CN102032949A - 地球同步轨道大气温度探测仪的外定标装置及外定标方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种地球同步轨道大气温度探测仪的外定标装置及外定标方法。该装置包括：安装杆、定标辐射源以及冷空反射镜，安装在地球同步轨道大气温度探测仪圆环天线阵列的直径上，在轨每隔一定时间进行一次定标数据获取，在观测模式下，定标辐射源与冷空反射镜转离天线视场以便天线观测目标亮温；在定标模式下，定标辐射源与冷空反射镜转入天线视场，随着阵列旋转，每个天线单元逐个扫描定标辐射源和冷空反射镜反射进入的冷空背景温度获取定标数据。本发明充分应用圆环排布天线阵列旋转的特点，只需两个不同温度外定标源就可确定阵列中所有天线和接收机通道的系统响应，能实时标定出系统输出的绝对量，定标精度高并提供可靠的噪声温度标准。

Description

地球同步轨道大气温度探测仪的外定标装置及外定标方法

技术领域

本发明涉及一种星载微波辐射计的外定标技术，尤其涉及一种采用干涉式孔径综合技术的圆环阵列型地球同步轨道毫米波大气温度探测仪的外定标装置及外定标方法。

背景技术

目前作为国际研究热点的地球同步轨道毫米波大气温度探测仪是一种采用干涉式孔径综合技术的高灵敏星载微波辐射计。静止轨道气象卫星飞行高度很高，通常在35860公里，因此静止轨道探测仪要获得足够的空间分辨率，必须加大天线尺寸。干涉式孔径综合成像技术是用稀疏的多个小口径单元天线等效成大口面天线解决了大口面、高精度毫米波天线制造、在轨机械扫描以及形变等问题。

这种干涉式综合孔径微波辐射计可以采用圆环阵列旋转扫描分时采样方案设计方案。22个单元天线分布在直径为2.5～3米圆环上，匀速旋转分时采样。该探测仪的单元天线、毫米波前端分布在圆环直径上；公共噪声源与本振单元位于圆环中心；电源单元、高速数字处理单元、通讯与系统控制单元安装在圆环背面；扫描机构安装在舱内，与卫星舱板紧固连接；扫描机构输出轴带动圆环扫描。

这种地球同步轨道毫米波大气温度探测仪能够对目标亮温分布进行成像，其成像原理简单说就是将天线阵列中任两根天线接收信号之间进行相关运算，获得目标图像的对应这对天线组(称为基线)的空间频率数据，经过优化设计的稀疏天线阵列能够获得足够量的基线组合进行目标图像空间频率尽量完整覆盖的测量数据，进而使用成像反演算法重建目标的亮温图像。

另外，干涉式孔径综合技术能够突破传统微波辐射计分辨率低的瓶颈，但是也使得系统本身的复杂度大大增加。系统的复杂度也同时增加了系统定标的难度。遥感仪器都需要定标来精确地修正仪器结构自身的误差，确定仪器输出与目标真实输入之间的关系，实现仪器输出数据定量化，满足应用需求。为了配合定标，在探测仪内部设置了一个公共噪声源作为相干噪声源提供内校准信号用于输出可视度函数参数的校准；每个接收通道设置一个匹配负载作为非相干噪声源用于校准接收通道耦合引起的系统偏置。这些内部定标源可以完成探测仪相关器输出值的相位值校正，但是完成不了仪器的输出幅度绝对大小的定标。解决这个问题的一个思路是再设置一个不同温度公共噪声源，通过设置复杂的步骤和算法也可以完成仪器的输出幅度绝对大小的定标，但是这种方法的缺点是：它不计入天线端参数的影响且步骤复杂。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种采用干涉式孔径综合技术的圆环阵列型地球同步轨道大气温度探测仪的外定标装置及外定标方法。是根据探测仪天线阵列的特点设计的一种外定标结构作为综合孔径微波辐射计单通道全功率定标装置，能够直接完成幅度绝对量的定标，结合相位校正，进而得到整个设备的定标。其充分应用圆环排布天线阵列旋转的特点，这种外定标装置只需要两个不同温度外定标源(定标黑体温度和冷空背景温度)就可以确定阵列中所有天线和接收机通道的系统响应。利用该装置可以实时标定出系统输出的的绝对量，定标精度高，并提供可靠的噪声温度标准。通过定期定标不仅可以掌握探测仪的系统工作状态并且能够找出输出数据与输入信号的对应关系。

