CN102519513A - 一种使用三定标源的星载被动微波遥感仪器地面真空定标试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明采用三定标源周期两点定标试验方法，通过采取温控措施控制被动微波遥感仪器设定在不同的工作温度下工作，获得不同环境温度下被动微波遥感仪器的输入输出响应曲线。通过对试验数据的分析，获取被动微波遥感仪器不同温度条件下工作时的基本性能参数和定标精度。从而，实现了星载被动微波遥感仪器在地面进行高精度的真空微波定标试验，解决了我国星载被动微波遥感仪器地面真空定标试验的技术难点，该试验方法定标精度高(优于1k)，对被动微波遥感仪器的基本性能进行真实性的评估，同时获取被动微波遥感仪器在轨遥感探测资料定量化应用所必需的定标系数，提高了星载被动微波遥感仪器在轨定量化应用的有益效果。

Description

一种使用三定标源的星载被动微波遥感仪器地面真空定标试验方法

技术领域

本发明涉及一种卫星被动微波遥感仪器地面试验，尤其是涉及一种使用三定标源的星载被动微波遥感仪器地面真空定标试验装置和试验方法。

背景技术

风云三号卫星是我国新一代极轨气象卫星，星上装载了微波温度计、微波湿度计和微波成像仪等三个被动微波遥感仪器(亦可统称为微波辐射计)。微波辐射计是一种被动式微波遥感仪器，通过接收被测物体辐射的微波能量来探测目标特性，物体辐射的微波能量与物体的亮温度(简称亮温)之间的关系可由辐射定律完全确定，通过对物体亮温的测量便可确定其辐射能量。微波遥感定标，就是要通过某种定标方法确定被测物体辐射亮温值与辐射计输出电压值之间的关系。

上述微波辐射计的探测目的主要是为了定量反演大气、陆地和海洋环境参数，如果辐射观测误差过大，不仅会使反演产品毫无意义，有时还会由于观测误差的引入对某些定量应用，特别是数值模式应用产生负面影响。因此，为保证微波辐射计的辐射观测精度，必须具备必要的定标手段和足够的定标精度，定标精度将对微波辐射计的应用产生决定性的影响。

被动微波遥感仪器定标一般分三个阶段，卫星发射前的地面定标、卫星发射后的在轨定标，以及作为在轨定标技术补充的替代定标。地面定标通常又可分为实验室定标和真空定标。

在轨定标作为卫星被动微波遥感仪器的主要定标手段，决定了被动微波遥感仪器遥感信息定量应用的精度。而在轨实时定标结果的优劣强烈依赖于发射前地面定标所给出的关于被动微波遥感仪器基本性能状况的测试结果。

由于微波遥感仪器制造水平的制约以及对微波遥感科学认识的局限，早期的空间微波载荷对定标工作并未给予应有的重视。随着航天技术的进步和遥感仪器制造水平的提高，微波遥感的辐射定标逐渐成为微波遥感科学与技术的重要组成部分，对微波遥感的应用起着至关重要的作用。因此，目前所有空间对地微波遥感仪器在发射升空前无一例外地都要进行地面定标测试，这种定标测试的目的有两个，一是通过定标测试对遥感仪器的基本性能进行评估；二是通过地面定标测试，获取在轨遥感探测资料定量化应用所必需的定标系数。

要想真实的了解被动微波遥感仪器在轨运行时的响应特性，获取有效的定标参数则必需进行地面真空定标试验，原因主要有三个：首先，对试验中定标黑体参数的测量是影响被动微波遥感仪器定标精度的重要因素，黑体温度的均匀性决定着黑体温度测量精度，当有空气存在时，黑体与环境温度之间巨大的温差会造成强烈的热对流，对流的存在会破坏黑体温度的均匀性，从而导致无法准确计算黑体温度。其次，由于冷定标源处在极低的温度之下，水汽和冰晶的凝结严重地影响微波的辐射传输，将导致定标源的精度从0.7K左右下降到1.9K，这严重影响了定标结果。此外，常压环境下大气中吸收气体的存在也会对定标测试产生一定的影响。

基于以上原因，风云三号卫星上的微波辐射计在国内首次进行了模拟在轨运行环境下的地面定标试验，即地面真空定标试验，以对被动微波遥感仪器的灵敏度、定标准确度和定标精度等主要技术指标进行测试，同时获取了在轨遥感探测资料定量化应用所必需的定标系数(特别是非线性系数)，建立了地面定标数据库。

