中國電波傳播研究所 曹培培 海阿靜 程顯海 孫世杰 馬志兵

微波輻射計實時修正大氣折射誤差的實驗研究

中國電波傳播研究所 曹培培 海阿靜 程顯海 孫世杰 馬志兵

【摘要】介紹了微波輻射計遙感測量大氣向下輻射亮溫來實時測量對流層大氣折射誤差的原理，開展了不同測量仰角的實驗研究，結果表明，該方法實時性強、精度較高。

【關鍵詞】微波輻射計；折射誤差；實時修正；輻射亮溫

0 引言

對流層大氣折射誤差是高精度雷達測量的主要誤差源之一，對信號傳播的影響可達米級，是制約觀測精度進一步提高的關鍵因素之一［4］。

微波輻射計通過測量大氣亮度溫度，直接建立大氣折射誤差與大氣亮度溫度的關系，可實時輸出測量路徑的修正信息，有效提高測量系統(tǒng)的精度。

1 微波輻射計對流層大氣折射誤差修正的原理

對流層大氣折射率N通常由（1）式計算［4］：

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

大氣折射引起的對流層大氣折射誤差具體表示為：

距離折射誤差干項可采用模型方法進行修正；而水汽分布在實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，大氣折射率濕項和大氣吸收輻射都與大氣中水汽含量密切相關，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（大氣不透明度）的聯(lián)系方程。

采用單通道微波輻射計進行對流層大氣折射誤差修正時的聯(lián)系方程為［1］：

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

在40GHz以下頻段內，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為云的質量吸收系數(shù).采用Benoit［3］給出的經(jīng)驗公式表示水云質量吸收系數(shù)km：

km僅為溫度和頻率的函數(shù)，將式（9）和（10）代入式（8），可進一步改寫為：

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

式（8）化簡為：

對比（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性組合：

得到濕分量后，再與干項分量相加，即可得到對流層大氣折射誤差。

2 實驗結果及分析

為了驗證雙通道微波輻射計修正對流層大氣折射誤差的精度，采用中國電波傳播研究所研制的雙通道微波輻射計與氣象探空儀在青島地區(qū)進行了為期兩周的聯(lián)合對比實驗。

與氣象探空儀的對比分析：

表1 斜路徑折射誤差對比表

經(jīng)統(tǒng)計分析，10°仰角微波輻射計所測對流層大氣折射誤差與射線描跡法計算得到對流層大氣折射誤差的相關系數(shù)為0.978；二者的均方根誤差為20.7cm。

15°仰角微波輻射計所測對流層大氣折射誤差與射線描跡法計算得到對流層大氣折射誤差的相關系數(shù)為0.972，二者的均方根誤差為12.1cm。

3 結論

微波輻射計測量電波傳播路徑上信息樣品得到對流層大氣折射誤差，精度較高，實時性號，可為雷達測量系統(tǒng)提供實時的修正信息，提高系統(tǒng)的測控精度。

參考文獻

［1］程顯海，金燕波，曹培培.對流層電波折射誤差高精度實時修正［J］.微波學報，2012，S2∶443-446.

［2］李蘭，程顯海.雙頻輻射計在對流層電波折射修正中的應用［J］.電波科學學報，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.微波輻射計在雷測數(shù)據(jù)折射誤差修正中的應用［J］.電波科學學報.2011（06）∶1153-1157.

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

作者簡介：

曹培培（1982-），女，天津寧河人，大學本科，工程師，現(xiàn)供職于中國電波傳播研究所，研究方向：微波遙感、微波輻射計系統(tǒng)研制、天線技術。