CN104266768A - 一种新型全极化微波辐射计变温源装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种新型全极化微波辐射计变温源装置，包括定标热源、定标冷源、第一极化网格和相位延迟器；所述定标热源所在平面与定标冷源所在的平面相互垂直，所述第一极化网格位于所述定标冷源与定标热源之间且其与水平面成45度角；所述定标热源、定标冷源和第一极化网格之间的相对位置固定，所述相位延迟器以垂直于其所在平面的中心轴为中心旋转设置。上述变温源装置仅通过旋转由第二极化网格和平面反射板构成的相位延迟器，即可达到变换输出亮度温度的目的，定标热源的温度为固定温度，温度控制简单，相位延迟器角度控制容易，精度较高，从而使该装置变温输出稳定度高，较短时间即可达到变温目的，并且全极化定标变温源输出稳定。

Description

一种新型全极化微波辐射计变温源装置

技术领域

本发明涉及微波辐射计定标技术领域，尤其涉及一种新型全极化微波辐射计变温源装置。

背景技术

微波(包括毫米波和亚毫米波)辐射计是一种被动式的微波遥感器，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，以及海洋表面温度、海洋风场、土壤湿度等信息，其在大气探测及海洋观测中具有重要作用。

全极化微波辐射计是一种新型的被动式微波遥感器，它能够一次测量目标的4个Stokes参量，是对目标特征提取的又一有力手段。传统的微波辐射计外定标方法都是采用两点定标，但是全极化微波辐射计中的T3、T4通道不同于传统的两点定标，因为其中包含了线极化和圆极化信息。传统的两点定标法不能产生已知的线极化信息和圆极化信息，所以不能满足全极化微波辐射计的外定标要求。并且传统的微波辐射计变温源由定标体和温控装置组成，通过控制定标体物理温度来达到变温输出的目的。这种方式的缺点是定标体从一个温度到另外一个温度调节时间长，一般需要30分钟～60分钟，温度不好控制。尤其是在热真空环境下，有时需要调节几个小时才能够使定标体温度稳定和均匀。

在全极化辐射计定标研究领域，国外起步较早，已经出现的全极化微波辐射计定标源原理图如图1所示。其原理为：先通过处于环境温度的黑体和液氮冷却的黑体产生非极化信号,非极化信号通过极化分裂格网产生线极化信号,最后信号通过相位延迟板时,部分线极化信号转化为圆极化信号,从而产生全极化微波辐射计充分定标所需的4个Stokes参数。这种全极化定标源在实际应用中主要存在以下缺点：①定标方程算法复杂，参数矩阵求解困难；②频率兼容性差，相位延迟板在各个频段表现差异较大；③由于相位延迟板的阻抗失配等问题，存在较明显的反射问题，导致较大的定标系统误差和随机误差。

发明内容

本发明的目的在于，为解决现有的全极化微波辐射计定标技术存在定标体温度不易控制，或定标方程算法复杂及频率兼容性差的问题，本发明提供了一种新型全极化微波辐射计变温源装置，通过采用本发明中的相位延迟器替代附图1中的相位延迟板，简化了定标方程；同时由于设有极化网格的相位延迟器拥有良好的宽带性能，使得该相位延迟器具有很高的频率兼容性，且由该相位延迟器引入的定标误差将会大大减小。

本发明提供了一种新型全极化微波辐射计变温源装置，该装置具有输出亮度温度连续可变，变温时间短，测试方便的特点。

所述的变温源装置能够提供给全极化微波辐射计从低温到高温连续可变的全极化噪声温度，从而实现全极化微波辐射计的星上整体定标，能同时对星载全极化微波辐射计观测的四个Stokes参量进行定标。本发明的变温源装置同时也可应用与工作在对大气透明的微波、毫米波波段的地基全极化微波辐射计系统。

本发明通过相位延迟器的独立旋转，与第一极化网格之间产生可调角度差。更利于星载应用。因为，相位延迟器相比于已有的如图1所示的整体旋转方式相比，有更小的旋转惯量，同时，旋转相位延迟器比旋转第一极化网格对旋转伺服的要求更低，旋转第一极化网格需要比较大的旋转滑环，而旋转相位延迟器可以用常规的电机轴旋转伺服，使得变温源装置的结构简化，便于操作。

