CN105372610A - 一种用于微波辐射计四点定标的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于微波辐射计四点定标的装置及方法，该方法采用四点实时定标技术，在微波辐射计内部设置了高温参考点、常温参考点对微波辐射计接收机进行内定标；同时，在微波辐射计外部设置了常温定标源、冷空参考源对连同天线的微波辐射计整体进行外定标。所述的装置通过设计专用的辐射计定标转台，并合理分配微波辐射计定标区间和观测区间，能够在每个观测周期内对微波辐射计进行实时的四点定标，以获得高精度的微波辐射计定标结果。

Description

一种用于微波辐射计四点定标的装置及方法

技术领域

本发明属于微波辐射计定标技术领域，具体涉及一种用于微波辐射计四点定标的装置及其方法。

背景技术

随着遥感技术的深入发展和广泛应用，微波遥感已经成为世界各国重点研究发展的领域。微波辐射计作为被动微波遥感仪器，通过接收地物自身的微波辐射获取地物特征信息，它全天时、全天候的观测能力以及具有穿透云层和一定程度上穿透雨区的特点，使它在遥感领域占有特别重要的地位；同时，微波辐射计可以多频段、多极化、多视角的获取目标信息，已经发展成为对地观测、大气、海洋环境监测以及空间探测的重要手段。

微波辐射计在应用过程中，需要对其进行定标。所谓微波辐射计定标，即指标定微波辐射计输出电压与输入噪声温度间的定量关系。定标是实现定量化微波遥感的前提，定标精度不仅反映仪器性能，而且直接影响对目标物体微波辐射信息的反演准确度。对于线性系统，微波辐射计可通过接收两个微波辐射特性精确已知的定标源的辐射信号，以确定辐射计的传输函数，这就是所谓的辐射计“两点定标”。

而在实际使用中，由于定标源涵盖亮温范围有限、辐射计与理想线性系统存在偏差等技术问题，往往影响了“两点定标”的定标精度。

发明内容

本发明的目的在于，为解决现有的微波辐射计两点定标导致定标误差较大的技术问题，本发明提出了一种用于微波辐射计四点定标的装置及其方法。该方法采用四点实时定标技术，在微波辐射计内部设置了高温参考点、常温参考点对微波辐射计接收机进行内定标；同时，在微波辐射计外部设置了常温定标源、冷空参考源对连同天线的微波辐射计整体进行外定标。所述的装置通过设计专用的辐射计定标转台，并合理分配微波辐射计定标区间和观测区间，可以在每个观测周期内对微波辐射计进行实时的四点定标，以获得高精度的微波辐射计定标结果。

为实现上述目的，本发明提供的一种用于微波辐射计四点定标的装置，该装置包括：旋转台、外部定标热源、外部定标冷源和内部定标单元；所述的旋转台沿一竖直平面旋转，所述的外部热源和外部冷源固定于旋转台中心的两个方向上，分别用于提供外定标高温定标点和外定标低温定标点，所述的微波辐射计固定于旋转台上并随旋转台同步旋转，同时使得该微波辐射计的天线时刻指向旋转台的中心；所述的内部定标单元设置于微波辐射计内，其包括：匹配负载、耦合器和噪声源，所述的匹配负载输出的信号作为内定标低温定标点，所述的噪声源用于产生噪声，并通过耦合器将该噪声与匹配负载输出的信号耦合后作为内定标高温定标点。

其中，外部热源可采用常温的泡沫吸收体，里面安装四个测温的PRT电阻实时监测吸收体物理温度。外定标低温定标源可由冷空构成，每当天线口面旋转到竖直向上位置时进行观测定标。

