微波辐射计实时修正大气折射误差的实验研究

中国电波传播研究所 曹培培 海阿静 程显海 孙世杰 马志兵

微波辐射计实时修正大气折射误差的实验研究

中国电波传播研究所 曹培培 海阿静 程显海 孙世杰 马志兵

【摘要】介绍了微波辐射计遥感测量大气向下辐射亮温来实时测量对流层大气折射误差的原理，开展了不同测量仰角的实验研究，结果表明，该方法实时性强、精度较高。

【关键词】微波辐射计；折射误差；实时修正；辐射亮温

0 引言

对流层大气折射误差是高精度雷达测量的主要误差源之一，对信号传播的影响可达米级，是制约观测精度进一步提高的关键因素之一［4］。

微波辐射计通过测量大气亮度温度，直接建立大气折射误差与大气亮度温度的关系，可实时输出测量路径的修正信息，有效提高测量系统的精度。

1 微波辐射计对流层大气折射误差修正的原理

对流层大气折射率N通常由（1）式计算［4］：

其中Nd为折射率干项，Nw为折射率湿项，P为大气压强（hPa），T为大气温度（K），为水汽密度（g/m³）。

大气折射引起的对流层大气折射误差具体表示为：

距离折射误差干项可采用模型方法进行修正；而水汽分布在实践和空间上变化很大，很难用基于地面参数或有限的气象探空数据精确得到，成为限制对流层大气折射误差修正精度的主要因素。

根据大气辐射传输理论，大气折射率湿项和大气吸收辐射都与大气中水汽含量密切相关，因此，可以利用大气水汽为桥梁，建立起大气折射误差与大气微波辐射计（大气不透明度）的联系方程。

采用单通道微波辐射计进行对流层大气折射误差修正时的联系方程为［1］：

（3）式给出的折射误差湿项没有包含云液水的影响，利用双通道微波辐射计系统可消除云滴的过量影响。

在40GHz以下频段内，云中液态水吸收系数正比于频率的平方［2］，因此有：

式中km为云的质量吸收系数.采用Benoit［3］给出的经验公式表示水云质量吸收系数km：

km仅为温度和频率的函数，将式（9）和（10）代入式（8），可进一步改写为：

可见，云中液水的影响已经消除。通常权函数w（s）是随高度变化的，但是在某些频率对上，与高度近似无关，w（s）可以视为常数，用Wm表示。

式（8）化简为：

对比（3）式和（12）式，由水汽引起的距离误差可以表示为两频率大气不透明度的线性组合：

得到湿分量后，再与干项分量相加，即可得到对流层大气折射误差。

2 实验结果及分析

为了验证双通道微波辐射计修正对流层大气折射误差的精度，采用中国电波传播研究所研制的双通道微波辐射计与气象探空仪在青岛地区进行了为期两周的联合对比实验。

与气象探空仪的对比分析：

表1 斜路径折射误差对比表

经统计分析，10°仰角微波辐射计所测对流层大气折射误差与射线描迹法计算得到对流层大气折射误差的相关系数为0.978；二者的均方根误差为20.7cm。

15°仰角微波辐射计所测对流层大气折射误差与射线描迹法计算得到对流层大气折射误差的相关系数为0.972，二者的均方根误差为12.1cm。

3 结论

微波辐射计测量电波传播路径上信息样品得到对流层大气折射误差，精度较高，实时性号，可为雷达测量系统提供实时的修正信息，提高系统的测控精度。

参考文献

［1］程显海，金燕波，曹培培.对流层电波折射误差高精度实时修正［J］.微波学报，2012，S2∶443-446.

［2］李兰，程显海.双频辐射计在对流层电波折射修正中的应用［J］.电波科学学报，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］刘宗伟，刘夫体等.微波辐射计在雷测数据折射误差修正中的应用［J］.电波科学学报.2011（06）∶1153-1157.

［5］黄捷.电波大气折射误差修正［M］.北京∶国防工业出版社，1999.

作者简介：

曹培培（1982-），女，天津宁河人，大学本科，工程师，现供职于中国电波传播研究所，研究方向：微波遥感、微波辐射计系统研制、天线技术。