一种用于微波气象观测仪的标定系统和标定方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于微波气象观测仪的标定系统和标定方法，该微波气象观测仪的标定系统主要由微波吸收体、绝热箱和空气层三部分组成，通过精确的理论分析，得出本定标系统输出系列辐射计天线口面的天线温度TB，进而测得微波辐射计输出的电压V，通过两组或是多组天线温度TB与电压V数据拟合成一个标定方程，对微波气象观测仪进行标定。本发明的标定系统解决了关键材料的选择和特性测试，解决了亮温输出面在低温下结霜而影响标定精度的困难。在标定系统的基础上，引入了一套标定方法，使该设备不仅可精确地进行两点线性标定，还可进行多点标定以考核观测仪的线性度是否良好。
【专利说明】一种用于微波气象观测仪的标定系统和标定方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于微波气象观测仪的标定系统和标定方法。
【背景技术】
[0002]气象观测对国民经济和国防建设，均具有十分重要的意义，多年以来，为了获得当地实时的气象资料，都是通过发射无线探空仪来实现的。然而这种方法不仅成本高，操作复杂，而且也无法获得长期连续的气象资料。因此，近几年来，微波气象观测仪得到了迅速的发展，并取得了可喜的成就。它不仅操作简单，可以全天候，全天时自动按程序工作，而且可以获得长期的连续的气象资料，大大提高了气象预报的准确度。但是，进口一台微波气象观测仪价格昂贵，每台约人民币二百万元。而且其技术还在不断发展之中。其硬件和软件均在不停的更新，每次更新。购买用户均要付出不菲的代价。因此，研究具有独立自主知识产权的微波气象观测仪，不仅是国民经济和国防建设的迫切要求，而且对我国实体产业的转型升级，也是十分重要的。
[0003]微波气象观测仪是通过观测大气辐射的强度，即辐射亮温Tb的大小，反演大气的气象参数，为大气的温度、湿度廊线，云中液态水含量等。但是，微波气象观测仪的输出信号为电压V，要将电压V和亮温Tb联系起来，必须进行标定。我们通过多年的预研和相关实验，提出了 一套定标方案，完全可以满足应用的需要。由于气象观测对国民经济和国防建设意义重大，而目前采用无线探空仪获得实时气象资料的方法不仅成本高，操作也十分复杂，只能由一部分气象站进行。远远不能满足个各行业需要实时获得当地气象资料的要求。例如地方的气象台站、机场、港口、大型军事重地、农场，某些特殊的工矿企业等，均是微波气象观测仪最适合的用户。微波气象观测仪的相关技术，还可广泛应用与环境污染、水、火灾情的监测，出口岸对隐藏的枪支、毒品的检查等。
[0004]微波气象观测仪是目前尚在升级和推广的高科技产品，攻克相关的技术对我国企业的转型升级是十分有利的。进口一台典型的微波气象观测仪，约需币200万元，按目前市场去求的保守估计，产会有25亿的经济效益。微波气象观测仪的标定系统，是微波气象观测仪的关键技术设备，它决定了观测仪的数据是否精确有效。
【发明内容】
[0005]本发明的提供一种用于微波气象观测仪的标定系统和标定方法。解决了关键材料的选择和特性测试，解决了亮温输出面在低温下结霜而影响标定精度的困难。并从理论上导出了标定系统输出亮度Tb的计算公式，并在此基础上得出了标定时观测仪天线实际上接收到的信号Tap的计算公式，极大的提高了标定精度。制定了标定方法和规范，该设备不仅可精确地进行两点线性标定，还可进行多点标定以考核观测仪的线性度是否良好。
[0006]本发明的技术方案为:
