专利名称：一种微波高光谱数字处理与控制方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及微波遥感技术领域，特别涉及一种微波高光谱数字处理与控制方法及
>J-U ρ α装直。
背景技术：
随着在微波技术的发展，在微波遥感领域，微波辐射计是一款被动式的基微波遥感设备，能全天候、全天时工作。主要用于中小尺度天气现象，如暴风雨、闪电、强降雨、雾、冰冻及边界层紊流。对于短时间内生成或消散的中小尺度天气灾害，虽然只是地区性的，但部分事件危害性较大。在目前中尺度天气现象监测过程中，探空气球和天气雷达是常用的 手段。微波辐射具有独立工作能力，能在几乎各种环境条件工作，非常适合于自动天气站。用于反演完整的大气廓线，反演数据和原始数据全部保存。提供完备的顾客定制或全球标准算法。微波辐射计虽然具有以上优点，但是无法实现自动化控制且不能进行高频谱分辨率的大气轮廓反演。因此，如何实现高光谱分辨率的大气轮廓反演是一个有待解决的技术问题。
发明内容
本发明实施例中提供了一种微波高光谱数字处理与控制方法及装置，以解决现有技术微波辐射计不能进行高频谱分辨率的大气轮廓反演的技术问题。为解决上述问题，本发明提供一种微波高光谱数字处理与控制装置，包括采集单元和微波高光谱数字处理单元，其中，所述采集单元，用于采集微波高光谱辐射计中微波高光谱接收机单元输出的带有天空亮温信息的电压信号以及大气廓线反演所需的实时地表气象数据；并将所述电压信号和地表气象数据传输给所述微波高光谱数字处理装置；所述微波高光谱数字处理单元，用于接收采集单元发送的带有天空亮温信息的电压信号以及大气廓线反演所需的实时地表气象数据，所述地表气象数据包括黑体定标源的辐射温度和大气的绝对压强；并将所述电压信号以及地表气象数据反演为气象参数曲线。可选的，所述采集单元包括高速数据采集单元，用于采集微波高光谱接收机单元输出的带有天空亮温信息的电压信号；全球定位单元，用于测量全球定位系统GPS数据，以便于对时钟进行定位；温湿度传感器，用于检测地表的温度、湿度信息；气压传感器，用于检测地表的气压信息。可选的，所述微波高光谱数字处理单元包括神经网络数据处理单元，用于获取当地气象局多年公开的大气温度廓线、气压廓线和水汽压廓线；将所述大气温度廓线、气压廓线和水汽压廓线换算为第一大气亮温矩阵；并对所述第一大气亮温矩阵进行频谱压缩，得到压缩后的第一大气亮温矩阵；以及利用神经网络算法对压缩后的第一大气亮温矩阵进行训练处理，得到反演单元所需的已训练的微波高光谱神经网络，并存储所述已训练的微波高光谱神经网络；反演单元，用于根据所述神经网络数据处理单元已训练的微波高光谱神经网络将所述采集单元采集到的带有天空 亮温信息的电压信号以及大气廓线反演所需的实时地表气象数据反演为气象参数曲线或大气廓线。
可选的，所述神经网络数据处理单元包括廓线收集单元，用于统计当地气象局多年公开的大气温度廓线、气压廓线和水汽压廓线；亮温模拟单元，用于将统计的所述大气温度廓线、气压廓线和水汽压廓线换算为大第一气亮温矩阵；所述第一大气亮温矩阵包括多年的高频谱分辨率的大气亮温信息；第一微波高光谱信息压缩单兀，用于对所述亮温模拟单兀输出的第一大气亮温矩阵进行频谱压缩，得到压缩后的第一大气亮温矩阵；神经网络训练单元，用于利用神经网络算法根据所述大气温度廓线、气压廓线和水汽压廓线对压缩后第一大气亮温矩阵进行训练处理，得到反演单元所需已训练的微波高光谱神经网络，并存储所述已训练的微波高光谱神经网络。可选的，所述神经网络训练单元包括输入端口，用于输入所述廓线收集单元所统计的当地大气温度廓线、气压廓线和水汽压廓线；神经元，用于通过设定的神经网络利用输入端口输入的大气温度廓线、气压廓线和水汽压廓线对压缩后的第一大气亮温矩阵进行迭代收敛，得到反演单元所需已训练的微波高光谱神经网络；输出端口，用于输出所述神经元迭代收敛后的已训练的神经网络。