为了实现上述目的，本发明的地球同步轨道大气温度探测仪的外定标装置，包括：安装杆、安装在所述安装杆的一端且频率与探测仪相匹配的定标辐射源、以及安装在所述安装杆的另一端的冷空反射镜。

该外定标装置安装在地球同步轨道大气温度探测仪圆环天线阵列的直径上，所述定标辐射源作为一个已知高温源辐射进入探测仪天线，所述冷空反射镜用于将冷空背景温度反射进入探测仪天线主波束内作为一个已知低温源。

该外定标装置在轨每隔一定时间进行一次定标数据获取，为了不影响天线观测地面目标，将探测仪在轨工作流程就分成观测模式和定标模式两种。在观测模式下，所述定标辐射源与冷空反射镜转离天线视场，不影响天线观测目标亮温，此时探测仪对进入天线的地物目标信号进行测量，相应输出每个接收机的全功率测量值以及地物归一化相关值；在定标模式下，所述定标辐射源与冷空反射镜转入天线视场，接收开关打到天线端口，随着阵列旋转，每个天线单元逐个扫描一遍定标辐射源以及冷空反射镜反射进入天线的冷空背景温度来获取定标数据，此时，探测仪通过接收两个已知定标源的辐射温度的输出值计算全功率接收定标参数，然后，接收开关再打到内部公共噪声源温度，通过输出值计算其他定标参数；最后，利用观测模式下所获得的输出电压以及在定标模式下所获得的各定标参数计算得到最终的可视度函数。这里，天线阵列旋转周期(4分钟左右)内接收机的漂移可以忽略，能够满足多通道接收机定标要求。这种外方法结合了仪器的结构便于工程实现，而且能够完成校准天线阵列众多天线和接收通道的任务。定期定标不仅可以掌握探测仪的系统工作状态并且能够找出输出数据与输入信号的对应关系。

另外，本发明地球同步轨道大气温度探测仪的外定标方法，包括如下步骤：

1)T_sys系统温度参数定标：利用微波辐射计接收机线性化特点使用两点定标原理，在定标模式下，外定标装置展开使得定标源对准天线口面，测量各个接收机的全功率输出v_out ^外辐射源和v_out ^冷空值，通过下述公式求出系数a及b，

则，

然后，探测仪进行观测地物时的第k个接收机的系统温度的T_sysk是天线温度与接收机等效噪声温度的总和，则由系数a、b及在观测模式下探测仪全功率输出电压值v_out ^地物计算出来：

2)相位误差修正后kj基线归一化复相关值M_kj及接收机有限带宽引起的去相关效应kj基线fringe-washing因子G_kj参数定标：利用内部公共噪声源产生的相关噪声注入、相关器输出的归一化相关值以及各个通道接收机的全功率输出值v_out通过下述具体步骤进行参数定标：

21)接收机k以及接收机j的正交相位误差θ_qk和θ_qj的估算：探测仪接收开关打到内部公共噪声源，接收机k和接收机j接收其产生的相关噪声信号，相关器对信号正交分量q、同相分量i之间的归一化相关输出

和经下面公式估算，

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{qk}}=-\arcsin \left(M_{\mathrm{kk}}^{\mathrm{qi}}\right);$

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{qj}}=-\arcsin \left(M_{\mathrm{jj}}^{\mathrm{qi}}\right);$

