(6)微波辐射计说明书.doc

0 微波辐射计用户手册 TP WVP 3000 TP 2500 WVP 1500 HTTP RADIOMETRICS COM 1 目录目录 第一章第一章 概述概述 143 1 1 引言 143 1 2 装置规格 147 1 3 微波辐射计工作原理 148 1 4 亮温转化方程 150 1 5 从观测资料反演廓线 151 1 6 误差来源 151 第二章第二章 廓线的构成廓线的构成 152 2 1 微波接收机概述 152 2 2 微波接收机的构成 154 2 2 1 高斯光学天线 154 2 2 2 噪音二极管引入装置 154 2 2 3 双接头绝缘体 155 2 2 4 LNA 和平衡混合下行转换器 155 2 2 5 IF 放大器 155 2 2 6 检波器和影像放大器 155 2 3 地表气象和 IRT 传感器 155 2 3 1 表面气象探测器 155 2 3 2 雨水探测器 156 2 3 3 红外温度计 156 2 4 可选的 GPS 接收器 157 第三章第三章 安装安装 157 3 1 选址 158 3 2 选址准备 159 3 3 装配和安装 159 3 4 调整三脚架水平 160 3 5 保护三脚架 161 3 6 安放微波辐射计 161 3 7 安装 IRT 162 3 8 电缆连接 163 3 9 连接数据电缆 164 3 10 固定电缆 164 3 11 安装电脑 165 2 第四章第四章 初始操作和仪器运行初始操作和仪器运行 166 第五章第五章 微波辐射计标定微波辐射计标定 172 5 1 LN2 校正 173 5 1 1 对冷目标温度的贡献 174 5 1 2 LN2 标定的预防措施 174 5 1 3 LN2 标定过程 175 5 1 4 LN2 标定验证试验 178 5 2 TIP 标定 179 5 2 1 LN2 与 TIP 方法比较的优劣 179 5 2 2 TIP 标定过程 180 5 3 地表气象探测器的标定 181 5 3 1 S3 温湿记录器 181 5 3 2 气压 182 5 3 3 雨量探测器 182 5 3 4 红外温度计 183 第六章第六章 数据收集和处理数据收集和处理 184 6 1 操作模式 184 6 1 1 运行菜单模式 184 6 1 2 运行预定程序模式 185 6 2 输入文件 187 6 2 1 结构文件 187 6 2 2 程序文件 189 6 2 3 程序 清单文件 197 6 2 4 厂方程序文件 198 6 2 5 神经网络文件 199 6 3 输出文件 199 6 3 1 输出文件的命名习惯 200 6 3 2 记录数 200 6 3 3 日期 时间习惯 200 6 3 4 常用记录类型 201 6 3 5 0 层文件 201 6 3 6 1 层文件 202 6 3 7 2 层文件 203 6 3 8 TIP 标定文件 204 6 3 9 LN2 标定文件 204 6 4 时间同步 205 3 6 5 再生成 205 第七章第七章 维修和故障处理维修和故障处理 205 7 1 仪器维修 205 7 1 1 微波辐射计标定 205 7 1 2 天线指向标定 206 7 1 3 更换天线罩 206 7 1 4 S3 温湿探测器 207 7 1 5 鼓风机过滤器的清洁和更换 209 7 1 6 雨量探测器板 210 7 1 7 IRT 透镜和镜面维护 210 7 1 8 电缆 211 7 2 控制电脑 211 7 2 1 操作系统更新 211 7 2 2 操作代码更新 211 7 2 3 病毒防护 212 7 2 4 错误信息 212 4 第一章第一章 概述概述 1 1 引言引言 本操作手册提供了 Radiometrics 公司可移动式微波辐射计的操作信息 这些操作信息 主要适用于以下几种型号的产品 TP WVP 3000 温度 水汽和液水廓线双频段微波辐射计 TP 2500 51 59 GHz 温度廓线微波辐射计 WVP 1500 22 30 GHz 水蒸气廓线微波辐射计 这三种型号的仪器都使用相同的基础硬件平台和软件 除了说明书中提到的注意点以 外 这三种仪器的操作都是相同的 在本说明书中 所提到的 微波辐射计 用来指代 Radiometrics 的所有型号的可移动式微波辐射计 微波辐射计能够给出从地表到 10 公里的垂直廓线 其中 TP WVP 3000 能够给出温 度 水汽廓线和低分辨率的液水廓线 TP 2500 只能给出温度廓线 而 WVP 1500 只能给 出水汽廓线 5 图 1 装有方位角位置调节器的 TP WVP 3000 TP WVP 3000 包括两套无线电频率子系统 这两套子系统在同一个框箱内 它们使用 同一个天线和天线定位系统 温度廓线 TP 子系统在 51 59GHz 所选定的频率上对天空 进行观察 水汽廓线 WVP 子系统接收 22 30GHz 范围内的选定频率 TP 2500 只使用 51 59GHz 的子系统 WVP 1500 只使用 22 30GHz 的子系统 地面气象探测器测量空气温 度 相对湿度和气压 为了提高测量水汽和云液水密度廓线的精度 TP WVP 3000 使用天 顶方向的红外温度计测量云底温度 所有微波辐射计都是基于使操作简单化 结果精确化 和可靠化 方便携带 