可选的，所述反演单元包括亮温数据处理单元，用于获取所述采集单元采集的大气亮温信息，根据所述大气亮温信息，产生第二大气亮温矩阵，并将所述第二大气亮温矩阵传输给第二微波高光谱信息压缩单元；第二微波高光谱信息压缩单元，对所述亮温数据处理单元输出的第二大气亮温矩阵进行频谱压缩，得到压缩后的第二大气亮温矩阵；神经网络处理单元，用于根据所述神经网络训练单元已训练的微波高光谱神经网络将所述第二大气亮温矩阵反演为气象参数曲线或大气廓线。可选的，还包括控制单元，用于在所述采集单元采集到所述电压信号以及地表气象数据之前，控制微波反射镜单元的转动角度；并控制所述微波高光谱接收机单元中一级接收机的频段通道选择；以及控制微波高光谱辐射计的人工操作或自动化操作。可选的，所述控制单元包括转动平台控制单元，用于控制微波反射镜单元转动到指定仰度和方位角，以便于所述微波反射镜单元与所述微波高光谱接收机单元连接的接收天线单元的中心一致；
接收机控制单元，用于控制微波高光谱接收机单元中一级接收机的频段划分；现场操作单元，用于对微波高光谱辐射计的前置面板直接进行操作。可选的，还包括远程操作控制单元，用于在所述采集单元采集微波高光谱辐射计输出的带有天空亮温信息的电压信号以及大气廓线反演所需的实时地表气象数据之前，接收远程发送的控制信号，根据所述控制信号控制微波高光谱辐射计中所述微波反射镜单元的转动角度；以及控制所述微波高光谱接收机单元中一级接收机的频段通道选择；以及控制微波高光谱辐射计的人工操作或自动化操作。相应的，本发明还提供一种微波高光谱数字处理与控制方法，所述方法包括采集微波高光谱辐射计中微波高光谱接收机单元输出的带有天空亮温信息的电压信号以及大气廓线反演所需的实时地表气象数据；所述地表气象数据包括黑体定标源·的辐射温度和大气的绝对压强；将所述带有天空亮温信息的电压信号以及大气廓线反演所需的实时地表气象数据反演为气象参数曲线。可选的，所述将所述带有天空亮温信息的电压信号以及大气廓线反演所需的实时地表气象数据反演为气象参数曲线，包括统计当地气象局多年公开的大气温度廓线、气压廓线和水汽压廓线；将所述大气温度廓线、气压廓线和水汽压廓线换算为大气亮温矩阵；并对所述大气亮温矩阵进行频谱压缩，得到压缩后的大气亮温矩阵；以及利用神经网络算法对压缩后大气亮温矩阵进行训练处理，得到已训练的微波高光谱神经网络，并存储所述已训练的微波高光谱神经网络；根据所述已训练的微波高光谱神经网络将获取的带有天空亮温信息的电压信号以及大气廓线反演所需的实时地表气象数据反演为气象参数曲线或大气廓线。可选的，在采集到所述电压信号以及地表气象数据之前，所述方法还包括控制微波反射镜单元的转动角度；并控制所述微波高光谱接收机单元中一级接收机的频段通道选择；以及控制微波高光谱辐射计的人工操作或自动化操作。可选的，在采集到所述电压信号以及地表气象数据之前，所述方法还包括接收远程发送的控制信号；根据所述控制信号控制微波高光谱辐射计中所述微波反射镜单元的转动角度；以及控制所述微波高光谱接收机单元中一级接收机的频段通道选择；以及控制微波高光谱辐射计的人工操作或自动化操作。由上述技术方案可知，本发明通过获取微波高光谱接收机单元输出多路带有天空亮温信息的电压信号和大气廓线反演所需的实时地表气象数据，并将其反演为气象参数曲线；实现了高速的微波高光谱辐射计数据采集；同时也实现了高频谱分辨率下的大气廓线反演。也就是说，本发明结合了微波高光谱辐射计，将嵌入式系统与传统多通道辐射计相结合，从而提供一种全自动、处理速度快且系统复杂度低的数字处理装置。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图I为本发明实施例提供的一种微波高光谱数字处理与控制装置的第一结构示意图；图2为本发明实施例提供的一种微波高光谱数字处理与控制装置的第二结构示意图；图3为本发明实施例提供的一种微波高光谱数字处理与控制装置的第三结构示意图；图4为本发明实施例提供的一种微波高光谱数字处理与控制装置的第四结构示意图；图5为本发明实施例提供的一种微波高光谱数字处理与控制装置的第五结构示 意图；图6为本发明实施例提供的一种微波高光谱数字处理与控制装置的第六结构示意图；图7为本发明实施例提供的一种微波高光谱辐射计中现场操作单元的界面示意图；图8为本发明实施例提供的一种微波高光谱数字处理与控制装置的第七结构示意图；图9为本发明实施例提供的一种微波高光谱数字处理与控制方法的流程图。
