CN103616079A

CN103616079A - 一种高精度变温微波黑体定标源的综合设计方法

Info

Publication number: CN103616079A
Application number: CN201310706534.1A
Authority: CN
Inventors: 年丰; 程春悦; 何巍; 翟宏; 杨于杰
Original assignee: Beijing Institute of Radio Metrology and Measurement
Current assignee: Beijing Institute of Radio Metrology and Measurement
Priority date: 2013-12-19
Filing date: 2013-12-19
Publication date: 2014-03-05

Abstract

本发明公开一种高精度变温微波黑体定标源的综合设计方法，该方法对微波黑体定标源电磁学特性和热力学特性联合进行优化设计，先对黑体发射率指标进行电磁学特性优化，按照黑体尖劈尺寸比例、尖劈阵列形式、吸波材料涂覆厚度、吸波材料电磁参数先后次序进行优化设计，确保黑体定标源发射率达到0.999以上。再对热力学特性进行优化，主要优化黑体尖劈尺寸比例、尖劈阵列形式、吸波材料涂覆厚度先后次序进行优化设计，最终给出微波黑体定标源测温位置，以确保输出微波亮温不确定度小于0.05K。本发明可有效提高变温微波黑体定标源输出高精度微波亮温标准的设计效率，便于实际应用。

Description

一种高精度变温微波黑体定标源的综合设计方法

技术领域

本发明涉及黑体定标源综合设计方法，特别是涉及一种高精度变温微波黑体定标源综合设计方法，适用于微波频毫米波段综合热力学特性和电磁学特性。

背景技术

任何温度T处于绝对温度为0K以上的物体均向外辐射能量即微波亮温T_B，在遥感领域，特别是对地球气象观测领域中，就是利用搭载在卫星上的辐射计来读取地球向外空间辐射出的微波亮温来判定地球表面温度分布情况进而实现天气预报。要确保准确地实现对地球表面温度分布的判定就需要一种装置能将物体的物理温度以发射率为1的比率向外辐射微波亮温，进而产生标准的微波亮温对微波辐射计等遥感设备进行标定，这种装置就是微波黑体定标源。理想的微波黑体定标源可以以发射率为1的比率向外辐射微波亮温，然而自然界中并没有理想的黑体定标源，实际的微波黑体定标源发射率均小于1。需要研制发射率非常接近于1的微波黑体定标源是产生标准微波亮温的关键。微波黑体定标源辐射出的微波亮温T_B与微波黑体的物理温度T及微波黑体的发射率之间的关系是：

T_B=T·e

则前面所说的理想黑体发射率e为1时，黑体辐射出的微波亮温T_B在数值上与T相等。

目前世界上普遍采用尖劈阵列的形式作为微波黑体定标源的基体。在微波黑体定标源的设计方面，当前主要方法是基于基尔霍夫定律，利用吸收率越高则发射率越高的原理进行优化，主要采用电磁学仿真设计和反射率实验测试的方式通过优化黑体的吸收率来优化设计高发射率的。然而由于微波黑体定标源需要在不同物理温度下输出不同的微波亮温，以用于标定微波辐射计在不同温度情况下的工作状态，这种微波黑体定标源被成为变温微波黑体定标源。在实验室定标条件下和热真空条件定标下变温微波黑体定标源尖劈表面的温度分布变化较大，存在热传导、热对流和热辐射等传热现象，对输出微波亮温的精度影响较大。此外，由于工作在微波，特别是毫米波频段的黑体定标源尖劈阵列尺寸较小，采用测温电阻进行接触式测量空间难以保证，并且容易引入较大测量误差，而采用红外热像仪等设备进行非接触式测量目前测量精度又难以保证黑体定标源尖劈表面物理温度测量的准确性，因此需要在设计微波黑体定标源尖劈阵列基体的同时综合考虑多种传热条件下微波黑体定标源尖劈表面的温度分布情况及其准确可靠的分析设计方法，尽量确保微波黑体定标源尖劈表面温度分布值T较为集中，这样才能确保T与高发射率e的微波基体在设计上共同结合以实现接近理想的变温微波黑体定标源。

多年以来，一直没有出现综合微波黑体发射率和微波黑体表面物理温度分布优化设计的变温微波黑体定标源系统化设计方法，难以确保变温微波黑体定标源能够输出标准的微波亮温。因此，需要有一种方法能够较为系统完善地实现变温微波黑体定标源的优化设计，以利于工程化快速设计，确保变温微波黑体定标源输出微波亮温不确定度小于0.05K，满足目前国际上对微波亮温标准的应用需求。

