一种水汽辐射计方位仰角自动校准方法与流程

1.本发明属于无源大气微波遥感及大气折射修正技术领域，特别涉及该领域中的一种水汽辐射计方位仰角自动校准方法。


背景技术：

2.高精度大气折射修正系统利用水汽辐射计实时测量水汽频段大气微波辐射信号及地面气象环境参量要素，进行对流层大气距离折射误差修正。大气折射误差修正的关键在于获取电波信号路径电波环境参量。根据与大气参数相关性不同，大气延迟可分为干延迟和湿延迟，其中干延迟由大气温度和气压导致，湿延迟主要与大气相对湿度、信号传播路径上的大气亮温相关。
3.水汽辐射计是用于测量大气微波辐射的被动遥感设备。它本身不发射电磁波，而是通过被动地接收被测场景辐射的微波能量来探测目标特性。水汽辐射计利用实时测量的大气温度、气压以及信号传播路径上的大气亮温，实现大气延迟的高精度实时计算；通过构建湿延迟与亮温模型，结合测量大气亮温，实时获取湿延迟高精度修正。
4.水汽辐射计在执行大气折射修正任务时，需根据监控与数据中心的指令将天线指向指定的方位与俯仰角。安装架设时，水汽辐射计的方位与仰角的校准工作十分重要，与后续执行任务时的方位及仰角实际指向精度密切相关。而方位仰角精度直接影响测量路径上实时测量的微波辐射信号及反演的湿延迟结果。
5.大部分文献中都未提及辐射计如何进行方位和仰角校准，传统的做法是架设时采用水平仪对设备进行调平，再使用指北针或电子罗盘等仪表寻找真北。该方法不足之处是一方面受指北工具的精度影响，校准精度不高，另一方面受设备外形的约束较大，当辐射计设备表面没有平整的位置放置水平及指北校准仪表时，需对设备进行拆装，实际操作繁杂，使得校准精度得不到保证。另一种方位角仰角校准方法是采用经纬仪标定水汽辐射计的天线机械轴指向，该方法受场站条件限制，很多场站不具备经纬仪。而水汽辐射计的黑体罩多为弧形结构，因此开发一种适合不同外形特征的水汽辐射计方位和仰角校准方法，显得非常有必要。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的技术问题就是提供一种水汽辐射计方位仰角自动校准方法。
7.本发明采用如下技术方案：
8.一种水汽辐射计方位仰角自动校准方法，其改进之处在于，包括如下步骤：
9.步骤1，水汽辐射计底座水平校准：
10.通过调整底角螺栓，对底座进行水平校准；
11.步骤2，指北初调：
12.利用指北针或电子罗盘，对水汽辐射计进行指北初调，使得设备刻度盘“0度”对准真北方向，偏差控制在10度以内；
13.步骤3，得到站点精确经纬度；
14.步骤4，计算校准当日的太阳高度角和方位角：
15.太阳高度角的计算公式为：
16.sinφ＝sinα
·
sinδ+cosα
·
cosδ
·
cos t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
17.式中，φ为太阳的高度角，α为测站纬度，δ为当时的太阳视赤纬，t为时角；
18.视赤纬δ从天文年历中查得，时角t是测站当地的地方真太阳时，由下式计算得到：
19.t＝(t
北
+δt
时差
+δt
经度
)*180/12
‑
180
°ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
20.其中，t
北
是进行标定操作的北京时间，δt
时差
是当天的时差，从天文年历中查得，δt
经度
是观测点经度的时间差，由下式计算得到：
21.δt
经度
＝12
×
(e
‑
120
°
)/180
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
22.e为测站所在的经度；
23.太阳方位角的计算公式为：
24.tanθ＝
‑
tanδ
×
cos m/sin(m
‑
α)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
25.tan m＝tanδ/cos t
26.其中，θ为太阳的方位角，m为系数，θ的订正方法如下：
27.当m＜a时：θ
′
＝θ+180
°
28.当m＞a时：若t＜0，θ
′
＝θ；
29.若t＞0，θ
′
＝θ+360
°
；
30.其中，θ
′
是实际的辐射计天线的方位角；
31.步骤5，校准终端计算机时间；
32.步骤6，根据当前时刻t1查找方位角a和仰角b：
33.手动控制方位到达角度a，俯仰到达角度b的位置，通过“程序控制”设置方位为[a
‑
10,a+10]，步进角1度，如果架设调试时间为上午，则设置俯仰为[b
‑
0.5,b+0.5]，步进角0.1度，方式为“只扫方位”，如果架设调试时间为下午，则设置俯仰为[b+0.5,b
‑
0.5],步进角
‑
0.1度；
[0034]
