大气毫米波辐射特性及应用研究

论文摘要

本论文着重研究了大气毫米波辐射特性及其应用,分析了氧气和水蒸气的Liebe吸收模式和大气毫米波传输模型（MPM）,仿真计算了毫米波波段的天空亮度温度,测量分析了W波段的晴天数据,研究了一种基于大气传输模型的辐射计定标方法。首先,论文论述了常用的三种大气吸收谱线形式,详细分析了氧气和水蒸气的Liebe吸收谱模式,该模式将吸收谱分为线状吸收和连续吸收,其中氧气的吸收谱由44条线状吸收和非谐振连续吸收组成,水蒸气的吸收谱由29条线状吸收和远翼吸收组成。仿真出了氧气和水蒸气在毫米波段的吸收谱曲线,氧气50-70GHz的吸收带及计算数据。其次,论文详细研究了大气毫米波传播模型（MPM）,即大气衰减的复折射率模型,推导出了不同天气条件下大气的衰减系数的MPM计算方法和天空亮温模型。在晴天,主要考虑氧气和水蒸气的线状谱、非谐振干燥空气谱和水蒸气的连续吸收谱；在云雾天,需要在晴天基础上加上悬浮水滴折射谱；而在雨天,需要在云雾天的基础上加上受雨强影响的雨滴的折射谱。计算出了不同天气条件下天空的毫米波段衰减系数数据；并对不同天顶角时3mm波段、5mm波段和8mm波段的天空亮温等都加以仿真,对比分析其内在的规律性；给出了三个波段的亮温数据,利用天空亮温的实测数据,进行MPM可行性分析。最后,研究了一种基于大气传输模型的辐射计定标方法,即扫角定标法。分析了扫角定标在地基毫米波辐射计中的应用,论述了W波段K因子辐射计的定标过程,基于这种定标方式,用W波段辐射计对晴空进行扫角测量,并进行数据处理和分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 课题概述
• 1.1.2 国内外研究现状
• 1.2 课题研究意义
• 1.3 本文的主要工作
• 2 大气的辐射传输
• 2.1 辐射传输的基本概念
• 2.1.1 微波辐射传输概述
• 2.1.2 功率与温度的关系
• 2.1.3 三种温度的关系
• 2.1.4 微波/毫米波辐射计
• 2.2 大气的物理概况
• 2.2.1 温度分布
• 2.2.2 密度分布
• 2.2.3 气压分布
• 2.2.4 水蒸气密度分布
• 2.3 大气对辐射的衰减
• 2.3.1 衰减的计算方法
• 2.3.2 吸收谱线型
• 2.4 辐射传输方程及亮温计算
• 2.4.1 辐射传输方程及其解
• 2.4.2 天空亮温的计算
• 3 大气毫米波吸收模式
• 3.1 大气水蒸气的吸收谱
• 3.2 大气氧气分子的吸收谱
• 3.3 Liebe吸收谱模式
• 4 不同天气条件下的大气辐射特性
• 4.1 大气毫米波传播模型
• 4.1.1 MPM简介
• 4.1.2 复折射率模型
• 4.2 晴空的MPM模型
• 4.2.1 原始模式
• 4.2.2 修正模式
• 4.3 云雾天气下的MPM模型
• 4.3.1 云雾条件下衰减的Liebe算法
• 4.3.2 云雾条件的天空亮温
• 4.4 雨天的毫米波辐射特性
• 4.4.1 雨天衰减系数的MPM模型
• 4.4.2 雨天MPM天空亮温的计算
• 5 MPM仿真及亮温的实验测量
• 5.1 不同天气条件下的MPM仿真
• 5.1.1 晴空和云雾天的仿真
• 5.1.2 雨天的仿真与分析
• 5.1.3 不同天气的亮温仿真数据
• 5.2 天空亮温的实验测量
• 5.2.1 W波段辐射计简介
• 5.2.2 辐射计天空亮温测试软件
• 5.2.3 天空亮温的测量与分析
• 6 扫角定标在辐射计中的应用
• 6.1 定标原理
• 6.2 扫角测量
• 结束语
• 致谢
• 参考文献