以及省电的宗旨设计的 微波辐射计使用被动遥感技术 这样就不 需要排除其他辐射 TP WVP 3000 如图 1 所示 图 1 的 TP WVP 3000 装载了方位角定位 仪 整个设备装载在微波辐射计 TP 2000 型三脚架上 通常微波辐射计都安装在户外 使用 TP 2000 三脚架架载 用户也可以自己提供相容 的架载平台 设备需要 115V 或者 230V 交流电 安装仪器时需要注意 天线系统要求在各 个层面上都要有明朗的观测天空的视角 至少也要在一个垂直平面上有个清晰的观测视角 如果安装了方位角定位仪 那么在所有方位角和感兴趣的仰角方向都要有明朗的观测角度 6 详细的安装要求在第 3 章讲述 微波辐射计通过 Radiometrics 的版权软件控制 就是这里提到的 操作代码 操作代 码可以安装在 widows2000 或者 XP 操作系统的电脑中 电脑可以通过 RS232 电缆直接连 接到微波辐射计 或者也可以通过局域网连接 4 个以上的微波辐射计可以使用一个窗口 进行操作 将多个微波辐射计在同一个窗口下操作可以确保所有数据在时间上的同步性 通过为使用者配置适当的局域网防火墙 可以通过一些端口和互联网对 1 个或者多个微波 辐射计进行远程操作 通常在购置微波辐射计时都会提供一台装有所有所需软件的手提电脑 用户可以通过 不购置电脑选项 说明不要电脑 在这种情况下会为用户提供软件 CD 用户可以自行配置 电脑并在 windows2000 或者 XP 环境下安装所需软件 首次使用手控模式时 操作代码自动打开自身测试 然后出现一个选择菜单 用户可 以使用以下操作来实现自动操作 1 厂家提供的一个应用程序文件夹 2 由用户事先 定义和保存的应用程序文件 3 选择液氮自动校正 程序文件夹包含一系列高级命令选 项 这些选项可以在指定的时间顺序下执行命令 或者在没有任何时间间隔的情况下执行 一系列命令 一旦在菜单中选择了执行程序 操作代码就开始将数据载入 0 层文件 以电信号的方 式存取的原始遥感数据 1 层文件 亮温 2 层文件 反演廓线 和 TIP 校准数据文件 当运行一些指定的操作时 会显示出一些与这些操作相关的实时图像 TP WVP 3000 的实 时图像包括 气象探测器时间系列图像 1 层数据 亮温时间系列图像 1 层数据 温度 水蒸气 液水 相对湿度 RH 的廓线或柱状积分的水蒸气和液水 2 层数据 由噪音二极管的温度值得出的 TIP 标定值 Tnd TIP 由噪音二极管的温度值得出的 LN2 的标定值 Tnd LN2 操作代码在操作系统任务清单窗口下也可以完成自动化操作 特别是程序文件执行的 任务清单包含所有操作指令并且要持续观测 24 小时 任务清单使用一个特殊的程序文件在 每天 GMT 时间的 00 00 重新载入操作代码 照这种顺序次序执行 在操作员无需干涉的情 况下 微波辐射计操作代码将持续每 24 小时生成一组数集 操作代码可以将计划的执行文件中的高级命令转化为一系列详细的命令传送给微波辐 7 射计 微波辐射计执行命令要求并且得到包含所需数据或图像的信息 之后 操作代码执 行并将原始数据记入 0 层 1 层和 2 层文件 数据的收集和处理将在第 6 章详细介绍 一些主要用到的执行程序文件的命令 bbc 在所有通道标定辐射接收器的温度 Trcv tip 在所选通道标定噪音二极管的温度 Tnd sky1 在指定亮温 Tsky 和地表气象观测条件下执行程序 shy2 在指定亮温观测值条件下执行程序 ret 完成天顶亮温和地表气象观测 计算 2 层数据反演温度 相对湿度 水蒸气和 液水廓线 cnf 设定微波辐射计的 5 种主要的低层文件状态变量 例如 观测的积分时间 repeat 按序循环所有命令 图 2 TP WVP 3000 内部剖面图 微波辐射计的内部剖面图如图 2 所示 天线罩上有液水时会对亮温观测产生影响 为 了减少这种影响造成的误差 微波辐射计的罩使用憎水性材料制成的 并且 用一个特制 的鼓风系统来扫除落在罩上的雨雪 环境温度和相对湿度探测器被安装在鼓风系统里面来 8 确保进入探测器的空气是稳定的 雨探测器被放置在鼓风系统顶端 环境气压探测器被放 置在罩箱内以减少环境温度探测器的范围 IRT 通过可替换的低损耗镜面来观测天空 1 2 装置规格装置规格 表 1 仪器属性 参数功能参数功能规格规格 亮温校准精度0 2 0 002 TkBB Tsky 辐射计稳定性 1 0k yr 分辨率 依据积分时间 0 1 1k 亮温量程0 400k 天线系统的光学分辨率和旁瓣波 22 30 GHz 51 59 GHz 4 9 6 3 24 dB 2 4 2 5 27 dB 积分时间 单位增量 10 mesc 0 01 2 5 secs 通道范围的频率敏捷度 水汽通道 氧气通道 最小频率步长 22 30 GHz 51 59 GHz 4 0 MHz 微波辐射计的标准通道 MP WVP 3000 TP 2500 WVP 1500 12 7 5 光谱分析模式 只适用于亮温 多达 40 通道 探测前通道带宽 有效两边 effective double sided 300 MHz 地表探测精度 温度 50 50 相对湿度 0 100 气压值 800 1060 mb 0 5 25 2 0 3 mb 9 IRT T Tambient