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一種用于微波氣象觀測儀的標定系統(tǒng)和標定方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于微波氣象觀測儀的標定系統(tǒng)和標定方法，該微波氣象觀測儀的標定系統(tǒng)主要由微波吸收體、絕熱箱和空氣層三部分組成，通過精確的理論分析，得出本定標系統(tǒng)輸出系列輻射計天線口面的天線溫度TB，進而測得微波輻射計輸出的電壓V，通過兩組或是多組天線溫度TB與電壓V數(shù)據(jù)擬合成一個標定方程，對微波氣象觀測儀進行標定。本發(fā)明的標定系統(tǒng)解決了關(guān)鍵材料的選擇和特性測試，解決了亮溫輸出面在低溫下結(jié)霜而影響標定精度的困難。在標定系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，引入了一套標定方法，使該設(shè)備不僅可精確地進行兩點線性標定，還可進行多點標定以考核觀測儀的線性度是否良好。
【專利說明】一種用于微波氣象觀測儀的標定系統(tǒng)和標定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于微波氣象觀測儀的標定系統(tǒng)和標定方法。
【背景技術(shù)】
[0002]氣象觀測對國民經(jīng)濟和國防建設(shè)，均具有十分重要的意義，多年以來，為了獲得當?shù)貙崟r的氣象資料，都是通過發(fā)射無線探空儀來實現(xiàn)的。然而這種方法不僅成本高，操作復(fù)雜，而且也無法獲得長期連續(xù)的氣象資料。因此，近幾年來，微波氣象觀測儀得到了迅速的發(fā)展，并取得了可喜的成就。它不僅操作簡單，可以全天候，全天時自動按程序工作，而且可以獲得長期的連續(xù)的氣象資料，大大提高了氣象預(yù)報的準確度。但是，進口一臺微波氣象觀測儀價格昂貴，每臺約人民幣二百萬元。而且其技術(shù)還在不斷發(fā)展之中。其硬件和軟件均在不停的更新，每次更新。購買用戶均要付出不菲的代價。因此，研究具有獨立自主知識產(chǎn)權(quán)的微波氣象觀測儀，不僅是國民經(jīng)濟和國防建設(shè)的迫切要求，而且對我國實體產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，也是十分重要的。
[0003]微波氣象觀測儀是通過觀測大氣輻射的強度，即輻射亮溫Tb的大小，反演大氣的氣象參數(shù)，為大氣的溫度、濕度廊線，云中液態(tài)水含量等。但是，微波氣象觀測儀的輸出信號為電壓V，要將電壓V和亮溫Tb聯(lián)系起來，必須進行標定。我們通過多年的預(yù)研和相關(guān)實驗，提出了 一套定標方案，完全可以滿足應(yīng)用的需要。由于氣象觀測對國民經(jīng)濟和國防建設(shè)意義重大，而目前采用無線探空儀獲得實時氣象資料的方法不僅成本高，操作也十分復(fù)雜，只能由一部分氣象站進行。遠遠不能滿足個各行業(yè)需要實時獲得當?shù)貧庀筚Y料的要求。例如地方的氣象臺站、機場、港口、大型軍事重地、農(nóng)場，某些特殊的工礦企業(yè)等，均是微波氣象觀測儀最適合的用戶。微波氣象觀測儀的相關(guān)技術(shù)，還可廣泛應(yīng)用與環(huán)境污染、水、火災(zāi)情的監(jiān)測，出口岸對隱藏的槍支、毒品的檢查等。
[0004]微波氣象觀測儀是目前尚在升級和推廣的高科技產(chǎn)品，攻克相關(guān)的技術(shù)對我國企業(yè)的轉(zhuǎn)型升級是十分有利的。進口一臺典型的微波氣象觀測儀，約需幣200萬元，按目前市場去求的保守估計，產(chǎn)會有25億的經(jīng)濟效益。微波氣象觀測儀的標定系統(tǒng)，是微波氣象觀測儀的關(guān)鍵技術(shù)設(shè)備，它決定了觀測儀的數(shù)據(jù)是否精確有效。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的提供一種用于微波氣象觀測儀的標定系統(tǒng)和標定方法。解決了關(guān)鍵材料的選擇和特性測試，解決了亮溫輸出面在低溫下結(jié)霜而影響標定精度的困難。并從理論上導(dǎo)出了標定系統(tǒng)輸出亮度Tb的計算公式，并在此基礎(chǔ)上得出了標定時觀測儀天線實際上接收到的信號Tap的計算公式，極大的提高了標定精度。制定了標定方法和規(guī)范，該設(shè)備不僅可精確地進行兩點線性標定，還可進行多點標定以考核觀測儀的線性度是否良好。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案為:
