[发明专利]一种大气水汽辐射时变特性全向测量系统

说明书

本发明提出一种大气水汽辐射时变特性全向测量系统，包括天线扫描及校准组件、接收机组件、常温中频组件、数据采集及系统控制组件等。大气水汽在183GHz频段具有宽廓线和强辐射特性，常被用于高海拔地区的大气水汽特性测量。本发明采用具有高探测灵敏度183GHz频段的超导SIS混频器，结合俯仰扫描和全方位扫描和自动校准一体化结构，实现大气水汽辐射时变特性的快速全向扫描高精度测量。相比于传统的辐射计或傅立叶变换光谱仪，具有俯仰调节快速、全向扫描功能，且采用灵敏度更高的超导SIS探测器，实现更高精度和更高时间分辨的大气水汽辐射时变特性测量。

技术领域

本发明涉及太赫兹波段大气测量技术领域，特别涉及一种大气水汽辐射时变特性全向测量系统。

背景技术

太赫兹（THz）波段宽松定义为0.1-10 THz 的频率区间，与部分毫米波，亚毫米波交叠。具有强分子吸收和色散、低光子能量等特点，在天文学、大气科学等领域具有重要应用前景。

太赫兹波受到大气特别是大气中水汽的强烈吸收导致信号途径衰减严重而急剧变弱。由于大气水汽处于不饱和状态，且是唯一三态同时存在的物质，大气水汽在时间和空间分布非常不均匀，给大气中传输的太赫兹波带来了时间和空间双方面严重影响，导致该波段天文信号（例如非常微弱信号的CMB极化B模信号）的有效探测效率大为降低。因此，在微弱天文信号应用中，需要解决大气对探测的影响，因此对大气特别是大气水汽含量进行定量监测成了一项重要工作。

目前，有多种技术方法对PWV进行直接或间接的测量，这些技术方法主要包括无线探空仪方法、GPS气象学方法以及辐射计或傅立叶光谱仪技术。近年来，基于卫星气象数据的和大气再分析资料提供系统性大气水汽含量数据，也可用区域性的大气水汽特性评估。无线电探空仪测量大气随高度变化的气象要素，其对大气气象要素的垂直分布直接测量，因此多年来一直被视为测量大气水汽含量的标准，无线电探空仪有限探测次数（一般每日两次），探测时间分辨率低，难于反演大气水汽短时标特性变化，同时也无法对某个观测方位的大气水汽变化特性进行测量。地基GPS气象学利用大气水汽对GPS信号传输产生延迟的原理来测量PWV。地基GPS测量PWV的时间分辨率约为几十分钟量级，具有相对较高的时间分辨率，而PWV测量精度约为1~2mm，对测量精度要求更高（在0.1mm量级）的太赫兹天文站址大气水汽特性测量应用受到了一定的限制。传统的辐射计用于测量天顶大气不透明度，并利用特定频率下的大气不透明度与大气水汽含量关系模型反演出天顶方向大气水汽含量。由于辐射计具有高探测灵敏度，可实现高精度测量，测量大气水汽含量精度可优于0.1mm量级，且具有高时间分辨率测量性能(达到10分钟量级)，因此常用于高海拔台址的大气水汽含量的测量。而与辐射计类似的是傅立叶变换光谱仪，它可视为工作频段更宽的辐射计，通过测量宽带大气透过率，进而间接测量大气水汽含量。同样地傅立叶变换光谱仪探测灵敏度高，且测量时间分辨与辐射计相当。卫星气象数据和大气再分析资料很多产品均包含大气水汽含量PWV数据，因其具有全球或大区域覆盖能力，提供的数据具有良好的系统性，因此越来越多地被用于区域性的大气水汽含量评估。受限于较低时间分辨率和较低空间分辨率，卫星气象数据和大气再分析资料难于实现大气水汽含量短时标（比如分钟量级）变化特性测量。

从上述大气水汽含量的测量技术方法中，均可实现天顶方向的大气水汽测量，从测量时间分辨率和测量精度看，传统辐射计和傅立叶变换光谱仪在实现高时间分辨(10分钟量级)和高精度（0.1mm量级）测量具有优势。由于传统的辐射计一般需要通过俯仰扫描来实现大气不透明度测量，而傅立叶变换光谱仪需要通过扫描移动镜实现信号干涉接收。目前它们的这种工作方式在实现完整一次测量天顶方向的大气水汽含量测量时间约为10分钟量级，难于满足更短时间（分钟量级）、更多观测区域（如360°全方位）的大气水汽辐射时变特性快速测量需求。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提供一种大气水汽辐射时变特性全向测量系统；以解决背景技术中所提出的目前方法难以在更短时间内以及更多的观测区域对大气水汽辐射时变特性快速测量的问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：