Tcloud 0 5 0 007 T 1 层文件的亮温算法4 点非线性模式 2 层文件的反演算法神经网络 标定系统 主要标准 操作标准 液氮和 TIP 方法 噪音二极管 环境黑体目标 环境操作要求 温度 相对湿度 海拔高度 风 操作 survival 50 50 0 100 300 3000m 100km hr 200km hr 物理属性 大小 高 宽 长 质量 50 28 76 cm 加 IRT 高增 17cm 29 kg 电源要求 微波辐射计 100 250VAC 50 60Hz 鼓风机 100 125VAC 50 60Hz 200 watts 最大值 100 watts 最大值 数据接口 主电脑接口 辅助接口 标准电缆长度 RS232 38 4 Kbaud RS232 1 2 38 4 Kbaud 30 m 数据文件形式ASCII CSV 标量之间用逗号隔 开 1 3 微波辐射计工作原理微波辐射计工作原理 这一部分将讲述 TP WVP 3000 的工作原理 TP WVP 3000 的工作原理同样适用于 TP 2500 和 WVP 1500 微波辐射计测量大气中 22 60GHz 波段 在天顶角方向中纬度大气海平面上的典型吸 10 收带有 1km 厚 图 3 给出了 0 5g m3含水量的云在这一频率带的情况 图中给出了两个高 度和两个水汽密度的曲线 同时曲线中加粗的部分是微波辐射计的通道带 22 2GHz 的特 征表现为一个水汽的谐振带 既根据水汽分布的气压高度表现的压力增宽 60GHz 处的特 征表现为大气氧气谐振的集合 而在此波段云液态水的发射光谱无谐振 并近似与频率二 次方成正比 图 3 两个高度两种水汽密度的大气吸收光谱 通过测量氧气在 60GHz 附近的辐射强度和亮度温度得出温度分布 谱线峰值中心位置 由于不透明性很强 所以信息均仅仅来源于天线上方附近 在此峰值中心两侧的频率位置 吸收减弱 微波辐射计则会 看 得远一些 从此峰值向谱线两侧下方扫描 仪器则可通过 此方法获得高度信息 在任意高度上氧气发射电磁波都与当地的温度和氧气密度成正比 由此可以得到温度剖面 通过观测来自水汽压力增宽的辐射强度和形状信息 可以得到水汽廓线 来自卫星的 183GHz 处的水蒸气线用来得出水汽廓线 高度不透明性隐藏了来自地表的不明辐射 也 就消除了这种误差源 但是同时也影响了低海拔地区的廓线 183GHz 适合干燥环境地基 水汽廓线反演 曲线在 22GHz 处透明度就足以成为来自卫星的有效廓线 但是在大部分区 域还是更适合地基廓线 来自水汽的辐射在较高的地方曲线较窄 在高度相对较低的地区 压力增宽 辐射发射强度与水汽密度和温度成正比 扫描光谱线并且在数学上插入观测值 就能得到水汽廓线 11 在不同透明度下测量云中液水对大气光谱特征的贡献可以获得低分辨率的云中液水廓 线 TP WVP 3000 使用整合 22 30 GHz 和 51 59 GHz 通道带的廓线信息 由云幕测量仪或 者 IRT 天顶红外温度计 得到的云底高度可以改善水汽和液水廓线的反演 水汽在 22GHz 附近的压力增宽 在海平面和 200mb 高度上以 60GHz 附近的氧气曲线 在天顶方向的大气吸收曲线如图 4 所示 压力增宽使大量氧气吸收带合并为统一特征 图 4 在 22GHz 和 60GHz 的大气吸收光谱 用微波辐射计测量地表相对湿度 温度 和气压来得到廓线 加之 垂直指向的红外 温度计 IRT 能够探测到是否有云 且当云存在时能测出云底温度 知道了云底温度 饱和状态下 就知道了云底水汽密度 结合温度廓线就可以得到云底高度 对于反演出 廓线 这些物理过程是很重要的 1 4 亮温转化方程亮温转化方程 所有型号的微波辐射计都是使用 0 层资料 接收机探测器输出电压 使用技术发展运 算法则和校准系统来得到天空的亮度温度 这种运算法则使用厂方提供的校准系数来补偿 很小但有限的由于环境温度和系统造成的非线性 这种运算法则同样包含适当的方法来排 除观测中的 1 f 噪音 与同类产品相比能明显的降低总体噪音 转换方程如下 skyTrcvskygainVskykyT 1 s 需测量的值为 Vsky 关闭噪音二极管天空观测的整合接收机输出值 12 Vsky nd 打开噪音二极管天空观测的整合接收机输出值 Vdd 关闭噪音二极管周围黑体目标观测的整合接收机输出值 Vdd nd 打开噪音二极管周围黑体目标观测的整合接收机输出值 TkBB 黑体标定有效辐射温度 标定参数 非线性校准指数 Tnd290 在 TkBB 为 290K 时噪音二极管的温度 K1 K4 厂方给定的温度校准参数 dTdG 接收硬件的精确参数 需要计算的值 gain sky 天空观测期间的增益 TCTndVskyndV29011 sky Trcv sky 天空观测期间的接收机温度 bbgainskygaindTdGbbT rcv gain bb 周围黑体标定时的接收机增益 TCTndVbbndVbb29011 Trcv bb 周围黑体标定时的接收机温度 TkBBbbgainVbb 1 34221 TkBBKTkBBKKTC 1 5 从观测资料反演廓线从观测资料反演廓线 大量的分析指明 人工神经网络算法在用辐射资料反演水汽 云液水含量和温度廓线 方面比其他算法要好 因此 微波辐射计就使用这种算法来反演廓线 