[0007]—種用于微波氣象觀測儀的標定系統(tǒng)，其特征在于:該標定系統(tǒng)有三層發(fā)射體，三層發(fā)射體分別為微波吸收體、絕熱箱、絕熱箱與微波氣象觀測儀的天線之間的空氣層，微波吸收體用金屬壓塊固定在絕熱箱內(nèi)底部并與固定在絕熱箱底部的鉬電阻相接觸，鉬電阻通過導(dǎo)線與固定在絕熱箱外的引線柱相連，且微波吸收體上表面用液氮淹沒，絕熱箱內(nèi)設(shè)有一空間安裝微波氣象觀測儀的天線，天線通過波導(dǎo)與絕熱箱外的微波氣象觀測儀的主機相連，引線柱連接到電阻表，計算機分別與電阻表和微波氣象觀測儀的主機相連，絕熱蓋蓋在絕熱箱上并密封。
[0008]絕熱箱下部設(shè)有氮氣進氣管。
[0009]所述的絕熱箱外加一金屬屏蔽箱，且將對應(yīng)固定在絕熱箱上的絕熱蓋、引線柱、天線的連接導(dǎo)線、氮氣進氣管從金屬屏蔽箱上引出。
[0010]該標定系統(tǒng)有三層發(fā)射體，三層發(fā)射體為微波吸收體、絕熱箱、絕熱箱與微波氣象觀測儀的天線之間的空氣層，其中微波吸收體是主要得發(fā)射體，近似為一黑體，能夠全部吸收入射到它上面的輻射能量，所以它發(fā)射的亮度溫度幾乎接近其物理溫度，這一亮度溫度經(jīng)過微波吸收體和絕熱箱交界的反射和透射，進入絕熱箱，其中很小一部分被絕熱箱層吸收損耗，絕大部分連同絕熱箱的發(fā)射信號一起傳輸?shù)浇^熱箱層與微波氣象觀測儀的天線之間的空氣層交界面，再經(jīng)過這一界面的反射和透射之后，經(jīng)過空氣層傳輸?shù)轿⒉庀笥^測儀的天線；天線將接收到的信號送給微波氣象觀測儀的主機處理，最終以電壓的形式輸出，精確計算傳輸?shù)教炀€口面的亮度溫度；以此為標準，建立入射的亮度溫度Tb和輸出電壓V的定量關(guān)系，重復(fù)多次得到多組亮度溫度Tb與輸出電壓V數(shù)據(jù)擬合成一個標定方程或標定曲線，對微波氣象觀測儀進行標定的標定方程或標定曲線。
[0011]所述的金屬屏蔽箱有良好屏蔽性能，可以有效的防止外界的輻射對定標精度的影響；
[0012]所述的絕熱蓋在打開時通過此處注入液氮，蓋上可以有效的防止液氮揮發(fā)，
[0013]所述的鉬電阻、引線柱、電阻表組成微波吸收體溫度測量，可實時準確的測出微波吸收體的物理溫度；
[0014]所述的液氮在覆蓋金屬壓塊之上5厘米一個小時后，可以使微波吸收體的溫度恒定在液氮的沸點溫度77K ;打開絕熱蓋，隨著液氮的逐步揮發(fā)，微波吸收體的溫度會逐漸升聞;
[0015]所述的金屬壓塊，主要防止微波吸收體在液氮中漂浮起來，同時該壓塊上開有很多小孔，可以讓液氮通過小孔流入微波吸收材料之中，保證微波吸收體冷卻到液氮的沸點溫度。
[0016]所述的微波吸收體是主要的發(fā)射體，由于它近似為一黑體，能夠全部吸收入射到它上面的輻射能量，所以它發(fā)射的亮度溫度，幾乎接近它的物理溫度；
[0017]所述的絕熱箱有極好的隔熱性能及厚度，能保證箱內(nèi)溫度的恒定與箱底不會結(jié)霜，同時對微波的損耗小，保證對微波吸收體輻射出的亮度溫度影響可以忽略不記，從而不影響標定精度；
[0018]所述的氮氣進氣管用于在絕熱箱底因潮濕天氣而出現(xiàn)霜花的時候吹氮氣去潮，防止因結(jié)霜影響標定精度。
[0019]又因為氣象觀測儀測量大氣輻射的亮度溫度，一般均比地面物理溫度低，極端情況下溫度為幾K至十幾K，所以標定必須在室溫和比室溫低得多的條件下進行。為此，必須在標定系統(tǒng)中注入液氮。使標定系統(tǒng)中的微波吸收體冷卻到液氮的沸點溫度77K。微波吸收體的精確溫度由埋在其中的鉬電阻及相應(yīng)的高精度電阻表測量。因為系統(tǒng)中注入了液氮，而且為了維持液氮足夠長的時間不揮發(fā)以便進行相關(guān)的標定操作，液氮必須注入到放有微波吸收材料的絕熱箱中。絕熱箱的底部要輸出微波吸收體輻射的亮度溫度。故絕熱箱除了要求絕熱性能好以外，還要對微波的損耗小，微波吸收體上部放有一金屬壓塊，以防止微波吸收體在液氮中漂浮起來。該壓塊上開有很多小孔，以便讓液氮通過小孔流入微波吸收材料之中，以保證微波吸收體冷卻到液氮的沸點溫度，系統(tǒng)上的介質(zhì)絕熱蓋可以打開以便注入液氮，蓋上它是為了防止液氮揮發(fā)，絕熱箱有足夠的厚度，使標定過程中箱體底部不會結(jié)霜而影響標定精度。一旦由于天氣太潮濕出現(xiàn)霜花，則應(yīng)立即吹氮氣去潮。金屬外殼應(yīng)密封良好，以防外界的輻射影響定標精度。
