Crookes辐射计内最佳真空度的实验和仿真研究

应用实验和蒙特卡罗(DSMC)方法,研究了Crookes辐射计工作的最佳真空条件。在辐射计内转子可以自由转动的条件下,测量了辐射计转子的转速与腔内真空度的关系,实验表明,转子的转速与腔内的真空度、转子叶片的边长有关。在叶片边长分别为20mm和10mm的情况下,最大转速分别出现在0.1Pa和3Pa。应用DSMC方法,仿真得到了在不同真空度条件下,作用在转子叶片两边的压力差分布,结果表明,在叶片边长分别为20mm和10mm的情况下,最大压力差分别出现在0.1～0.5Pa和2～5Pa。文中给出了腔内稀薄气体的速度矢量图。

六盘山地形及相对湿度对微波辐射计反演气温的影响

利用2018年4月至2019年11月的六盘山隆德站微波辐射计探测资料与平凉站探空资料,研究了微波辐射计反演温度(TM)对空气相对湿度的敏感性。首次提出湿度敏感性系数(HSR)和零度漂移度(ZDD)概念,利用这两个参量在不同高度层的分布特征,研究了六盘山地形对空气相对湿度和温度的影响,主要结论如下:(1)非降水天气条件下,空气相对湿度越大,HSR与1.0的差别越大,ZDD也越大。(2)六盘山地形对大气层的湿度垂直分布影响较大。爬坡气流或抬升气流明显增加了3 km以下气层湿度水平,晴天和阴天条件下空气相对湿度分别在山顶以上0.5 km气层和1.0~2.0 km气层达到最大,TM比实际温度最大能偏低2.7℃。(3)地形对气层湿度的影响进一步影响了空气温度的垂直分布,阴天条件下的大气逆辐射加热使得3 km以下气层平均升温2.3℃,因湿度敏感性产生的温度影响平均达到0.9℃,最高能达到1.7℃。

综合孔径微波辐射计的射频干扰源空间角度稀疏贝叶斯估计方法

该文提出一种综合孔径微波辐射计射频干扰源(RFI)空间稀疏贝叶斯估计方法。首先建立了综合孔径微波辐射计可见度函数干涉测量模型,观测数据表示为综合孔径天线基线对相关导向矢量观测矩阵与视场亮温的乘积,由于相关导向矢量观测矩阵的正交性和RFI空间角度分布的稀疏性,亮温在基线对相关导向矢量观测矩阵正交基所构成的支撑域中的变换系数是稀疏的。该文在稀疏贝叶斯学习(SBL)框架下对亮温进行稀疏重构。该方法在无需稀疏度和正则化参数等先验信息前提下也能获得较高的重构性能。计算机仿真验证了该方法的有效性。

地基微波辐射计露点温度廓线估算方案及初步应用

面向业务和台站实际,针对露点温度直接和间接计算经验公式的不确定性,结合地基微波辐射计LV2级数据特征,开展了露点温度估算方案适用性及应用讨论,旨在为预报员提供高时空分辨率的基础物理量露点温度来判识大气饱和程度,服务于强对流天气预报预警分析。研究表明:(1)相对湿度是主导露点温度直接和间接计算公式计算结果差异的敏感因子。地基微波辐射计露点温度估算方案可为相对湿度小于50%时,采用直接计算公式;相对湿度为50%~99%时,采用间接计算公式;相对湿度为100%(饱和)时,温度大于-48.75℃,采用间接计算公式,温度小于-48.75℃,采用直接计算公式。(2)地基微波辐射计估算的露点温度产品精度保持了温度产品的高相关性,较大程度上改善了系统偏差,但离散程度略有扩大。其中,相关系数由0.99变成0.98,降低了0.01;系统性偏差由-3.18℃变成-0.98℃,缩小了2.2℃;均方差由4.92℃变成5.26℃,扩大了0.34℃。(3)相较相对湿度,估算的露点差对高湿区(相对湿度大于70%以上)较为“敏感”,能很好地“勾勒”出云等水凝物内部水汽饱和状态及其特征结构,便于用户判断出饱和区、非饱和区及两者过渡区;与地基微波辐射计直接测量产品联合,可监测强对流天气发生前、中、后水凝物垂直结构特征及其演变,便于天气预报预警,其中预警提前量可达0.5~1.0 h,降水结束预报提前量接近10 min。

