本发明涉及微波遥感技术领域，特别涉及一种地基微波辐射计及其定标方法、大气探测方法。
背景技术：
大气温度和湿度廓线是重要的气象参数，实时探测这些气象参数对数值天气预报，人工降雨和飞行安全等都具有重大的意义。地基微波辐射计作为一种大气探测设备，通过被动的接收观测场景的微波辐射能量来探测目标特性，能够全天候的获取大气垂直温度和湿度廓线，与其他大气探测手段相比具有维护成本低、运行可靠，以及独立工作的优点。
目前，国内外的地基微波辐射计主要采用抛物反射面天线的形式，抛物反射面天线不仅加工难度大、成本高，而且其系统在工作过程中天线与馈源相对位置不固定，从而会造成抛物面与馈源的匹配性发生变化，最终导致天馈系统驻波比发生变化使输出产生波动。同时，传统的地基微波辐射计大多采用极化栅网或频率选择表面等准光学技术实现频率分离，这样的系统设计存在结构复杂、集成度低、安装难度大等不利因素。
技术实现要素：
本发明的目的在于，为解决现有的地基微波辐射计采用旋转抛物面天线所导致的加工难度大和输出信号产生波动的技术问题，以及使用准光学技术实现频率分离所造成的系统结构复杂的技术问题，提供了一种高性能、高集成度、低功耗、小型化的地基微波辐射计，以及基于该辐射计的定标方法和大气探测方法。
为了实现上述目的，本发明提供的一种地基微波辐射计，包括：平面镜、电机、扫描控制电路、透镜、馈源、分工器、接收机单元、定标体和数据采集管理单元；所述的电机在扫描控制电路的控制下驱动平面镜转动，所述的平面镜通过扫描大气或定标体，将接收到的电磁波信号以平面波形式反射至透镜，所述的透镜将平面波聚焦至与其位置相对的馈源内，所述的分工器用于分离馈源接收的电磁波信号的频率，所述的接收机单元的输入端与分工器的输出端连接，用于接收与其频率相匹配的电磁波信号，所述的数据采集管理单元与接收机单元、扫描控制电路、上位机连接，用于与上位机进行通讯，并对接收机单元输出的数据进行量化采集和控制扫描控制电路的运行。
作为上述技术方案的进一步改进，所述的地基微波辐射计设置有两种不同频率的接收机单元，分别为K波段接收机和V波段接收机；所述的K波段接收机用于接收20GHz-30GHz频率的电磁波，用于探测大气湿度廓线的垂直分布；所述的V波段接收机用于接收50GHz-60GHz频率的电磁波，用于探测大气温度廓线的垂直分布，两种波段的接收机均采用射频直接检波体制。
作为上述技术方案的进一步改进，所述的K波段接收机和V波段接收机均包括：噪声源，定向耦合器，射频低噪放大器和功分器。所述的噪声源通过定向耦合器向接收机的各个接收通道内注入一定量的噪声，为辐射计定标提供参考输入信号，所述的定向耦合器将一定量的噪声信号耦合注入接收机的输入通道内与分工器输出的信号进行合并。所述的射频低噪放大器对定向耦合器输出的信号进行放大处理后，由功分器分成多路功率信号输入至各接收通道内，每一接收通道内均设有带通滤波器、检波器、积分器和低频放大器。所述的带通滤波器对功分器输出的功率信号进行选频后，由检波器将功率信号转变为直流电压信号，所述的积分器对该直流电压信号进行平滑处理，最后经过低频放大器将电压信号进行放大后以输出最终的信号。
基于上述结构的地基微波辐射计，本发明还同时提供了一种地基微波辐射计的定标方法，包括：
步骤101)对地基微波辐射计进行绝对定标：将平面镜对准外置液氮定标体，并分别关闭和打开噪声源，记录对应接收机单元所输出的电压数值U1和U2，获得两组定标参考点Tc～U1和Tc+TINJ～U2，其中Tc为外置液氮定标体的等效噪声温度,TINJ为接收机的等效注入噪声温度；以及将平面镜对准环境温度下的常温黑体，并分别关闭和打开噪声源，记录对应接收机单元所输出的电压数值U3和U4，可以获得另外两组定标参考点Th～U3和Th+TINJ～U4，其中Th为常温黑体的等效噪声温度；将四组定标参考点代入公式：
U＝G(TREC+TINJ+TA)α(0＜α＜1)
计算获得接收机的等效噪声温度TREC、接收机的等效注入噪声温度TINJ、辐射计系统的增益系数G和非线性因子α，从而确定地基微波辐射计的绝对定标方程。
步骤102)对地基微波辐射计进行实时定标：将平面镜对准辐射计内置的定标体，并分别关闭和打开噪声源，记录对应接收机单元所输出的电压数值U1和U2，得到两组定标参考点Ta～U1和Ta+TINJ～U2，其中Ta为辐射计系统内置定标体的等效噪声温度,TINJ为接收机的等效注入噪声温度；将两组定标参考点，以及步骤101)计算得到的辐射计系统的非线性因子α和接收机的等效注入噪声温度TINJ代入公式：