目前，国际上仅有英国、美国、俄罗斯等国家开展了微波定标相关研究工作，欧盟、美国等机构发射的多种被动微波遥感仪器非常重视定标工作。20年来美国国防计划DMSP卫星微波载荷SSM/I和SSM/T一直在发射前进行热真空定标实验；日本与美国合作研发的AMSR-E于1999年6月在Tsukuba空间中心进行了地面真空定标试验，在AMSR-E送抵美国洛山矶后，又在2001年8月25日～10月10日重新进行了地面真空定标试验；美国多年来相继发射的NOAA系列卫星上搭载的微波载荷AMSU-A和AMSU-B进行了大量的地面真空定标试验，由此可见地面微波真空定标工作的重要性。然而，公开发表的相关论文大部分只是局限在对定标工作重要性的讨论和对定标数据的算法研究上，对于如何系统的做地面真空定标试验以及有哪些技术瓶颈等的报道非常少。

在风云三号卫星微波辐射计地面真空定标试验之前，我国尚未进行地面真空微波定标试验。

发明内容

为了满足我国新一代极轨气象卫星风云三号卫星三台被动微波遥感仪器高精度、高灵敏度、高线性度、高稳定性的气象探测要求，寻找一种切实可行的满足我国国情及科学技术水平的地面真空微波定标试验方法，解决三台被动微波遥感仪器在轨的定量化探测的需求，本发明的目的在于提供一种星载被动微波遥感仪器地面真空定标试验方法。

为了达到上述发明目的，本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种使用三定标源的星载被动微波遥感仪器地面真空定标试验装置，包括：真空罐、目标变温定标源、冷定标源、热定标源、被动微波遥感仪器、安装小车、电缆、导热条、液氮管，其特征在于：

所述的真空罐是具有高真空抽气系统的真空罐，罐内安装了具有一定包络空间的热沉，在热沉内部通液氮制冷，且在热沉面向仪器一例喷涂低温黑漆，从而模拟星载被动微波遥感仪器在轨运行的真空、深冷及黑背景环境；

所述的目标变温定标源，具有模拟地物目标辐射特性的能力，通过改变定标源物理温度来模拟不同的地物目标特性，真空中使用的变温定标源的辐射体的基底用导热条与真空罐的热沉相连，通过控制加热量来控制变温定标源的物理温度，达到改变辐射亮温的目的；

所述的冷定标源，真空中使用的冷定标源的辐射体基底中分布有液体管路，采用在管路中通液氮，使辐射体的物理温度恒定在液氮的沸点温度，从而使冷定标源的亮温恒定在80K左右；冷定标源中分布有多个高精度的测温点，对辐射体的物理温度进行准确测量；冷定标源的液体管路通过液氮管实现真空罐内与罐外液氮系统相连；

所述的热定标源，采用被动微波遥感仪器自带的热定标源，其辐射亮温在300K左右，在热定标源黑体中放置多个温度传感器以精确测量黑体的温度分布。

进一步地，提供一种星载被动微波遥感仪器地面真空定标试验方法：

步骤1、被动微波遥感仪器在一个扫描周期内获取已知辐射亮温的目标变温定标源、冷定标源及热定标源的观测数据；

步骤2、通过两点定标方法计算出目标变温定标源的亮温，将计算出的亮温值与已知的亮温值进行对比，获取辐射定标曲线；

步骤3、采取温控措施控制被动微波遥感仪器恒定在不同的工作温度下工作，获得不同环境温度下被动微波遥感仪器的输入输出响应曲线，即TV曲线；

步骤4、通过两点定标方法计算出目标定标源的亮温，将计算出的亮温值与已知的亮温值进行对比，获取辐射定标曲线；

步骤5、通过对试验数据的分析，获取被动微波遥感仪器不同温度条件下工作时的基本性能参数和定标精度。

本发明的有益效果是：本发明采用三定标源周期两点定标试验方法，通过采取温控措施控制被动微波遥感仪器设定在不同的工作温度下工作，获得不同环境温度下被动微波遥感仪器的输入输出响应曲线。通过对试验数据的分析，获取被动微波遥感仪器不同温度条件下工作时的基本性能参数和定标精度。从而，实现了星载被动微波遥感仪器在地面进行高精度的真空微波定标试验，解决了我国星载被动微波遥感仪器地面真空定标试验的技术难点，该试验方法定标精度高(优于1k)，对被动微波遥感仪器的基本性能(包括：系统灵敏度、系统线性度、系统定标准确度、系统稳定性等)进行真实性的评估，同时获取被动微波遥感仪器在轨遥感探测资料定量化应用所必需的定标系数，提高了星载被动微波遥感仪器在轨定量化应用的有益效果。该定标试验方法能适应不同星载被动微波遥感仪器地面真空定标试验的需求，提高星载被动微波遥感仪器在轨的定量化应用。