用于定标海表测温辐射计的镓黑体辐射源

设计了镓黑体对海表测温辐射计进行定标。首先,介绍了该黑体的结构与工作原理,对黑体发射率进行仿真,并开展发射率的测量实验,讨论其不确定度的来源。然后,开展了电加热和水浴加热下镓的相变复现实验,讨论电加热功率对镓相变复现的影响。最后,通过红外海面温度自主辐射计实验对该黑体进行验证。结果表明:该黑体基于蒙特卡罗软件仿真的发射率优于0.9988,实验测得的黑体辐射源发射率结果与仿真结果较为吻合,测量重复性(标准偏差)达0.1%;相变温度坪台的复现性均优于±0.03 K;相变温坪附近时,红外海面温度自主辐射计和FLUKE 1524测温仪测得的黑体腔附近温度的数据差值均在±0.15 K以内。设计的镓黑体可以应用到海表测温辐射计进行校准,为发展自主知识产权的海表测温设备提供校准源。

辐射计辅助的地基GNSS-R土壤湿度反演方法研究

基于全球导航卫星系统反射信号(Global Navigation Satellite System-Reflection,GNSS-R)的土壤湿度监测弥补了传统测量方法的不足,是近年来遥感领域研究的热点。针对土壤粗糙度及植被含水量影响反演精度的问题,研究了利用辐射计数据辅助提升精度的方法。提出了一种基于非线性自回归模型的神经网络(NARX)的GNSS-R和辐射计数据融合的土壤湿度反演模型,通过信号处理的一般流程,进行现场实验,验证了该方法。结果表明,在测试集上所提出的反演方法相比于传统的GNSS-R方法,相关系数提高了77%,均方根误差下降了78%,与辐射计方法相比,相关系数提高了47%,均方根误差下降了68%,证明了该方法可以实现对固定区域土壤湿度的长期连续观测。

基于微波辐射计资料研究常州地区大气廓线

为了研究常州地区大气廓线,文章利用常州国家基本站地基微波辐射计近1年观测资料,在不同季节、不同天气情况下对观测资料进行数据处理,得出液态水廓线、相对湿度廓线、水汽密度廓线和温度廓线并进行了简要分析。结果表明:常州地区低层大气白天干热、夜间湿冷;水汽密度与相对湿度有较强的相关性;春季与冬季液态水含量空间垂直廓线有明显的双峰,夏秋季表现为单峰,云天在3 km处有峰值,雨天在1 km和3 km处有峰值。研究结果为常州地区降水及灾害预报提供指示意义。

微波辐射计联合云雷达的相对湿度校正方法

基于中国气象局大气探测试验基地地基遥感垂直廓线系统中云雷达与微波辐射计同址观测的优势,使用2021年8月—2022年7月毫米波云雷达、探空数据,分析云雷达反射率因子与相对湿度特征关系,提出联合云雷达的微波辐射计相对湿度分段校正方法,实现云区微波辐射计相对湿度实时校正,并利用2023年1—8月探空和2023年7—8月ERA5(ECMWF reanalysis version 5)逐小时再分析数据进行误差分析。结果表明:入云区的相对湿度与反射率因子间呈正相关关系,云区中段相对湿度近似饱和状态,出云区与入云区相对湿度随高度变化近似对称;层状云条件下校正后微波辐射计与探空和ERA5相对湿度的均方根误差比校正前分别减小7.99%和8.91%,偏差中位数绝对值分别减小12.62%和13.05%,且连续观测时次经校正后误差均减小,校正效果较好;对流云条件下校正效果也较好,但部分个例存在过度校正。因此,联合云雷达的相对湿度分段校正方法能够实现微波辐射计相对湿度廓线的连续实时校正,可提高有云条件下微波辐射计的观测质量。

航空偏振辐射计偏振精度验证及带外响应分析

为满足航空平台图像大气校正的应用需求,在可见近红外至短波红外波段,同时获取大气多谱段偏振辐射信息,研制了一种用于航空轻量化的偏振探测仪器,航空偏振辐射计。首先,对仪器进行系统描述与光学组件简介,并给出仪器的主要技术参数,其次为保证仪器数据的可用性与参数反演精度,仪器装调之后,在实验室进行绝对辐射定标及偏振测量精度验证。研究结果表明:航空偏振辐射计的绝对辐射定标不确定度优于2.51%,各偏振波段对0.2线偏振度目标的偏振测量精度优于0.16%。同时对490 nm波段偏振精度不理想的情况进行分析,并使用单色仪系统验证其受带外响应影响,通过对比实验验证,针对490 nm波段的偏振通道,去除带外响应影响后,其偏振精度从2.29%提升至0.06%。