由扫描方位数据初步筛出电压最大值所在时刻t2的方位角c和仰角d，查找太阳方位角高度角文件，得到t2时刻的真实方位角c’和仰角d’，计算出方位偏差角δc＝c
‑
c’，在终端软件中调整方位角度误差；
[0035]
步骤7，查找太阳高度角文件当前时刻t3的下一分钟的方位角e和仰角f，通过“程序控制”设置方位为[e
‑
2,e+3]，步进角1度，如果架设调试时间为上午，则设置俯仰角为[f
‑
0.5,f+1]，步进角0.1度，方式为“只扫俯仰”，如果架设调试时间为下午，则设置俯仰为[f+0.5,f
‑
1]，步进角
‑
0.1度；
[0036]
扫描结束后由测量电压数据得到每个俯仰扫描过程中电压最大值时刻t4对应的仰角f1，对应该时刻t4的太阳高度角文件计算的仰角为f2，计算仰角偏差角δf＝f2－f1，若|δf|大于0.5度，则需要检查水平是否调整正确，当δf小于0.5度时，在终端软件中对仰角误差进行调整；
[0037]
步骤8，方位和角度误差调整之后，重新进行扫角观测，得到方位扫描中对应电压最大值时刻t5，计算该时刻的太阳方位角，如与显控软件中t5时刻的方位角不一致，则重复步骤6；俯仰扫描结果数据中对应电压最大值时刻t6，计算该时刻的太阳高度角，如与扫描
数据中t6时刻的仰角不一致，则重复步骤7，调整扫角测量的起始角度和角度间隔，直至误差满足要求，确定方位角和仰角的校准值；
[0038]
步骤9，根据确定的方位角和仰角校准值，对水汽辐射计方位角和仰角进行校准。
[0039]
本发明的有益效果是：
[0040]
本发明所公开的校准方法，利用太阳作为辐射源校准水汽辐射计的方位角和仰角，不需要借助经纬仪等额外的专门仪器，相比传统的校准方法，该校准方法结果准确、操作简单，适宜在水汽辐射计外场架设和日常检查中使用，保证了方位角和仰角的校准精度，进一步提高了水汽辐射计的折射误差修正精度。
[0041]
本发明所公开的校准方法，对水汽辐射计外观无特殊要求，克服了现场架设时因水汽辐射计外形因素导致的方位仰角校准误差偏大的缺点，解决了外场架设条件下缺乏经纬仪等精密仪器的实际困难，进一步提高了大气微波辐射计信号测量与折射误差修正的准确性，从而满足水汽辐射计系统的应用需求。
附图说明
[0042]
图1是本发明校准方法的流程示意图。
具体实施方式
[0043]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0044]
实施例1，为解决水汽辐射计外场架设中方位角和仰角校准存在的问题，本实施例公开了一种操作简单的水汽辐射计方位仰角自动校准方法，水汽辐射计被动接收太阳连续不断发出的微波能量，通过输入的控制参数自动控制水汽辐射计在一定的空间范围内作扇扫，在终端计算机综合显控软件上显示水汽辐射计接收到的噪声电压值。当终端计算机综合显控软件显示出最大的噪声电压值时，表明此刻辐射计天线主瓣轴对准了太阳，该时刻太阳所在的方位角和高度角就是辐射计天线的实际方位角和仰角，根据综合显控软件自动记录该时刻的时间、太阳方位角、辐射计天线方位角读数、太阳仰角、辐射计天线仰角读数等信息，扫描结束后，得出误差报告。架设人员根据给出的误差报告对辐射计天线做出调整，调整的幅度就是天线的实际方位角和仰角与终端显控软件显示的天线在该时刻的方位角和仰角读数之间的差。为便于操作，可以先改变俯仰角作水平扫描，确定方位角误差后再改变方位角做俯仰扫描，确定仰角误差。进行多次方位俯仰扫描，由误差平均值确定最终方位角和仰角校准值。
[0045]
如图1所示，具体包括如下步骤：
[0046]
步骤1，水汽辐射计底座水平校准：
[0047]
水汽辐射计外场架设时，在方位角和仰角校准之前，首先通过调整底角螺栓，对底座进行水平校准；
[0048]
步骤2，指北初调：
[0049]
利用指北针或电子罗盘等工具，对水汽辐射计进行指北初调，使得设备刻度盘“0度”对准真北方向，偏差控制在10度以内；注意考虑各地地磁偏角不同。
[0050]
步骤3，得到站点精确经纬度；
[0051]
步骤4，计算校准当日的太阳高度角和方位角：
[0052]
太阳是一个频谱很宽的电磁波辐射源，类似于噪声信号。而水汽辐射计的灵敏度很高，可以检测出太阳的微波辐射。当水汽辐射计天线没有对准太阳时，接收机收到的是大气辐射噪声，而天线对准太阳时，接收机指示最大，根据此时刻太阳的方位角和高度角即可对水汽辐射计天线的方位角和仰角进行定标。
[0053]
确定太阳的方位角和高度角有两种方式：一种是直接用经纬仪观测此刻太阳的方位角和仰角。用经纬仪观测太阳时需加深色滤光镜，以防阳光烧伤眼睛，而且经纬仪本身需精确地定北；二是根据太阳在天空中的运行规律，用天线对准太阳时的时间来确定太阳的方位角和仰角。某一时刻太阳在天空中相对某一固定地点的方位角和高度角可以根据测站所在经纬度、当天的视赤纬、时差和时角等参数准确地推算出来。本实施例的校准方法采用第二种方式确定太阳的方位角和高度角，该方式不依赖专门的仪器，简便易行，精度高。
