CN102243294B - 一种地基微波辐射计的非线性定标方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种地基微波辐射计的非线性定标方法，该非线性定标方法是在地基微波辐射计噪声注入两点定标的基础上实现噪声注入多点亮温的非线性定标方法，即利用两个已知的参考目标和注入已知噪声的另外两个参考目标获得的多点亮温值对接收机噪声温度和增益的漂移进行周期性校准，确定地基微波辐射计系统的非线性因子获得定标方程用于目标亮度温度的实时测量。同时本发明还提出一种地基微波辐射计的非线性定标装置，包括：噪声注入模块和系统内置定标黑体，其中噪声注入模块包含噪声源、开关和定向耦合器，系统内置定标黑体提供相当于环境温度的标准亮温。此方法减小了由于检波二极管功率非线性特征造成的非线性误差，从而提高探测精准度。

Description

一种地基微波辐射计的非线性定标方法及装置

技术领域

本发明涉及一种定标装置及其方法，特别涉及一种地基微波毫米波辐射计的非线性定标方法及装置。

背景技术

微波辐射计是一种被动式的微波遥感器，能穿透云层和雨区，并能穿透一定深度的地表或植被获取被植被覆盖的地面信息以及地表下一定深度目标的信息，用于全天时、全天候地观测全球大气温度和湿度、水汽含量、降雨量等空间气象资料，以及地质与资源调查、海洋环境与海况检测、灾害性天气预报与检测等，在大气探测及海洋观测中具有重要作用。从大的方面来说，微波辐射计主要应用于大气微波遥感、海洋微波遥感和陆地微波遥感；以具体内容来看，微波辐射计主要应用于气象、农林、地质、海洋环境监测和军事侦察等方面，目前还用于天文、医疗和导弹的末制导等方面。

地基大气廓线微波探测仪作为微波辐射计的一种，与其他类型相比，具有功耗低、体积小、质量轻和工作稳定，维护成本低，运行可靠等特点，是一种成熟可靠的探测大气温度、湿度廓线的业务数据服务手段。优点其一是弥补了星载微波辐射计在低空垂直分辨率差，尤其是云的遮挡和强吸收以及大气对毫米波波段电磁的不透明性。优点其二是对云中液态水的灵敏度较高，在陆地上空，是目前最准确成本最低的垂直液态水通量测量的手段。

定标技术是微波辐射计设计中的一项关键技术。由于辐射计的工作环境特殊，不同类型和不同用途的微波辐射计采取不同的定标方式。对于星载微波辐射计，通常采用在轨高低、温两点定标，结合发射前热真空定标试验确定的系统非线性特征进行修正，高温参考源为星载吸收黑体，低温参考源为宇宙冷空背景的微波辐射。地基微波辐射计的定标与星载微波辐射计定标具有相同的思路，但由于大气衰减的影响，在地面没有宇宙冷空背景可以利用，所以高温参考源为内定标单元的噪声输入，低温参考源为探测仪内置的定标黑体。由于这两个参考源的亮度温度要高于探测目标的亮度温度，因此产品出厂前确定系统的非线性特性是非常关键的工作。

目前对地基微波辐射计定标普遍使用的是理想情况下的高低温两点线性定标法。低端定标源是参考负载温度，另一个定标源是参考负载加上耦合进来噪声源温度的和作为高温定标源。接收机的输入端通过开关周期地在天线单元和定标单元之间切换就可以获得实时定标曲线。理想的辐射计接收机是一个线性系统，但由于检波二极管的功率非线性特征造成的非线性误差是不可以忽略的，往往达到1K量级。利用两个定标源(T_low和T_high)的输出电压(V_low和V_high)来计算定标方程的时候，给出的方程是一条理想直线，而实际的辐射计响应一条通过已知点的曲线，那么对于观测时输出电压V_mea，所对应的真实温度T_mea就可能出现较大误差。图1是理想的基于地基微波辐射计的两点高低温定标示意图，即目前普遍使用的地基微波辐射计定标方法。如图1所示，普遍使用的地基微波辐射计定标方法认为地基微波辐射计是理想的线性系统，微波辐射计的定标方式主要采用内部的两个定标源的实时定标实现，从而通过高低温两点定标法确定系统的线性度。

