我们要尽可能得多选择天顶角参与定标计算的意见。2008年由D. S. Song, K. Zhao和 Z. Guan等^[9]人深刻分析了由于天线旁瓣对定标所带来的影响并提出了合理的解决方案。2013年G.Maschwitz等^[10]研究了530hPa下的Tipping定标。

国内2000年由肖志辉, 张祖荫, 郭伟等^[11]分别对地基、空基、星基三种不同平台下的定标技术简要介绍。再由叶辉等^[12]在2012年对液氮定标和Tipping定标的结果进行了深刻分析比较，并利用该数据讨论了各种不同因素对算法的影响。2013年由西安科技大学韩恒敏研究了微波辐射计Tipping定标方法,并将卡尔曼滤波算法引入了微波辐射计的定标过程中且验证了Tipping定标的准确性^[13]。2013年李江漫、郭立新、林乐科、舒婷婷、陈后财等^[14]人地基微波辐射计自定标的改进算法研究。2014年李江漫等^[15]利用美国测量数据进行Tipping定标，并且将该定标算法进一步运用于至电压和亮温呈非线性关系的辐射计中，然后并着重研究了用于阴天大气遥感的改进Tipping定标方法，使适用于晴天的基本Tipping定标也可以使用于阴天，减小了Tipping定标的局限性^[15]。

2.微波辐射计定标Tipping定标原理及推导

2.1大气辐射传输方程

Tipping定标的前提之一是在晴空无风的天气条件下测量数据。在大气是平行平面且在晴空条件下，散射对微波辐射的衰减几乎无影响，可以忽略。大气中的衰减强度的最大值所对应的频谱范围不同，通过测量不同频率范围内的辐射信息，即可通过一定的算法来反演出大气的物理特性参数^[20]。并且晴空条件下氧气和水汽引起的衰减非常明显，而有云条件下，总衰减是氧气、水汽和云的吸收衰减之和。天空大气辐射传输方程为：

(1)

它是一个描述辐射能在空间或媒质中传输过程、特性及其规律的数学方程。它还是是辐射计计算天空亮温的原理式。其中(=2.73K)为宇宙背景温度,为高度r处的大气温度。地基微波辐射计得到的亮温是以无限远处的外空为背景的辐亮温和高度r处的辐射体的亮温度之和，得到的亮温度与天线的方向有关，天线的角度越小，越大。其中提到的“外空”是指地球大气以外的各种天体。

为0-r之间的光学厚度。大气光学厚度为在计算辐射传输时，单位截面面积上吸收和散射物质产生的总衰弱，是一个无量纲量。在0-r之间的大气光学厚度(单位为Np)可以表示为(2)式^[15]：

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