为实现上述目的，本发明的新型全极化微波辐射计变温源装置包括：定标热源、定标冷源、第一极化网格和相位延迟器；所述定标热源所在平面与定标冷源所在的平面相互垂直，所述第一极化网格位于所述定标冷源与定标热源之间且其与水平面成45度角；所述定标热源、定标冷源和第一极化网格之间的相对位置固定，所述相位延迟器以垂直于其所在平面的中心轴为中心旋转设置。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的相位延迟器包括第二极化网格和平面反射板，所述第二极化网格位于平面反射板之前，两者的间距可调。

作为上述技术方案的进一步改进，所述相位延迟器所在平面与第一极化网格所在平面平行。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的定标热源为微波黑体，其物理温度保持恒温。

作为上述技术方案的进一步改进，所述定标冷源采用冷空背景辐射或制冷后的微波黑体。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的变温源装置输出的4个stokes亮度温度T_V、T_H、T₃和T₄分别表示为：

T_V＝|E_|||²·r_|| ²·sin²θ+|E_⊥|²·t_⊥ ⁴·cos²θ；

T_H＝|E_|||²·r_|| ²·cos²θ+|E_⊥|²·t_⊥ ⁴·sin²θ；

T₃＝|E_|||²·r_|| ²·cos2θ_xsin2θ+|E_⊥|²·t_⊥ ⁴cos2θ_ysin2θ；

T₄＝|E_|||²·r_|| ²·sin2θ_xsin2θ+|E_⊥|²·t_⊥ ⁴sin2θ_ysin2θ；

其中，|E_|||²＝T_cold·sin²θ+T_hot·cos²θ

|E_⊥|²＝T_cold·cos²θ+T_hot·sin²θ

式中，r_||表示电磁波平行极化网格被反射的反射率，t_⊥表示电磁波垂直穿透极化网格的透过率，θ表示相位延迟器的旋转角，T_cold表示经过第一极化网格后的冷源亮温，T_hot表示经过第一极化网格后的热源亮温，θ_x和θ_y分别为通过相位延迟器后，平行于线栅的电场的相位和垂直于线栅的电场的相位，E_||为电场矢量分解到平行于线栅的方向分量，E_⊥为电场矢量分解到垂直于线栅的方向分量。

本发明的一种新型全极化微波辐射计变温源装置优点在于：

本发明中的定标冷源和定标热源固定，只通过旋转由第二极化网格和平面反射板构成的相位延迟器即可达到变换输出亮度温度的目的，定标热源的温度为固定温度，温度控制简单，相位延迟器角度控制容易，精度较高，从而使该装置变温输出稳定度高，较短时间即可达到变温目的，并且全极化定标变温源输出稳定。

附图说明

图1为现有技术中的用于全极化微波辐射计定标的装置原理图。

图2为本发明实施例中的新型全极化微波辐射计变温源装置的结构示意图。

图3为本发明实施例中的极化网格的结构示意图。

图4为本发明实施例中的相位延迟器的结构示意图。

图5为利用本发明的变温源装置测量得到的水平极化亮温T_h和垂直极化亮温T_v随θ变化的曲线图。

图6为利用本发明的变温源装置测量得到的第三Stokes参量T₃和第四Stokes参量T₄随θ变化的曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明所述的一种新型全极化微波辐射计变温源装置进行详细说明。

如图2所示，所述的新型全极化微波辐射计变温源装置包括：定标热源、定标冷源、第一极化网格和相位延迟器。所述定标热源所在平面与定标冷源所在的平面相互垂直，所述第一极化网格位于所述定标冷源与定标热源之间且其与水平面成45度角；所述定标热源、定标冷源和第一极化网格之间的相对位置固定，所述相位延迟器以垂直于其所在平面的中心轴为中心旋转设置。

基于上述变温源装置的结构，如图2所示，所述相位延迟器可通过与其连接的旋转伺服的驱动而实现旋转。

热源的主体是微波黑体，通过制冷和加热等措施控制热源物理温度，星上采用冷空背景辐射作为定标冷源，从而实现高温亮度温度输出和低温亮度温度输出的目的，通过由第二极化网格和平面反射板构成的相位延迟器的旋转角度来控制冷空和热源对该设备最终输出亮度温度的贡献，从而达到全极化微波辐射计星上定标的目的。相位延迟器通过旋转角度来控制冷空辐射和热源辐射对最终输出亮度温度的贡献，实现第一、第二和第三Stokes参量的定标。通过调整相位延迟器中极化网格和平面反射板的间距来改变水平极化电磁波和垂直极化电磁波之间的相位差，从而实现第四Stokes参量的定标。

