[发明专利]一种用于地基微波辐射计的数据处理与控制装置

说明书

技术领域

本发明涉及气象领域，特别涉及一种用于地基微波辐射计的数据处理与控制装置。

背景技术

地基多通道微波辐射计，其探测频率包括K波段20-30GHz水汽吸收谱线和V波段50-60GHz氧气吸收谱线，该辐射计通过测量微波/毫米波频段大气氧气、水汽吸收谱及窗口频率的辐射亮温，反演对流层大气温度廓线、湿度廓线，水汽密度廓线，大气积水水汽含量和液态水含量等大气参数。

现有技术中的地基微波辐射计对所采集数据的处理不够自动化，需要专业人员的大量参与，工作效率低，不利于用户学习、掌握、操作和控制。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中对于地基微波辐射计所采集数据的处理不够自动化，需要专业人员的大量参与，工作效率低的缺陷，从而提供一种能够对地基微波辐射计进行自动控制以及对其所采集的数据实现自动处理的装置。

为了实现上述目的，本发明提供了一种用于地基微波辐射计的数据处理与控制装置，该装置连接到包括地基多通道微波辐射计、温湿度传感器，雨雪传感器，气压传感器，GPS定位仪，红外传感器在内的外部辅助设备，包括定标模块、数据质量控制模块、大气参数反演模块、衍生数据产品生成模块以及数据管理模块；其中，

所述定标模块用于实现对地基多通道微波辐射计的定标操作，得到1级亮温数据；

所述数据质量控制模块用于对与所述数据处理与控制装置相连接的其他设备所收集的原始数据进行控制，包括对接收机各通道输出的原始电压进行阈值判断，进而对所述地基微波辐射计及辅助设备的状态进行检测和标注；

所述大气参数反演模块根据所述定标模块所得到的定标后的亮温数据以及各辅助设备的电压数据生成对流层温度廓线、边界层温度廓线、相对湿度和水汽密度廓线；

所述衍生数据产品生成模块利用历史探空数据提供的大气温湿度压廓线仿真计算大气积分水汽和云中液态水含量，并利用红外传感器传送的数据计算云底温度和高度、大气积分水汽和云中液态水含量；

所述数据管理模块用于实现内部数据文件备份，编写系统状态信息、控制管理日志。

上述技术方案中，所述定标模块包括非线性定标单元与冷空tipping定标定能单元；其中，

所述非线性定标单元从所述地基多通道微波辐射计得到不同温度目标的电压值与亮温值，根据它们之间的对应关系，采用非线性拟合方式，确定所述地基微波辐射计观测不同温度目标的响应关系；

所述冷空tipping定标定能单元发出控制指令，控制地基微波辐射计中的天线，令其做多角度扫描，根据扫描结果建立大气光学厚度与大气质量的对应关系，根据该对应关系实现20-30GHz波段对微波辐射计的定标，实现定标参数有效性判断和不定期定标参数更新。

上述技术方案中，所述数据质量控制模块所完成的标注包括：根据阈值判断的结果，确定地基微波辐射计各通道以及各辅助设备是否处于正常工作状态，当工作正常时，将相关设备的状态标注为1，当工作不正常时，将相关设备的状态标注为0。

上述技术方案中，所述大气参数反演模块采用了基于墨西哥帽函数的神经网络算法，该模块依赖于历史探空数据和外场试验，利用由各通道定标后的亮温值和辅助设备提供的电压值所组成的原始输入数据和输出温湿度廓线进行神经网络训练，得到三层神经网络各传输层的权重函数和偏置，从而在实际大气参数反演过程中，利用训练好的神经网络权重函数和偏置，计算得到对流层大气温湿度廓线。

上述技术方案中，所述基于墨西哥帽函数的神经网络算法包括以下步骤：

步骤1）、利用历史探空廓线，仿真对应的地基微波辐射计的各通道亮温值；

步骤2）、从各通道亮温值中随机选取90%作为样本，将其与地表温湿压信息一起作为神经网络的输入层数据，将历史探空廓线作为输出层数据，计算各层间的权重值和偏置；

步骤3）、利用各通道亮温值中剩余的10%作为独立样本数据，将其与地表温湿压信息作为模型输入，计算模型输出，通过得到大气温湿度廓线；

步骤4）、将反演所得到的数据产品与对应的探空廓线进行均方差对比，验证神经网络反演模型性能；

步骤5）、若模型性能能够满足指标要求，将地基微波辐射计实时定标的亮温值及辅助设备实测的温湿压等信息作为神经网络输入数据，实时生成大气温湿度廓线。