CN101936778A - 一种辐射计定标方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种辐射计定标方法，在利用“四点非线性法”完成冷热源绝对定标的基础上，根据辐射计各项参数维持稳定的能力不同，周期性执行“噪声定标”和“增益定标”的“相对定标”过程，获得更加准确的辐射计特性参数和目标观测数据。本发明不但能够提高辐射计定标和观测精度，而且不需要频繁执行冷热源绝对定标过程，大大降低了对操作环境的要求，并使辐射计能够完成周期性自动定标，使得野外应用和无人值守长期工作成为可能。

Description

一种辐射计定标方法

技术领域

本发明涉及微波辐射计的校准方法，进一步还涉及其数据测量方法，即对辐射计进行定标并进行目标观测，以提高辐射计定标和观测精度。

背景技术

根据辐射计经典设计理论，无论何种构成形式、何种工作频率的辐射计，其视频输出电压U_o与天线口面处的目标亮温T_A之间的关系都可用一个线性方程近似表示：

U_o＝G_S·(T_A+T_RN)                           (1)

上式中：G_S为辐射计的系统增益，T_RN为系统等效噪声温度。

辐射计的实际应用是通过测量U_o值来计算T_A，这就要求首先确定系统自身特性参数G_S和T_RN。而确定G_S和T_RN真实值的过程就称为辐射计的定标。

辐射计定标主要采用两种方法。一种方法是接收机与天线分别定标，另一种方法是整体定标。具体定标过程设计，目前国内外普遍采用冷热源绝对定标方法：让辐射计先后对亮温为T_h的热辐射源和T_c的冷辐射源进行观测，相应的辐射计输出电压值分别为U_h和U_c。若在定标过程中G_S和T_RN能够保持恒定，则有：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_h=G_S\·(T_h+T_{\mathrm{RN}})\\ U_c=G_S\·(T_c+T_{\mathrm{RN}})\end{array}\right.---\left(2\right)$

上述两个线性方程联合求解，就可以确定未知量G_S和T_RN。

但上述传统方法存在两方面缺陷：

[1]由于忽略了实际存在的非线性因素，因此采用线性方程计算的结果总是存在误差，不能满足高精度的应用需求；

[2]在工程实践中，辐射计系统增益G_S和等效噪声温度T_RN并非恒定不变，而是随着时间的推移发生波动和漂移，即定标结果并不能长期保持精确有效，因此需要人工频繁进行冷热源绝对定标。而定标所用冷辐射源通常需要液氮或液氦制冷，频繁定标使辐射计难以满足野外长期使用要求，这限制了辐射计的应用。

美欧发达国家拥有更加先进的辐射计设计技术，采用了新的先进思路。其原理简述如下：

由于实际的辐射计接收特性并不是真正线性的，因此采用非线性方程能更精确描述辐射计的接收特性：

U_o＝G_S·(T_A+T_RN)^α                          (3)

上式中的α称为系统非线性因子，具体值也需由定标过程求出。

在电路设计上，辐射计系统硬件构成中增加一个附加噪声源，交替工作于激发和不激发两种状态。噪声源未激发时不产生附加噪声，即辐射计系统等效噪声温度仍为T_RN；而激发时变为T_RN+T_nd，其中T_nd是附加噪声源产生的附加噪声温度。因此对任何目标场景进行观测时，辐射计将交替输出两个电压值，其中一个对应于噪声源未激发态，另一个对应于噪声源激发态。则采用标准冷热源定标时，将得到四个输出电压值，即如下非线性方程组：

$\left\{\begin{array}{cc}{U}_1=G_S\·{(T_c+T_{\mathrm{RN}})}^{\mathrm{\α}},& U_2=G_S\·{(T_c+T_{\mathrm{nd}}+T_{\mathrm{RN}})}^{\mathrm{\α}}\\ U_3=G_S\·{(T_h+T_{\mathrm{RN}})}^{\mathrm{\α}},& U_4=G_S\·{(T_h+T_{\mathrm{nd}}+T_{\mathrm{RN}})}^{\mathrm{\α}}\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中U₁～U₄分别为四种状态下的辐射计输出电压值；而未知量除G_S和T_RN外，还增加了两个未知量α和T_nd，正好可由上述四方程联合求出。α和T_nd的稳定性远高于G_S以及T_RN，因此计算结果具有更高的精确度，国外称这种方法为“四点非线性法”。

利用“四点非线性法”测得的辐射计的四个参数中，系统增益G_S最容易波动和漂移，系统等效噪声温度T_RN的稳定性则明显高于G_S，而非线性因子α和附加噪声温度T_nd主要取决于系统电气结构设计，并能够在相当长时期内维持恒定。因此需要有更简洁的方法，能够在辐射计工作过程中实时修正系统增益G_S、间歇性地对系统等效噪声温度T_RN进行修正、而仅在需要修正非线性因子α和附加噪声温度T_nd时才进行冷热源绝对定标，这样就能避免频繁进行冷热源绝对定标，并减少对正常观测工作的影响。