融合多源观测资料的微波辐射计温度廓线订正试验

为增加大气探空站点,提高微波辐射计大气温度探测精度,利用FY-4A气象卫星温度产品和BP神经网络、遗传算法,分别实施杭州站、南京站微波辐射计的温度订正仿真试验,并获得准确的连续性大气温度垂直廓线;结合探空资料和民航AMDAR气温资料,评估模型订正效果。研究结果表明:(1)微波辐射计温度产品存在一定误差,两站均在高度2 km处平均偏差最大,同站有雨时的偏差均大于无雨时的偏差;(2)经过BP神经网络模拟订正后的微波辐射计测温精度较原温度产品提升幅度较大;杭州站MAE、MSE、RMSE的降低幅度分别为45%~55%、65%~78%、41%~53%,南京站的降低幅度分别为58%~66%、83%~88%、55%~59%;(3)经过遗传算法优化初始权值和阈值后的神经网络订正模型模拟效果有进一步的提升,其中有雨模型提升效果明显,RMSE降低幅度11%~15%。微波辐射计的上述订正方法,可以推广到各地微波辐射计站点应用,具有实际使用价值。

基于一维变分法的微波辐射计反演边界层温湿廓线

地基微波辐射计能够克服星载遥感对低层大气不敏感的缺点,在边界层大气探测方面更具优势.一维变分反演算法考虑了辐射传输过程等物理机制,在应用于微波辐射计的反演时具有很高的可信度.针对微波辐射计信息含量较低以及一维变分算法收敛率不高等问题,提出利用地面气象要素改进算法在近地面层的反演精度和引入正则化算子提升算法的收敛特性.利用探空数据对上述改进方法的提升效果进行验证,结果表明:地面气象要素的引入使得反演算法在地表温湿度的均方根误差分别降低了78.2%和55.5%,对于上层大气温湿廓线也有小幅提升;正则化算子对算法的反演时间和反演精度影响很小,但是可以显著地减少未收敛样本个数和提升反演廓线的质量.

用于人体皮下温度测量的微波辐射计系统可行性研究

目前人体测温主要以红外测温和水银体温计为主,其仅能测量人体表皮温度,针对此现状,以微波辐射测温理论为依据,提出一种中心频率为1.4 GHz的微波辐射计系统,并利用目前消费类电子产品的MMIC芯片设计制作完成。系统硬件模块主要包括高增益放大器模块、带通滤波器模块和平方律检波模块。根据不同温度状态下人体皮下组织的辐射能量,系统测得最终输出电压与温度呈正相关,能够很好地响应皮下温度变化。研究结果表明,基于现有消费类电子产品的芯片可以制作出成本较低的L波段微波辐射计,能跟踪组织层的温度,验证了监测人体内部温度的可行性。

地基微波辐射计资料的质量控制及同化应用研究

针对地基微波辐射计反演资料的质量问题,利用北京区域7个站点的RPG-HATPRO型微波辐射计反演的温湿数据,在传统质量控制方法的基础上,通过增加双权重检查和偏差订正方法,设计了新的质量控制方案,而后针对质量控制后的温湿廓线开展了同化应用研究,结果表明:只有个别站点的反演温度误差较大,反演温度误差大的站点在质量控制前最大均方根误差为8℃,但在质量控制后均方根误差下降到4℃以内,误差下降50%以上,而对于反演温度误差小的站点,质量控制只对高层数据有所改善;进一步分析表明所有站点的反演相对湿度误差都比较大,在质量控制前反演的相对湿度均方根误差最大甚至达到50%,但在质量控制后所有站点反演的相对湿度均方根误差都降到20%以内,误差显著降低,同时经过质量控制后的反演温湿数据误差平均偏差降为0左右,误差满足高斯分布,符合同化的要求。同化试验表明:与控制试验相比,同化质量控制后的地基微波辐射计反演温湿廓线资料能有效改善模式对所有量级的6 h累积降水量预报,无论是降水中心位置预报还是降水量级预报,都使得模式降水预报更加趋近实况,同化试验还表明同化对温湿场有较大影响,使得模式温湿场更加合理,能有效提高模式的预报准确率。

D波段直接检波辐射计研制

微波辐射计是利用被动接收来自的大气辐射的微波信号转换获取物体的辐射亮温的微波遥感设备,文中通过天馈网络和太赫兹接收机等关键技术设计了一种D波段太赫兹辐射计。辐射计由卡塞格伦天线和D波段直接检波接收机组成,整机实现了全国产化。在148GHz~152GHz频率范围内,辐射计噪声系数小于4.5dB,线性度都达到0.9999,灵敏度达到0.1K(@积分时间20ms),整机功耗小于2.8W。D波段双极化辐射计是微波成像探测仪的重要组成部分,可以用于对大气窗口参数的观测。