22)相位误差修正后kj基线归一化复相关值M_kj ^cal估算：

${M_{\mathrm{kj}}}^{\mathrm{cal}}=\frac{1}{\cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{qk}}}\left\{\mathrm{Re}\right[M_1(M_{\mathrm{kj}}^{\mathrm{ii}}+j{M}_{\mathrm{kj}}^{\mathrm{qi}})]+\mathrm{jIm}[M_2(M_{\mathrm{kj}}^{\mathrm{ii}}+j{M}_{\mathrm{kj}}^{\mathrm{qi}})\left]\right\}$

其中，

是公共噪声注入kj基线相关器对两同相分量的归一化相关输出；

是公共噪声注入kj基线相关器对q分量和i分量的归一化相关输出；

23)kj基线fringe-washing因子G_kj估算：周期注入相关噪声源，全功率测量值和相位误差修正后的归一化相关输出值通过下面公式估算，

其中，

是将公共噪声源辐射信号均分给各个接收机通道的功分器的物理温度，通过贴在上面的温度传感器获得；T^噪声源是噪声源的等效噪声温度；S_k是k路功分器的S参数；

是j路功分器的S参数取共轭值；

3)探测仪最终结果可视度函数V_kj定标：利用所述步骤1)和步骤2)定标过的各个系数，使用如下公式准确标定最终可视度函数V_kj，

$V_{\mathrm{kj}}=\frac{\sqrt{T_{\mathrm{sysk}}{T}_{\mathrm{sysj}}}}{G_{\mathrm{kj}}}{M_{\mathrm{kj}}}^{\mathrm{cal}}.$

本发明的地球同步轨道大气温度探测仪的外定标装置及外定标方法的有益效果在于：根据探测仪天线阵列的特点设计的一种外定标结构作为综合孔径微波辐射计单通道全功率定标装置，能够直接完成幅度绝对量的定标，结合相位校正，进而得到整个设备的定标。其充分应用圆环排布天线阵列旋转的特点，这种外定标装置只需要两个不同温度外定标源(定标黑体温度和冷空背景温度)就可以确定阵列中所有天线和接收机通道的系统响应。利用该装置可以实时标定出系统输出的的绝对量，定标精度高，并提供可靠的噪声温度标准。通过定期定标不仅可以掌握探测仪的系统工作状态并且能够找出输出数据与输入信号的对应关系。该外定标装置能够实时计算出系统中各个通道的定标系数T_sys。是整个系统定标的必要组成部分。

附图说明

图1是本发明的地球同步轨道大气温度探测仪的外定标装置的结构构成示意图。

图2是本发明的地球同步轨道大气温度探测仪观测模式下的外定标装置与探测仪连接时的状态示意图。

图3是本发明的地球同步轨道大气温度探测仪定标模式下的外定标装置与探测仪连接时的状态示意图。

图4是本发明的地球同步轨道大气温度探测仪及其外定标装置的连接构成框图。

图5是本发明的地球同步轨道大气温度探测仪的外定标方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的地球同步轨道大气温度探测仪的外定标装置及外定标方法进行详细的说明。

图1是本发明的地球同步轨道大气温度探测仪的外定标装置的结构构成示意图。图2是本发明的地球同步轨道大气温度探测仪观测模式下的外定标装置与探测仪连接时的状态示意图。图3是本发明的地球同步轨道大气温度探测仪定标模式下的外定标装置与探测仪连接时的状态示意图。如图1～图3所示，本发明的地球同步轨道大气温度探测仪的外定标装置，包括：安装杆2、定标辐射源1、冷空反射镜3，其中，安装杆2的一端安装与仪器频率匹配的定标辐射源1；另一端安装一面冷空反射镜3。

该外定标装置安装在地球同步轨道大气温度探测仪圆环天线阵列的直径上，定标辐射源1作为一个已知高温源辐射温度信号进入探测仪天线，冷空反射镜3用于将冷空背景温度反射进入探测仪天线主波束内作为一个已知低温源。

