微波輻射計(jì)定標(biāo)

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1、第14卷第1期遙感技術(shù)與應(yīng)用Vol.14No.11999年3月REMOTESENSINGTECHNOLOGYANDAPPLICATIONMar.1999微波輻射計(jì)定標(biāo)李靖姜景山李茂堂(中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心北京100080)摘要:對(duì)微波輻射計(jì)的兩種定標(biāo)方法進(jìn)行了介紹,即分步定標(biāo)法和整體定標(biāo)法。分步定標(biāo)法需要測(cè)量的中間參數(shù)較多,故誤差來(lái)源多,定標(biāo)精度低。整體定標(biāo)一次完成,沒(méi)有中間環(huán)節(jié),因此定標(biāo)精度較高,缺點(diǎn)是要求有一個(gè)提供給天線的準(zhǔn)確、可靠的噪聲環(huán)境,成本較高。本文在現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件下,分別對(duì)5.4GHz和37GHz微波輻射計(jì)進(jìn)行了整體定標(biāo)和接收機(jī)定標(biāo),并對(duì)定標(biāo)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。關(guān)鍵詞:

2、微波輻射計(jì)定標(biāo)中圖分類(lèi)號(hào):TP73文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1004-0323(1999)01-0001-041引言微波輻射計(jì)的定標(biāo)精度不僅反映了儀器研制水平的高低,而且也影響微波輻射圖像解譯和判讀的準(zhǔn)確度,定標(biāo)是實(shí)現(xiàn)定量化微波遙感的前提。微波輻射計(jì)的定標(biāo)是標(biāo)定微波輻射計(jì)輸出(電壓或電壓數(shù)碼)與輸入噪聲溫度之間的定量關(guān)系的過(guò)程,微波輻射計(jì)的定標(biāo)大體上可分為兩種方法:分步定標(biāo)法,即分別完成接收機(jī)的定標(biāo)和天線的定標(biāo);整體定標(biāo)法,即從天線到最后輸出的整機(jī)一起定標(biāo)。微波輻射計(jì)的定標(biāo)離不開(kāi)噪聲源,噪聲源提供定量的噪聲功率,從存在的形式上看,可以分為兩大類(lèi):第一類(lèi)稱(chēng)為人造噪聲源,第二類(lèi)稱(chēng)為自然噪聲源。第一

3、類(lèi)噪聲源是由電阻、飽〔1〕和二極管、固態(tài)二極管、氣體放電管、碰撞雪崩渡越時(shí)間二極管(IMPATT)、黑體和場(chǎng)效應(yīng)〔2〕管等做成的產(chǎn)生定量噪聲的噪聲源;第二類(lèi)噪聲源是自然界中存在的天然輻射體,它們具〔3,4〕有長(zhǎng)期穩(wěn)定的能量輻射,如宇宙背景、月亮、銀河系、太陽(yáng)及行星等。無(wú)論人造噪聲源還是〔5〕自然噪聲源都有一定的適用范圍。2分步定標(biāo)法2.1接收機(jī)的定標(biāo)由于接收機(jī)中采用平方律檢波,則接收機(jī)的輸出電壓與輸入噪聲溫度呈線性關(guān)系,即:VOUT=a(TIN+b)(1)只要給接收機(jī)輸入兩個(gè)已知噪聲溫度,并測(cè)得其對(duì)應(yīng)的輸出電壓,便可確定定標(biāo)常數(shù)a和b。接收機(jī)的定標(biāo)如圖1所示,圖中的匹配負(fù)載為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)噪聲源,

