一种积雪微波辐射特性地基测量装置及测量方法

本发明涉及地物遥感特性，更具体的说，涉及一种积雪微波辐射特性地基测量装置及测量方法。

背景技术：

1、积雪是气候变化的指示器，在天气预报、水资源管理和大气环流研究种起着至关重要的作用。由于其高反照率和低导热性，季节性积雪也影响全球能量平衡。此外，大量淡水存储在积雪中，积雪融水对饮用水和作物生产也有重大影响。因此，准确估算积雪参数(如雪深、雪水当量)对于我们应对气候变化和规划农业生产等具有重要意义。

2、通常，使用地面气象站或手动测量测量雪深。但是，很难在区域或全球范围内获取雪深的整体分布。幸运的是，遥感技术提供了便捷的方法，可以从太空观察地球表面。被动微波遥感是进行积雪参数监测的最有效手段之一，因为它可以穿透积雪并与雪颗粒相互作用。卫星搭载的微波辐射计可以检测到地球表面的弱信号，可以不依赖天气状况全天候监测积雪的时空变化信息。

3、积雪厚度和雪水当量的微波遥感监测需要精准的微波辐射传输模型进行参数反演，但积雪从积累初期到后期，积雪性质发生了迅速变化，静态的微波辐射模型难以准确描述这种参数变化带来的微波辐射特性变化，因而会造成很大的反演误差，那么充分研究和理解积雪的参数演化过程以及微波辐射传输特性的变化就非常必要。由于积雪下垫面的因素的影响，目前很难进行自然状态下积雪本身微波辐射特性的定量观测。

4、因此，为了进一步改进模型并提高积雪参数的遥感监测精度，本发明提出了一种积雪微波辐射特性地基测量装置及测量方法，能够去除下垫面因素的影响，获取积雪本身微波辐射亮温，进而通过模型模拟深刻认识积雪参数对于积雪微波辐射特性的影响。

技术实现思路

1、本发明提供一种积雪微波辐射特性地基测量装置及测量方法，以解决上述提出的问题。

2、本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种积雪微波辐射特性地基测量装置，包括：地面观测样方，自动升降平台、微波辐射计、无线通信模块和供电模块；所述自动升降平台的上方设置有微波辐射计，用于带动微波辐射计升降；所述微波辐射计用于提供观测数据，所述无线通讯模块的信号输入端连接有微波辐射计的信号输出端；所述供电模块提供微波辐射计、自动升降平台和无线通信模块电力供给；所述地面观测样方设置在自动升降平台的周围，所述地面观测包括设置在积雪下方的吸波材料。

3、更近一步的，所述地面观测样方的大小根据入射角度，微波辐射计半波束角和观测高度决定，样方大小超过微波辐射计瞬时视场范围的二倍，观测样方底部铺设有吸波材料，且积雪位于吸波材料上方。

4、更近一步的，所述吸波材料选用sc泡沫乳突吸波材料(k波段最大反射功率小于-30db，ka波段最大反射功率小于-40db)。

5、更近一步的，所述微波辐射计包括天线、匹配负载、低噪声放大器、带通滤波器、混频电路、中频放大器、可变增益放大器、平方率检波器、视频放大器、ad采样、微控制单元mcu和温度测量单元，通过天线测量目标物体，天线和匹配负载连接至两进一出的前端射频开关，微控制单元mcu通过控制射频开关来决定输出系统的信号；输入信号经过低噪声放大器，带通滤波器后与本振进行混频；信号通过中频放大器、可变增益放大器、平方率检波器、视频放大器后，经过ad采样，将电信号通过spi接口连接至mcu中；mcu同时接收温度控制单元所测量的接收机内部各个部件实时物理温度；mcu使用这些温度进行自动增益补偿与温度修正，辐射计采集的亮度温度信息通过无线通信模块发送至服务器和地面站。

6、更近一步的，所述下位机控制芯片为stmicroelectronic公司开发的32位微处理器stm32f103zet6芯片，所述芯片包括2个12位的adc、3个通用16位定时器和一个pwm定时器，还包括标准和先进的通信接口：2个i2c和spi、3个usart、一个usb和一个can，工作于-40℃至+105℃的温度范围，供电电压2.0v至3.6v。