[0020]利用所述的用于微波氣象觀測儀的標定系統(tǒng)的標定方法，其特征在于按以下步驟進行:
[0021]第一步:將標定系統(tǒng)的溫度平衡在室溫Ttl，氣象觀測儀天線接收的
[0022]Tapi=T0, (I)
[0023]Tapi為氣象觀測儀接收到的實測溫度，計此時氣象觀測儀的輸出電壓為V1，得到
V1、 Tapi —對標定值；
[0024]第二步:在標定系統(tǒng)中注入液氮，并保持液氮面金屬壓塊之上2 - 5厘米一段時間，使微波吸收體充分冷卻，此時鉬電阻阻值逐步變小，表明微波吸收體溫度逐步下降，當鉬電阻阻值在最小值穩(wěn)定一段時間后，由該電阻值查表得到此時微波吸收體溫度也就是氣象觀測儀的天線輻射亮度溫度Tb2，并按式(2)算出觀測儀天線接收到的實測溫度Tap2，計此時氣象觀測儀主機輸出的電壓為V2,則得到另一對標定值V2、Tap2
【權(quán)利要求】
1.一種用于微波氣象觀測儀的標定系統(tǒng)，其特征在于:該標定系統(tǒng)有三層發(fā)射體，三層發(fā)射體分別為微波吸收體、絕熱箱、絕熱箱與微波氣象觀測儀的天線之間的空氣層，微波吸收體用金屬壓塊固定在絕熱箱內(nèi)底部并與固定在絕熱箱底部的鉬電阻相接觸，鉬電阻通過導(dǎo)線與固定在絕熱箱外的引線柱相連，且微波吸收體上表面用液氮淹沒，絕熱箱內(nèi)設(shè)有一空間安裝微波氣象觀測儀的天線，天線通過波導(dǎo)與絕熱箱外的微波氣象觀測儀的主機相連，引線柱連接到電阻表，計算機分別與電阻表和微波氣象觀測儀的主機相連，絕熱蓋蓋在絕熱箱上并密封。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于微波氣象觀測儀的標定系統(tǒng)，其特征在于:所述的絕熱箱下部設(shè)有氮氣進氣管。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于微波氣象觀測儀的標定系統(tǒng)，其特征在于:所述的絕熱箱外加一金屬屏蔽箱，且將對應(yīng)固定在絕熱箱上的絕熱蓋、引線柱、天線的連接導(dǎo)線、氮氣進氣管從金屬屏蔽箱上引出。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于微波氣象觀測儀的標定系統(tǒng)，其特征在于:所述的金屬壓塊上開有很多小孔。
5.利用權(quán)利要求1一 4之一所述的用于微波氣象觀測儀的標定系統(tǒng)的標定方法，其特征在于按以下步驟進行: 第一步:將標定系統(tǒng)的溫度平衡在室溫Ttl，氣象觀測儀天線接收的
Tapi=T0 (I) Tapi為氣象觀測儀接收到的實測溫度，計此時氣象觀測儀的輸出電壓為V1，得到'、Tapi一對標定值； 第二步:在標定系統(tǒng)中注入液氮，并保持液氮面金屬壓塊之上2 - 5厘米一段時間，使微波吸收體充分冷卻，此時鉬電阻阻值逐步變小，表明微波吸收體溫度逐步下降，當鉬電阻阻值在最小值穩(wěn)定一段時間后，由該電阻值查表得到此時微波吸收體溫度也就是氣象觀測儀的天線輻射亮度溫度Tb2，并按式(2)算出觀測儀天線接收到的實測溫度Tap2，計此時氣象觀測儀主機輸出的電壓為V2,則得到另一對標定值V2、Tap2
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于微波氣象觀測儀的標定系統(tǒng)的標定方法，其特征在于:如果氣象觀測儀Tb~V的關(guān)系不是絕對線性的，采用式(7)計算誤差大，不能采用兩對標定值決定線線定標方程，需要采取多點標定；按以下步驟進行:隨著標定系統(tǒng)中液氮的逐步揮發(fā)，微波吸收體的溫度會逐步升高，一段時間之后，微波吸收體又會回到室溫，在此過程中，在不同溫度下我們重復(fù)步驟(1)、(2)得出一系列的(TapiJ1) ; (TAP2; V2) ; (TAP3; V3);……(ΤαΡπ； vn);然后由這一系列的標定點數(shù)據(jù)擬合成一個標定方程Tb~V。
【文檔編號】G01W1/18GK103885096SQ201410102258
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年3月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月19日
【發(fā)明者】張祖蔭, 金鋒, 張明星, 祁倩, 孫強, 吳建 申請人:武漢安德瑞科技有限公司