具体实施例方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。请参阅图1，图I为本发明实施例提供的一种微波高光谱数字处理与控制装置的第一结构示意图；在该实施例中，所述微波高光谱数字处理与控制装置采用嵌入式Linux操作系统，并基于AT91SAM9261嵌入式硬件平台来实现，但并不限于此。所述微波高光谱数字处理与控制装置与微波高光谱辐射计中的微波高光谱接收机单元或微波高光谱接收机装置连接，其中，微波高光谱数字处理与控制装置包括采集单元11和微波高光谱数字处理单元12，其中，所述采集元11，用于采集微波高光谱辐射计中微波高光谱接收机单元输出的带有天空亮温信息的电压信号以及大气廓线反演所需的实时地表气象数据；并将所述电压信号和地表气象数据传输给所述微波高光谱数字处理单元12 ；其中，在该实施例中，其采集的过程，可以通过网线或者带有usb接口的存储设备与微波高光谱辐射计进行连接或传输。但是，也可以是微波高光谱辐射计中的微波高光谱接收机单元主动将电压信号以及大气廓线反演所需的实时地表气象数据反馈到微波高光谱数字处理单元的，当然，还可以是其他的传输方式，比如WIFI等，本实施例不作限制。所述微波高光谱数字处理单元12，用于接收采集单元11发送的带有天空亮温信息的电压信号以及大气廓线反演所需的实时地表气象数据，所述地表气象数据包括黑体定标源的辐射温度和大气的绝对压强；并将所述电压信号以及地表气象数据反演为气象参数曲线反演为气象参数曲线。在该实施例中，所述微波高光谱数字处理单元的技术指标如表I所示表I
微波高光谱数字处理单元技术指标 湿度廓线精度4% 7%
温度廓线精度3% 5%
垂直分辨率〈200米本发明实施例中，通过采集到的多路带有天空亮温信息的电压信号和大气廓线反演所需的实时地表气象数据，并将其反演为气象参数曲线，本发明实现了高速的微波高光谱辐射计数据采集；同时也实现了高频谱分辨率下的大气廓线反演。
可选的，在上述实施例的基础中，所述微波高光谱数字处理单元12可以包括神经网络数据处理单元121和反演单元122，其结构示意图如图2所示，图2为本发明实施例提供的一种微波高光谱数字处理与控制装置的第二结构示意图。其中，所述神经网络数据处理单元121，用于获取当地气象局多年公开的大气温度廓线、气压廓线和水汽压廓线；将所述大气温度廓线、气压廓线和水汽压廓线换算为第一大气亮温矩阵；并对所述第一大气亮温矩阵进行频谱压缩，得到压缩后的第一大气亮温矩阵；以及利用神经网络算法对压缩后的第一大气亮温矩阵进行训练处理，得到反演单元所需的已训练的微波高光谱神经网络，并存储所述已训练的微波高光谱神经网络。其中，所述神经网络数据处理单元也可以称为神经网络数据库；所述反演单元122，用于根据所述神经网络数据处理单元已训练的微波高光谱神经网络将所述采集单元采集到的带有天空亮温信息的电压信号以及大气廓线反演所需的实时地表气象数据反演为气象参数曲线或大气廓线。还请参阅图3，图3为本发明实施例提供的一种微波高光谱数字处理与控制装置的第三结构示意图，在上述实施例的基础上，所述神经网络数据处理单元121包括廓线收集单元311、亮温模拟单元312、第一微波高光谱信息压缩单元313和神经网络训练单元314 ;所述反演单元122包括亮温数据处理单元321、第二微波高光谱信息压缩单元322和神经网络处理单元323，其中，所述廓线收集单元311，用于统计当地气象局多年公开的大气温度廓线、气压廓线和水汽压廓线；比如，统计北京气象局公开的大气温度廓线、气压廓线和水汽压廓线等信息，该信息基于近1989 2011年的大气廓线数据统计而成。气象资料数据按月份排列，根据该气象资料数据可以统计出当地气象资料，并将所述气象资料输出给亮温模拟单元312 ；所述亮温模拟单元312，用于将统计的所述大气温度廓线、气压廓线和水汽压廓线换算为大第一气亮温矩阵；所述第一大气亮温矩阵包括多年的高频谱分辨率的大气亮温信息；也就是说，所述亮温模拟单元312基于Liebe87辐射传输模型，将廓线收集单元所统计的北京地区大气温度廓线、气压廓线和水汽压廓线换算为大气亮温矩阵，其中，大气亮温矩阵Tf ( Θ )的计算公式为，但并不限于此下述方式，也可以通过其他方式，本实施例不作限制
