GPS/LEO掩星正则变换反演方法

利用无线电全息方法, 如正则变换方法或全谱反演方法, 可以有效地解决大气多路径条件下GPS掩星信号的反演问题. 本文采用正则变换方法反演掩星资料, 模拟仿真反演结果显示正则变换方法可以准确地反演包含大气多路径效应的信号. 在模拟信号的相位中加入不同程度的高斯相位噪声后, 正则变换方法的反演结果会受到不同程度的影响. 用正则变换方法对2007年第71天至73天共约4500个COSMIC数据进行处理. 将其折射率反演结果和atmPrf资料 (利用全谱反演方法计算得到) 一起, 与对应的ECMWF 分析场资料进行统计比较, 结果表明: 在5 km以下, 正则变换方法计算的折射率的相对误差的平均值普遍大于atmPrf资料. 其原因可能为: 正则变换方法将信号从LEO轨迹后传播至辅助屏, 造成孔径缩小, 精度下降. 同时也讨论了信号截断对低对流层中反演精度和掩星个数的影响. 关键词： 无线电掩星 大气多路径 多相位屏技术 正则变换方法     

COSMIC掩星电离层资料反演以及结果验证

通过COSMIC掩星电离层观测资料L1和L2相位组合,得到相对总电子含量TEC;利用非掩星的辅助观测数据校正TEC,消除LEO卫星高度以上的TEC部分;在电子密度局部球对称假设和信号直线传播的近似下,通过Abel积分变换可以得到电子密度垂直廓线.将2007年度中与电离层测高仪站点经度差小于10°,纬度差小于2°的4903个COSMIC掩星电离层资料与相对应的电离层测高仪数据进行比较,F₂层的临界频率f₀F₂的标准差约为059 关键词： COSMIC GPS/LEO掩星 电离层测高仪 电离层反演     

基于改进的单差法计算GPS掩星附加相位

从GPS掩星探测数据中反演的参数可同化入数值天气预报模式. 附加相位的计算精度受参考链电离层噪音及L2噪音影响, 在L2信号加密情况下噪音影响更为显著.为提高附加相位处理精度, 减少一般单差法(single difference, SD)从参考链传入掩星链的噪音,本文采用改进的单差法 (updated single difference, USD)计算大气附加相位.参考链数据采用组合频率LC观测数据, 并以一定时间窗口(2 s)做平滑处理,逐项考虑天线相位中心改正、 相对论效应改正等因素的影响.利用COSMIC掩星观测数据对上述方法进行了验证. 上升及下降典型掩星事件分析表明:USD计算的附加相位与 COSMIC官方发布的附加相位有很好的一致性;计算了全球分布的440次掩星事件附加相位, 结果表明USD法可明显改进附加相位平均偏差与标准差的分布, 证明了我们算法的可靠性. USD法可应用于风云三号气象卫星掩星仪器半无码跟踪L2得到的数据处理中.     

应用一维变分法反演GPS掩星大气温湿廓线

GPS掩星观测的折射率是大气温度、湿度状态的函数, 应用一维变分方法 (1DVAR) 可以从折射率资料中同时反演出大气温、湿度廓线, 利用COSMIC 2011年中国区域掩星观测数据对这一方法进行了测试, 背景场采用ECMWF大气廓线, 反演结果与相匹配的探空观测有较好一致性. 重点研究了一维变分反演方法中非理想气体效应 (non-ideal effect) 对温度、湿度反演误差的影响, 不同月份的比较结果表明, 非理想气体效应对掩星反演大气廓线是一种系统性影响, 考虑这一效应可对温度反演改进0.1 K的偏差 (bias), 对比湿可改进约0.5%偏差. 掩星资料作为数值天气预报资料同化中少数无需偏差改正的卫星遥感资料, 非理想气体效应改正是无疑是非常重要的, 此外, 考虑这一效应对掩星资料的气候应用也有重要价值. 关键词： 一维变分 掩星 非理想气体效应     

GPS掩星一维弯曲角算子在四维变分资料同化系统中的实现方法研究

GPS无线电掩星资料的良好特性使其作为十分重要的观测资料在欧洲 及美国数值天气预报中效果明显. 本文设计了一维弯曲角算子在四维变分资料同化系统中的实现方法和质量控制策略. 详细阐述了一维弯曲角正演算子及其切线性/伴随算子在全球四维变分资料同化系统中的实现步骤和过程, 其中折射率计算中采用Rüeger的折射率最佳平均因子的三项表达式, 计算出更加精确的折射率值. 对2012年8月份的GPS无线电掩星资料进行了观测误差统计, 引入了更加符合四维变分资料同化系统实际情况的一维弯曲角观测误差模型和质量控制策略. 同时, 对比了观测误差统计试验中同化GPS无线电掩星资料的模式背景场和未同化GPS无线电掩星资料的背景场的观测误差统计结果, 发现同化GPS无线电掩星资料之后的观测误差统计结果在全球区域正作用十分明显, 尤其是在中低纬度地区, 高度在10 km 以上的区域观测误差减小十分明显. 关键词： GPS无线电掩星 一维弯曲角算子 四维变分同化系统 质量控制     

存在障碍物时电波传播抛物线方程分析及其验证

双向抛物线方法主要用于起伏地形下电波传播问题的计算,该算法本身无法处理地面存在障碍物,尤其是真实环境下障碍物与地面为不同媒质的情况.因此本文提出一种用于存在障碍物时电波传播计算的抛物线方程新算法.该方法采用区域分解,对不同障碍物区域的场值进行分区计算,并对计算结果进行相位修正,从而实现该情况下空间中场值的计算.在此基础上,使用矩量法来精确验证抛物线方法的计算精度.通过实例分析,证明了存在障碍物时新算法的精确性,为之后求解真实环境下的电波传播问题提供了参考.     

