新型地基大气廓线微波探测仪及其参数反演

　　1　引　言

　　大气温度和湿度廓线是重要的气象参数,二者与数值天气预测、农业、通信、交通、航空等密切相关。传统的探测方法为无线电探空和星载温湿度探测仪。但前者体积庞大,成本较高且安装和运行条件复杂,空间分辨率和时间分辨率较低,后者在高空具有理想的空间分辨率,但由于云的遮挡和强吸收以及大气对毫米波波段电磁波的不透明性,使其在低对流层只有较低的空间分辨率。地基大气廓线微波探测仪在国内多为进口美国的MP3000系列[1]和德国的RPG设备[2],全天候全天时工作,维护成本低,运行可靠,且在低对流层具有很高的空间分辨率。但其结构、体积、尺寸等方面仍有待改进。本文介绍的新型地基大气探测仪以二者为基础和参考,根据实际情况在保证整体性能的前提下,进行结构优化和改进。其后,选用有效的神经网络算法,来反演某地区大气温度的垂直分布情况。

　　2　仪器结构创新及特点

　　2.1　接收机形式的创新

　　超外差式接收机是常用的微波辐射计体制,技术已经非常成熟,其系统框图如图1所示。除天线外,超外差式接收机通常由射频滤波器、低噪声射频放大器、本振、混频器、中频放大器、中频带通滤波器、平方律检波器、积分器和视频放大器等组成。直接检波型微波辐射计,其接收机不采用超外差混频方式,而是经过滤波及射频放大后直接检波。本文的直接检波型微波辐射计(双极化)系统框图如图2所示。除天线及极化分离(OMT)以外,接收机主要由射频滤波器、低噪声射频放大器、主射频放大器、平方律检波器、积分器和视频放大器组成,天线接收到的目标信号不经过混频处理,而在射频频段上直接检波。与超外差式接收机相比,不需要本振及混频器,系统所需器部件较少,系统结构组成更加简单[3]。

　　比较图1和图2可以看出,与超外差式接收机相比,直接检波型接收机具有以下优点:

　　(1)所用器部件数量少,结构更加紧凑、简单。

　　(2)不需要本振和混频部分,系统功耗有较大程度的降低。

　　(3)避免了本振在振幅和频率上的漂移对系统的影响,增强了稳定性。

　　(4)避免了高频向中频转换的过程,有利于提高系统灵敏度及稳定度。

　　2.2　频率配置的创新

　　双频辐射计的两个频率的配置可以采用两种方式:

　　一是Radiometrics设备所采用的双频共用反射面的方式(图3);二是双频分别采用独立的反射面的方式(图4)。

　　采用双频共用反射面的方案的主要优点是系统的横向体积较小,但如果考虑到增加一个极化分离栅网后需要一定安装空间等要求,实际横向尺寸缩小的程度有限。采用双频独立反射面的方案,可以对每个频率的天线进行独立的优化和设计,也可以尽量减小天线的轴向(横向)尺寸,在一定程度上弥补由于增加一个天线所带来的体积的增加。另外,考虑到极化栅网加工的难度及其所带来的成本增加和引入的系统损耗,对于陆基观测系统,双频独立反射面的方案具有一定的优势。