而内部定标源则采用噪声注入的方式。噪声源由微波开关控制，当噪声源关闭时，由匹配负载向微波辐射计接收机系统馈入信号，产生内定标常温定标点；当噪声源打开时，其产生的噪声经耦合器与匹配负载信号耦合，耦合后的信号馈入微波辐射计接收机，作为内定标高温定标点。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的外部定标冷源采用宇宙微波背景辐射作为外定标低温定标点。宇宙微波背景辐射是一种具有高度各向同性的黑体辐射谱，且充满整个宇宙空间，在微波频段保持了高度的均一性和稳定性。由宇宙微波背景辐射为主要构成的冷空是一种优良的微波辐射计外定标低温源。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的旋转台包括：旋转架、工字形底座、三角支架和电机；所述的旋转架架设于两个三角支架之间，每个三角支架的底部均设有一工字形底座，用于支撑该三角支架，所述的微波辐射计架设于旋转架的一端，该旋转架通过电机驱动沿竖直平面旋转。

基于上述用于微波辐射计四点定标的装置，本发明还提供了该装置的实现方法，微波辐射计定标方式是：天线连续在竖直面内旋转，在旋转一周时间内，微波辐射计接收机会交替的接收天线馈入信号和内部定标单元馈入信号。其中，在接收天线馈入信号时段内，除了观测目标以外，还在不同的位置观测外部定标热源和外部定标冷源。

所述方法的具体步骤包括：

步骤1)利用旋转台驱动微波辐射计沿逆时针方向旋转，并以天线在竖直向上的位置记为0°；

步骤2)当天线由150°旋转至130°时，控制微波辐射计接收机的开关切换至天线上，通过天线接收外部定标冷源在355°～5°范围内辐射的信号，并接收外部定标热源在85°～95°范围内辐射的信号；

步骤3)当天线由130°旋转至150°时，控制微波辐射计接收机的开关切换至内部定标单元上，通过微波辐射计接收机接收匹配负载在130°～140°范围内辐射的信号，并接收噪声源在140°～150°范围产生的经匹配负载耦合后辐射的信号；

步骤4)利用步骤2)～步骤4)接收到的四个信号建立定标方程：

T₀＝aV₀+b

T_N＝aV_N+b

T_H+T_X＝aV_H+b

T_C+T_X＝aV_C+b

其中，T_X表示传输网络特性，T₀表示匹配负载的温度，V₀表示微波辐射计接收机输出与T₀对应的电压，T_N表示耦合的噪声温度，V_N表示微波辐射计接收机输出与T_N对应的电压；T_H表示外部定标热源的温度，V_H表示微波辐射计接收机输出与T_H对应的电压，T_C表示外部定标冷源的温度，V_C表示微波辐射计接收机输出与T_C对应的电压；

最终，根据所述的定标方程计算传输网络特性：

$T_X=\frac{(T_H-T_C)(V_H+V_C)}{V_H-V_C}+\frac{2(T_C{V}_H-T_H{V}_C)}{V_H-V_C}-(T_H+T_C).$