发明内容

针对以上现有技术的不足，本发明提供一种高精度变温微波黑体定标源的综合设计方法。本发明涉及的高精度变温微波黑体定标源综合设计方法用于优化设计发射率可达到0.999以上，输出微波亮温不确定度小于0.05K的高精度黑体定标源。该方法对微波黑体定标源电磁学特性和热力学特性联合进行优化设计，先对黑体发射率指标进行电磁学特性优化，按照黑体尖劈尺寸比例、尖劈阵列形式、吸波材料涂覆厚度、吸波材料电磁参数先后次序进行优化设计，确保黑体定标源发射率达到0.999以上。再对热力学特性进行优化，主要优化黑体尖劈尺寸比例、尖劈阵列形式、吸波材料涂覆厚度先后次序进行优化设计，最终给出微波黑体定标源测温位置，以确保输出微波亮温不确定度小于0.05K。本发明可有效提高变温微波黑体定标源输出高精度微波亮温标准的设计效率，便于实际应用。

本发明采用下述技术方案：

一种高精度变温微波黑体定标源的综合设计方法，该设计方法包括如下步骤：

S1：确定变温微波黑体定标源的工作频段、变温范围和工作环境；

S2：对黑体定标源进行电磁学特性优化设计；

S3：对黑体定标源进行热力学特性优化设计，并进行仿真分析；

S4：根据仿真分析结果，对黑体定标源电磁学特性优化设计进行反馈并重新设计，直至黑体定标源电磁学与热力学协同的优化结果符合要求；

S5：根据所述优化结果，加工黑体定标源并进行实验测试，并用测试结果反馈修正仿真分析。

所述S2中对黑体定标源进行电磁学特性优化设计包括：

S201：对黑体定标源尺寸进行优化，确定黑体定标源的椎体高度和椎底边长或半径；

S202：对黑体定标源的尖劈阵列形式进行优化；

S203：对黑体定标源的尖劈表面吸波材料涂覆方式进行优化。

所述S201黑体定标源锥底边长或半径与黑体定标源工作频段低频点f1所对应的波长相近，黑体定标源锥体高度为锥底边长或半径的2～6倍。

所述S202黑体定标源尖劈阵列形式包括方锥、圆锥或六棱锥阵列。

所述S203对黑体定标源的尖劈表面吸波材料涂覆方式采用吸波材料单层均匀厚度涂敷、吸波材料单层渐变厚度涂敷、多种吸波材料多层均匀涂敷或多种吸波材料多层渐变涂敷。

所述S3对黑体定标源进行热力学特性优化设计包括：采用热力学数值分析方法对在实验室条件下和热真空条件下，确定变温微波黑体定标源尖劈表面物理温度分布。

所述S4对黑体定标源电磁学特性优化设计进行反馈并重新设计是指重新设计黑体定标源尖劈阵列尺寸，阵列形式，吸波材料涂覆方式。

本发明的有益效果如下：

1.提供了变温微波黑体定标源系统化的优化设计方法，明确了先进行电磁学特性优化设计（按照黑体定标源尖劈阵列尺寸、阵列形式、吸波材料涂敷方式次序优化）、后进行热力学特性优化设计（按照实验室条件及热真空条件进行优化）及反馈设计的框架，以提高优化设计效率。

2.提供了提高变温微波黑体定标源辐射微波亮温值精度的方法，通过典型的热力学仿真计算确定黑体定标源尖劈表面物理温度平均值，在该物理温度平均值位置处设置微波黑体定标源测温电阻，可以使变温微波黑体定标源向外辐射的微波亮温值不确定度≤0.05K。

附图说明

图1为本发明一种用于高精度变温微波黑体定标源的综合设计方法的基本原理主框图。

图2为本发明专利黑体定标源基体结构及测温位置结构图。

具体实施方式

为更好地理解本发明，下面将通过具体的实施例进一步说明本发明的方案，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，但不限于此。

如图1所示为一种用于高精度变温微波黑体定标源的综合设计方法基本原理框图，包括如下步骤。

S1、首先对变温微波黑体定标源工作频段、变温范围和工作环境条件总体指标进行定义。其中工作频段的范围为f₁～f₂，f₂值的范围应不超过频段的倍频范围，即f₂≤2f₁，以确保黑体定标源基体尖劈尺寸、表面涂敷系统材料参数和尖劈阵列形式与工作频段相适应，黑体定标源基体尖劈尺寸、表面涂敷系统材料参数和尖劈阵列形式与黑体定标源电磁学特性直接相关。变温范围为T₁～T₂，为微波黑体定标源基体尖劈阵列表面温度范围。工作环境条件为变温微波黑体定标源工作时所处环境，典型条件为实验室条件和热真空条件，实验室条件指变温黑体定标源处于有空气对流条件下，此时黑体定标源尖劈向外辐射微波亮温时存在热传导、热对流和热辐射三种方式；热真空条件指变温黑体定标源处于绝对温度0K以上真空环境下，此时黑体定标源尖劈向外辐射微波亮温时仅存在热传导和热辐射两种方式。工作环境条件与黑体定标源基体尖劈热力学特性直接相关。一般工作频段可选80KHz-330KHz,工作环境下的工作频段可选为3GHz-220GHz。

