微波輻射計(jì)實(shí)時(shí)修正大氣折射誤差的實(shí)驗(yàn)研究

中國(guó)電波傳播研究所 曹培培 海阿靜 程顯海 孫世杰 馬志兵

微波輻射計(jì)實(shí)時(shí)修正大氣折射誤差的實(shí)驗(yàn)研究

中國(guó)電波傳播研究所 曹培培 海阿靜 程顯海 孫世杰 馬志兵

【摘要】介紹了微波輻射計(jì)遙感測(cè)量大氣向下輻射亮溫來(lái)實(shí)時(shí)測(cè)量對(duì)流層大氣折射誤差的原理，開(kāi)展了不同測(cè)量仰角的實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，該方法實(shí)時(shí)性強(qiáng)、精度較高。

【關(guān)鍵詞】微波輻射計(jì)；折射誤差；實(shí)時(shí)修正；輻射亮溫

0 引言

對(duì)流層大氣折射誤差是高精度雷達(dá)測(cè)量的主要誤差源之一，對(duì)信號(hào)傳播的影響可達(dá)米級(jí)，是制約觀測(cè)精度進(jìn)一步提高的關(guān)鍵因素之一［4］。

微波輻射計(jì)通過(guò)測(cè)量大氣亮度溫度，直接建立大氣折射誤差與大氣亮度溫度的關(guān)系，可實(shí)時(shí)輸出測(cè)量路徑的修正信息，有效提高測(cè)量系統(tǒng)的精度。

1 微波輻射計(jì)對(duì)流層大氣折射誤差修正的原理

對(duì)流層大氣折射率N通常由（1）式計(jì)算［4］：

其中Nd為折射率干項(xiàng)，Nw為折射率濕項(xiàng)，P為大氣壓強(qiáng)（hPa），T為大氣溫度（K），為水汽密度（g/m3）。

大氣折射引起的對(duì)流層大氣折射誤差具體表示為：

距離折射誤差干項(xiàng)可采用模型方法進(jìn)行修正；而水汽分布在實(shí)踐和空間上變化很大，很難用基于地面參數(shù)或有限的氣象探空數(shù)據(jù)精確得到，成為限制對(duì)流層大氣折射誤差修正精度的主要因素。

根據(jù)大氣輻射傳輸理論，大氣折射率濕項(xiàng)和大氣吸收輻射都與大氣中水汽含量密切相關(guān)，因此，可以利用大氣水汽為橋梁，建立起大氣折射誤差與大氣微波輻射計(jì)（大氣不透明度）的聯(lián)系方程。

采用單通道微波輻射計(jì)進(jìn)行對(duì)流層大氣折射誤差修正時(shí)的聯(lián)系方程為［1］：

（3）式給出的折射誤差濕項(xiàng)沒(méi)有包含云液水的影響，利用雙通道微波輻射計(jì)系統(tǒng)可消除云滴的過(guò)量影響。

在40GHz以下頻段內(nèi)，云中液態(tài)水吸收系數(shù)正比于頻率的平方［2］，因此有：

式中km為云的質(zhì)量吸收系數(shù).采用Benoit［3］給出的經(jīng)驗(yàn)公式表示水云質(zhì)量吸收系數(shù)km：

km僅為溫度和頻率的函數(shù)，將式（9）和（10）代入式（8），可進(jìn)一步改寫(xiě)為：

可見(jiàn)，云中液水的影響已經(jīng)消除。通常權(quán)函數(shù)w（s）是隨高度變化的，但是在某些頻率對(duì)上，與高度近似無(wú)關(guān)，w（s）可以視為常數(shù)，用Wm表示。

式（8）化簡(jiǎn)為：

對(duì)比（3）式和（12）式，由水汽引起的距離誤差可以表示為兩頻率大氣不透明度的線(xiàn)性組合：

得到濕分量后，再與干項(xiàng)分量相加，即可得到對(duì)流層大氣折射誤差。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證雙通道微波輻射計(jì)修正對(duì)流層大氣折射誤差的精度，采用中國(guó)電波傳播研究所研制的雙通道微波輻射計(jì)與氣象探空儀在青島地區(qū)進(jìn)行了為期兩周的聯(lián)合對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

與氣象探空儀的對(duì)比分析：

表1 斜路徑折射誤差對(duì)比表

經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，10°仰角微波輻射計(jì)所測(cè)對(duì)流層大氣折射誤差與射線(xiàn)描跡法計(jì)算得到對(duì)流層大氣折射誤差的相關(guān)系數(shù)為0.978；二者的均方根誤差為20.7cm。

15°仰角微波輻射計(jì)所測(cè)對(duì)流層大氣折射誤差與射線(xiàn)描跡法計(jì)算得到對(duì)流層大氣折射誤差的相關(guān)系數(shù)為0.972，二者的均方根誤差為12.1cm。

3 結(jié)論

微波輻射計(jì)測(cè)量電波傳播路徑上信息樣品得到對(duì)流層大氣折射誤差，精度較高，實(shí)時(shí)性號(hào)，可為雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)的修正信息，提高系統(tǒng)的測(cè)控精度。

參考文獻(xiàn)

［1］程顯海，金燕波，曹培培.對(duì)流層電波折射誤差高精度實(shí)時(shí)修正［J］.微波學(xué)報(bào)，2012，S2∶443-446.

［2］李蘭，程顯海.雙頻輻射計(jì)在對(duì)流層電波折射修正中的應(yīng)用［J］.電波科學(xué)學(xué)報(bào)，1993，8（3）∶18-23.

［3］BENOIT A.Signal attenuation due to neutral oxygen and water vapor， rain and clouds ［J］.Microwave J.，1968， 11（11）∶73-80.

［4］劉宗偉，劉夫體等.微波輻射計(jì)在雷測(cè)數(shù)據(jù)折射誤差修正中的應(yīng)用［J］.電波科學(xué)學(xué)報(bào).2011（06）∶1153-1157.

［5］黃捷.電波大氣折射誤差修正［M］.北京∶國(guó)防工業(yè)出版社，1999.

作者簡(jiǎn)介：

曹培培（1982-），女，天津?qū)幒尤?，大學(xué)本科，工程師，現(xiàn)供職于中國(guó)電波傳播研究所，研究方向：微波遙感、微波輻射計(jì)系統(tǒng)研制、天線(xiàn)技術(shù)。