本发明的一种用于微波辐射计四点定标的装置及方法的优点在于：

一、本发明通过微波辐射计内外四个定标点的精心设计，同时实现了微波辐射计内定标和整体定标，有效提高了辐射计定标精度。

二、本发明合理分配了定标的四个定标窗口和两个观测窗口的时序逻辑，能够在一个观测周期内同时完成一轮完整的观测和定标任务，大大提高了微波辐射计的测量效率和定标效率。

三、为配合规划的定标时序，本发明通过设置的旋转台并设计了扫描过程，实现了微波辐射计定标和测量的全程自动化，大大缩短了微波辐射计定标的时间投入和人力成本。

四、利用本发明的装置实施微波辐射计多点定标对使用环境要求非常小，可以用于各种星载、地基辐射计和多种野外环境，应用范围广泛。

附图说明

图1为利用本发明的微波辐射计四点定标方法分配观测窗口与定标窗口位置示意图。

图2为本发明的微波辐射计四点定标方法中的两点内定标工作原理图。

图3为微波辐射计线性度误差所导致的两点定标的误差示意图。

图4a为本发明实施例中的旋转台结构示意图。

图4b为图4a中示出的旋转台的俯视图。

图5为微波辐射计架设和观测角度示意图。

附图标记：

1、旋转架2、工字形底座3、三角支架

4、电机5、微波辐射计

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用于微波辐射计四点定标的装置及方法进行详细说明。

本发明的一种用于微波辐射计四点定标的装置，包括：旋转台、外部定标热源、外部定标冷源和内部定标单元；所述的旋转台沿一竖直平面旋转，所述的外部热源和外部冷源固定于旋转台中心的两个方向上，分别用于提供外定标高温定标点和外定标低温定标点，所述的微波辐射计固定于旋转台上并随旋转台同步旋转，同时使得该微波辐射计的天线时刻指向旋转台的中心；所述的内部定标单元设置于微波辐射计内，内部定标单元由匹配负载、耦合器和噪声源组成。其中，所述的匹配负载输出的信号作为内定标低温定标点，噪声源产生所需要的定标噪声信号，并通过耦合器将该噪声与匹配负载输出的信号耦合后作为内定标高温定标点；匹配负载与噪声源通断电情况下的耦合，为系统实时定标提供稳定的参考信号，噪声信号通断通过对噪声源供电电源的通断控制来实现，在对微波辐射计接收机(包括噪声源)恒温措施的情况下，控制其电源通断更有利于保证注入噪声的稳定；耦合器用于实现噪声信号的馈入。

为更全面直观的介绍本实施例，如图4a、4b所示，所述的旋转台包括：电机4、旋转架1、三角支架3和工字形底座2构成。所述的旋转架1架设于两个三角支架3之间，每个三角支架3的底部均设有一工字形底座2，用于支撑该三角支架3，所述的微波辐射计5架设于旋转架1的一端，该旋转架1通过电机4驱动沿竖直平面旋转。

本例针对L、C双波段微波辐射计，利用上述装置进行四点定标，此套辐射计系统的观测对象为海面信息。

图1示出了微波辐射计的观测目标分布。微波辐射计在竖直面内连续逆时针扫描，同时观测前下方海面和前上方和天顶大气，在后方观测外部定标黑体，然后在其内部进行噪声源开关状态下的噪声温度观测。

在图1给出的微波辐射计单个观测周期内测量目标中，外部热源区域为地面定标预留的外部定标热源安装位置，可使用一个常温可拆卸定标黑体进行外定标基准。外部冷源区域为观测低温大气部分，作为外部定标冷源。当需要定点观测时，可以输入对应的角度值，此时微波辐射计停留在指定的位置，对观测目标进行连续定点观测。

基于上述用于微波辐射计四点定标的装置所实现的方法，包括：

步骤1)利用旋转台驱动微波辐射计沿逆时针方向旋转，并以天线在竖直向上的位置记为0°；天线的起始位置为0°，按照逆时针方向旋转，旋转周期为120s。

步骤2)当天线由150°旋转至130°时，控制微波辐射计接收机的开关切换至天线上，通过天线接收外部定标冷源在355°～5°范围内辐射的信号，并接收外部定标热源在85°～95°范围内辐射的信号；天线在0°左右观测外部定标冷源(冷空)，此时对微波辐射计进行低温大气外定标。天线在85°～95°位置观测定标黑体，实现微波辐射计热源外定标操作。

步骤3)当天线由130°旋转至150°时，控制微波辐射计接收机的开关切换至内部定标单元上，通过微波辐射计接收机接收匹配负载在130°～140°范围内辐射的信号，并接收噪声源在140°～150°范围产生的经匹配负载耦合后辐射的信号；天线在130°～150°位置时，微波辐射计接收机开关切换至噪声源，通过噪声源通断电，使得该微波辐射计接收机观测噪声源和匹配负载，分别作为内定标冷源和内定标热源进行内定标。对水面观测从200°开始，连续采样至235°。另外，还预留了大气探测窗区，用于以后的系统功能扩展。

如图2所示，由于两个定标源集中于测量范围的高端，因此，测量过程中，定标方程的准确度取决于微波辐射计线性度的测量准确性。这里匹配负载的工作温度为环境温度，代表了两点定标的低端，而匹配负载与馈入的噪声源亮温之和作为高端，微波辐射计接收机输入端通过开关周期地在天线单元和定标单元之间切换，以获得实时定标曲线。