权利要求
1.ー种微波高光谱数字处理与控制装置，其特征在于，包括采集单元和微波高光谱数字处理单元，其中， 所述采集単元，用于采集微波高光谱辐射计中微波高光谱接收机单元输出的带有天空亮温信息的电压信号以及大气廓线反演所需的实时地表气象数据；并将所述电压信号和地表气象数据传输给所述微波高光谱数字处理装置； 所述微波高光谱数字处理单元，用于接收采集单元发送的带有天空亮温信息的电压信号以及大气廓线反演所需的实时地表气象数据，所述地表气象数据包括黑体定标源的辐射温度和大气的绝对压强；并将所述电压信号以及地表气象数据反演为气象參数曲线。
2.根据权利要求I所述的装置，其特征在于，所述采集単元包括 高速数据采集単元，用于采集微波高光谱接收机单元输出的带有天空亮温信息的电压信号; 全球定位単元，用于测量全球定位系统GPS数据，以便于对时钟进行定位； 温湿度传感器，用于检测地表的温度、湿度信息； 气压传感器，用于检测地表的气压信息。
3.根据权利要求I所述的装置，其特征在于，所述微波高光谱数字处理单元包括 神经网络数据处理単元，用于获取当地气象局多年公开的大气温度廓线、气压廓线和水汽压廓线；将所述大气温度廓线、气压廓线和水汽压廓线换算为第一大气亮温矩阵；并对所述第一大气亮温矩阵进行频谱压缩，得到压缩后的第一大气亮温矩阵；以及利用神经网络算法对压缩后的第一大气亮温矩阵进行训练处理，得到反演单元所需的已训练的微波高光谱神经网络，并存储所述已训练的微波高光谱神经网络； 反演单元，用于根据所述神经网络数据处理単元已训练的微波高光谱神经网络将所述采集单元采集到的带有天空亮温信息的电压信号以及大气廓线反演所需的实时地表气象数据反演为气象參数曲线或大气廓线。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述神经网络数据处理単元包括 廓线收集単元，用于统计当地气象局多年公开的大气温度廓线、气压廓线和水汽压廓线； 亮温模拟单元，用于将统计的所述大气温度廓线、气压廓线和水汽压廓线换算为大第ー气亮温矩阵；所述第一大气亮温矩阵包括多年的高频谱分辨率的大气亮温信息； 第一微波高光谱信息压缩单元，用于对所述亮温模拟单元输出的第一大气亮温矩阵进行频谱压缩，得到压缩后的第一大气亮温矩阵； 神经网络训练单元，用于利用神经网络算法根据所述大气温度廓线、气压廓线和水汽压廓线对压缩后第一大气亮温矩阵进行训练处理，得到反演单元所需已训练的微波高光谱神经网络，并存储所述已训练的微波高光谱神经网络。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述神经网络训练单元包括 输入端ロ，用于输入所述廓线收集单元所统计的当地大气温度廓线、气压廓线和水汽压廓线； 神经元，用于通过设定的神经网络利用输入端ロ输入的大气温度廓线、气压廓线和水汽压廓线对压缩后的第一大气亮温矩阵进行迭代收敛，得到反演单元所需已训练的微波高光谱神经网络；输出端ロ，用于输出所述神经元迭代收敛后的已训练的神经网络。
6.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述反演単元包括 亮温数据处理単元，用于获取所述采集单元采集的大气亮温信息，根据所述大气亮温信息，产生第二大气亮温矩阵，并将所述第二大气亮温矩阵传输给第二微波高光谱信息压缩单元； 第二微波高光谱信息压缩单元，对所述亮温数据处理单元输出的第二大气亮温矩阵进行频谱压缩，得到压缩后的第二大气亮温矩阵； 神经网络处理单元，用于根据所述神经网络训练单元已训练的微波高光谱神经网络将所述第二大气亮温矩阵反演为气象參数曲线或大气廓线。