图2是理想的基于地基微波辐射计线性系统两点定标的原理示意图。如图2所示，微波辐射计的定标方式主要采用内部的两个定标源的实时定标实现的。低端定标源是参考负载温度，另一个定标源是参考负载加上耦合进来噪声源温度的和。接收机的输入端通过开关周期地在天线单元和定标单元之间切换就可以获得实时定标曲线。理想的辐射计接收机是一个线性系统，但由于检波二极管的功率非线性特征造成的非线性误差是不可以忽略的，往往达到1K量级。利用两个定标源(T_low和T_high)的输出电压(V_low和V_high)来计算定标方程的时候，给出的方程是所示“Idealcurve”，是一条理想直线，而实际的辐射计响应可能是“Real curve”，那么对于观测时输出电压V_mea,所对应的真实温度T_mea就可能出现较大误差。

发明内容

本发明的目的在于，为了克服上述多通道地基微波辐射计系统装置在出厂前不能确定由于检波二极管造成的系统的非线性特性的问题，从而提出一种用于微波辐射计的定标方法和装置。

为了实现上述目的，本发明提供一种地基微波辐射计的非线性定标方法，该方法为针对一种噪声注入多点测量的非线性内定标法，所述内定标方法，具体步骤如下：

1)出厂前确定系统的非线性因子，具体步骤如下：

(1-1)检波器的非线性特征表示为：

U＝GP^α

其中U为检波电压，G为检波系数，α为非线性因子且0＜α＜1，P为输入功率；

(1-2)P为输入功率，该值为接收机噪声、注入噪声与天线噪声温度功率之和，根据Plank定律，在微波波段辐射功率与亮度温度成正比关系，因而检波输出电压与输入功率之间可以表示为：

U＝G(T_rec+T_inj+T_A)^α

上述方程中，T_rec接收机噪声温度、T_inj为注入噪声温度、T_A为天线温度、G为检波系数，α为非线性因子，其中T_rec，G和α为定标需要获取的三个未知量；

(1-3)多点噪声注入，在通常的高温和低温两个定标参考点之间提供若干额外的定标点，对非线性进行拟合；天线观测低温和常温黑体，可以获得两个定标点T_c～U₁和T_h～U₂，注入一定数值噪声T_n后可以获得另外两个定标点T_c+T_n～U₃和T_h+T_n～U₄；通过上述4个定标点就可以获得包括接收机噪声温度、系统增益和非线性因子这3个定标参数和注入噪声；通过上述四个等式关系，就可以得到系统的增益，接收机噪声温度，且结合已知的注入噪声，初步确定系统非线性系数α；

2)利用实验室变温源交叉多次验证上述步骤初步确定的系统的非线性系数α；

3)探测过程中进行准周期实时定标，其具体步骤如下：

(3-1)观测内置黑体，确定定标方程，此定标方程可表示如下：

U＝G(T_rec+T_A)^α

其中，U为检波电压，α为非线性因子且通过上述两个步骤确定该值，T_A为天线噪声温度；

为了求出以上公式中的检波系数G和接收机噪声温度T_rec这两个未知参数，通过已知数值的高温定标黑体和注入噪声，上式表示为：

U₁＝G(T_rec+T_h)^α

U₂＝G(T_rec+T_inj+T_h)^α

其中，U₁，U₂为检波电压且通过检测获得，G为待求解的检波系数，α为已知的非线性因子，T_rec为待求解的接收机噪声温度，T_h为已知的高温黑体温度，T_inj为已知的注入噪声温度；

通过求解包含两个未知参数的方程组，得出检波系数G和接收机噪声温度T_rec这两个未知参数；

(3-2)利用定标方程反演亮度温度，完成定标，公式如下：

U＝G(T_rec+T_A)^α

其中，U为已知的检波电压，G为步骤(3-1)获得的检波系数，α为已知的非线性因子，T_rec为步骤(3-1)获得的接收机噪声温度；

求解此方程反演出天线的亮度温度T_A，完成定标过程。

作为本发明的一个改进，所述的内定标法，能够用外定标保证内定标过程的正确性，所述的外定标通过利用产品配套的外置低温黑体进行周期为半年至一年的周期性检验维护，用于对系统的非线性特征参数进行重新确认，并将新的确认结果输入到探测仪中。