由图3可以看出，利用辐射温度已知的两个定标源(T₀和T_H)的输出电压(V₀和V_H)计算定标方程时，定标方程曲线如图中“理想曲线”所示，是一条理想的直线，但微波辐射计系统中检波二极管的功率非线性特征造成非线性误差是不可忽略的，其实际响应大致为图中“实际曲线”所示，则用于海面观测时输出电压通过上述定标方程计算得到的理想温度，与其真实温度相比会出现较大误差。因此，为了校正系统的非线性特征，需要在系统投入使用前提供额外的定标点，从而对非线性进行拟合。这里为接收机注入已知量值的噪声温度，通过低温定标源液氮来确定响应曲线的形状。

由于接收机非线性特征主要取决于检波二极管的功率响应的非线性，在较长时间内，该非线性特征不会发生变化，系统的非线性因子是长期稳定的。但与此同时，微波辐射计接收机噪声温度和增益会随环境温度的变化而变化，因此系统在使用过程中，使用两点实时定标对微波辐射计接收机噪声温度和增益漂移进行周期性校准能够满足系统要求。

可利用噪声二极管P-N结处于雪崩击穿状态下所产生的雪崩噪声作为微波噪声源，它在一定的频带范围内有较平坦的噪声输出。噪声二极管输出的噪声功率通过耦合或衰减来满足要求的输出ENR及输出驻波要求。

步骤4)利用步骤2)～步骤4)接收到的四个信号建立定标方程：

首先，对于微波辐射计内部的噪声源，当开关断开和接通两种状态下，微波开关分别接通匹配负载温度(环境温度)T₀和耦合的噪声温度T_N，微波辐射计接收机输出电压分别为V₀和V_N，根据两点定标方程有：

T₀＝aV₀+b(1)

T_N＝aV_N+b(2)

进一步得到：

T_N-T₀＝a(V_N-V₀)(3)

对于观测外部定标热源的温度T_H和外部定标冷源的温度T_C，其所对应的输出电压分别为V_H和V_C，因此有：

T_H+T_X＝aV_H+b(4)

T_C+T_X＝aV_C+b(5)

其中，T_X表示传输网络特性，其主要来自天线的传输特性、传输线损耗等。这里假设在一个扫描周期内微波辐射计是稳定的，也就是参数a、b是不变的，而且传输路径的贡献也是相同的。那么由公式(4)和公式(5)得到：

T_H-T_C＝a(V_H-V_C)(6)

把公式(6)的参数a带入公式(3)中得到：

$T_N=T_0+(T_H-T_C)\frac{V_N-V_0}{V_H-V_C}---\left(7\right)$

当T_N确定以后，就可以由公式(1)或者公式(2)求出参数b：

$b=\frac{V_N{T}_0-V_0{T}_N}{V_N-V_0}---\left(8\right)$

而当参数a和参数b全部确定以后，就可以通过公式(4)和公式(5)确定T_X的大小及其变化特征，最终，根据所述的定标方程计算传输网络特性：

$T_X=\frac{(T_H-T_C)(V_H+V_C)}{V_H-V_C}+\frac{2(T_C{V}_H-T_H{V}_C)}{V_H-V_C}-(T_H+T_C)---\left(9\right)$

这样定标过程就完成了。总之，通过定标，确定系统的噪声源温度T_N和传输网络特性T_X，评估这两个参数随着温度变化及其与微波辐射计工作状态的关系，最终通过实时确定的这两个参数及其各个定标源温度和输出电压值，获得观测目标的实时辐射亮温。

另外，按照微波辐射计的架设要求，L波段辐射计观测水面天底方向(位置0°)的面元直径约为2.6m，考虑到微波辐射计自身辐射的影响，为辐射计天线主瓣观测的有效起始角度约为28°，但是在这个角度，微波辐射计自身辐射仍可以进入到天线旁瓣的一个小的范围。而如果要求辐射计天线波束内完全没有辐射计自身的影响，就需要设置L波段入射角为约等于46°(如图5所示)，对应的水池长度为26m，宽度为8.8m。如果水池长度能够达到30m，那么设置L波段入射角可达到49°～50°。因此，进一步确定该L波段辐射计测量的理想角度在46°～49°。而在这个条件下对应的C波段的入射角最大可达60°，此时水池的尺寸对C波段的限制可以忽略。