该外定标装置在轨每隔一定时间就进行一次定标数据获取，为了不影响天线观测地面目标，将探测仪在轨工作流程就分成观测模式和定标模式两种。

如图2所示，在观测模式下定标辐射源1与冷空反射镜3转离天线视场，不影响天线观测目标亮温。

如图3所示，在定标模式下定标辐射源1与冷空反射镜3转入天线视场，随着阵列旋转，每个天线单元逐个扫描一遍定标辐射源1以及冷空反射镜3反射进入天线的冷空背景温度来获取定标数据。这里，天线阵列旋转周期(4分钟左右)内接收机的漂移可以忽略，能够满足多通道接收机定标要求。这种外方法结合了仪器的结构便于工程实现，而且能够完成校准天线阵列众多天线和接收通道的任务。定期定标不仅可以掌握探测仪的系统工作状态并且能够找出输出数据与输入信号的对应关系。

图4是本发明的地球同步轨道大气温度探测仪及其外定标装置的连接构成框图。如图4所示，地球同步轨道大气温度探测仪由单元天线组成的天线阵列、毫米波前端及接收机、高速数字处理单元、扫描机构、通信控制单元、电源单元等集成。其中，单元天线、毫米波前端分布在圆环直径上；公共噪声源与本振单元位于圆环中心；电源单元、数字处理单元、通讯与系统控制单元安装在圆环背面；扫描机构安装在舱内，与卫星舱板紧固连接；扫描机构输出轴带动圆环扫描。

为了配合定标，探测仪每个接收单元配置了功率测量系统测量该接收通道噪声温度。公共噪声源提供内校准信号用于输出可视度函数参数的校准。匹配负载用于校准接收通道耦合引起的系统偏置。

本发明的外定标装置的定标辐射源1和冷空反射镜3将冷空背景温度反射进入天线。

在观测模式下外定标装置的定标辐射源1与冷空反射镜3转离探测仪的天线视场，此时探测仪对进入天线的地物目标信号进行测量，相应输出每个接收机的全功率测量值以及地物归一化相关值。

在定标模式下外定标装置的定标辐射源1与冷空反射镜3转入探测仪的天线视场，接收开关打到天线端口，随着阵列旋转，每个天线单元逐个扫描一遍辐射定标源1以及冷空反射镜3反射进入天线的冷空背景温度，此时，探测仪通过接收两个已知定标源的辐射温度的输出值计算各定标参数，然后，接收开关再打到内部公共噪声源温度，通过输出值计算其他定标参数。

然后，利用观测模式下所获得的输出电压以及在定标模式下所获得的各定标参数计算得到最终的可视度函数。

另外，图5是本发明的地球同步轨道大气温度探测仪的外定标方法的流程图，如图5所示，本发明地球同步轨道大气温度探测仪的外定标方法，包括如下步骤：

1)T_sys系统温度参数定标：利用微波辐射计接收机线性化特点使用两点定标原理，在定标模式下，外定标装置展开使得定标源对准天线口面，测量探测仪中的各个接收机的全功率输出v_out ^外辐射源和v_out ^冷空值，通过下述公式求出系数a及b，

则，

然后，探测仪进行观测地物时的第k个接收机的系统温度的T_sysk是天线温度与接收机等效噪声温度的总和，则由系数a、b及在观测模式下探测仪全功率输出电压值v_out ^地物计算出来：

2)相位误差修正后kj基线归一化复相关值M_kj及接收机有限带宽引起的去相关效应kj基线fringe-washing因子G_kj参数定标：利用内部公共噪声源产生的相关噪声注入、相关器输出的归一化相关值以及各个通道接收机的全功率输出值v_out，通过下述具体步骤进行参数定标：

21)接收机k以及接收机j的正交相位误差θ_qk和θ_qj的估算：探测仪接收开关打到内部公共噪声源，接收机k和接收机j接收其产生的相关噪声信号，相关器对信号正交分量q、同相分量i之间的归一化相关输出