神经网络算法源自 斯图加特神经网络模拟器和无线电探空仪的历史数据 标准后向传播算法用于同化 标准 前馈网络用于廓线的得出 输出反演廓线 1km 以下分辨率是 100 米 1km 到 10km 的分辨 率是 250 米 尽管单独测量的量少于 47 层反演输出量 但是越高的分辨率所呈现出的信息 越好并且会使得接下来的数据处理过程变得更为简单 大约在 7km 以上 大气水蒸气密度 和温度就达到气候学均值了 13 1 6 误差来源误差来源 太阳被视为是温度达到 6 000 K 的辐射黑体 天线对准太阳的角区域范围大约为 1 所以当微波辐射计指着太阳时 信号将会增强大约 60 K 如果太阳在天线的第一旁瓣范围 内 在天线所指轴线上有大约 10 度的偏差 这将使得亮温大约增强 1 K 因此 应该避 免在太阳方向 15 度范围内做观测 神经网络算法某种程度上说依赖地点 特别是在反演水蒸气和液水廓线时 操作者一 定要确信反演参数在观测点具有代表性 这些反演参数通过在同一个观测点或者有代表性 的点的一系列无线电探空仪历史数据来获得 如果在微波辐射计的天线屏蔽器上有水 将测量出高的辐射亮温 所以包含厌水屏蔽 器和鼓风机的雨水影响缓解系统将会减小雨水在屏蔽器上的聚集来保证雨天测量的准确性 辐射频率干涉 RFI 会导致数据中的 尖峰信号 尽管在系统中一直执行 RFI 的阻止 但强烈的传送仍然会干扰微波辐射计的接收 特别是在 40 200MHz 22 30GHz 和 51 59GHz 频段 通常采用平均观测值来减少这种影响 然而 当 尖峰信号 异常大 达到超 过一定的开尔文后就会影响反演曲线得精确度 所以 微波辐射计应该安装在远离或者屏 蔽了强辐射传输的地方 校准误差会降低仪器固有的精度 噪音二极管提供了一种精确的 高稳定性的操作来 获得参考 但是 他们的精度只和最初用来校准他们的标准一样高 在使用这里所讲的任 何一种方法进行噪音二极管标定时都应该仔细 内部的环境黑体目标提供了一种方法来标 定系统温度 接收机温度就来自于这个温度 接收机温度是非常稳定的 所以相对来说 目标黑体的观测就不用那么频繁了 为了减小环境温度骤然改变导致的 Trcv 误差 黑体校 正需要每 5 分钟或者在更高频率下进行 在所有的微波辐射计中 系统增益在 1 f 噪音 范围内波动 这就导致在观测中加入随 机噪音 对于典型的积分时间 1 秒 1 f 噪音是主流 所有的微波辐射计都适用 Radiometrics 公司拥有产权的标定方法和转换方程来消除 1 f 噪音造成的影响 第二章第二章 廓线的构成廓线的构成 2 1 微波接收机概述微波接收机概述 14 微波辐射计是用一个独立的电外差 往两个分支向下构成接收机的基本机构 两个接 收机除了在频率范围的覆盖上有差异外 在装机和结构上都很相似 微波辐射计的通道是 通过使用一种高稳定性频率合成器来选择的 在每个波段 4 MHz 步长 都调整来适应 2000 个通道 所以 频率的灵活性是微波辐射计的专利特征 这能够使得所有微波辐射计 在扫描大部分通道时有统一的能力而不需要高花费也不需要滤波技术太过复杂 对于标准 廓线 22 30 GHz 波段范围内有五个通道 51 59GHz 波段范围内有 7 个通道在 在任何通道调整频率的能力同样使得微波辐射计超过其他同类微波廓线反演产品 或 者对于其他产品而言改变了标定方法 对于微波辐射计的通信连接研究天空噪音同样在所 感兴趣的频率范围内都可以被测量出来 图 5 MP WVP 3000 接收机结构 两个接收机的结构图如图 5 所示 接收机接收由高斯光学天线 GOA 输入的电能 然后输出与系统温度成比例的输出电压值 包含天线和接收机的噪音 平方率电流计的输 出值通过使用交流电到直流电的转化器来放大和数字化 接收机的频率选择是通过控制振 荡器的频率来完成的 测量系统增益的噪音源是通过微波辐射计的 数字化平台 来控制的 微波辐射计的 模拟平台 控制物理温度的稳定性 在天空观测和系统标定时接收机与天线功率的关系几乎是线性的 系统残数导致的非 线性在 LN2 标定时就校准了 并且在转换方程中移除了 通过噪音二极管加入噪音就附加 了一个已知信号 所以微波辐射计的系统增益就能处以连续的校订中 为了能在两个接收 机的所有通道都完成这项操作 通过一种增宽的定向耦合器将噪音二极管的独立宽带加宽 两倍后再输入 15 微波辐射计接收机的物理温度较为稳定 误差在 0 5 热力性质的稳定确保了噪音 二极管在操作温度范围内的稳定性 在中间频率 IF 放大器和整合器上的临界电压通过 每块印制电路板控制以确保他们的低噪音性和高稳定性 稳定的电压驻波比 VSWR 和 接收机各种元件的嵌入误差都是确定的 天空亮温按以下方法测量 高斯透镜的微波天线接收椎体的小角被旋转平面镜驱动 双接头绝缘体将接收机与天线 VSWR 和来自发射和接收天线的泄露混合器辐射频率 RF 区分开来 混合器使用微波辐射计中对频率较为灵敏的局部振荡器将 RF 输入转变 为基本波段带 结果 IF 信号被放大 通过过滤产生一个双旁瓣波信号 检测 再次放大然 后通过整合模拟数字转换器 ADC 转化 温度 相对湿度 水蒸气 和液水廓线通过人 工神经网络计算得出 2 2 微波接收机的构成微波接收机的构成 2 2 1 高斯光学天线高斯光学天线 GOA 由一个有 15 cm 的孔的光学透镜组成 