附图说明

图1星载被动微波遥感仪器地面真空定标示意图；

1.真空罐、2.目标变温定标源、3.冷定标源、4.热定标源、5.被动微波遥感仪器、6.安装小车、7.电缆、8导热条、9、液氮管。

具体实施方式

下面结合附图说明本发明的优选实施例。

星载被动微波遥感仪器地面真空定标试验方法是以普朗克辐射定律为基础，利用Rayleigh-Jeans近似公式，可以得出被动微波遥感仪器输出电压与被观测场景亮温之间存在线性关系，由此可确定定标方程为：

T_B＝a×C_OUT+b

其中，T_B为目标场景，C_OUT为接收机对应的输出电压计数值，a、b为定标系数。根据两点确定一条直线的原理，辐射计在每个定标周期分别对低温(冷)定标源T_COLD和高温(热)定标源T_HOT进行观测，根据其输出计数值C_COLD、C_HOT就可以确定被动微波遥感仪器的输出电压与输入亮温之间的关系：

T_COLD＝a×C_COLD+b

T_HOT＝a×C_HOT+b

联列方程可以求得： $a=\frac{T_{\mathrm{HOT}}-T_{\mathrm{COLD}}}{C_{\mathrm{HOT}}-C_{\mathrm{COLD}}}$

$b=\frac{T_{\mathrm{COLD}}\×C_{\mathrm{HOT}}-T_{\mathrm{HOT}}\×C_{\mathrm{COLD}}}{C_{\mathrm{HOT}}-C_{\mathrm{COLD}}}$

因此定标方程可确定为：

$T_B=\frac{T_{\mathrm{HOT}}-T_{\mathrm{COLD}}}{C_{\mathrm{HOT}}-C_{\mathrm{COLD}}}\×C_{\mathrm{OUT}}+\frac{T_{\mathrm{COLD}}\×C_{\mathrm{HOT}}-T_{\mathrm{HOT}}\×C_{\mathrm{COLD}}}{C_{\mathrm{HOT}}-C_{\mathrm{COLD}}}$

该种方法即为两点定标。两点定标方程成立的条件是被动微波遥感仪器工作在线性状态下，而实际应用中，由于被动微波遥感仪器检波器的工作特性，被动微波遥感仪器系统是存在非线性的。为了减小非线性误差对定标精度的影响，在两点定标的基础上加入一个二次修正项。这样，目标场景辐射的亮温T_S改为：

T_S＝a₀+a₁C_S+a₂C_S ²

a₀、a₁、a₂为定标系数，C_S为观测场景目标时的电压计数值，a₂又称为非线性系数，为在轨不可测参数。被动微波遥感仪器地面真空定标试验的目的就是确定被动微波遥感仪器在不同工作温度下的定标系数a₀、a₁、a₂，建立地面定标数据库。

图1是本发明星载被动微波遥感仪器地面真空定标示意图；如图1的实施例所示，该试验方法设备主要包括：真空罐(1)、目标变温定标源(2)、冷定标源(3)、热定标源(4)、被动微波遥感仪器(5)、安装小车(6)、电缆(7)、导热条(8)、液氮管(9)，以及外部设备(10)等，外部设备为电源、控制器、数据采集器。该试验设备的连接关系如下：

被动微波遥感仪器(5)安装在真空罐(1)内的试验安装小车(6)上，在被动微波遥感仪器(5)工作的一个扫描周期内按顺序分别对已知辐射亮温的目标定标源(2)、冷定标源(3)及热定标源(4)进行观测。同时通过电缆(7)与真空罐(1)外的外部设备(10)进行连接，对被动微波遥感仪器(5)的运行进行供电、运行控制、以及数据采集；变温定标源的辐射体的基底用导热条(8)与真空罐的热沉相连；冷定标源的液体管路通过液氮管(9)实现真空罐内与罐外液氮系统相连。

所述的真空罐(1)，具有高真空抽气系统的真空罐，罐内设计安装了具有一定包络空间的热沉，在热沉内部通液氮制冷，且在热沉面向仪器一侧喷涂低温黑漆，从而模拟星载被动微波遥感仪器在轨运行的真空、深冷及“黑”背景环境；所述的目标变温定标源(2)，具有模拟地物目标辐射特性的能力，可以通过改变定标源物理温度来模拟不同的地物目标特性，真空中使用的变温定标源的辐射体的基底用导热条(8)与真空罐的热沉相连，通过控制加热量来控制变温定标源的物理温度，达到改变辐射亮温的目的；所述的冷定标源(3)，真空中使用的冷定标源的辐射体基底中分布有液体管路，采用在管路中通液氮，使辐射体的物理温度恒定在液氮的沸点温度，从而使冷定标源的亮温恒定在80K左右。冷定标源中分布有多个高精度的测温点，对辐射体的物理温度进行准确测量。冷定标源的液体管路通过液氮管(9)实现真空罐内与罐外液氮系统相连。所述的热定标源(4)，热定标源则采用了被动微波遥感仪器(5)自带的热定标源，其辐射亮温在300K左右，在热定标源黑体中放置多个温度传感器以精确测量黑体的温度分布；

