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基于艇载太赫兹辐射计的大气温度廊线反演

朱家玮 周晨 赵正予 刘祎

朱家玮, 周晨, 赵正予, 刘祎. 基于艇载太赫兹辐射计的大气温度廊线反演[J]. 空间科学学报, 2025, 45(1): 125-134. doi: 10.11728/cjss2025.01.2024-0069
引用本文: 朱家玮, 周晨, 赵正予, 刘祎. 基于艇载太赫兹辐射计的大气温度廊线反演[J]. 空间科学学报, 2025, 45(1): 125-134. doi: 10.11728/cjss2025.01.2024-0069
ZHU Jiawei, ZHOU Chen, ZHAO Zhengyu, LIU Yi. Inversion of Atmospheric Temperature Based on THz Radiometer (in Chinese). Chinese Journal of Space Science, 2025, 45(1): 125-134 doi: 10.11728/cjss2025.01.2024-0069
Citation: ZHU Jiawei, ZHOU Chen, ZHAO Zhengyu, LIU Yi. Inversion of Atmospheric Temperature Based on THz Radiometer (in Chinese). Chinese Journal of Space Science, 2025, 45(1): 125-134 doi: 10.11728/cjss2025.01.2024-0069

基于艇载太赫兹辐射计的大气温度廊线反演

doi: 10.11728/cjss2025.01.2024-0069 cstr: 32142.14.cjss.2024-0069
基金项目: 国家自然科学基金青年项目资助(42204161)
详细信息
    作者简介:
    • 朱家玮 2000年5月出生, 武汉大学电子信息学院硕士研究生, 主要从事临近空间环境探测方面的研究. E-mail: zzzjjw@whu.edu.cn
    • 周晨 1983年6月出生, 武汉大学电子信息学院教授, 空间物理系副主任, 博士生导师, 长期从事空天电磁电波环境和雷达智能信号处理方面的研究. E-mail: chenzhou@whu.edu.cn
  • 中图分类号: P414

Inversion of Atmospheric Temperature Based on THz Radiometer

  • 摘要: 基于武汉大学研制的艇载式太赫兹探测仪ATMI (Airborne THz Measure Instrument), 分析ATMI在地基与空基探测模式下对大气温度廊线的反演能力. 针对ATMI样机的硬件参数, 在空基和地基测量模式下, 建立不同纬度下大气辐射传输模型, 讨论在不同纬度下ATMI使用BP神经网络算法对于大气温度廊线的反演能力. 样机出厂后在中纬度地区进行了一个月的地基实测, 通过实测数据验证ATMI样机对于大气温度廊线反演的能力. 实测结果表明, 所研发的ATMI样机在地基反演中在0~36 km高度范围内精度优于1 K, 在一定高度范围内最高精度可优于0.3 K, 证明了所研制的艇载式太赫兹探测仪对大气温度廊线反演的有效性与准确性, 稳定度与精度达到设计指标, 显示其在太赫兹科学和临近空间环境监测中的广泛应用潜力.

     

  • 图  1  ATMI样机

    Figure  1.  ATMI whole machine prototype

    图  2  ATMI反演流程

    Figure  2.  Flow chart of the ATMI retrieval

    图  3  不同天顶角下不同高度层的RMSE

    Figure  3.  RMSE at different altitude layers for various zenith angles

    图  4  高中低纬地区的反演误差分布

    Figure  4.  Distribution of inversion errors in high, medium, and low latitude regions

    图  5  高中纬地区随高度的误差变化

    Figure  5.  Error variation with altitude in high, medium, and low latitude regions

    图  6  高中低纬地区一年反演数据中一天误差变化

    Figure  6.  Daily error variation in inversion data over one year in high, medium, and low latitude regions

    图  7  ATMI地基外场试验反演数据误差分析

    Figure  7.  Error analysis chart of ATMI ground-based field test inversion data

    表  1  BP 神经网络训练参数

    Table  1.   Training parameters of BP neural network

    Parameter Set value
    Net.trainparam.epochs 10000
    Net.trainparam.goal 0.01
    Net.trainparam.show 1
    Net.trainparam.min_grad 1×10–6
    Net.trainparam. Network_type Elman Network
    Net.trainparam. Training_function traingdx
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    表  2  ATMI 118 GHz通道中心频点及带宽

    Table  2.   ATMI 118 GHz channel center frequency and bandwidth

    Channel Frequency range
    1 118.75±0.08 GHz/60 MHz
    2 118.75±0.2 GHz/100 MHz
    3 118.75±0.4 GHz/200 MHz
    4 118.75±0.8 GHz/200 MHz
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    表  3  高中低纬度地区反演误差数据指标

    Table  3.   Inversion error data metrics for high, medium, and low latitude regions

    Area Mean Median Standard deviation Min Max
    Beijing –1.01×10–4 –3.62×10–4 1.22 –10.53 11.01
    Wuhan 1.93×10–4 7.39×10–4 1.66 –14.42 13.09
    Sanya –3.18×10–4 –2.10×10–3 2.11 –19.50 17.69
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-05-17
  • 修回日期:  2024-07-15
  • 网络出版日期:  2024-09-09

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