“四点非线性法”虽然提高了辐射计测量精确度，但由于系统增益G_S和等效噪声温度T_RN的波动和漂移，在辐射计工作过程当中仍需要频繁进行冷热源绝对定标，这仍然不能满足野外作业的实际需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服上述辐射计定标方法的不足，提供一种更完善实用的辐射计定标方法，提高辐射计的定标精度和观测精度，并能够简化定标过程，实现自动定标系统，满足辐射计野外长期工作的需要。

基于前述“四点非线性”绝对定标法的分析，本发明进一步发展出两种新的定标方法，一种称为“噪声定标”，另一种称为“增益定标”，并将三者结合使用。

本发明采用“噪声定标”过程只用一个标准热噪声源，而不需要冷噪声源。对标准热源作一次观测，类似前述“四点非线性法”，得到如下非线性方程组：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_1=G_S\·{(T_h+T_{\mathrm{RN}})}^{\mathrm{\α}}\\ U_2=G_S\·{(T_h+T_{\mathrm{nd}}+T_{\mathrm{RN}})}^{\mathrm{\α}}\end{array}\right.---\left(5\right)$

在方程组(5)中，α和T_nd视作已知量，其值来自于冷热源绝对定标过程；T_h是标准热源的亮温；U₁和U₂为分别在附加噪声源工作和不工作期间，辐射计的输出电压值。而将T_RN和G_S作为未知量求解。用方程组(5)可以求出辐射计等效噪声温度T_RN和系统增益G_S。

本发明采用“增益定标”过程则无需任何标准辐射源参与。对任意目标场景作一次观测，类似得到如下非线性方程组：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_1=G_S\·{(T_A+T_{\mathrm{RN}})}^{\mathrm{\α}}\\ U_2=G_S\·{(T_A+T_{\mathrm{nd}}+T_{\mathrm{RN}})}^{\mathrm{\α}}\end{array}\right.---\left(6\right)$

在方程组(6)中，α、T_nd和T_RN均为已知量(其中α和T_nd的值来自绝对定标过程，而T_RN的值来自“噪声定标”过程)，U₁和U₂分别为附加噪声源工作和不工作期间，辐射计的输出电压值；T_A是辐射计天线口面处的目标亮温。通过方程组(6)可以求出两个未知量：G_S和T_A。由此也可见，“增益定标”与目标亮温观测工作是同步伴随进行，无需定标源参与，这使得辐射计实时自动定标成为可能。

由于上述“噪声定标”和“增益定标”过程并未使用标准冷噪声源，而是需要利用绝对定标的一些数据结果，所以将“噪声定标”和“增益定标”方法均称为“相对”定标方法。

本发明所提出新的辐射计定标方法以及计算方法，与现有方法相比具有如下优点：

[1]采用非线性方程描述辐射计特性，与传统线性方法相比，误差更小；

[2]新的定标方法不需借助标准冷源，大大降低了对操作环境的要求，方便了辐射计野外作业，使得产品推广应用成为可能；

[3]新的定标方法以“四点非线性法”为基础，并不需要增加新的硬件设备，因此制造成本并未提高，但却提供了更加实用的定标手段；

[4]新的定标方法使辐射计能实现周期性自动定标，使得无人值守长期工作成为可能。

附图说明

图1本发明定标及目标观测所采用的周期时序图

具体实施方式

本发明在“噪声定标”和“增益定标”过程都不使用冷噪声源，其初始数据来自“四点非线性法”绝对定标结果，相对于绝对定标方法，“噪声定标”和“增益定标”是一种相对定标方法，在具体实施方式上，三种定标方法并非独立关系，而是周期性迭代实施：首先按照“四点非线性法”完成冷热源绝对定标，获得(或修正)辐射计系统的G_S、T_RM、α和T_nd参数；以此为初始数据，在辐射计正常工作期间，间歇执行“噪声定标”操作，修正系统的T_RN参数；伴随辐射计的正常观测活动，实时进行“增益定标”操作，实时修正系统的G_S参数，并同时计算出待测目标亮温T_A。

本发明使得辐射计自动高精度实时定标、长期野外无人值守工作成为可能。现用如下实施例进行说明：

定标时序实施例

本发明按照图1所示周期时序制订辐射计定标和观测程序：首先可在人工参与下进行冷热源绝对定标，占用周期t1时长一般需要几分钟到半小时左右，在此期间不能进行正常目标的观测；在t2周期进行相对定标和正常目标观测活动。对于稳定性较好的辐射计，t2长达半年也能维持很高的观测精度。整个辐射计定标和观测过程即由t1和t2周期不断交替循环。