4、和微波輻射計(jì)輸入端口hc相連,它的輸出噪聲溫度分別為T(mén)CAL和TCAL時(shí)所對(duì)應(yīng)的接收機(jī)輸出電壓分別為:收稿日期:1998210227修訂日期:1998212214作者簡(jiǎn)介:李靖,男,1967年5月生,博士,從事微波輻射計(jì)研制及其定標(biāo)、地物電磁散射和輻射特性的理論研究。2遙感技術(shù)與應(yīng)用第14卷hhhcVOUT=a(TCAL+b)(2)TTCALCAL微波輻射計(jì)Th或Tccc接收機(jī)OUTOUTVOUT=a(TCAL+b)(3)上述兩方程的解為:恒溫控制hc%VOUT-VOUTa=hc(4)TCAL-TCAL匹配負(fù)載chhc圖1微波輻射計(jì)接收機(jī)的定標(biāo)VOUTTCAL-VOUTTCAL(5)b=hc

5、VOUT-VOUT2.2天線的定標(biāo)天線的定標(biāo)是確定天線輸出噪聲溫度T′A與天線主波束視在溫度TML之間的關(guān)系。T′A由三部分組成:①通過(guò)天線主波束接收到的能量,是我們關(guān)心的量;②天線旁瓣的貢獻(xiàn);③天線結(jié)構(gòu)本身熱發(fā)射的貢獻(xiàn)。即:T′A=GlGMTML+Gl(1-GM)TSL+(1-Gl)T0(6)式中:Gl為天線的輻射效率,Gl=1?La,其中La為天線損耗因子;GM為天線主波束效率;T0為天線的物理溫度。TML和TSL分別為天線主瓣和旁瓣的貢獻(xiàn),用微波輻射計(jì)測(cè)量T′A,其目的是估計(jì)TML。將T′A作為接收機(jī)的輸入,就得出整機(jī)定標(biāo)方程。接收機(jī)定標(biāo)比較容易,但天線定標(biāo)比較困難,需要較大的暗室和相

6、應(yīng)的專(zhuān)用測(cè)試設(shè)備,測(cè)定天線的方向圖及天線輻射效率。分步定標(biāo)法需要測(cè)量的中間參數(shù)較多,故誤差來(lái)源多,定標(biāo)精度低。整體定標(biāo)一次完成,沒(méi)有中間環(huán)節(jié),因此定標(biāo)精度較高,缺點(diǎn)是要求有一個(gè)提供給天線的準(zhǔn)確、可靠的噪聲環(huán)境,成本較高。3整體定標(biāo)整體定標(biāo)是對(duì)微波輻射計(jì)整機(jī)進(jìn)行定標(biāo),將天線指向噪聲輻射源,改變輻射源的輻射量便得到輸入輸出的定量關(guān)系式。用于整體定標(biāo)的噪聲輻射源由已知發(fā)射率的材料做成,并放入溫度精確可調(diào)的環(huán)境中。通過(guò)改變其環(huán)境的物理溫度,就可得到亮度溫度,以完成微波輻射計(jì)的整體定標(biāo)。當(dāng)輻射計(jì)的接收機(jī)已通過(guò)了線性調(diào)試具有良好的線性度后,便可用兩點(diǎn)定標(biāo)法進(jìn)行整體定標(biāo)。一般選取一個(gè)高溫點(diǎn)和一個(gè)低溫點(diǎn)即可

7、完成整體定標(biāo)。設(shè)計(jì)了一個(gè)整體定標(biāo)環(huán)境,2制作了一塊約4m的木板,在木板上布滿(mǎn)良好吸波特性的微波吸波材料,認(rèn)為其發(fā)射率為1,將此定標(biāo)裝置放在一個(gè)密閉的實(shí)驗(yàn)室內(nèi),使微波輻射計(jì)的主波束指向微波吸波材料,通過(guò)調(diào)整實(shí)驗(yàn)室的溫度,得到多個(gè)定標(biāo)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)微波輻射計(jì)整體定標(biāo)。利用上面提到的微波輻射計(jì)整體定標(biāo)環(huán)境,對(duì)514GHz和37GHz二頻段微波輻射計(jì)進(jìn)行了整體定標(biāo),得到了兩臺(tái)微波輻射計(jì)的定標(biāo)曲線。同時(shí)也對(duì)這兩臺(tái)微波輻射計(jì)的