题目：K波段微波高光谱辐射计系统研究

        “微波高光谱”这个术语的定义公开提出于2011年，它是指拥有约五十个或更多窄带连续频谱通道的微波遥感系统。其主要研究目的在于发展一种大气探测性能与晴空条件下红外高光谱传感器相同或接近，并能够在全天候条件下工作的微波遥感系统。林肯实验室于2012年研制出一种机载式微波高光谱辐射计，它能够显著提高干燥地区温、湿度廓线的反演精度和垂直分辨率，为微波辐射计系统的研究开辟了一个新的方向。

        本论文在国内外现有的研究基础之上，研究与实现了一种地基式K波段微波高光谱辐射计。研究工作最初开始于2007年，其研究目的是希望通过研制一种高频谱分辨率的微波辐射计，用于验证能否据此改善大气廓线的反演性能。而微波辐射计的软硬件系统、定标方法和廓线反演方法分别于2011、2012和2013年完成，其研究过程贯穿了本人整个硕士和博士阶段。随着2011年微波高光谱概念的公开提出，这台微波辐射计的研究样机也因此被命名为“K波段微波高光谱辐射计”。

        K波段微波高光谱辐射计能够测量18 - 26 GHz频率范围内连续的大气辐射谱线，并用于反演潮湿地区的水汽廓线。辐射计的频谱通道数为80个。K波段微波高光谱辐射计使用了一种改进的接收机结构和高光谱下优化的定标与反演方法，从而能够在高灵敏度和绝对精度条件下观测快速的天气变化。通过提取微波高光谱下的大气额外信息，K波段微波高光谱辐射计不仅能够减少水汽廓线误差，而且还改善了水汽廓线的垂直分辨率。本论文围绕超宽带多通道接收机、辐射计定标方法和水汽廓线反演方法三个关键技术开展了K波段微波高光谱辐射计的系统研究，主要创新性研究工作如下：

        首先针对辐射计的超宽带多通道接收机开展了深入研究。传统多通道微波辐射计一般选用超外差接收机和多通道直接检波接收机这两种接收机结构。超外差接收机将天线输出的高频信号下变频到低频处理，并通过调谐本振频率的方式进行频段划分；多通道直接检波接收机则直接在射频频段对天线输出信号进行功分、滤波处理，完成频段划分。K波段微波高光谱辐射计需要获得工作频段内连续的大气辐射谱线，接收机通道数量远多于传统微波辐射计接收机。若选用超外差接收机结构，系统扫描时间长，不利于观测快速的天气变化；若选用多通道直接检波接收机结构，系统复杂度高，不利于微波辐射计的研制和运载。本文所设计超宽带80通道接收机采用了一种改进的二级接收机结构，结合了传统辐射计接收机的几项优点：第一级是超外差接收机结构，通过切换下变频信号进行第一次频段粗分，频段划分按时间顺序串行实现，由于射频前端通道的复用，降低了系统的复杂度；第二级是多通道直接检波接收机结构，通过滤波器组进行第二次频段细分，频段划分同时并行实现，减少了频谱扫描时间。

        其次针对辐射计的定标方法开展了微波高光谱下的优化研究。晴空条件下K波段的天顶亮温一般都小于50 K，此时K波段微波高光谱辐射计使用晴空定标方法可以获得更高的定标精度。在该定标方法中，微波辐射计将大气本身作为一个定标冷源来代替传统液氮方法进行定标，通过快速测量几个特定仰角的晴空背景辐射，然后调整定标参数直到辐射计的系统输出符合大气辐射传输方程，同时测量定标热源的辐射温度，从而得到辐射计的准确增益。传统晴空定标方法通常将大气平均辐射温度和大气光学质量等定标参数看作与频率无关的固定值，忽略了大气频率的影响。然而在微波高光谱条件下，定标参数在宽大气频谱和不同天空仰角下存在浮动，其误差将随频率变化而进一步增大，并影响到晴空定标方法的定标精度。K波段微波高光谱辐射计采用了一种改进后的晴空定标方法来提高辐射计精度。这种改进方法通过统计近20年内北京地区每个月的大气温度廓线、气压廓线和水汽压廓线数据，并基于晴空条件的Liebe大气吸收模型（1993），修正了微波高光谱条件下晴空定标方法中定标参数在K波段内的误差。

        接下来针对辐射计的水汽廓线反演方法开展了微波高光谱下的优化研究。由于微波高光谱辐射计的频谱通道数量多、数据信息量大，所以相应的大气廓线反演方法所需计算量也将显著增加。对于信息量较大的微波高光谱遥感数据，神经网络算法会在训练其神经单元前，利用主元素分析法对大气亮温矩阵进行频谱上的压缩，避免了微波高光谱条件下大气亮温矩阵的病态性过高导致神经网络的训练失败。然而这也减少了一部分的高光谱亮温数据，并可能在一定程度上失去高光谱的优势。为充分利用微波高光谱高信息量的特点，不损失有效的遥感信息，K波段微波高光谱辐射计采用一种微波高光谱下优化的变分方法反演大气水汽廓线。反演过程使用了晴空定标方法中所统计的往年北京地区大气廓线数据，其中水汽压廓线作为先验的背景数据，而温度廓线和气压廓线基于晴空条件和云雾条件下Liebe大气吸收模型（1993），修正了变分方法所需的水汽廓线雅可比矩阵。

        最后通过将水汽廓线反演结果与TP/WVP-3000微波辐射计进行对比，验证了本文所设计的80个通道K波段微波高光谱辐射计能够一定程度上改善水汽廓线的反演精度和垂直分辨率，并进一步提出了系统频谱通道数扩展的设计思想。