[0007]—种用于微波气象观测仪的标定系统，其特征在于:该标定系统有三层发射体，三层发射体分别为微波吸收体、绝热箱、绝热箱与微波气象观测仪的天线之间的空气层，微波吸收体用金属压块固定在绝热箱内底部并与固定在绝热箱底部的钼电阻相接触，钼电阻通过导线与固定在绝热箱外的引线柱相连，且微波吸收体上表面用液氮淹没，绝热箱内设有一空间安装微波气象观测仪的天线，天线通过波导与绝热箱外的微波气象观测仪的主机相连，引线柱连接到电阻表，计算机分别与电阻表和微波气象观测仪的主机相连，绝热盖盖在绝热箱上并密封。
[0008]绝热箱下部设有氮气进气管。
[0009]所述的绝热箱外加一金属屏蔽箱，且将对应固定在绝热箱上的绝热盖、引线柱、天线的连接导线、氮气进气管从金属屏蔽箱上引出。
[0010]该标定系统有三层发射体，三层发射体为微波吸收体、绝热箱、绝热箱与微波气象观测仪的天线之间的空气层，其中微波吸收体是主要得发射体，近似为一黑体，能够全部吸收入射到它上面的辐射能量，所以它发射的亮度温度几乎接近其物理温度，这一亮度温度经过微波吸收体和绝热箱交界的反射和透射，进入绝热箱，其中很小一部分被绝热箱层吸收损耗，绝大部分连同绝热箱的发射信号一起传输到绝热箱层与微波气象观测仪的天线之间的空气层交界面，再经过这一界面的反射和透射之后，经过空气层传输到微波气象观测仪的天线；天线将接收到的信号送给微波气象观测仪的主机处理，最终以电压的形式输出，精确计算传输到天线口面的亮度温度；以此为标准，建立入射的亮度温度Tb和输出电压V的定量关系，重复多次得到多组亮度温度Tb与输出电压V数据拟合成一个标定方程或标定曲线，对微波气象观测仪进行标定的标定方程或标定曲线。
[0011]所述的金属屏蔽箱有良好屏蔽性能，可以有效的防止外界的辐射对定标精度的影响；
[0012]所述的绝热盖在打开时通过此处注入液氮，盖上可以有效的防止液氮挥发，
[0013]所述的钼电阻、引线柱、电阻表组成微波吸收体温度测量，可实时准确的测出微波吸收体的物理温度；
[0014]所述的液氮在覆盖金属压块之上5厘米一个小时后，可以使微波吸收体的温度恒定在液氮的沸点温度77K ;打开绝热盖，随着液氮的逐步挥发，微波吸收体的温度会逐渐升闻;
[0015]所述的金属压块，主要防止微波吸收体在液氮中漂浮起来，同时该压块上开有很多小孔，可以让液氮通过小孔流入微波吸收材料之中，保证微波吸收体冷却到液氮的沸点温度。
[0016]所述的微波吸收体是主要的发射体，由于它近似为一黑体，能够全部吸收入射到它上面的辐射能量，所以它发射的亮度温度，几乎接近它的物理温度；
[0017]所述的绝热箱有极好的隔热性能及厚度，能保证箱内温度的恒定与箱底不会结霜，同时对微波的损耗小，保证对微波吸收体辐射出的亮度温度影响可以忽略不记，从而不影响标定精度；
[0018]所述的氮气进气管用于在绝热箱底因潮湿天气而出现霜花的时候吹氮气去潮，防止因结霜影响标定精度。
[0019]又因为气象观测仪测量大气辐射的亮度温度，一般均比地面物理温度低，极端情况下温度为几K至十几K，所以标定必须在室温和比室温低得多的条件下进行。为此，必须在标定系统中注入液氮。使标定系统中的微波吸收体冷却到液氮的沸点温度77K。微波吸收体的精确温度由埋在其中的钼电阻及相应的高精度电阻表测量。因为系统中注入了液氮，而且为了维持液氮足够长的时间不挥发以便进行相关的标定操作，液氮必须注入到放有微波吸收材料的绝热箱中。绝热箱的底部要输出微波吸收体辐射的亮度温度。故绝热箱除了要求绝热性能好以外，还要对微波的损耗小，微波吸收体上部放有一金属压块，以防止微波吸收体在液氮中漂浮起来。该压块上开有很多小孔，以便让液氮通过小孔流入微波吸收材料之中，以保证微波吸收体冷却到液氮的沸点温度，系统上的介质绝热盖可以打开以便注入液氮，盖上它是为了防止液氮挥发，绝热箱有足够的厚度，使标定过程中箱体底部不会结霜而影响标定精度。一旦由于天气太潮湿出现霜花，则应立即吹氮气去潮。金属外壳应密封良好，以防外界的辐射影响定标精度。