U＝G(TREC+TINJ+TA)α(0＜α＜1)
计算获得接收机的等效噪声温度TREC和辐射计系统的增益系数G，从而在绝对定标基础上对定标方程进行参数修正。
本发明还同时提供了一种地基微波辐射计的大气探测方法，包括：
步骤201)基于上述地基微波辐射计的定标方法对地基微波辐射计进行定标操作；
步骤202)通过数据采集管理单元向扫描控制电路发送控制命令，利用扫描控制电路控制电机驱动平面镜转动，以扫描天顶观测区域；
步骤203)通过平面镜接收大气中的电磁波信号后反射到透镜上，利用透镜将平面镜输出的平面波进行聚焦后通过馈源接收；
步骤204)通过馈源对接收到的电磁波信号进行整理，使其极化方向一致，并进行阻抗变换后输出至分工器；
步骤205)由分工器分离接收到的电磁波信号的频率，利用各接收机单元接收与其频率相匹配的电磁波信号，并通过数据采集管理单元采集各接收机单元输出的电压数据，将数据打包处理后传输到上位机。
本发明的一种地基微波辐射计及其定标方法、大气探测方法优点在于：
1、采用平面镜扫描，利用透镜将平面镜反射的平面波进行聚焦，这样使得平面镜与馈源之间相对位置固定，避免了采用抛物反射面天线旋转时与馈源之间相对位置变化后，天馈系统驻波比发生变化所导致的输出波动现象，而且避免了抛物反射面天线加工难度大且成本高的缺点。
2、采用分工器分离馈源接收的电磁波频率，使得系统结构简单，集成度高，避免了使用极化栅网或频率选择表面等准光学技术实现频率分离所造成的多馈源、系统结构复杂、安装精度要求高等不利条件。
3、接收机采用直接检波体制，由于射频直接检波体制接收机不需要本振，从而降低了系统噪声温度，而且不需要控制本振频率的变化，系统控制逻辑简单，具有功耗小、体积小的优点。
4、系统内置定标黑体和噪声源，因此可以进行实时定标。所述的实时定标不需要外置定标黑体，与绝对定标相比操作简单且不受时间和环境的影响。另外，本发明的辐射计采用绝对定标和实时定标相结合的定标方法，不仅可以提高定标的精确度，还可以提高系统对环境的适用性。
附图说明
图1为本发明实施例中的一种地基微波辐射计的结构示意图。
图2为本发明实施例中的20GHz-30GHz接收机的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明所述的一种地基微波辐射计及其定标方法、大气探测方法进行详细说明。
如图1所示，本发明提供的一种地基微波辐射计，包括：平面镜、电机、扫描控制电路、透镜、馈源、分工器、接收机单元、内置定标体和数据采集管理单元。所述的电机在扫描控制电路的控制下驱动平面镜转动，使得平面镜能够进行大气探测扫描。所述的平面镜通过扫描大气或定标体，将接收到的电磁波信号以平面波形式反射至透镜，所述的透镜将平面波聚焦至与其位置对应的馈源内，所述的分工器用于分离馈源接收的电磁波信号的频率，所述的接收机单元的输入端与分工器的输出端连接，用于接收与其频率相匹配的电磁波信号。所述的数据采集管理单元与接收机单元、扫描控制电路、上位机连接，用于与上位机进行通讯，一方面可进行接收机输出数据的量化采集，将数据打包后传输到上位机进行处理；另一方面可以解析上位机注入的指令，为该地基微波辐射计提供正常工作时序，发送控制指令到扫描控制电路。在本辐射计系统中，透镜可保持固定位置从而与馈源保持最佳的驻波比，将平面镜反射来的平面波进行聚焦后通过馈源接收。
如图1所示，在本实施例中，可选用两种不同频率的接收机单元，分别为K波段接收机和V波段接收机。K波段接收机用于接收20GHz-30GHz频率的电磁波，V波段接收机用于接收50GHz-60GHz频率的电磁波。在扫描控制电路的控制下，电机带动平面镜进行大气探测扫描及定标。其中，20GHz-30GHz频率接收机用于探测大气湿度廓线的垂直分布；50GHz-60GHz频率接收机用于探测大气温度廓线的垂直分布。接收机单元均采用射频直接检波体制，由于射频直接检波体制接收机不需要本振，从而降低了系统噪声温度，与超外差体制接收机相比具有功耗小、体积小的优点。
如图2所示，在本实施例中，所述的K波段接收机和V波段接收机均包括：噪声源，定向耦合器，射频低噪放大器和功分器。所述的噪声源通过定向耦合器向接收机的各个接收通道内注入一定量的噪声，为辐射计定标提供参考输入信号，所述的定向耦合器将一定量的噪声信号耦合注入接收机的输入通道内与分工器输出的信号进行合并，所述的射频低噪放大器对定向耦合器输出的信号进行放大处理后，由功分器分成七路功率信号输入至对应的七个接收通道内，接收通道数可根据需要进行增加或者减少。每一接收通道内均设有带通滤波器、检波器、积分器和低频放大器。所述的带通滤波器对功分器输出的功率信号进行选频后，由检波器将功率信号转变为直流电压信号，再经过积分器对该直流电压信号进行平滑处理，最后经过低频放大器将电压信号进行放大，以输出达到数字信号处理要求的信号。