本发明还针对上述的噪声注入多点测量的非线性内定标法提出一种内定标装置，该装置用于完成针对一种噪声注入多点测量的非线性内定标，所述的内定标装置包含噪声注入模块和内置定标黑体模块；其特征在于，

所述的噪声注入模块包含：噪声温度为100～200K的噪声源、开关和用于噪声信号注入的定向耦合器；所述噪声源产生所需要的定标噪声信号，馈源提供提供低温和常温定标噪声信号；开关用于实现噪声信号通断，对噪声源供电电源进行通断控制，在对接收子单元恒温措施的情况下，控制其噪声电源通断有利于保证噪声输入的稳定；所述定向耦合器用于实现噪声信号的馈入，馈入噪声温度100～200K；所述的噪声注入模块的噪声源，针对K波段20～30GHz和V波段50～60GHz，超噪比为10dB，耦合度为-13～-20dB，注入噪声温度为范围100-200K，恒温精度为0.1℃。所述的噪声注入模块的开关，通过对噪声源供电电源进行通断控制实现，在对接收子单元恒温措施的情况下，控制其噪声电源通断更有利于保证噪声输入的稳定。所述的噪声注入模块的定向耦合器，由波导组成，针对K波段20～30GHz和V波段50～60GHz，波导型号分别为WR34和WR15，法兰型号为UG-381/U和UG-385/U，驻波比小于等于1.25，+12V供电。

所述的内置定标黑体模块包含：吸波黑体，温度传感器、高低温保温层、和微型直流风扇；所述的吸波黑体，发射率大于等于0.999；所述温度传感器，由多个测量电阻组成，分别安装在定标黑体不同位置，测温精度为0.1℃；所述的高低温保温层是采用具有良好隔热性能的泡沫材料组成，位于该内置定标黑体单元的顶层和底层，用于减小黑体上的梯度；所述的微型直流风扇位于内置黑体模块的左右两端，用于强制空气流动，保证内置黑体各部分温度均匀。其中，所述的内置定标黑体的温度传感器，为了对黑体的温度进行准确的测量，在定标黑体的不同位置安装多个测温电阻，以保证黑体亮度温度的准确性。

噪声注入模块与内置定标黑体的指标要求见表1：

表1噪声注入模块与内置黑体指标要求

本发明的优点在于，提供的一种基于地基微波辐射计的噪声注入多点测量的非线性定标装置及其非线性定标方法，其显著优点在于不认为地基微波辐射计是一个理想的线性微波辐射计系统，充分考虑检波二极管的功率的非线性特征，从而有效的减少或消除由检波二极管功率的非线性特征造成的系统非线性误差，此误差往往达到1K量级。

附图说明

图1是现有的理想的基于地基微波辐射计的两点高低温定标示意图；

图2是现有的理想的基于地基微波辐射计线性系统两点定标的原理示意图；

图3是本发明的基于地基微波辐射计内定标单元噪声注入模块示意图；

图4本发明基于地基微波辐射计的内置定标黑体；

图5是本发明的基于地基微波辐射计利用噪声注入多点定标法对接收机非线性进行校正的示意图；

图6是本发明的基于地基微波辐射计绝对定标过程中外置定标黑体的结构示意图；

图7是本发明的基于地基微波辐射计利用噪声注入多点定标方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方案对本发明的一种多通道地基大气廓线微波探系统装置及其控制方法进行详细的说明。

图3是本发明的基于地基微波辐射计内定标单元噪声注入模块示意图。如图3所示，噪声注入模块是由一个噪声源(噪声二极管)、开关和用于噪声信号注入的定向耦合器组成。其中噪声源产生所需要的定标噪声信号；开关用于实现噪声信号通断，技术实现上可以采用微波开关，也可以对噪声源供电电源进行通断控制，在对接收机(包括噪声源)恒稳措施的情况下，控制其电源通断更有利于保证注入噪声的稳定；定向耦合器用于实现噪声信号的馈入，馈入噪声温度100～200K。