Characteristics of atmospheric gravity waves observed using the MU (Middle and Upper atmosphere) radar and GPS (Global Positioning System) radio occultation

The wind velocity and temperature profiles observed in the middle atmosphere (altitude: 10–100 km) show perturbations resulting from superposition of various atmospheric waves, including atmospheric gravity waves. Atmospheric gravity waves are known to play an important role in determining the general circulation in the middle atmosphere by dynamical stresses caused by gravity wave breaking. In this paper, we summarize the characteristics of atmospheric gravity waves observed using the middle and upper atmosphere (MU) radar in Japan, as well as novel satellite data obtained from global positioning system radio occultation (GPS RO) measurements. In particular, we focus on the behavior of gravity waves in the mesosphere (50–90 km), where considerable gravity wave attenuation occurs. We also report on the global distribution of gravity wave activity in the stratosphere (10–50 km), highlighting various excitation mechanisms such as orographic effects, convection in the tropics, meteorological disturbances, the subtropical jet and the polar night jet.     

基于柱坐标系抛物方程和矩量法的电波传播混合算法

针对包含近源障碍物条件下的电波传播问题,提出了一种新颖的电波传播预测混合建模方法:矩量法(MOM)和圆柱坐标系抛物方程法(PEM)混合建模方法(MOM-PEM);MOM用于包含辐射源和近源障碍物的小圆柱区域内的电波传播建模,PEM用于MOM计算空间外的大区域范围内电波传播建模。MOM和PEM的计算过渡区域进行精细化网格剖分处理以避免场强数值传递的不兼容。仿真模拟了三类近源障碍物存在场景下的电波传播问题:有限开窗屏障碍物、立方体障碍物以及包含辐射源的半封闭空间障碍物,并将混合算法计算得到的结果和相同环境下采用全矩量法计算得到的结果进行了数值对比,结果表明混合算法和矩量法在精度上吻合较好。     

非下采样小波变换红外光谱数据去噪

为了降低噪声对实测红外光谱信号的影响,引入了一种非下采样小波变换的红外光谱数据去噪方法。采用非下采样小波变换对原始光谱信号进行多尺度分解,提取信号的多尺度细节特征;根据光谱信号和噪声在不同尺度上的差异,通过应用变分偏微分方程方法调整分解后的各子带系数;重构各子带就可以将原始光谱信号中真实信号和噪声分离,从而达到剔除噪声的目的。通过两组实验对比传统小波和该方法针对红外光谱数据的消噪效果,实验结果表明:非下采样小波变换在红外光谱数据去噪方面具有明显的优势,不仅能够有效地去除噪声,很好地保持信号的形状,并且均方误差较小;在实际的红外光谱数据处理中能够获得较好的去噪效果。     

光谱辐照度测量的数学模型及其方法研究

光谱辐照度是光谱辐射计量中最基本的参数，是研究各种辐射源及光电探测器特性的重要依据。为提高光谱辐照度的测量精度和量值溯源等问题，国防科工委光学计量一级站采用BB3200K高温黑体作为基准的辐射源，以新型辐射测温法为基础，通过一系列光辐射理论和几何原理推导出辐射温度与辐射光功率之间的关系；通过对光辐射功率的绝对测量，并结合低温辐射计，从而完成了光谱辐照度量值的精度测量。该理论奠基了以探测器为基础的新的光辐射量传体系。主要介绍了在光谱辐照度标准装置的项目中复现光谱辐照度所建立的数学模型及新的测试方法，给出了测量结果，并简要介绍了基于该理论的测量装置的组成及原理。     

Calculation of the spectral response of an arrayed-waveguide gating demultiplexer with a wide-angle beam propagation method in a cylindrical coordinate system

The spectral response of an arrayed-waveguide grating (AWG) demultiplexer is calculated by simulating the field propagation in the output section of an AWG with a wide-angle beam propagation method (BPM) in a cylindrical coordinate system. As in a practical design of an AWG demultiplexer, each output waveguide consists of two straight sections connected by a bending section. The spectral response obtained by the present algorithm is more accurate than those obtained with two popular approximate methods, namely, the conventional overlapped integral method and the standard BPM for radially straight and infinitely long output waveguides. With the present algorithm, the dependence of the spectral response on the parameters of the output section is analyzed. The channel crosstalk and the 3 dB passband width of the spectral response depend mainly on the length of the first straight section, the end separation and the angular separation of the output waveguides. The bending section results in an asymmetrical spectral response with remarkable sidelobes which can be reduced by increasing the bending radius.