7.根据权利要求I至6任一项所述的装置，其特征在于，还包括 控制单元，用于在所述采集单元采集到所述电压信号以及地表气象数据之前，控制微波反射镜单元的转动角度；并控制所述微波高光谱接收机単元中一级接收机的频段通道选择；以及控制微波高光谱辐射计的人工操作或自动化操作。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述控制単元包括 转动平台控制单元，用于控制微波反射镜单元转动到指定仰度和方位角，以便于所述微波反射镜单元与所述微波高光谱接收机单元连接的接收天线单元的中心一致； 接收机控制単元，用于控制微波高光谱接收机単元中一级接收机的频段划分； 现场操作単元，用于对微波高光谱辐射计的前置面板直接进行操作。
9.根据权利要求I至6任一项所述的装置，其特征在于，还包括 远程操作控制单元，用于在所述采集単元采集微波高光谱辐射计输出的带有天空亮温信息的电压信号以及大气廓线反演所需的实时地表气象数据之前，接收远程发送的控制信号，根据所述控制信号控制微波高光谱辐射计中所述微波反射镜单元的转动角度；以及控制所述微波高光谱接收机単元中一级接收机的频段通道选择；以及控制微波高光谱辐射计的人工操作或自动化操作。
10.ー种微波高光谱数字处理与控制方法，其特征在于，包括 采集微波高光谱辐射计中微波高光谱接收机单元输出的带有天空亮温信息的电压信号以及大气廓线反演所需的实时地表气象数据；所述地表气象数据包括黑体定标源的辐射温度和大气的绝对压强； 将所述带有天空亮温信息的电压信号以及大气廓线反演所需的实时地表气象数据反演为气象參数曲线。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述将所述带有天空亮温信息的电压信号以及大气廓线反演所需的实时地表气象数据反演为气象參数曲线，包括 统计当地气象局多年公开的大气温度廓线、气压廓线和水汽压廓线；将所述大气温度廓线、气压廓线和水汽压廓线换算为大气亮温矩阵；并对所述大气亮温矩阵进行频谱压縮，得到压缩后的大气亮温矩阵；以及利用神经网络算法对压缩后大气亮温矩阵进行训练处理，得到已训练的微波高光谱神经网络，并存储所述已训练的微波高光谱神经网络； 根据所述已训练的微波高光谱神经网络将获取的带有天空亮温信息的电压信号以及大气廓线反演所需的实时地表气象数据反演为气象參数曲线或大气廓线。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，在采集到所述电压信号以及地表气象数据之前，所述方法还包括 控制微波反射镜单元的转动角度；并控制所述微波高光谱接收机単元中一级接收机的频段通道选择；以及控制微波高光谱辐射计的人工操作或自动化操作。
13.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，在采集到所述电压信号以及地表气象数据之前，所述方法还包括 接收远程发送的控制信号； 根据所述控制信号控制微波高光谱辐射计中所述微波反射镜单元的转动角度；以及控制所述微波高光谱接收机単元中一级接收机的频段通道选择；以及控制微波高光谱辐射计的人工操作或自动化操作。
全文摘要
本发明实施例公开了一种微波高光谱数字处理与控制方法及装置，所述装置包括采集单元，用于采集微波高光谱辐射计输出的带有天空亮温信息的电压信号以及大气廓线反演所需的实时地表气象数据；微波高光谱数字处理单元，用于将所述采集单元采集到的带有天空亮温信息的电压信号以及大气廓线反演所需的实时地表气象数据反演为气象参数曲线。本发明解决了现有技术微波辐射计不能进行高频谱分辨率的大气轮廓反演的技术问题，实现了高速的微波高光谱辐射计数据采集；同时也实现了高频谱分辨率下的大气廓线反演。
文档编号G01S17/95GK102819024SQ201210299148
公开日2012年12月12日 申请日期2012年8月21日 优先权日2012年8月21日
发明者谢衍, 苗俊刚, 吴贤, 朱晨 申请人:北京琨奇电子系统有限公司