7、一种积雪微波辐射特性地基测量装置的测量方法，具体包括积雪微波辐射亮温模型模拟流程和无线通讯模块解析流程，所述积雪微波辐射亮温模型模拟流程包括通过通过设置微波辐射亮温易于量化的积雪下垫面，以及在升降台上安装微波辐射计观测系统，构建了地基微波辐射测量装置，观测数据通过无线传输至终端，利用微波辐射传输模型进一步明确积雪参数变化对于积雪微波辐射特性的影响，进而实现模型的校正；

8、所述无线通讯模块解析流程包括微波辐射计通过串口通讯互传信息给dtu透传模块和无线传输模块，所述无线传输模块将信息互传给无线传输模块，所述dtu透传模块互传信息给云服务器，所述云服务器和无线传输模块互传信息给地面实时监控，

9、相比于现有技术的有益效果如下：

10、本发明设计的积雪微波辐射特性测量装置和方法操作简单、计算容易，适用于自然积雪条件下多频段微波辐射特性测量，同时能够实现测量的高精度和高效率，是测量不同厚度、不同密度的积雪层微波辐射特性的有效方法。

技术特征：

1.一种积雪微波辐射特性地基测量装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种积雪微波辐射特性地基测量装置，其特征在于，所述地面观测样方的大小根据入射角度，微波辐射计半波束角和观测高度决定，样方大小超过微波辐射计瞬时视场范围的二倍，观测样方底部铺设有吸波材料，且积雪位于吸波材料上方。

3.根据权利要求2所述的一种积雪微波辐射特性地基测量装置及测量方法，其特征在于，所述吸波材料选用sc泡沫乳突吸波材料(k波段最大反射功率小于-30db，ka波段最大反射功率小于-40db)。

4.根据权利要求1所述的一种积雪微波辐射特性地基测量装置及测量方法，其特征在于，所述微波辐射计包括天线、匹配负载、低噪声放大器、带通滤波器、混频电路、中频放大器、可变增益放大器、平方率检波器、视频放大器、ad采样、微控制单元mcu和温度测量单元，通过天线测量目标物体，天线和匹配负载连接至两进一出的前端射频开关，微控制单元mcu通过控制射频开关来决定输出系统的信号；输入信号经过低噪声放大器，带通滤波器后与本振进行混频；信号通过中频放大器、可变增益放大器、平方率检波器、视频放大器后，经过ad采样，将电信号通过spi接口连接至mcu中；mcu同时接收温度控制单元所测量的接收机内部各个部件实时物理温度；mcu使用这些温度进行自动增益补偿与温度修正，辐射计采集的亮度温度信息通过无线通信模块发送至服务器和地面站。

5.根据权利要求4所述的一种积雪微波辐射特性地基测量装置及测量方法，其特征在于，所述下位机控制芯片为stmicroelectronic公司开发的32位微处理器stm32f103zet6芯片，所述芯片包括2个12位的adc、3个通用16位定时器和一个pwm定时器，还包括标准和先进的通信接口：2个i2c和spi、3个usart、一个usb和一个can，工作于-40℃至+105℃的温度范围，供电电压2.0v至3.6v。

6.一种积雪微波辐射特性地基测量装置的测量方法，其特征在于，具体包括积雪微波辐射亮温模型模拟流程和无线通讯模块解析流程，所述积雪微波辐射亮温模型模拟流程包括通过通过设置微波辐射亮温易于量化的积雪下垫面，以及在升降台上安装微波辐射计观测系统，构建了地基微波辐射测量装置，观测数据通过无线传输至终端，利用微波辐射传输模型进一步明确积雪参数变化对于积雪微波辐射特性的影响，进而实现模型的校正；

技术总结
本发明涉及地物遥感特性技术领域，并公开了一种积雪微波辐射特性地基测量装置，包括：地面观测样方，自动升降平台、微波辐射计、无线通信模块和供电模块；为了进一步改进模型并提高积雪参数的遥感监测精度，本发明提出了一种积雪微波辐射特性地基测量装置及测量方法，能够去除下垫面因素的影响，获取积雪本身微波辐射亮温，进而通过模型模拟深刻认识积雪参数对于积雪微波辐射特性的影响。

技术研发人员：李晓峰,万祥坤,姜涛
受保护的技术使用者：中国科学院东北地理与农业生态研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14