S2、在S1的基础上，对黑体定标源电磁学特性优化设计,具体包括：

S201：首先对黑体定标源尺寸进行优化，包括：确定黑体定标源锥体的高度和锥底边长或半径。黑体定标源锥底边长或半径与其工作频段低频点f₁所对应的波长相近，黑体定标源锥体高度为锥底边长或半径的2～6倍。

S202:在S201的基础上，继续进行黑体定标源电磁学特性优化设计，对黑体定标源尖劈阵列的形式进行优化，包括S8：可采用方锥、圆锥及六棱锥阵列。其中方锥阵列形式可基于铸造工艺进行阵列整体加工，成本较低，圆锥及六棱锥阵列需要对每个尖劈进行单独加工然后再拼接，工艺较为复杂，成本较高，圆锥及六棱锥阵列适用于对微波亮温极化均匀度要求较高的应用。

S203：在S202的基础上，继续进行黑体定标源电磁学特性优化设计，对黑体定标源尖劈表面吸波材料涂敷方式进行优化，可采取S9：一种吸波材料单层均匀厚度涂敷、一种吸波材料单层渐变厚度涂敷、多种吸波材料多层均匀涂敷、多种吸波材料多层渐变涂敷等不同涂敷方式。

S3、在完成黑体定标源电磁学特性优化设计S2的基础上，对黑体定标源的热力学特性进行优化仿真设计，采用热力学数值分析方法对实验室条件下（同时存在热传导、热对流和热辐射三种传热方式）和热真空条件下（同时存在热传导和热辐射两种传热方式）进行优化设计，得出变温微波黑体定标源尖劈表面物理温度分布，并将热力学特性的仿真分析结果反馈给电磁学优化设计。

S4、在完成首次黑体定标源热力学特性优化设计S3的基础上，根据变温微波黑体定标源尖劈表面物理温度分布情况是否满足温度分布集中度要求，需要重新设计黑体定标源尖劈阵列尺寸、阵列形式、吸波材料涂敷方式，进而反馈进行黑体定标源电磁学特性优化设计，直到变温微波黑体定标源电磁学与热力学协同优化结果符合设计要求,也即黑体定标源发射率e≥0.999）。

S5、在以上仿真设计的基础上，加工变温微波黑体定标源并进行实验测试，并用测试结果反馈修正仿真，确保黑体定标源发射率e≥0.999。最终获得符合设计指标的变温微波黑体定标源基体。

如图2为本发明专利黑体定标源基体结构及测温位置结构图，微波黑体定标源基体1的表面涂覆有吸波材料2，黑体定标源向外辐射微波亮温3，为提高变温微波黑体定标源辐射微波亮温值的精度，需要在温度渐变分布的变温微波黑体定标源尖劈表面确定物理温度平均值，在该物理温度平均值所处的尖劈表面相应位置设置微波黑体定标源测温电阻4，以确保测温电阻测得的温度和尖劈表面的等效温度接近一致，也使变温微波黑体定标源向外辐射的微波亮温值不确定度≤0.05K。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims

1.一种高精度变温微波黑体定标源的综合设计方法，其特征在于，该设计方法包括如下步骤：

S2：对黑体定标源进行电磁学特性优化设计；

2.根据权利要求1所述的一种高精度变温微波黑体定标源的综合设计方法，其特征在于，所述S2中对黑体定标源进行电磁学特性优化设计包括：

S202：对黑体定标源的尖劈阵列形式进行优化；

S203：对黑体定标源的尖劈表面吸波材料涂覆方式进行优化。

3.根据权利要求2所述的一种高精度变温微波黑体定标源的综合设计方法，其特征在于，所述S201黑体定标源锥底边长或半径与黑体定标源工作频段低频点f₁所对应的波长相近，黑体定标源锥体高度为锥底边长或半径的2～6倍。

4.根据权利要求2所述的一种高精度变温微波黑体定标源的综合设计方法，其特征在于，所述S202黑体定标源尖劈阵列形式包括方锥、圆锥或六棱锥阵列。

5.根据权利要求2所述的一种高精度变温微波黑体定标源的综合设计方法，其特征在于，所述S203对黑体定标源的尖劈表面吸波材料涂覆方式采用吸波材料单层均匀厚度涂敷、吸波材料单层渐变厚度涂敷、多种吸波材料多层均匀涂敷或多种吸波材料多层渐变涂敷。

6.根据权利要求1所述的一种高精度变温微波黑体定标源的综合设计方法，其特征在于，所述S3对黑体定标源进行热力学特性优化设计包括：采用热力学数值分析方法对在实验室条件下和热真空条件下，确定变温微波黑体定标源尖劈表面物理温度分布。

7.根据权利要求1所述的一种高精度变温微波黑体定标源的综合设计方法，其特征在于，所述S4对黑体定标源电磁学特性优化设计进行反馈并重新设计是指重新设计黑体定标源尖劈阵列尺寸，阵列形式，吸波材料涂覆方式。