[0020]利用所述的用于微波气象观测仪的标定系统的标定方法，其特征在于按以下步骤进行:
[0021]第一步:将标定系统的温度平衡在室温Ttl，气象观测仪天线接收的
[0022]Tapi=T0, (I)
[0023]Tapi为气象观测仪接收到的实测温度，计此时气象观测仪的输出电压为V1，得到
V1、 Tapi —对标定值；
[0024]第二步:在标定系统中注入液氮，并保持液氮面金属压块之上2 - 5厘米一段时间，使微波吸收体充分冷却，此时钼电阻阻值逐步变小，表明微波吸收体温度逐步下降，当钼电阻阻值在最小值稳定一段时间后，由该电阻值查表得到此时微波吸收体温度也就是气象观测仪的天线辐射亮度温度Tb2，并按式(2)算出观测仪天线接收到的实测温度Tap2，计此时气象观测仪主机输出的电压为V2,则得到另一对标定值V2、Tap2
【权利要求】
1.一种用于微波气象观测仪的标定系统，其特征在于:该标定系统有三层发射体，三层发射体分别为微波吸收体、绝热箱、绝热箱与微波气象观测仪的天线之间的空气层，微波吸收体用金属压块固定在绝热箱内底部并与固定在绝热箱底部的钼电阻相接触，钼电阻通过导线与固定在绝热箱外的引线柱相连，且微波吸收体上表面用液氮淹没，绝热箱内设有一空间安装微波气象观测仪的天线，天线通过波导与绝热箱外的微波气象观测仪的主机相连，引线柱连接到电阻表，计算机分别与电阻表和微波气象观测仪的主机相连，绝热盖盖在绝热箱上并密封。
2.根据权利要求1所述的用于微波气象观测仪的标定系统，其特征在于:所述的绝热箱下部设有氮气进气管。
3.根据权利要求2所述的用于微波气象观测仪的标定系统，其特征在于:所述的绝热箱外加一金属屏蔽箱，且将对应固定在绝热箱上的绝热盖、引线柱、天线的连接导线、氮气进气管从金属屏蔽箱上引出。
4.根据权利要求2所述的用于微波气象观测仪的标定系统，其特征在于:所述的金属压块上开有很多小孔。
5.利用权利要求1一 4之一所述的用于微波气象观测仪的标定系统的标定方法，其特征在于按以下步骤进行: 第一步:将标定系统的温度平衡在室温Ttl，气象观测仪天线接收的
Tapi=T0 (I) Tapi为气象观测仪接收到的实测温度，计此时气象观测仪的输出电压为V1，得到'、Tapi一对标定值； 第二步:在标定系统中注入液氮，并保持液氮面金属压块之上2 - 5厘米一段时间，使微波吸收体充分冷却，此时钼电阻阻值逐步变小，表明微波吸收体温度逐步下降，当钼电阻阻值在最小值稳定一段时间后，由该电阻值查表得到此时微波吸收体温度也就是气象观测仪的天线辐射亮度温度Tb2，并按式(2)算出观测仪天线接收到的实测温度Tap2，计此时气象观测仪主机输出的电压为V2,则得到另一对标定值V2、Tap2
6.根据权利要求5所述的用于微波气象观测仪的标定系统的标定方法，其特征在于:如果气象观测仪Tb~V的关系不是绝对线性的，采用式(7)计算误差大，不能采用两对标定值决定线线定标方程，需要采取多点标定；按以下步骤进行:随着标定系统中液氮的逐步挥发，微波吸收体的温度会逐步升高，一段时间之后，微波吸收体又会回到室温，在此过程中，在不同温度下我们重复步骤(1)、(2)得出一系列的(TapiJ1) ; (TAP2; V2) ; (TAP3; V3);……(ΤαΡπ； vn);然后由这一系列的标定点数据拟合成一个标定方程Tb~V。
【文档编号】G01W1/18GK103885096SQ201410102258
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2014年3月19日 优先权日:2014年3月19日
【发明者】张祖荫, 金锋, 张明星, 祁倩, 孙强, 吴建 申请人:武汉安德瑞科技有限公司