这个光学透镜通过金属丝网格束的空当聚 焦在一对皱起的喇叭天线上 透镜是用作相得更正装置 它将平面波前聚集在皱起的喇叭 天线的相中心位置处 包含特定障碍和吸收环来减少由于旁瓣波和反射造成的误差 与只 有一个喇叭的情况相比 在维持小尺度的情况下一对喇叭天线将使得增益更高旁瓣波更低 天线特性在表 2 中做了总结 表 2 高斯天线性能 天线性质22GHz30 GHz51 GHz59 GHz 半功率束宽度时全 宽 6 34 92 52 4 增益 dBi30323637 旁瓣波 dB 23 24 26100km hr 边缘荷载非常高 导致三脚架要承受较大的压力 在强风情况下最 后的保证系统水平的方法是使用中心下拉链和三脚架上的栓 附录 A 和图 50 详细 描述了 在方便操作的情况下选址时远离非专业人士以免仪器受到影响 配置的标准电缆长 30m 比 30m 长的电缆可能导致较低的电压 因此 20 主电源要使用 30m 以内的电缆 如果所选地址要求的主电缆长度长于 30m 应该 重新安装电源而不是使用加长电缆 标准的 RS232 数据电缆有 30m 长 如果可能 在 30m 半径范围内选址 安放电脑 如果需要更长的电缆 可以有以下几种选择 包括将 RS232 换成 RS422 或者是通过因特网使用连续的端口 如果必要 联系 Radiometrics 公司寻求 帮助 地表气象探测器是高性能设备 但是数据可能会因为靠近路边的局地源 汽车排放污染气体而发生偏倚 因此 微波辐射计的安装选址要离所有局地空气 污染源一定距离 微波辐射计使用 1 到 2 个比较灵敏的宽带微波接收机 为了降低微波传 输过程中的污染风险 所选地址要在所有波段频率免受大于 144 dBm MHz 30dB 低于 kTB 的频率干扰 在波段干扰范围外可能由 HF VHF UHF 或者微波辐射计 附近的微波转换器造成 3 2 选址准备选址准备 一旦选好了安装微波辐射计和控制电脑的地址 规定三脚架的固锚技术和电缆走向 如果安装是永久的 考虑使用管道来安放电缆 管道将有助于防止电缆遭遇腐蚀 潮湿和 由闪电引起的瞬变 在三角架的任何一个合适的附着点都要有固体表面与三脚架相连 顾 客提供设备 3 3 装配和安装装配和安装 TP 2000 型伸缩三脚架通常与微波辐射计一起购买 图 8 所示为安装了方位角定位器 的 TP WVP 3000 型微波辐射计的三脚架 三脚架的装配详情载附录 A 中列出 21 图 8 安装微波辐射计的三脚架和锚链 注意 仪器只能用指定的支架或者是它的基地支撑 在安装仪器到三脚架上时建议两 个人抬仪器安装 注意 注意仪器罩包含一个泡沫绝缘罩 不能用来支撑仪器 为了减少微波辐射计天 线罩研磨或者外界物质影响 不能故意触摸 3 4 调整三脚架水平调整三脚架水平 在安装微波辐射计之前 微波辐射计必须使用由 TP 2000 三脚架 或类似 上的水平 泡来保持水平 仪器必须安装在水平表面以确保天线仰角的精确度和 TIP 标定 将三脚架 放在选好的安装地址上如果三角三脚架上面平板四面八方不平实在 1 8th 泡影之内 调节 一两个伸缩三脚架腿来达到水平 首先 在平面内调整腿来达到水平 然后 使用图 9 所 示的 1 4 通用扳手松开该腿上的螺帽 腿的下半部分将自己滑动收缩到上半部分中 视需 要移动下半部分的腿来调节腿的长度 当调节水平时 水平泡就处于中心位置 紧好螺帽 需要时 调节三脚架的每条腿以使三脚架上的平台在各个方向都处于水平 22 图 9 调节 TP 2000 三脚架到达水平 3 5 保护三脚架保护三脚架 使用附录 A 中提供的方法保护立于地表或是建筑物底部的三脚架 只使用一颗环首螺 栓的情况下 中心下拉锚链和套筒螺母保证了三脚架安装在地表的可靠性和灵活性 当需 要不断调整三脚架高度时 这种方法是非常有效的 如果高度和安装地址是永久的 那么 建议在脚底固定螺栓 加固三脚架之后再次确定其是否水平 如果三脚架不保持在 1 8 泡 影内 松开链条或者脚底的加固螺栓 并且如 3 4 节重新调节水平 然后再紧上松开的螺 栓 3 6 安放微波辐射计安放微波辐射计 注意 在进行这步之前 如果使用了中心下拉链来固定三脚架 链条需要暂时松开来 调节 T 型螺栓以安放微波辐射计 使用提升螺杆安装微波辐射计的每一端 将微波辐射计从船运容器中取出 如果订购 了方位角定位器 有单独介绍安装方位角定位器的说明书 将方位角定位器安装在仪器底 部 安装好了方位角定位器后 将仪器安放在三脚架上并接固定 5 8 11T 型螺栓 连接板 面应该面向东方 如果下拉链条松弛 将其紧上 23 图 10 T 型螺栓固定微波辐射计 3 7 安装安装 IRT 装配 IRT 集合包含 IRT 遮光罩和安装硬件工具 IRT 和前表面镜基集合包安装在微波 辐射计顶部 首先移动 6 个 8 32 螺丝将太阳防护罩移除 然后如图 10 所示的将含有镜面 和防护罩的集合包安装好 这个集合包使用 6 个 6 32 螺丝安装在微波辐射计顶部的槽中 IRT 使用电缆连接到微波辐射计底部的 军事型 电流连接器上 接近微波辐射计箱末端 鼓风机的相反方向 底部附近的加盖连接器是为方位角定位仪准备的 在 IRT 的安装集合包安装好后 重新在 IRT 上装好遮光罩 固定 6 颗 8 32 SS 螺丝 这个遮光罩避免微波辐射计吸收多余的太阳光而变得太热 