定标热源的热源温度保持固定值，定标冷源、定标热源和第一极化网格的相对位置也是固定的，只需要旋转由极化网格和平面反射板构成的相位延迟器，即可得到连续变化的全极化亮温，所需要的时间就是旋转由极化网格和平面反射板构成的相位延迟器所需要的时间，定标周期短。这样能够很快的对全极化微波辐射计进行定标和测试，减少定标和测试时间，也减少由于微波辐射计接收机工作时间长而带来的接收机增益变化，即提高微波辐射计测试精度和定标精度。

图2中输出的4个Stokes亮度温度T_h，T_v，T₃，T₄与热源温度T_hotphysical、冷空温度T_coldphysical、相位延迟器的旋转角度之间的关系分析如下：

电磁波穿透第一极化网格后的产生固定的冷源电场分量E_cold和热源电场分量E_hot满足公式(1)：

E_cold＝E_coldphysical·t_⊥+E_hotphysical·r_⊥

E_hot＝E_coldphysical·t_||+E_hotphysical·r_||   (1)

式(1)中，t_||和t_⊥分别为电磁波平行和垂直穿透极化网格的透过率，r_||和r_⊥分别为电磁波平行和垂直极化网格被反射的反射率，E_coldphysical和E_hotphysical分别表示冷源和热源的微波辐射的电场分量。

由于本发明的第一极化网格跟水平极化和垂直极化所在平面的夹角均为45°，所以需要对相位延迟器的旋转角度θ进行修正，经修正后的旋转角表示如下：

$\begin{array}{c}{\cos }^2\mathrm{\θ}=\frac{1}{1+{\tan }^2\mathrm{\θ}}=\frac{1}{1+\frac{1}{2}{\tan }^2\mathrm{\α}}=\frac{2{\cos }^2\mathrm{\α}}{1+{\cos }^2\mathrm{\α}}\\ {\sin }^2\mathrm{\θ}=1-{\cos }^2\mathrm{\θ}=1-\frac{2{\cos }^2\mathrm{\α}}{1+{\cos }^2\mathrm{\α}}=\frac{{\sin }^2\mathrm{\α}}{1+{\cos }^2\mathrm{\α}}\end{array}---\left(2\right)$

式(2)中，α为由第二极化网格和平面反射板构成的相位延迟器的旋转角。

由图2可知，进入相位延迟器的电磁辐射包括冷空背景辐射透过第一极化网格及定标热源经过第一极化网格反射后输出的电磁波E_cold和E_hot。此时将电场矢量分解到平行于线栅的方向分量E_||和垂直于线栅的方向分量E_⊥。

E_||＝E_cold·sinθ+E_hot·cosθ

E_⊥＝-E_cold·cosθ+E_hot·sinθ   (3)

则进入馈源天线的垂直极化方向电场E_v和水平极化方向电场E_H为：

$\begin{array}{c}{E}_V=E_{\left|\right|}\·r_{\left|\right|}\·e^{{\mathrm{i\θ}}_x}\·\sin \mathrm{\θ}-E_{\⊥}\·{t_{\⊥}}^2\·e^{{-\mathrm{i\θ}}_y}\·\cos \mathrm{\θ}\\ E_H=E_{\left|\right|}\·r_{\left|\right|}\·e^{{-\mathrm{i\θ}}_x}\cos \mathrm{\θ}+E_{\⊥}\·{t_{\⊥}}^2\·e^{{-\mathrm{i\θ}}_y}\·\sin \mathrm{\θ}\end{array}---\left(4\right)$

式(4)中，θ_x和θ_y分别为通过相位延迟器后，平行于线栅的电场的相位和垂直于线栅的电场的相位。将垂直极化方向电场E_v和水平极化方向电场E_H用欧拉公式展开，得到如下公式：

E_V＝(E_||·r_||·cosθ_xsinθ-E_⊥·t_⊥ ²cosθ_ycosθ)+(E_⊥·t_⊥ ²sinθ_ycosθ-E_||·r_||·sinθ_xsinθ)·i

$E_H^{*}=(E_{\left|\right|}\·r_{\left|\right|}\·\cos {\mathrm{\θ}}_x\cos \mathrm{\θ}-E_{\⊥}\·{t_{\⊥}}^2\cos {\mathrm{\θ}}_y\sin \mathrm{\θ})-(-E_{\⊥}\·{t_{\⊥}}^2\sin {\mathrm{\θ}}_y\sin \mathrm{\θ}+E_{\left|\right|}\·r_{\left|\right|}\·\sin {\mathrm{\θ}}_x\cos \mathrm{\θ})\·i$