如表1所示，为本发明的地基微波辐射计中各接收机通道的频率参数：
表1
针对上述结构的地基微波辐射计，本发明还提供了一种定标方法：
在本实施例中，由于辐射计系统的非线性主要取决于接收机中检波二极管的功率响应的非线性，在较长的时间内该非线性特征不会发生变化，非线性因子可通过绝对定标方法确定；而接收机的等效噪声温度和辐射计系统的增益系数则会随着环境温度的变化而变化，可利用系统内部噪声源和内置定标体提供稳定的参考信号，从而对接收机噪声温度和增益的漂浮进行周期性校准，获得实时的定标方程用于目标亮温的测量。这样通过绝对定标与实时定标相结合的定标方式，一方面可以减小外界环境对系统造成的影响，另一方面可使定标精度更加精确。
公式1为地基微波辐射计的输出电压与输入功率之间的关系。其中，U为接收机的输出电压，G为辐射计系统的增益系数，TREC为接收机的等效噪声温度，TINJ为接收机等效注入噪声温度，TA为从馈源输入到接收机的噪声温度，α为辐射计系统的非线性因子。下述公式中，接收机等效噪声温度TREC、接收机等效注入噪声温度TINJ、辐射计系统增益系数G和非线性因子α为定标需要获取的四个未知量。
U＝G(TREC+TINJ+TA)α(0＜α＜1) 公式(1)
所述地基微波辐射计的定标方法具体包括：
步骤101)对地基微波辐射计进行绝对定标：当辐射计系统进行绝对定标时，将平面镜对准外置液氮定标体，并分别关闭和打开噪声源，记录对应接收机单元所输出的电压数值U1和U2，可以获得两组定标参考点Tc～U1和Tc+TINJ～U2，其中Tc为外置液氮定标体的等效噪声温度,TINJ为接收机的等效注入噪声温度；以及将平面镜对准环境温度下的常温黑体，并分别关闭和打开噪声源，记录对应接收机单元所输出的电压数值U3和U4，可以获得另外两组定标参考点Th～U3和Th+TINJ～U4，其中Th为常温黑体的等效噪声温度；将四组定标参考点代入公式(1)，解方程得到公式(1)中的四个未知量，即可获得地基微波辐射计的绝对定标方程。通过绝对定标可确定辐射计系统的非线性因子α和接收机等效注入噪声温度TINJ。绝对定标大约需4-5个月进行一次。
步骤102)对地基微波辐射计进行实时定标：当辐射计系统进行实时定标时，可以认为辐射计系统的非线性因子α和噪声源的等效注入噪声TINJ在较长时间内不会发生变化。实时定标的具体过程是将平面镜对准辐射计系统内置的定标体，并分别关闭和打开噪声源，记录对应接收机单元所输出的电压数值U1和U2，可以获得两组定标参考点Ta～U1和Ta+TINJ～U2，其中Ta为辐射计系统内置定标体的等效噪声温度,TINJ为接收机的等效注入噪声温度。因为此时α和TINJ已经通过绝对定标确定，所以将Ta～U1和Ta+TINJ～U2两组定标参考点，以及步骤101)计算得到的辐射计系统的非线性因子α和接收机的等效注入噪声温度TINJ代入公式(1)中，解方程得到接收机的等效噪声温度TREC和辐射计系统的增益系数G，即可获得地基微波辐射计的实时定标方程。实时定标方法可对接收机噪声温度和增益的漂浮进行周期性校准，提高定标的精确度。实时定标可以1-2天进行一次。
利用上述结构的地基微波辐射计进行大气温度和湿度廓线探测的方法，具体包括：
步骤201)基于上述地基微波辐射计的定标方法对地基微波辐射计进行定标操作；
步骤202)通过数据采集管理单元向扫描控制电路发送控制命令，利用扫描控制电路控制电机驱动平面镜转动，以扫描天顶观测区域；当平面镜扫描到天顶观测区域时，平面镜的反射面对准大气；
步骤203)通过平面镜接收大气的电磁波信号后反射到透镜上，利用透镜将平面镜输出的平面波进行聚焦后通过馈源接收；
步骤204)通过馈源对接收到的电磁波信号进行整理，使其极化方向一致，并进行阻抗变换后输出至分工器；
步骤205)由分工器分离从馈源接收的电磁波信号的频率，经分工器分离的电磁波分别由K波段接收机和V波段接收机接收并输出具体电压数据，并通过数据采集管理单元将具体的数据进行打包处理后发送到上位机，上位机根据此前得到的定标方程将电压数据转化为具体亮温数据以供使用。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。