激光雷达和微波辐射计温湿度廓线与探空数据的对比分析

基于西安泾河国家气象站2021年微波辐射计、西安理工大学研制的大气温湿度廓线激光雷达等设备观测数据反演计算0~10 km以下的温湿度,通过与探空资料的对比分别评估了微波辐射计和激光雷达的探测性能。结果表明,二者反演的温度均与探空数据具有较好的一致性,激光雷达反演的温度和探空温度的相关系数为0.997,均方根误差在1.5~2.5 K之间,微波辐射计反演的温度和探空温度的相关系数为0.973,均方根误差在1.5~5.0 K之间;在反演相对湿度方面激光雷达优于微波辐射计,激光雷达反演的相对湿度和探空相对湿度的相关系数为0.964,均方根误差在5%~15%之间,微波辐射计反演的相对湿度和探空相对湿度的相关系数为0.632,均方根误差在20%左右。

辐射计量技术在核能安全监测中的应用研究

核能作为一种清洁、高效、可持续的能源形式,正在逐步应用于全球能源体系中。然而,核能的开发和应用也带来了一系列的安全隐患和环境风险。核能安全监测是核能开发和应用过程中必不可少的一项工作,其主要目的是保障人民生命财产安全和环境保护。辐射计量技术是核能安全监测的核心技术之一,它能够对核能事故中的辐射量进行及时、准确的监测和分析,发现辐射污染并及时采取措施保障公众健康安全。因此,本文将探讨辐射计量技术在核能安全监测中的应用研究。

微波辐射计与探空观测数据对比分析

为了评估RPG-HATPRO微波辐射计的探测性能,文章对比分析了广东省清远市探空观测站的探空观测数据与微波辐射计数据,通过比较不同观测高度、不同天气条件下的数据质量分析仪器性能。结果表明:RPG-HATPRO微波辐射计边界层温度廓线的有效探测高度为2000 m,对流层湿度廓线的有效探测高度为10000 m;微波辐射计的对流层温度数据探测误差分布随高度增加呈曲折上升趋势;降水条件对微波辐射计温度、湿度数据准确性有一定影响,在无降水条件下,微波辐射计湿度数据的准确性更为稳定。研究结果为微波辐射计的更有效应用提供支持。

Crookes光辐射计转动特性研究

应用自制的辐射计,用实验测量的方法较系统地定量地讨论了它的转动宏观特性:辐射计受到光辐射时产生的瞬态启动、稳态和瞬态停止的特性。提出了可以用阶跃函数响应来描述辐射计的瞬态特性;研究了稳态时光辐照功率和稳态转速的关系,真空度与稳态转速的关系,转子叶片尺寸对辐射计最佳转速的影响。并应用气体动力学中蒙特卡罗方法对叶片表面的压力差分布进行了数值计算,解释了辐射计转动速度随叶片尺寸和光照变化的原因。

用于热流测量的空腔绝对辐射计研究

辐射热流传感器在航空、航天及军事领域应用广泛,其中空腔绝对辐射计作为热流标准器具有多方面的优势。介绍了空腔绝对辐射计的研究背景、研制意义、测量原理、结构形式及组成部分的功能构成,提出了空腔绝对辐射计的测试方法,对测量结果进行了验证,所研制的空腔绝对辐射计可满足热流校准工作需求。

毫米波大气臭氧探测辐射计系统设计

平流层臭氧浓度对于地球气候变化和生态环境有着重要影响.具有谱分析能力的高光谱毫米波辐射计是一种用来探测大气痕量气体的被动式微波遥感器,能够有效探测大气臭氧垂直廓线,在空间地球科学领域中具有十分重要的应用价值.本文研制了一种探测平流层大气臭氧吸收谱线的新型高光谱毫米波臭氧辐射计系统,该系统结构包括射频接收机和数字后端谱分析仪.射频接收机部分采用超外差结构获取142.175 GHz±100 MHz带宽信号,数字后端谱分析部分采用高性能模数转换器对输入模拟信号进行5×108 sample·s^(–1)采样,14 bit量化,输入信号3 dB带宽200 MHz,通过高性能现场可编程门阵列(FPGA)获取信号功率谱,实现了探测通道数16384,谱分辨率12.2 kHz.根据辐射计系统关键模块的设计方案、器件选型和测试方法,开展大气探测实验,并将实验结果与大气辐射传输模拟软件(ARTS)仿真结果进行对比,得出系统灵敏度及各项指标可以满足大气臭氧反演需求,验证了系统设计的正确性,满足平流层臭氧浓度监测、预警及其导致的气候变化研究的应用需求.