Part II_微波輻射計基本原理

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第二講地基微波輻射計的基本原理 基本概念天線溫度微波輻射計工作原理 輻亮度與天線在內(nèi)的發(fā)射功率為定義輻射強(qiáng)度接收面元：輻亮度B(Radiance)：單位輻射源表面積、單位時間、向單位立體角所輻射的能量，單位為Wm-2sr-1. 接收面元：設(shè)想在距離R處，有一接收面，如下圖左半，剛好卡在內(nèi)或 接收面所接收到的功率 天線接收功率的計算天線接收到的功率為：為天線的方向性函數(shù) 天線的頻率響應(yīng)：頻響函數(shù)定義帶寬：時的頻率范圍，稱為帶寬，也叫半功率帶寬。天線接收到的功率為：或者 天線溫度與氣象信號 天線溫度在電子線路中，溫度為T的電阻,產(chǎn)生輸入到系統(tǒng)的熱噪聲功率為。天線輸出其后端接收機(jī)的功率,相當(dāng)于一個溫度為Te的電阻所產(chǎn)生的熱噪聲功率。所以，Te就稱為“天線溫度”。 天線溫度：天線溫度不是天線自身的物理溫度，而是代表外來能量。 輻射計系統(tǒng)：——天線＋傳輸線＋接收機(jī)天線：物理溫度，有損耗即“有吸收就有熱輻射”，功率透射系數(shù)。天線端口輸出功率：其中， 傳輸線：物理溫度通常也是，信號損耗因子?1。理想傳輸線L=1;接收機(jī)：現(xiàn)實(shí)接收機(jī)＝無噪聲接收機(jī)＋等效熱噪聲源 稱為系統(tǒng)噪聲功率，相當(dāng)于在傳輸線的輸入端口（就是天線的輸出端口）輸入的總功率。記接收機(jī)等效熱噪聲溫度Tr,則在接收機(jī)輸入端口處的功率可表示為：其中，稱為系統(tǒng)噪聲溫度 TypicalAntennaPowerPatterns 主瓣內(nèi)，與方向無關(guān)，可用表示。（?0，?0）為天線指向。由天線溫度表達(dá)式可知，天線方向性函數(shù)即，天線溫度成為從天線所指方向射入天線的亮溫度。這就是我們所要的信息，代表（?0，?0）方向上被測目標(biāo)物的輻射狀態(tài)（如物理溫度，輻射物質(zhì)含量等）。 地基微波輻射計的基本原理 微波輻射計被動地測量目標(biāo)物在某個頻率附近發(fā)射的熱輻射功率。大氣物理學(xué)院大氣探測系地基微波輻射計系統(tǒng)框圖接收機(jī) 輻射計本振頻率，中頻為，因此進(jìn)入天線可以被測量的微波頻率可以是微波輻射計的工作頻率，或是單信道接收機(jī)：射頻單元（天線到射放）只工作在或雙信道接收機(jī)：射頻單元需同時工作在這樣，接收功率大但對射放要求高 具有隨機(jī)熱噪聲的性質(zhì)，要測量它在一定時間內(nèi)的積分，才能取出穩(wěn)定的振幅，作為“信號”功率，使得系統(tǒng)的增益稱之為輻射計系統(tǒng)的增益。系統(tǒng)的靈敏度為輻射計系統(tǒng)的帶寬，為積分時間。 全功率輻射計與Dicke輻射計1)全功率:天線連續(xù)接收外來熱輻射(不是脈沖式的)。問題:系統(tǒng)增益若不穩(wěn)定，則破壞了與的確定關(guān)系。 2)Dicke輻射計:脈沖式的接收外來輻射。全功率輻射計與Dicke輻射計Dicke開關(guān)交替地接通1、2兩端，在已知參考負(fù)載溫度TR的情況下，利用兩個輸出VOA和VOB來（1）解決增益不穩(wěn)定性的影響。VOA=kGsTA，VOB=kGsTR，假設(shè)在一個開關(guān)周期內(nèi)穩(wěn)定，則TA=TR*VOA/VOB，則與增益是否穩(wěn)定無關(guān)?。?）解決接收機(jī)內(nèi)部噪聲Tr和增益不穩(wěn)定性的影響。VOA=kGs(TA+Tr)VOB=kGs(TR+Tr)假設(shè)在一個開關(guān)周期內(nèi)穩(wěn)定，則兩信號之差D=k(TA-TR)與噪聲Tr無關(guān)，可以從中獲得被測TA。若能調(diào)整TR的值，使得兩信號之差D=0，則得TA=TR，則與增益是否穩(wěn)定無關(guān)！稱此為平衡式Dicke輻射計。與增益是否穩(wěn)定有關(guān)! 輻射計的定標(biāo)輻射計接收機(jī)所得功率Ｐ(或)與（即）成線性關(guān)系：其中系數(shù)a、b為與輻射計系統(tǒng)性能和環(huán)境溫度有關(guān)的系數(shù)。可通過輻射計系統(tǒng)定標(biāo)來確定。 （1）實(shí)驗(yàn)室方法高低溫負(fù)載法:把天線（或其傳輸線輸入口）放在恒溫槽內(nèi)，則，觀測P隨T的變化，可得的關(guān)系。（2）晴空外場法自然定標(biāo)法:把天線放在外場,取晴朗夜晚、靜風(fēng)，施放探空儀得Ｔ(Z)、?(Z)。由輻射傳輸方程（后面介紹）可計算出在不同仰角時的值。改變天線仰角可得相應(yīng)的讀數(shù),計算回歸系數(shù),即可得。 MeasureoutputvoltagesV1andV2fromtwoblackbodytargetsattemperaturesT1andT2 Cautions:Needhighemissivitytarget(lowreflectivity)UniformtemperaturethroughouttargetArealargeenoughtocovermorethanmainbeam LN2TARGETPLACEDONRADIOMETRICSMWRONARMSGPFIELDSITE LN2TARGETPLACEDONRADIOMETRICSMWRONARMTWPNAURUFIELDSITE LiquidNitrogencalibrationofmicrowaveradiometersRadiosondeHumiditySoundingsandMicrowaveRadiometersduringNauru99,E.Westwater,B.Stankov,D.Cimini,Y.Han,J.Shaw,B.LeshtandC.Long,JAOT,2003. RadiometricsMicrowaveRadiometerRadiometerGain:TndisthenoiseinjectiontemperaturedeterminedthroughcalibrationThesystemincludes:noisediodeinjectiondevicereferencetargetg?gcalibrationfactorRadiometerEquation↓↓ Thanks