图4是本发明的基于地基微波辐射计内定标单元内置定标黑体示意图。所述内置定标黑体部分，提供相当于环境温度的标准亮温，为了保证黑体亮度温度的准确性，在定标黑体不同位置安装多个测温电阻，以便对黑体的温度梯度进行测量；为了减小黑体上的温度梯度，采用具有良好隔热性能的泡沫材料作为定标黑体保温层，并采用微型直流风扇强制空气流动。

图5是本发明的基于地基微波辐射计利用噪声注入多点定标法对接收机非线性进行校正的示意图。如图4所示，本发明的地基微波辐射计通过多点测量确定系统的非线性误差。具体过程为通过给接收机注入已知量值的噪声温度，如图3所示，就可以实现对非线性响应的多点定标。在地基微波辐射计的系统方案中，多点噪声注入就是通过内定标环节实现的。天线观测低温和常温黑体，可以获得两个定标点T_c～U₁和T_h～U₂，注入噪声后可以获得另外两个定标点T_c+T_n～U₃和T_h+T_n～U₄。通过上述4个定标点就可以获得包括3个定标参数和注入噪声在内的4个未知量，并确定系统非线性系数α。

图6是本发明的基于地基微波辐射计绝对定标过程中外置定标黑体的结构示意图。如图6所示，绝对定标过程中，利用产品配套的外置低温(液氮制冷)黑体进行周期为半年至一年的周期性检验维护，目的是对系统的非线性特征参数进行重新确认，如图5所示，并将新的确认结果输入到探测仪运行软件中。具体过程与系统调测过程中，利用多点亮温变化确定与系统定标曲线的非线性参数一致。

图7是本发明的基于地基微波辐射计的定标步骤示意图。如图7所示，定标单元流程图详细步骤如下：

1).出厂前确定系统的非线性因子，具体步骤如下：

(1-1)检波器的非线性特征可表示为

U＝GP^α，(0＜α＜1)

其中U为检波电压，G为检波系数，α为非线性因子，P为输入功率。

(1-2)P为输入功率，为接收机噪声、注入噪声与天线噪声温度功率之和，根据Plank定律，在微波波段辐射功率与亮度温度成正比关系，因而检波输出电压与输入功率之间可以表示为

U＝G(T_rec+T_inj+T_A)^α

上述方程中，接收机噪声温度、系统增益和非线性因子为定标需要获取的三个未知量。

(1-3)为了校正接收机的非线性，需要在通常的高温和低温两个定标参考点之间提供额外的定标点，从而对非线性进行拟合。天线观测低温和常温黑体，可以获得两个定标点T_c～U₁和T_h～U₂，注入噪声后可以获得另外两个定标点T_c+T_n～U₃和T_h+T_n～U₄。通过上述4个定标点就可以获得包括3个定标参数和注入噪声在内的4个未知量，并确定系统非线性系数α。

2)利用实验室变温源进行交叉验证，具体步骤如(1-3)所示，利用实验室不同温度的噪声源，根据步骤(1-3)中的定标方程，验证步骤1)中确定的系统非线性因子的准确性和可靠性；

利用实验室变温源交叉验证上述步骤确定的系统的非线性系数α。

3).探测过程中进行准周期实时定标，其具体步骤如下：

(3-1)观测内置黑体，确定定标方程，此定标方程可表示如下：

U＝G(T_rec+T_A)^α

具体表示为：

U₁＝G(T_rec+T_h)^α

U₂＝G(T_rec+T_inj+T_h)^α

其中，U，U₁，U₂为检波电压，G为检波系数，α为非线性因子，T_rec为接收机噪声温度，T_h为高温黑体温度，T_inj为注入噪声温度。

(3-2)利用定标方程反演亮度温度

U＝G(T_rec+T_A)^α

其中，U为检波电压，G为检波系数，α为非线性因子，T_rec为接收机噪声温度，T_inj为注入噪声温度。

除内定标步骤外，外定标也是内定标过程正确与否的保证。外定标就是利用产品配套的外置低温(液氮制冷)黑体进行周期为半年至一年的周期性检验维护，目的是对系统的非线性特征参数进行重新确认，并将新的确认结果输入到探测仪运行软件中，具体步骤与系统调测过程中，利用多点亮温变化确定与系统定标曲线的非线性参数一致。