检修盖末端能够看到显示屏 24 图 11 寄送及装在微波辐射计上的 IRT 3 8 电缆连接电缆连接 为了确保操作安全 电力电缆必须连接到适当的接地干线插座上 一般 电力电缆和 主连接器装在一个容器内 这个容器通常都放在微波辐射计运输箱内 通常在将电缆从微 波辐射计和鼓风机上拆下来时先把电力电缆从主给及上拆下来 这样在有错的情况下就保 证了地面的完整性 只有专业人员能检修设备 移除盖子都可能会有触电危险 在微波辐射计末端鼓风机底端安装连接板 如图 12 所示 25 图 12 电源 保险丝 连接器控制板 需要两个电源盒 一个为微波辐射计和连接电源控制板供电 另一个提供电源给鼓风 机和连接到鼓风机罩里 微波辐射计需要 200 瓦 然而鼓风机的最大功率为 100 瓦 配置 合适的电源插头旋转锁定螺丝固定 将电力电缆的另一端连接到主容器上 使用不间断电 源供应器 UPS 使微波辐射计免受电源故障的影响 为保障安全 电力电缆要做接地处 理 同时避免静电影响并做了暂时性的保护 注意 所有的微波辐射计既可以在 115 VAC 条件下工作 也可以在 230 VAC 条件下 工作 但是标准的鼓风机只能在 115 VAC 条件下运行 要在 230 VAC 条件下运行鼓风机 必须使用电压转换器将电源转换为 115 VAC 如果使用电压转换器 其应该被安装在离主 容器较近的地方 用 115 VAC 的鼓风电力电缆连接鼓风机和转换器 3 9 连接数据电缆连接数据电缆 RS232 数据电缆的圆形连接口要插在图 12 所示的微波辐射计中标记为 computer RS232 的端口上 另一端要插在控制电脑可用的 RS232 串行端口上 注意 备用的 RS232 端口支持用户额外定购 如 GPS 接收机或是备用气象探测器一 样 由于 RS232 连接设备用途协议的多种多样 标准操作代码不支持使用这个端口 如果 需要使用这个端口 联系 Radiometrics 询问用户版本的操作代码 3 10 固定电缆固定电缆 使用包装袋或是胶带将电缆固定在三脚架上 如果安装了方向角定位器 需要一个回 26 路电缆束支持 如图 13 所示 这样当微波辐射计改变方位角时它不会受到限制 图 13 使用方位角定位仪电缆回路 3 11 安装电脑安装电脑 由 Radiometrics 公司提供的电脑已经事先装好了所有微波辐射计在运行过程中所需要 的文件和软件 如果用户自己提供电脑 那么需要根据提供的安装 CD 将软件装在电脑内 操作代码 mp321 exe 或类似版本 和所有相关的输入文件都储存在名为 Operating Folder 的文件夹中 操作文件可以重命名 可以存放在任何目录下 厂方配货的电脑桌面 上建立了操作目录 操作代码 微软记事本和 Windows 任务调度程序等的快捷方式 所有 的输出文件都被存在操作文件夹下 控制电脑应该安放在有适当保护措施的室内环境下 将 DB 9 连接器与数据电缆的可 用串行端口连接 通常 计算机上的标准串行端口与 Windouws 2000 XP 操作系统的 com1 相联系 如果使用不同的串行端口 那么要在配置文件中 mp cfg 指定相应的端口与串 行端口相符合 并且要将配置文件中的 1 改为相应的端口命令 打开桌面上的 mp cfg 文 件 改变定义的端口命令然后保存 27 第四章第四章 初始操作和仪器运行初始操作和仪器运行 开始运行仪器时 将微波辐射计上连接面板的电源开关置于 ON 位置上 方位角定位 仪将会运转以寻找其指针方向 仰角将指向其指针方向 一旦微波辐射计到达它的方位角 指针方向 必须重新将天线指向南 北面上 重新调整微波辐射计 轻轻的松开 T 螺栓然后 慢慢转动微波辐射计以便连接器板面指向东方 然后再重新固定 T 螺栓 这种重置仅需在 安装之后进行 或者是移动了微波辐射计或是三脚架 注意 将仪器底端的连接器朝向东面使得镜面的指向在南 北平面 仪器观测的参考平 面 在定位过程中的任何错误都将导致方位角定位仪的误差 所以在定位时 使用者应该 使用指南针来确定方向 如果是这样 在确定正南方向的时候要考虑在安装点的磁偏角 注意 首次打开电源时若仰角电动机不运转检查连接面板上的保险丝 图 12 将保险 丝螺帽往顺时针方向拧 移走保险丝然后先目测 如果是完整的 用电笔或类似装置检查 电源 如果不能确定不通电的原因 请联系 Radiometrics 公司寻求帮助 热力稳定 依靠环境温度 如果快速将微波辐射计从一个环境移动到另一个环境时 例如 从温暖的室内移到寒冷的户外 那么在到达新的平衡时至少需要 5 小时 微波辐 射计在稳定情况下操作是安全的 但是数据可能会有较大的偏差 打开电脑 启动 Windows2000 XP 操作系统 双击桌面上的 Operating Code 快捷图标打开操作代码 这将载入微波辐射计程序 mp321 exe 或类似文件 诊断测试将自动开始运行 测试包括 交换端口 供给电压 直流电交流电转换测试 接收机稳定性 图 14 给出了成功通过测试的显示 28 图 14 完成开机测试后的操作代码显示 注意 如果出现任何一种诊断失败 操作者会被告知 并且给出合适的修改建议 如 果失败的地方不能修复 程序将自动终止 如果程序能够修复 那么操作者会被告知存在 于仪器操作中的不足 同时程序继续运行 注意 在 