CN106443828B - 一种微波辐射计背瓣的测量装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
一种微波辐射计背瓣的测量装置及测量方法，涉及微波辐射特性测量领域，实现了微波辐射计背瓣的定量分析。本发明包括底座；升降台；蓄电池；数据终端；微波辐射计包括分别与蓄电池和数据终端相连的微波辐射计接收机、与微波辐射计接收机相连且固定在底座上的微波辐射计天线，微波辐射计天线的开口竖直向上设置；固定在升降台上的液氮箱，液氮箱是一个充满液氮的多孔吸收材料箱；固定在升降台内侧的标尺，用于确定液氮箱与微波辐射计天线开口之间的距离；数据终端中安装有运行程序，用于控制升降台的升降高度和实时记录微波辐射计接收机的微波辐射测量数据。本发明结构简单、操作性强、成本低、普适性强、计算简单的优点。
Description
技术领域
本发明涉及微波辐射特性测量技术领域，具体涉及一种微波辐射计背瓣的测量装置及测量方法。
背景技术
微波波段(例如L波段、Ka波段、K波段)具有强穿透性，能够穿透植被或森林冠层探测到地表的土壤水分、积雪参数、冻土深度和冻融状态等参数，已成为被动微波遥感反演地表参数的主要波段。
微波辐射计是被动微波遥感系统中重要的组成部分，它通过天线接收各种物体的微波辐射信号。但是由于天线辐射效率或主波束效率的影响，微波辐射计接收的亮温往往包含周围干扰目标的影响，即旁瓣或背瓣造成真实目标辐射亮温的误判，特别是在微波辐射传输过程中造成辐射传输参数的差异，从而影响着被动微波遥感反演地表参数的精度。一直以来，在实际测量中往往忽略背瓣的影响，因此如何准确的定量分析微波辐射计背瓣的影响是提高被动微波遥感反演地表参数的关键。
发明内容
为了定量分析微波辐射计背瓣，本发明提供一种微波辐射计背瓣的测量装置及测量方法。
本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：
一种微波辐射计背瓣的测量装置，包括底座、固定在底座上的升降台、与升降台相连的蓄电池、与升降台相连的数据终端，还包括：
微波辐射计，包括分别与蓄电池和数据终端相连的微波辐射计接收机、与微波辐射计接收机相连且固定在底座上的微波辐射计天线，所述微波辐射计天线的开口竖直向上设置；
固定在升降台上的液氮箱，所述液氮箱是一个充满液氮的多孔吸收材料箱；
固定在升降台内侧的标尺，用于确定液氮箱与微波辐射计天线开口之间的距离；
所述数据终端中安装有运行程序，用于控制升降台的升降高度和实时记录微波辐射计接收机的微波辐射测量数据。
进一步的，所述数据终端采用计算机。
进一步的，所述微波辐射计，型号为JYR-Ka，频率为36.5GHz，带宽为400M。
进一步的，所述蓄电池，型号为SAIL-6-QA-195，额定电压为12V。
进一步的，所述标尺的刻度为0～100cm，精度为0.5cm。
本发明还提供了一种微波辐射计背瓣的测量方法，包括以下步骤：
步骤一、利用罗盘将测量装置调整水平，保证微波辐射计天线的开口竖直向；
步骤二、利用蓄电池为升降台和微波辐射计接收机供电，接通升降台电源，开始升降自检工作；
步骤三、接通微波辐射计接收机电源，开始微波辐射计的预热工作；
步骤四、为了避免旁瓣的影响，计算液氮箱与微波辐射计天线开口之间的最大距离h，h＝d/(2*tan(0.5*α))，d表示液氮箱的宽度，α表示微波辐射计的主波束角；
步骤五、打开数据终端，通过数据终端中的运行程序控制升降台的升降高度，使液氮箱与微波辐射计天线开口之间的距离为0，通过标尺进行确定；
步骤六、开启微波辐射计自动测量功能，在0～h距离范围内进行多次测量，通过数据终端实时记录微波辐射计接收机所测量的多个微波辐射亮温；