综上所述，本发明的地基微波辐射计系统装置及其控制方法，包括非线性定标。运用本发明的装置和控制方法能够有效降低由检波二极管功率的非线性特征造成的系统非线性误差，有效提高了系统的灵敏度和系统精度，提高了观测效率，减小了装置的重量和体积。从而提高地基微波辐射计的探测精度，更准确的探测大气温度廓线，湿度廓线，水汽含量，云液水含量等等。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种地基微波辐射计的非线性定标方法，该方法为针对一种噪声注入多点测量的非线性内定标法，所述内定标方法，具体步骤如下：

1)出厂前确定系统的非线性因子，具体步骤如下：

(1-1)检波器的非线性特征表示为：

U＝GP^α

其中U为检波输出电压，G为系统增益，α为系统的非线性因子且0＜α＜1，P为输入功率；

(1-2)P为输入功率，该值为接收机噪声、注入噪声与天线噪声温度功率之和，根据Plank定律，在微波波段输入功率与天线噪声温度成正比关系，因而检波输出电压与输入功率之间可以表示为：

U＝G(T_rec+T_inj+T_A)^α

上述方程中，T_rec接收机噪声温度、T_inj为注入噪声温度、T_A为天线噪声温度、G为系统增益,α为系统的非线性因子，其中T_rec，G和α为定标需要获取的三个未知量；

(1-3)多点噪声注入，在通常的高温和低温两个定标参考点之间提供若干额外的定标点，对非线性进行拟合；天线观测低温和高温黑体，可以获得两个定标点，即低温黑体定标点T_c～U₁和高温黑体定标点T_h～U₂，其中，T_c为天线观测低温黑体的温度，T_h为天线观测高温黑体的温度；注入一定数值噪声T_n后可以获得另外两个定标点T_c+T_n～U₃和T_h+T_n～U₄；U₁为低温黑体定标点的检波输出电压，U₂为高温黑体定标点的检波输出电压，U₃为注入一定数值噪声T_n后的低温黑体定标点的检波输出电压，U₄为注入一定数值噪声T_n后的高温黑体定标点的检波输出电压，通过上述4个定标点对应的U值获得包括接收机噪声温度T_rec、系统增益G和系统的非线性因子α3个定标参数和注入噪声温度T_inj的值，初步确定系统的非线性因子α；

2)利用实验室变温源交叉多次验证上述步骤初步确定的系统的非线性因子α，进一步获得更精确的系统的非线性因子α的值；

3)探测过程中进行准周期实时定标，其具体步骤如下：

(3-1)观测内置定标黑体模块，确定定标方程，此定标方程可表示如下：

U＝G(T_rec+T_A)^α

其中，U为检波输出电压，α为系统的非线性因子且通过上述两个步骤确定该值，T_A为天线噪声温度；

为了求出以上公式中的系统增益G和接收机噪声温度T_rec这两个未知参数，通过已知数值的高温定标黑体和注入噪声，上式表示为：

U₁′＝G(T_rec+T_h)^α

U₂′＝G(T_rec+T_inj+T_h)^α

其中,U₁'，U₂'为检波输出电压且通过检测获得，G为待求解的系统增益，α为已知的系统的非线性因子，T_rec为待求解的接收机噪声温度，T_h为已知的天线观测高温黑体的温度，T_inj为已知的注入噪声温度；

通过求解包含两个未知参数的方程组，得出系统增益G和接收机噪声温度T_rec这两个未知参数；

(3-2)利用定标方程反演天线噪声温度，完成定标，公式如下：

U＝G(T_rec+T_A)^α

其中，U为已知的检波输出电压，G为步骤(3-1)获得的系统增益，α为已知的系统的非线性因子，T_rec为步骤(3-1)获得的接收机噪声温度；

求解此方程反演出天线噪声温度T_A，完成定标过程。

2.根据权利要求1所述的地基微波辐射计的非线性定标方法，其特征在于，所述的内定标法，能够用外定标保证内定标过程的正确性，所述的外定标通过利用产品配套的外置低温黑体进行周期为半年至一年的周期性检验维护，用于对系统的非线性因子α进行重新确认，并将新的确认结果输入到探测仪中。