[0054]
太阳高度角的计算公式为：
[0055]
sinφ＝sinα
·
sinδ+cosα
·
cosδ
·
cos t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0056]
式中，φ为太阳的高度角，α为测站纬度(单位：度)，δ为当时的太阳视赤纬，t为真太阳时，又称作时角(单位：度)；
[0057]
视赤纬δ可从天文年历中查得，时角t就是测站当地的地方真太阳时，这由当时的地方平时，根据当天的时差，进行订正得出，用角度表示。t可由下式计算得到：
[0058]
t＝(t
北
+δt
时差
+δt
经度
)*180/12
‑
180
°ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0059]
其中，t
北
是进行标定操作的北京时间，δt
时差
是当天的时差，可以根据天文年历查得，δt
经度
是观测点经度的时间差(单位：小时)，由测站的经度计算得到：
[0060]
δt
经度
＝12
×
(e
‑
120
°
)/180
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0061]
上式中，e为测站所在的经度；
[0062]
太阳方位角的计算公式为：
[0063]
tanθ＝
‑
tanδ
×
cos m/sin(m
‑
α)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0064]
tan m＝tanδ/cos t
[0065]
其中，θ为太阳的方位角，α、δ、t的说明同太阳高度角的计算公式。m为计算方便而引进的系数。
[0066]
根据(4)式计算得到的太阳方位角是在天文学上使用的，当在水汽辐射计中使用时，需要进行角度订正。否则，利用该方法进行标定时，当早晚太阳实际高度角较低时，会出现计算得到的太阳方位角和实际的太阳方位角相差180度的现象。具体订正方法如下：
[0067]
当m＜a时：θ
′
＝θ+180
°
[0068]
当m＞a时：若t＜0,θ
′
＝θ；
[0069]
若t＞0,θ
′
＝θ+360
°
；
[0070]
其中，θ为根据(4)式计算得到的太阳方位角，而θ
′
是实际的辐射计天线的方位角；
[0071]
步骤5，校准终端计算机时间；由于不同时刻太阳的高度角和仰角变化较大，为保证校准结果的准确性，在进行校准前，要对计算机时间进行校准，以确保计算机的时间准确。
[0072]
步骤6，根据当前时刻t1查找太阳方位角a和仰角b：
[0073]
将水汽辐射计由终端计算机显控软件运行方式切换到手动控制，手动控制方位到达角度a，俯仰到达角度b的位置，通过“程序控制”设置方位为[a
‑
10,a+10]，步进角1度，如果架设调试时间为上午，则设置俯仰角为[b
‑
0.5,b+0.5]，步进角0.1度，方式为“只扫方位”，如果架设调试时间为下午，则设置俯仰角为[b+0.5,b
‑
0.5],步进角
‑
0.1度，太阳下午为由高往低转；
[0074]
由扫描方位数据初步筛出电压最大值所在时刻t2的方位角c和仰角d，查找太阳方位角高度角文件，得到t2时刻的真实方位角c’和仰角d’，计算出方位偏差角δc＝c
‑
c’，在终端软件中调整方位角度误差；
[0075]
步骤7，调整完水汽辐射计方位角后，查找太阳高度角文件当前时刻t3的下一分钟的方位角e和仰角f，通过“程序控制”设置方位为[e
‑
2,e+3]，步进角1度，如果架设调试时间为上午，则设置俯仰角为[f
‑
0.5,f+1]，步进角0.1度，方式为“只扫俯仰”，如果架设调试时间为下午，则设置俯仰为[f+0.5,f
‑
1]，步进角
‑
0.1度；
[0076]
扫描结束后由测量电压数据得到每个俯仰扫描过程中电压最大值时刻t4对应的仰角f1，对应该时刻t4的太阳高度角文件计算的仰角为f2，计算仰角偏差角δf＝f2－f1，若|δf|大于0.5度，则需要检查水平是否调整正确，当δf小于0.5度时，在终端软件中对仰角误差进行调整；
[0077]
步骤8，方位和角度误差调整之后，重新进行扫角观测，得到方位扫描中对应电压最大值时刻t5，计算该时刻的太阳方位角，如与显控软件中t5时刻的方位角不一致，则重复步骤6；俯仰扫描结果数据中对应电压最大值时刻t6，计算该时刻的太阳高度角，如与扫描数据中t6时刻的仰角不一致，则重复步骤7，可适当调整扫角测量的起始角度和角度间隔，直至误差满足要求，确定方位角和仰角的校准值；
[0078]
步骤9，根据确定的方位角和仰角校准值，对水汽辐射计方位角和仰角进行校准。