周期t2则进一步细分，由子周期t2a和t2b交替循环组成。其中t2a子周期进行噪声定标，根据辐射计具体工作情况可能需要几毫秒至几分钟，在此期间不能进行正常目标的观测；而在t2b子周期内，增益定标与正常的目标观测活动同时进行。对于稳定性较好的辐射计，t2b长达几个小时也能维持很高的观测精度。

定标计算实施例

对某台辐射计实施定标：首先按照“四点非线性法”完成冷热源绝对定标，获得辐射计四项参数G_S、T_RN，α和T_nd，其中非线性因子α＝0.99、附加噪声温度T_nd＝150K作为初始数据。而T_RN和G_S值由于不能长期保持稳定，故舍弃不用。当使用亮温为T_h＝350K的标准热源执行“噪声定标”操作时，得到辐射计输出的两个电压：U₁＝2500mV，U₂＝2776mV，将已知数据带入前述方程组(5)，得如下方程组：

$\left\{\begin{array}{c}2499=G_S\·{(350+T_{\mathrm{RN}})}^{0.99}\\ 2776=G_S\·{(350+150+T_{\mathrm{RN}})}^{0.99}\end{array}\right.$

解之得：系统等效噪声温度T_RN＝993K，同时可得系统增益G_S＝2.0005。

在某次“增益定标”(也是正常的目标观测)过程中，得到辐射计输出两个电压分别为U₁＝2223mV，U₂＝2500mV，带入式(6)得如下方程组：

$\left\{\begin{array}{c}2223=G_S\·{(T_A+993)}^{0.99}\\ 2500=G_S\·{(T_A+150+993)}^{0.99}\end{array}\right.$

解之得：待测目标亮温T_A＝200K，同时可得系统增益G_S＝2.0002，可见G_S已有漂移。

结合定标时序实施例可知，辐射计进行冷热源绝对定标、噪声定标和增益定标为周期性迭代运行，如此能够使辐射计实现周期性自动定标。使得野外应用和无人值守长期工作成为可能。

Claims (4)

1.一种辐射计定标方法，其特征是：首先按照“四点非线性法”完成冷热源绝对定标，获得辐射计的系统增益G_S、等效噪声温度T_RN、系统非线性因子α和附加噪声温度T_nd参数；以此为初始数据，根据辐射计各项参数维持稳定的能力不同，周期性执行“相对定标”方法：在辐射计正常工作期间，间歇执行“噪声定标”操作，修正系统的T_RN参数；伴随辐射计的目标观测活动，实时进行“增益定标”操作，实时修正系统的G_S参数，同时还获得待测目标亮温T_A，即通过周期性参数修正获得精确的辐射计自身参数和目标观测数据。

2.根据权利要求1所述的辐射计定标方法，其特征是：所述“噪声定标”操作方法只对标准热源作一次观测，得到如下非线性方程组，用方程组计算辐射计系统等效噪声温度T_RN和系统增益G_S：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_1=G_S\·{(T_h+T_{\mathrm{RN}})}^{\mathrm{\α}}\\ U_2=G_S\·{(T_h+T_{\mathrm{nd}}+T_{\mathrm{RN}})}^{\mathrm{\α}}\end{array}\right.---\left(1\right)$

在方程组(1)中，T_nd和α的值来自绝对定标结果，T_h是标准热源的亮温；U₁和U₂为分别在附加噪声源工作和不工作期间，辐射计的输出电压值。

3.根据权利要求1或2所述辐射计定标方法，其特征是：在“增益定标”操作方法中，辐射计系统增益G_S用如下方程组计算，同时还得到辐射计天线口面处的目标亮温T_A：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_1=G_S\·{(T_A+T_{\mathrm{RN}})}^{\mathrm{\α}}\\ U_2=G_S\·{(T_A+T_{\mathrm{nd}}+T_{\mathrm{RN}})}^{\mathrm{\α}}\end{array}\right.---\left(2\right)$

在方程组(2)中：T_nd和α的值来自于绝对定标的结果；T_RN的值来自于噪声定标的结果；U₁和U₂为分别在附加噪声源工作和不工作期间，辐射计的输出电压值。

4.根据权利要求1所述辐射计定标方法，其特征是：根据辐射计各项参数维持稳定的能力不同，制订辐射计定标和目标观测时序，由周期t1和周期t2不断交替循环，冷热源绝对定标占用周期t1，在此期间不能进行正常目标的观测；在周期t2进行相对定标和正常目标观测活动；其次，周期t2由子周期t2a和t2b交替循环组成，在子周期t2a进行噪声定标，在此期间不能进行正常目标的观测；而在子周期t2b内，同时进行增益定标与正常的目标观测；所述冷热源绝对定标、噪声定标和增益定标交替循环，实现辐射计周期性自动定标。

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