3.一种地基微波辐射计的非线性定标装置，该装置用于完成针对一种噪声注入多点测量的非线性内定标法，该方法包含步骤为：

1)出厂前确定系统的非线性因子，通过多点噪声注入，在通常的高温和低温两个定标参考点之间提供若干额外的定标点，对非线性进行拟合；天线观测低温和高温黑体，可以获得两个定标点，即低温黑体定标点T_c～U₁和高温黑体定标点T_h～U₂，其中，T_c为天线观测低温黑体的温度，T_h为天线观测高温黑体的温度；注入一定数值噪声T_n后可以获得另外两个定标点T_c+T_n～U₃和T_h+T_n～U₄；U₁为低温黑体定标点的检波输出电压，U₂为高温黑体定标点的检波输出电压，U₃为注入一定数值噪声T_n后的低温黑体定标点的检波输出电压，U₄为注入一定数值噪声T_n后的高温黑体定标点的检波输出电压，通过上述4个定标点就可以获得包括接收机噪声温度T_rec、系统增益G和系统的非线性因子α这3个定标参数和注入噪声温度T_inj的值，初步确定系统的非线性因子α；

2)利用实验室变温源交叉多次验证上述步骤初步确定的系统的非线性因子α；

3)探测过程中进行准周期实时定标，其具体步骤如下：

(3-1)观测内置定标黑体模块，确定定标方程，此定标方程可表示如下：

U＝G(T_rec+T_A)^α

求出系统增益G和接收机噪声温度T_rec这两个未知参数；

(3-2)利用定标方程反演天线噪声温度，完成定标，公式如下：

U＝G(T_rec+T_A)^α

其中，U为已知的检波输出电压，G为步骤(3-1)获得的系统增益，α为已知的系统的非线性因子，T_rec为步骤(3-1)获得的接收机噪声温度；

求解此方程反演出天线噪声温度T_A，完成定标过程；

所述的内定标装置包含噪声注入模块和内置定标黑体模块；其特征在于，

所述的噪声注入模块包含：噪声温度为100～200K的噪声源、开关和用于噪声信号注入的定向耦合器；所述噪声源产生所需要的定标噪声信号，馈源提供低温和高温定标噪声信号；开关用于实现噪声信号通断，对噪声源供电电源进行通断控制，在对接收子单元恒温措施的情况下，控制其噪声电源通断有利于保证噪声输入的稳定；所述定向耦合器用于实现噪声信号的馈入，馈入噪声温度100～200K；

所述的内置定标黑体模块包含：吸波黑体，温度传感器、高低温保温层和微型直流风扇；所述的吸波黑体，发射率大于等于0.999；所述温度传感器，由多个测量电阻组成，分别安装在内置定标黑体模块不同位置，测温精度为0.1℃；所述的高低温保温层是采用具有良好隔热性能的泡沫材料组成，位于该内置定标黑体模块的顶层和底层，用于减小内置定标黑体模块上的梯度；所述的微型直流风扇位于内置定标黑体模块的左右两端，用于强制空气流动，保证内置定标黑体模块各部分温度均匀。

4.根据权利要求3所述的地基微波辐射计的非线性定标装置，其特征在于，所述的噪声注入模块的噪声源，针对K波段20～30GHz和V波段50～60GHz，超噪比为10dB，耦合度为-13～-20dB，注入噪声温度为范围100-200K，恒温精度为0.1℃。

5.根据权利要求3所述的地基微波辐射计的非线性定标装置，其特征在于，所述的噪声注入模块的开关，通过对噪声源供电电源进行通断控制实现，在对接收子单元恒温措施的情况下，控制其噪声电源通断更有利于保证噪声输入的稳定。

6.根据权利要求3所述的地基微波辐射计的非线性定标装置，其特征在于，所述的噪声注入模块的定向耦合器，由波导组成。

7.根据权利要求3所述的地基微波辐射计的非线性定标装置，其特征在于，所述的内置定标黑体模块的温度传感器，为了对黑体的温度进行准确的测量，在定标黑体的不同位置安装多个测温电阻，以保证黑体天线噪声温度的准确性。