下面进一步对本发明的试验过程进行描述。

试验中，被动微波遥感仪器(5)在一个扫描周期内获取已知辐射亮温的目标变温定标源(2)、冷定标源(3)及热定标源(4)的观测数据，通过两点定标方法计算出目标变温定标源的亮温，将计算出的亮温值与已知的亮温值进行对比，获取辐射定标曲线。试验时考虑到环境温度对输出响应的影响，需采取温控措施控制被动微波遥感仪器(5)恒定在不同的工作温度下工作，获得不同环境温度下被动微波遥感仪器(5)的输入输出响应曲线，即TV曲线。

通过两点定标方法计算出目标定标源的亮温，将计算出的亮温值与已知的亮温值进行对比，获取辐射定标曲线。试验时考虑到环境温度对输出响应的影响，需采取温控措施控制被动微波遥感仪器恒定在不同的工作温度下工作，获得不同环境温度下被动微波遥感仪器的输入输出响应曲线。通过对试验数据的分析，获取被动微波遥感仪器不同温度条件下工作时的基本性能参数和定标精度。

综上所述，本发明采取星载被动微波遥感仪器周期两点定标试验方法，实现了星载被动微波遥感仪器在地面进行高精度的真空微波定标试验，解决了我国星载被动微波遥感仪器地面真空定标试验的技术难点，获取被动微波遥感仪器在轨遥感探测资料定量化应用所必需的定标系数，提高了星载被动微波遥感仪器在轨定量化应用的有益效果。该定标试验方法能适应不同星载被动微波遥感仪器地面真空定标试验的需求，提高星载被动微波遥感仪器在轨的定量化应用。

本发明星载被动微波遥感仪器地面真空定标试验方法，已用在风云三号三台被动微波遥感仪器地面真空定标试验中，试验获取的定标系数为仪器在轨定量化应用提供了保证。

显然，本领域的技术人员可以对本发明的星载被动微波遥感仪器地面真空定标试验方法进行各种有益的改进措施而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若这些有益的改进措施属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些有益的改进在内。

Claims (2)

1.一种使用三定标源的星载被动微波遥感仪器地面真空定标试验装置，包括：真空罐(1)、目标变温定标源(2)、冷定标源(3)、热定标源(4)、被动微波遥感仪器(5)、安装小车(6)、电缆(7)、导热条(8)、液氮管(9)，其特征在于：

所述的真空罐(1)是具有高真空抽气系统的真空罐，罐内安装了具有一定包络空间的热沉，在热沉内部通液氮制冷，且在热沉面向仪器一侧喷涂低温黑漆，从而模拟星载被动微波遥感仪器在轨运行的真空、深冷及黑背景环境；

所述的目标变温定标源(2)，具有模拟地物目标辐射特性的能力，通过改变定标源物理温度来模拟不同的地物目标特性，真空中使用的变温定标源的辐射体的基底用导热条(8)与真空罐的热沉相连，通过控制加热量来控制变温定标源的物理温度，达到改变辐射亮温的目的；

所述的冷定标源(3)，真空中使用的冷定标源的辐射体基底中分布有液体管路，采用在管路中通液氮，使辐射体的物理温度恒定在液氮的沸点温度，从而使冷定标源的亮温恒定在80K左右；冷定标源中分布有多个高精度的测温点，对辐射体的物理温度进行准确测量；冷定标源的液体管路通过液氮管(9)实现真空罐内与罐外液氮系统相连；

所述的热定标源(4)，采用被动微波遥感仪器(5)自带的热定标源，其辐射亮温在300K左右，在热定标源黑体中放置多个温度传感器以精确测量黑体的温度分布。

2.一种使用三定标源的星载被动微波遥感仪器地面真空定标试验方法，其特征在于：

步骤1、被动微波遥感仪器(5)在一个扫描周期内获取已知辐射亮温的目标变温定标源(2)、冷定标源(3)及热定标源(4)的观测数据；

步骤2、通过两点定标方法计算出目标变温定标源的亮温，将计算出的亮温值与已知的亮温值进行对比，获取辐射定标曲线；

步骤3、采取温控措施控制被动微波遥感仪器(5)恒定在不同的工作温度下工作，获得不同环境温度下被动微波遥感仪器(5)的输入输出响应曲线，即TV曲线；

步骤4、通过两点定标方法计算出目标定标源的亮温，将计算出的亮温值与已知的亮温值进行对比，获取辐射定标曲线；

步骤5、通过对试验数据的分析，获取被动微波遥感仪器不同温度条件下工作时的基本性能参数和定标精度。

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