则有：

$\begin{array}{c}{T}_V{\left|E_V\right|}^2={\left|(E_{\left|\right|}\·r_{\left|\right|}\·\cos {\mathrm{\θ}}_x\sin \mathrm{\θ}-E_{\⊥}\·t_{\⊥}^2\cos {\mathrm{\θ}}_y\cos \mathrm{\θ})\right|}^2+{\left|(E_{\⊥}\·t_{\⊥}^2\·\sin {\mathrm{\θ}}_y\cos \mathrm{\θ}-E_{\left|\right|}\·r_{\left|\right|}\·\sin {\mathrm{\θ}}_x\sin \mathrm{\θ})\right|}^2\\ ={\left|E_{\left|\right|}\right|}^2\·{r_{\left|\right|}}^2\·{\cos }^2{\mathrm{\θ}}_x{\sin }^2\mathrm{\θ}+{\left|E_{\⊥}\right|}^2\·t_{\⊥}^4{\cos }^2{\mathrm{\θ}}_y{\cos }^2\mathrm{\θ}+{\left|E_{\⊥}\right|}^2\·t_{\⊥}^4\·{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_y{\cos }^2\mathrm{\θ}+{\left|E_{\left|\right|}\right|}^2\·{r_{\left|\right|}}^2\·{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_x{\sin }^2\mathrm{\θ}\\ ={\left|E_{\left|\right|}\right|}^2\·{r_{\left|\right|}}^2\·{\sin }^2\mathrm{\θ}+{\left|E_{\⊥}\right|}^2\·t_{\⊥}^4\·{\cos }^2\mathrm{\θ}\end{array}---\left(5\right)$

同理，

$\begin{array}{c}{T}_H{\left|E_H^{*}\right|}^2={\left|(E_{\left|\right|}\·r_{\left|\right|}\·\cos {\mathrm{\θ}}_x\cos \mathrm{\θ}-E_{\⊥}\·t_{\⊥}^2\cos {\mathrm{\θ}}_y\cos \mathrm{\θ})\right|}^2+{\left|({-E}_{\⊥}\·t_{\⊥}^2\·\sin {\mathrm{\θ}}_y\cos \mathrm{\θ}+E_{\left|\right|}\·r_{\left|\right|}\·\sin {\mathrm{\θ}}_x\cos \mathrm{\θ})\right|}^2\\ ={\left|E_{\left|\right|}\right|}^2\·{r_{\left|\right|}}^2\·{\cos }^2{\mathrm{\θ}}_x{\cos }^2\mathrm{\θ}+{\left|E_{\⊥}\right|}^2\·t_{\⊥}^4{\cos }^2{\mathrm{\θ}}_y{\sin }^2\mathrm{\θ}+{\left|E_{\⊥}\right|}^2\·t_{\⊥}^4\·{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_y{\cos }^2\mathrm{\θ}+{\left|E_{\left|\right|}\right|}^2\·{r_{\left|\right|}}^2\·{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_x{\cos }^2\mathrm{\θ}\\ ={\left|E_{\left|\right|}\right|}^2\·{r_{\left|\right|}}^2\·{\cos }^2\mathrm{\θ}+{\left|E_{\⊥}\right|}^2\·t_{\⊥}^4\·{\sin }^2\mathrm{\θ}\end{array}---\left(6\right)$

其中，|E_|||²＝T_cold·sin²θ+T_hot·cos²θ，|E_⊥|²＝T_cold·cos²θ+T_hot·sin²θ。T_cold表示经过第一极化网格后的冷源亮温，T_hot表示经过第一极化网格后的热源亮温。

第三Stokes参量：

T₃＝2Re＜E_V·E_H ^*＞＝|E_|||²·r_|| ²·cos²θ_xsin2θ+|E_⊥|²·t_⊥ ⁴cos²θ_ysin2θ

-|E_⊥|²·t_⊥ ⁴sin²θ_ysin2θ-|E_|||²·r_|| ²·sin²θ_xsin2θ

＝|E_|||²·r_|| ²·cos2θ_xsin2θ+|E_⊥|²·t_⊥ ⁴cos2θ_ysin2θ   (7)