和

经下面公式估算，

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{qk}}=-\arcsin \left(M_{\mathrm{kk}}^{\mathrm{qi}}\right);$

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{qj}}=-\arcsin \left(M_{\mathrm{jj}}^{\mathrm{qi}}\right);$

22)相位误差修正后kj基线归一化复相关值M_kj ^cal估算：

${M_{\mathrm{kj}}}^{\mathrm{cal}}=\frac{1}{\cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{qk}}}\left\{\mathrm{Re}\right[M_1(M_{\mathrm{kj}}^{\mathrm{ii}}+j{M}_{\mathrm{kj}}^{\mathrm{qi}})]+\mathrm{jIm}[M_2(M_{\mathrm{kj}}^{\mathrm{ii}}+j{M}_{\mathrm{kj}}^{\mathrm{qi}})\left]\right\}$

其中，

是公共噪声注入kj基线相关器对两同相分量的归一化相关输出；

是公共噪声注入kj基线相关器对q分量和i分量的归一化相关输出；

23)kj基线fringe-washing因子G_kj估算：周期注入相关噪声源，全功率测量值和相位误差修正后的归一化相关输出值通过下面公式估算，

其中，是将公共噪声源辐射信号均分给各个接收机通道的功分器的物理温度，通过贴在上面的温度传感器获得；T^噪声源是噪声源的等效噪声温度；S_k是k路功分器的S参数；

是j路功分器的S参数取共轭值；

3)探测仪最终结果可视度函数V_kj定标：利用所述步骤1)和步骤2)定标过的各个系数，使用如下公式准确标定最终可视度函数V_kj，

$V_{\mathrm{kj}}=\frac{\sqrt{T_{\mathrm{sysk}}{T}_{\mathrm{sysj}}}}{G_{\mathrm{kj}}}{M_{\mathrm{kj}}}^{\mathrm{cal}}.$

综上所述，本发明的地球同步轨道大气温度探测仪的外定标装置及外定标方法根据探测仪天线阵列的特点设计的一种外定标结构作为综合孔径微波辐射计单通道全功率定标装置，能够直接完成幅度绝对量的定标，结合相位校正，进而得到整个设备的定标。其充分应用圆环排布天线阵列旋转的特点，这种外定标装置只需要两个不同温度外定标源(定标黑体温度和冷空背景温度)就可以确定阵列中所有天线和接收机通道的系统响应。利用该装置可以实时标定出系统输出的的绝对量，定标精度高，并提供可靠的噪声温度标准。通过定期定标不仅可以掌握探测仪的系统工作状态并且能够找出输出数据与输入信号的对应关系。

星载干涉式孔径综合微波辐射计是目前国际研究的热点。干涉式孔径综合技术能够突破传统微波辐射计分辨率低的瓶颈，但是也使得系统本身的复杂度大大增加。系统的复杂度也同时增加了系统定标的难度。本文说明论证了在卫星平台上设计的这种的外定标装置能够实时计算出系统中各个通道的定标系数T_sys。这是整个系统定标的必要组成部分。

Claims (3)

1.一种地球同步轨道大气温度探测仪的外定标装置，其特征在于，包括：安装杆、安装在所述安装杆的一端且频率与探测仪相匹配的定标辐射源、以及安装在所述安装杆的另一端的冷空反射镜，

该外定标装置安装在地球同步轨道大气温度探测仪圆环天线阵列的直径上，所述定标辐射源作为一个已知高温源温度信号辐射进入探测仪天线，所述冷空反射镜用于将冷空背景温度反射进入探测仪天线主波束内作为一个已知低温源。

2.如权利要求1所述的地球同步轨道大气温度探测仪的外定标装置，其特征在于，所述外定标装置在轨每隔一定时间进行一次定标数据获取，将探测仪在轨工作流程分成观测模式和定标模式两种，