步骤七、根据微波辐射传输理论，所述微波辐射计接收机通过微波辐射计天线接收到的微波辐射亮温TB如式(1)所示：
TB＝η·TLN+(1-η)·TG (1)
式中，η表示微波辐射计天线的辐射效率，TLN表示液氮箱中液氮的物理温度，TG表示目标的辐射亮温，如式(2)所示：
TG＝es·TS (2)
式中，es为目标发射率，TS为目标物理温度；
步骤八、通过变换式(1)和式(2)得到微波辐射计天线的辐射效率η，如式(3)所示：
η＝(TB-es·TS)/(TLN–es·TS) (3)
则微波辐射计背瓣的大小如式(4)所示：
TBACK＝es·TS·(1-η) (4)。
本发明的有益效果是：
1、本发明的一种微波辐射计背瓣的测量装置结构简单、操作性强、成本低。
2、本发明的测量方法是将微波辐射计天线的开口垂直上向放置，通过数据终端中的运行程序控制升降台的高度，然后在一定的距离范围内通过数据终端接收目标辐射亮温，根据实测的目标辐射亮温和估算的目标发射率，并结合微波辐射传输理论就能够计算出微波辐射计背瓣的大小。与现有方法相比，本发明的测量方法具有操作容易、普适性强、计算简单的优点，是测量微波辐射计背瓣的有效方法。
3、微波辐射计天线的校准是提高微波辐射计精度的关键，本发明采用冷负载，即将微波辐射计天线对准一个充满液氮的多孔吸收材料箱即液氮箱，这种多孔吸收材料的反射系数很小，是一个良好的吸收体。
4、本发明的测量装置和测量方法可以有效的测量微波辐射计背瓣大小，从而为微波辐射传输参数的纠正奠定理论基础。
5、本发明的测量装置和测量方法适用于任何微波波段的微波辐射测量。
附图说明
图1为本发明的一种微波辐射计背瓣的测量装置的结构示意图。
图2为实测裸地冻土时微波辐射计天线的辐射效率随距离(指的是液氮箱与微波辐射计天线开口之间的距离)的变化曲线图。
图3为实测裸地冻土时微波辐射计背瓣随距离(指的是液氮箱与微波辐射计天线开口之间的距离)的变化曲线图。
图中：1、底座，2、升降台，3、液氮箱，4、微波辐射计接收机，5、微波辐射计天线，6、蓄电池，7、标尺，8、数据终端。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明的一种微波辐射计背瓣的测量装置，主要包括底座1、升降台2、液氮箱3、微波辐射计、蓄电池6、标尺7和数据终端8。
微波辐射计包括微波辐射计接收机4和微波辐射计天线5，微波辐射计接收机4和微波辐射计天线5相连。
底座1位于升降台2的下方，升降台2固定在底座1上，底座1主要用于承载微波辐射计天线5。
微波辐射计天线5固定在底座1上，并且其开口方向为竖直向上设置。
液氮箱3位于升降台2的上方，液氮箱3固定在升降台2上，液氮箱3是一个充满液氮的多孔吸收材料箱，这种多孔吸收材料的反射系数很小，是一个良好的吸收体。
蓄电池6分别与微波辐射计接收机4和升降台2相连，用于给微波辐射计接收机4和升降台2供电。
标尺7固定在升降台2内侧，用于确定液氮箱3与微波辐射计天线5开口之间的距离。
数据终端8分别与微波辐射计接收机4和升降台2相连。数据终端8采用计算机，计算机中安装有运行程序，用于控制升降台2的升降高度和实时记录微波辐射计接收机4的微波辐射测量数据。
通过数据终端8中的运行程序控制升降台2的升降高度，液氮箱3与微波辐射计天线5开口之间的距离由升降台2上的标尺7确定，在一定的距离(指的是液氮箱3与微波辐射计天线5开口之间的距离)范围内通过数据终端8接收目标的微波辐射亮温，根据实测的目标的微波辐射亮温和估算的目标发射率，并结合微波辐射传输理论就能够计算出微波辐射计背瓣的大小。
本实施方式中，升降台2的负载为100kg。