关于外部热源温度的计算，目前采用物理温度的平均值。

关于冷空温度，对于L波段，目前取5K；对于C波段，目前取10K。可以根据当天的气候条件及其测量数据进行细分析。

微波辐射计在岸边测量过程中，天线在竖直面连续转动，这样除了可以观测下部的海水以外，还可以同时获得冷空和对于外部常温定标源的观测。结合内部的噪声源的观测，可以实现四点的定标。

由于微波辐射计采用同步的双极化测量体制，因此可以同时获得任何目标的测量值。另外，由于无雨大气的辐射是去极化的，也就是水平极化和垂直极化亮温是相同的，因此可以把这个信息作为垂直和水平极化通道定标方程的限定条件，进而可以确定大气的亮温。

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 (4)

1.一种用于微波辐射计四点定标的装置，其特征在于，包括：旋转台、外部定标热源、外部定标冷源和内部定标单元；所述的旋转台沿一竖直平面旋转，所述的外部热源和外部冷源固定于旋转台中心的两个方向上，分别用于提供外定标高温定标点和外定标低温定标点，所述的微波辐射计固定于旋转台上并随旋转台同步旋转，同时使得该微波辐射计的天线时刻指向旋转台的中心；所述的内部定标单元设置于微波辐射计内，其包括：匹配负载、耦合器和噪声源，所述的匹配负载输出的信号作为内定标低温定标点，所述的噪声源用于产生噪声，并通过耦合器将该噪声与匹配负载输出的信号耦合后作为内定标高温定标点。

2.根据权利要求1所述的用于微波辐射计四点定标的装置，其特征在于，所述的外部定标冷源采用宇宙微波背景辐射作为外定标低温定标点。

3.根据权利要求1所述的用于微波辐射计四点定标的装置，其特征在于，所述的旋转台包括：旋转架、工字形底座、三角支架和电机；所述的旋转架架设于两个三角支架之间，每个三角支架的底部均设有一工字形底座，用于支撑该三角支架，所述的微波辐射计架设于旋转架的一端，该旋转架通过电机驱动沿竖直平面旋转。

4.基于权利要求1-3之一所述用于微波辐射计四点定标的装置所实现的方法，其特征在于，包括：

步骤1)利用旋转台驱动微波辐射计沿逆时针方向旋转，并以天线在竖直向上的位置记为0°；

步骤2)当天线由150°旋转至130°时，控制微波辐射计接收机的开关切换至天线上，通过天线接收外部定标冷源在355°～5°范围内辐射的信号，并接收外部定标热源在85°～95°范围内辐射的信号；

步骤3)当天线由130°旋转至150°时，控制微波辐射计接收机的开关切换至内部定标单元上，通过微波辐射计接收机接收匹配负载在130°～140°范围内辐射的信号，并接收噪声源在140°～150°范围产生的经匹配负载耦合后辐射的信号；

步骤4)利用步骤2)～步骤4)接收到的四个信号建立定标方程：

T₀＝aV₀+b

T_N＝aV_N+b

T_H+T_X＝aV_H+b

T_C+T_X＝aV_C+b

其中，T_X表示传输网络特性，T₀表示匹配负载的温度，V₀表示微波辐射计接收机输出与T₀对应的电压，T_N表示耦合的噪声温度，V_N表示微波辐射计接收机输出与T_N对应的电压；T_H表示外部定标热源的温度，V_H表示微波辐射计接收机输出与T_H对应的电压，T_C表示外部定标冷源的温度，V_C表示微波辐射计接收机输出与T_C对应的电压；

最终，根据所述的定标方程计算传输网络特性：

$T_X=\frac{(T_H-T_C)(V_H+V_C)}{V_H-V_C}+\frac{2(T_C{V}_H-T_H{V}_C)}{V_H-V_C}-(T_H+T_C).$