windowsXP 中 如果将指针移动到显示屏较低的一边 全屏显示将转变为小 窗口显示 这是就能从底部的工具栏中选择其他程序 要回到全屏显示按 Alt Enter 键 一旦顺利完成开机测试 将会显示出主菜单 如图 15 所示 图 15 主菜单 从主菜单中用户可以选择这 5 种操作 29 1 Standard Procedure执行厂方提供的标准程序运行 2 User Procedure执行用户先前定义的程序 3 LN2 calibration使用外部低温目标作 LN2 标定 4 Enter Comments进入添加在 0 层文件下的简短摘要 自 由 text 格式 5 Quit操作代码顺序关闭执行程序 注意 微波辐射计可以在安装之后立即操作 但是在收集 官方数据 之前要再做标定 在运输之后也要重新标定 使用菜单模式和厂方先设定的程序可以立即开始观测 选择选项 1 按下 1 键 下 一个窗口将会显示可用标准程序使用 滚动菜单 滚动到名为 1 min 170 prc 程序 时按下 Enter 键就开始每分钟的天顶观测和廓线反演 这个程序操作同样可以收集每分钟 的 TIP 标定 只适用于 WVP 1500 和 TP WVP 3000 在循环观测几次之后 显示器显示 一组实时图 类似于图 16 所示 这个窗口显示温度 水蒸气和液水廓线 同时还有地表探 测器数据 在开始手动模式之后 微波辐射计将按照定义的操作运行 在这期间 每完成一次循 环操作 操作代码将不断更新显示并将数据载入 0 层 1 层和 2 层文件中 如果成功的进 行了 TIP 标定 这些数据将被载入 TIP 数据文件中 30 图 16 水蒸气廓线显示 按 P 键查看 一旦微波辐射计反演出廓线 用户就要在图 16 和其他 3 种显示 图 17 图 18 图 19 中切换 切换不同窗口显示时使用以下按钮 P 显示水蒸气密度廓线 单位为 g m3 Profiling R 显示相对湿度廓线 RH O 显示 TIP 标定过程 K 带 Tnd 和不透明度图 Opacity B 显示所有通道的亮温 Brightness 注意 P R O 显示的可用性依据所使用的程序文件 这些显示数据是自说明的 微波辐射计序列号和所使用的程序显示在窗口上端 雨旗 显示在水蒸气图上方 Y 传感器探测大于阈值 N 传感器探测小于阈值 当前操作信息 显示在左下角 大图高度尺标在图右边 单位为 km 左边小图是气象探测器值 综合水汽 和综合液水的时间序列图 横坐标 一天多少小时 依据观频率自动调整标尺 31 图 17 RH 廓线 按 R 查看 图 18 不透明度 K 段噪音二极管标定 按 O 查看 32 图 19 亮温显示 按 B 查看 在收集数据的任意时刻 生成数据文件 0 层 1 层 2 层 LN2 和 TIP 副本打开查 看里面内容 不要打开任何一个操作代码正在使用的输出文件 文件副本可以使用 Excel 或是类似的数据分析运用程序打开来更改数据 在少量格式化之后 1 层文件包含的天空 亮温如图 20 所示 图 20 在 excel 中打开的 TP WVP 3000 1 层文件示例 在图 20 中 黑体物理温度 TkBB 右边的列包含与相应的频率通道 GHz 相对应 的亮温 K 频率通道在每列顶列出 亮温列数依据结构通道块 图 22 中定义的频率数 决定 TkBB 左边包含地表气象要素和天线指向数据 如列顶所示 对这个最初测试的有限的目的而言 足够改变以上看到的类似的仪器和软件生成的图 33 片和数据显示 第 6 章将详细描述仪器的操作说明 要终止收集数据 按下 Q 键 这将导致操作代码在完成正在执行的观测之后尽然有 序的停止 注意 通过关闭窗口的方法结束进程可能会导致数据文件被 吞掉 这些就是所有的基本安装检测和测试过程 可以绘出过程生成的数据以保证数据的连 续性 图 21 给出了在 excel 中绘出 1 层文件 K 带数据的例子 仪器构造和操作的详细介绍在第 6 章进行 在第一次开始操作之前 建议用户先读第 5 章 微波辐射计标定 即使是这次使用者选择不标定微波辐射计或是气象探测器 这部 分信息包含部分在操作设备时选择最好结构的需求背景的内容 为了得到最精确的观测数 据 在运送过后 仪器都应该做标定处理 图 21 使用 excel 绘出的 1 层时间序列数据 只是 K 带 示例 第五章第五章 微波辐射计标定微波辐射计标定 很多年来 微波辐射计所需的标定参量都是稳定的 这些参数在厂时就已经做了校准 在整个操作的温度范围内 通常都不需要用户调整 有效的噪音二极管温度 Tnd 同样 是稳定的 但是为了确保准确性在仪器运输之后 以及每 3 6 个月都要做次标定 有两种 34 有效方法来标定噪音二极管 LN2 方法可以用于所有型号的所有通道 但是 TIP 方法只适 用于 WVP 1500 和 TP WVP 3000 的 K 带通道 下面介绍每种方法 在结构文件 mp cfg 中的通道校正块包含厂方提供的与每个 RF 子系统相统一的标定 数据 它包含了每个接收机 22 30GHz 和 51 59GHz 的每个通道 图 22 给出了 TP WVP 3000 型微波辐射计的典型的通道校正块示例 除了与 22 30GHz 通道相关联的 Tnd 值 已用红色标出 这个表中的值只能由厂方维修人员调整更改 5 个用红色标记的 