所述观测模式下，所述定标辐射源与冷空反射镜转离探测仪的天线视场，以便天线观测目标亮温，此时所述探测仪对进入天线的地物目标信号进行测量，相应输出每个接收机的全功率测量值以及地物归一化相关值；

所述定标模式下，所述定标辐射源与冷空反射镜转入探测仪的天线视场，接收开关打到天线端口，随着阵列旋转，每个天线单元逐个扫描一遍所述定标辐射源以及所述冷空反射镜反射进入天线的冷空背景温度来获取定标数据，此时，所述探测仪通过接收两个已知定标源的辐射温度的输出值计算全功率接收定标参数，然后，接收开关再打到内部公共噪声源温度，通过输出值计算其他定标参数；

然后，利用所述观测模式下所获得的输出电压以及在所述定标模式下所获得的各定标参数计算得到最终的可视度函数。

3.一种地球同步轨道大气温度探测仪的外定标方法，利用权利要求1所述的外定标装置进行外定标，其特征在于，包括如下步骤：

1)T_sys系统温度参数定标：利用微波辐射计接收机线性化特点使用两点定标原理，在定标模式下，外定标装置展开使得定标源对准天线口面，测量探测仪中的各个接收机的全功率输出v_out ^外辐射源和v_out ^冷空值，通过下述公式求出系数a及b，

则，

然后，探测仪进行观测地物时的第k个接收机的系统温度T_sysk是天线温度与接收机等效噪声温度的总和，由系数a、b及在观测模式下探测仪全功率输出电压值v_out ^地物计算出来：

2)相位误差修正后kj基线归一化复相关值M_kj ^cal及接收机有限带宽引起的去相关效应kj基线fringe-washing因子G_kj参数定标：通过下述具体步骤进行参数定标，

21)接收机k以及接收机j的正交相位误差θ_qk和θ_qj的估算：探测仪接收开关打到内部公共噪声源，接收机k和接收机j接收其产生的相关噪声信号，相关器对信号正交分量q、同相分量i之间的归一化相关输出

和

经下面公式估算，

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{qk}}=-\arcsin \left(M_{\mathrm{kk}}^{\mathrm{qi}}\right);$

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{qj}}=-\arcsin \left(M_{\mathrm{jj}}^{\mathrm{qi}}\right);$

22)相位误差修正后kj基线归一化复相关值M_kj ^cal估算：

${M_{\mathrm{kj}}}^{\mathrm{cal}}=\frac{1}{\cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{qk}}}\left\{\mathrm{Re}\right[M_1(M_{\mathrm{kj}}^{\mathrm{ii}}+j{M}_{\mathrm{kj}}^{\mathrm{qi}})]+\mathrm{jIm}[M_2(M_{\mathrm{kj}}^{\mathrm{ii}}+j{M}_{\mathrm{kj}}^{\mathrm{qi}})\left]\right\}$

其中，

是公共噪声注入kj基线相关器对两同相分量的归一化相关输出，是公共噪声注入kj基线相关器对q分量和i分量的归一化相关输出；

23)kj基线fringe-washing因子G_kj估算：周期注入相关噪声源，噪声源全功率测量值和相位误差修正后的归一化相关输出值通过下面公式估算，

其中，

是将公共噪声源辐射信号均分给各个接收机通道的功分器的物理温度，通过贴在上面的温度传感器获得；T^噪声源是噪声源的等效噪声温度，；S_k是k路功分器的S参数，

是j路功分器的S参数取共轭值；

3)探测仪最终结果可视度函数V_kj定标：利用所述步骤1)和步骤2)定标过的各个系数，使用如下公式准确标定最终可视度函数V_kj，

$V_{\mathrm{kj}}=\frac{\sqrt{T_{\mathrm{sysk}}{T}_{\mathrm{sysj}}}}{G_{\mathrm{kj}}}{M_{\mathrm{kj}}}^{\mathrm{cal}}.$

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