第四Stokes参量：

$\begin{array}{c}{T}_4=2\mathrm{Im}<E_V\&CenterDot;{{E_H}^{*}}^{}>=\frac{1}{2}{\left|E_{\left|\right|}\right|}^2\&CenterDot;{r_{\left|\right|}}^2\&CenterDot;\sin 2{\mathrm{\&theta;}}_x\sin 2\mathrm{\&theta;}+\frac{1}{2}{\left|E_{\&perp;}\right|}^2\&CenterDot;{t_{\&perp;}}^4\sin 2{\mathrm{\&theta;}}_y\sin 2\mathrm{\&theta;}\\ +\frac{1}{2}{\left|E_{\&perp;}\right|}^2\&CenterDot;{t_{\&perp;}}^4\sin 2{\mathrm{\&theta;}}_y\sin 2\mathrm{\&theta;}+\frac{1}{2}{\left|E_{\left|\right|}\right|}^2\&CenterDot;{r_{\left|\right|}}^2\&CenterDot;{\sin 2\mathrm{\&theta;}}_x\sin 2\mathrm{\&theta;}\\ ={\left|E_{\left|\right|}\right|}^2\&CenterDot;{r_{\left|\right|}}^2\&CenterDot;\sin 2{\mathrm{\&theta;}}_x\sin 2\mathrm{\&theta;}+{\left|E_{\&perp;}\right|}^2\&CenterDot;{t_{\&perp;}}^4\sin 2{\mathrm{\&theta;}}_y\sin 2\mathrm{\&theta;}\end{array}---\left(8\right)$

其中，|E_|||²＝T_cold·sin²θ+T_hot·cos²θ，|E_⊥|²＝T_cold·cos²θ+T_hot·sin²θ。T_cold表示经过第一极化网格后的冷源亮温，T_hot表示经过第一极化网格后的热源亮温。

从公式(5)、(6)、(7)、(8)可以看出，T_h、T_v、T₃和T₄随θ变化而变化，即当θ角变化时，所述变温源装置的输出亮度温度也是变化的，选取多个旋转角便可得到多个亮度温度输出结果，给全极化微波辐射计进行调试或定标提供数据。当取T_coldphysical＝81K,T_hotphysical＝300K时，变温源装置的输出亮度温度随θ角(θ_x＝22.5°,θ_y＝62.5°)变化如图5、6所示。

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 (6)

1.一种新型全极化微波辐射计变温源装置，包括定标热源、定标冷源、第一极化网格和相位延迟器；所述定标热源所在平面与定标冷源所在的平面相互垂直，所述第一极化网格位于所述定标冷源与定标热源之间且其与水平面成45度角；其特征在于，所述定标热源、定标冷源和第一极化网格之间的相对位置固定，所述相位延迟器以垂直于其所在平面的中心轴为中心旋转设置。

2.根据权利要求1所述的新型全极化微波辐射计变温源装置，其特征在于，所述的相位延迟器包括第二极化网格和平面反射板，所述第二极化网格位于平面反射板之前，两者的间距可调。

3.根据权利要求1所述的新型全极化微波辐射计变温源装置，其特征在于，所述相位延迟器所在平面与第一极化网格所在平面平行。

4.根据权利要求1所述的新型全极化微波辐射计变温源装置，其特征在于，所述的定标热源为微波黑体，其物理温度保持恒温。

5.根据权利要求1所述的新型全极化微波辐射计变温源装置，其特征在于，所述定标冷源采用冷空背景辐射或制冷后的微波黑体。

6.根据权利要求2所述的新型全极化微波辐射计变温源装置，其特征在于，所述的变温源装置输出的4个stokes亮度温度T_V、T_H、T₃和T₄分别表示为：

T_V＝|E_|||²·r_|| ²·sin²θ+|E_⊥|²·t_⊥ ⁴·cos²θ；

T_H＝|E_|||²·r_|| ²·cos²θ+|E_⊥|²·t_⊥ ⁴·sin²θ；

T₃＝|E_|||²·r_|| ²·cos2θ_xsin2θ+|E_⊥|²·t_⊥ ⁴cos2θ_ysin2θ；

T₄＝|E_|||²·r_|| ²·sin2θ_xsin2θ+|E_⊥|²·t_⊥ ⁴sin2θ_ysin2θ；

其中，|E_|||²＝T_cold·sin²θ+T_hot·cos²θ

|E_⊥|²＝T_cold·cos²θ+T_hot·sin²θ

式中，r_||表示电磁波平行极化网格被反射的反射率，t_⊥表示电磁波垂直穿透极化网格的透过率，θ表示相位延迟器的旋转角，T_cold表示经过第一极化网格后的冷源亮温，T_hot表示经过第一极化网格后的热源亮温，θ_x和θ_y分别为通过相位延迟器后，平行于线栅的电场的相位和垂直于线栅的电场的相位，E_||为电场矢量分解到平行于线栅的方向分量，E_⊥为电场矢量分解到垂直于线栅的方向分量。