Tnd 值可以由用户根据下面描述的 TIP 标定程序来更改 图 22 结构文件中的通道校正块示例 7 个依据频率的厂方校准参数是 alpha 线性校正指数 dTdG 1 f 降噪系数 K1 Tnd 零级系数的温度依赖性修正 K2 Tnd 一级系数的温度依赖性修正 K3 Tnd 二级系数的温度依赖性修正 K4 Tnd 三级系数的温度依赖性修正 Tnd TkBB 290K 时的有效噪音二极管温度 5 1 LN2 校正校正 每次观测的每个通道都将微波辐射计中的噪音二极管视为测量系统增益的 第二标准 当不确定 Tnd 的值时 可以通过观测已知温度的两个目标来确定 Tnd 在微波辐射计所用 的全自动方法中 建立周围目标黑体提供一个校正目标 并且一个外在的装满 LN2 的低温 35 目标 提供了第二个校正目标 环境目标的物理温度 TkBB 通过仪器每次执行 bbc 命令 来测量 低温目标的有效目标温度由操作代码在 5 1 1 节中描述的 首要原则 条件下自动计 算得到 5 1 1 对冷目标温度的贡献对冷目标温度的贡献 由 Radiometrics 公司开发的专利低温校正目标的温度贡献包括 包含目标和吸收泡沫的聚苯乙烯绝缘体的插入损耗 插入损耗通过再辐 射和吸收程度一样来贡献温度 从聚苯乙烯 LN2 界面反射 浸在 LN2 中的吸收泡沫表面的反射 与深度有关的流体静力学压力导致的 LN2 沸点上升 这些贡献在将系数导入结构文件 mp cfg 做校正时自动载入运算了 LN2 沸点与环境气压之间有以下微弱关系 mb09037 003 2682PKTLN LN2 目标的表面物理温度由 LN2 的局部温度确定 加载水压必然导致 LN2 表面的环 境气压增加 这种水压随深度以 1 2 mb cm 的速度增加 在 LN2 20 cm 深时温度大约增加 0 22 K 表 3 给出了不同组分对有效黑体温度的贡献 假定环境温度为 300 K 目标温度为 77 K 表 3 低温目标黑体温度贡献 贡献总量 包含 LN2 的聚苯乙烯在 55 GHz 的插入损耗0 26 K 空气 聚苯乙烯的界面反射0 002 K 聚苯乙烯 LN2 的界面反射1 74 K LN2 吸收泡沫的界面反射0 00 K 由 20 cm 的静力学气压造成的 LN2 沸点的增加0 22 K 在 300 K 时环境温度的总贡献2 22 K 36 5 1 2 LN2 标定的预防措施标定的预防措施 进行 LN2 标定时 遵守以下预防措施 为了到达最佳精确度 目标底部必须保持干燥和清洁 微波辐射计从目 标底部 看 所以目标底部任何脏的 碎屑或是潮湿都将对有效目标温度造成误 差 如果必要 用温和的肥皂清洗目标然后将其风干 微波辐射计在观测温度时必须稳定 这就要求微波辐射计在标定开始前 先运行 30 分钟 软件也有必要打开运行 当 LN2 在目标中时 外界将变冷可能达到大气露点 这可能导致在目标 底部外表面凝结从而导致误差 因此在标定开始之前一小段时间内再注入 鼓风 机可以减少凝结 所以选择湿度较低的天进行标定 如果想要获得较多的观测数据标定过程可以持续一个小时 这样可以降 低测量噪音 警告 接触警告 接触 LN2 可能造成皮肤烧伤可能造成皮肤烧伤 操作时务必当心 操作时务必当心 5 1 3 LN2 标定过程标定过程 如果微波辐射计没有运行至少 30 分钟 那么等到它运行满 30 分钟之后再操作 图 23 展示了如何在微波辐射计上打开和安装目标鞍 注意目标鞍在一边有个缺口可以 安装在雨量探测器上 37 图 23 目标标定和鞍 注意 如果鞍脚接触到软泡沫可能会遭到损伤天线罩 所以安装时要当心 不要让鞍 脚接触到天线罩 将 LN2 注入目标中 在目标内黑泡沫上要注到 30 50 cm 高 将注满的目标如图 23 一样安放在微波辐射计上 当微波辐射计运行稳定并且已经装好目标之后 在主菜单中开始操作代码 当显示主 菜单时按 3 开始 LN2 标定 标定会自动开始然后继续直到按下 Q 命令退出 允许标定持 续 1 1 5 小时 最好是在干燥环境下 因为不希望看到目标上有凝结 如果目标底部有凝 结的征兆 并且可以确定凝结是由空气太潮湿造成的 那么标定过程应该减少到半小时 在标定过程中 操作代码会显示标定已用时间 并且每个通道的 Tnd 图如图 24 所示 38 图 24 LN2 标定显示 当按下 Q 键之后结束标定过程 操作代码会自动为所有通道的 alpha dTdG 和 Tnd 计 算新值 然后退出执行 这些新值被写进操作结构文件 mp cfg 然后之前的结构文件用 标定的时间日期命名存档 2005 01 10 18 29 16 cfg LN2 标定获得的数据被载入通道标 定块的新结构文件中 可以用两种方法来鉴定标定是否完全正确的完成 首先 新的 之前的结构文件都能 在记事本中打开查看 当关闭这些文件时 点不保存改动 除非标定之后修理或者更改过 硬件 新值应该与之前的值比较接近 特别是 alpha 在 0 9 1 0 范围内 dTdG 在 50 000 1 000 000 之间 Tnd 与之前的值相比变化在 1 2 之间 不符合这些说明的可能标定的结果 就不好 其次 为了证明潮湿没有影响标定 打开 LN2 标定文件 yyyy mm dd hh mm ss ln2 csv 中 Tnd 的值并绘图 如果 Tnd 的