本实施方式中，液氮箱3的尺寸为长*宽*高＝20cm*20cm*20cm。
本实施方式中，微波辐射计，型号为JYR-Ka，频率为36.5GHz，带宽为400M。
本实施方式中，蓄电池6，型号为SAIL-6-QA-195，额定电压为12V。
本实施方式中，标尺7的刻度为0～100cm，精度为0.5cm。
本发明的一种微波辐射计背瓣的测量方法，是基于上述的微波辐射计背瓣的测量装置实现的，其具体过程如下：
步骤一、按照图1所示，安装好本发明的微波辐射计背瓣的测量装置。
步骤二、利用罗盘将底座1、升降台2、液氮箱3、微波辐射计天线5调整水平，同时保证微波辐射计天线5的开口方向为竖直向上设置。
步骤三、通过蓄电池6为升降台2和微波辐射计接收机4供电，接通升降台2电源，开始升降台2的升降自检工作。
步骤四、接通微波辐射计接收机4电源，开始微波辐射计的预热工作。
步骤五、计算限定高度h(指的是液氮箱3与微波辐射计天线5开口之间的最大距离)，h＝d/(2*tan(0.5*α))，d表示液氮箱3的宽度，α表示微波辐射计的主波束角。
步骤六、打开数据终端8，进行升降台2高度的调整，即调整液氮箱3与微波辐射计天线5开口之间的距离为0cm，此距离可以通过升降台2上的标尺7进行确定。
步骤七、开启微波辐射计自动测量功能，在0～h距离范围内进行多次微波辐射测量，通过数据终端8实时记录微波辐射计接收机4所测量的多个微波辐射亮温。
步骤八、根据微波辐射传输理论，微波辐射计接收机4通过微波辐射计天线5接收到的微波辐射亮温TB由三部分构成，可以表示为：
TB＝η·TLN+(1-η)·TG (1)
式中，η表示微波辐射计天线5的辐射效率，TLN表示液氮箱3中液氮的物理温度，TG表示目标的辐射亮温，可以表示为：
TG＝es·TS (2)
式中，es为目标发射率，TS为目标物理温度。
变换式(1)和式(2)就可以得到微波辐射计天线5的辐射效率η：
η＝(TB-es·TS)/(TLN–es·TS) (3)
那么微波辐射计背瓣的大小可以表示为：
TBACK＝es·TS·(1-η) (4)。
微波辐射亮温TB为一系列值，是通过微波辐射计测得的，通过测得的TB计算出微波辐射计天线5的辐射效率η，然后再计算出微波辐射计背瓣TBACK。
具体实施方式一
利用本发明的测量装置和测量方法，以Ka波段双极化微波辐射计为例，测量裸地冻土的背瓣大小。假设液氮箱3的宽度d为20cm，微波辐射计的主波束角α为15°，则利用h＝d/(2*tan(0.5*α))计算限定高度h为75cm，即液氮箱3与微波辐射计天线5开口之间的距离不能超过75cm。调整液氮箱3与微波辐射计天线5开口之间的距离为0cm，开启微波辐射计自动测量功能，最终选择0～25cm距离范围内实现以5cm为间隔的不同高度的微波辐射测量。通过数据终端8实时记录微波辐射计接收机4的微波辐射测量数据。测量时在液氮箱3中浸泡黑体，则液氮的物理温度TLN为80K，裸地冻土发射率es为0.95，裸地冻土物理温度TS为270K，则裸地冻土的辐射亮温TG＝es·TS＝256.5K，那么推导出微波辐射计天线5的辐射效率η＝(TB-es·TS)/(TLN–es·TS)＝(256.5-TB)/176.5，继续推导得出微波辐射计背瓣TBACK＝es·TS·(1-η)＝256.5(1-η)＝256.5(1-(256.5-TB)/176.5)，则给出TB，就能计算出相对应的微波辐射计背瓣大小。各数据如下表所示：
表一：H极化
| h | 0cm | 5cm | 10cm | 15cm | 20cm | 25cm |
| T<sub>B</sub> | 80.00K | 80.11K | 80.23K | 82.78K | 85.32K | 88.92K |
| T<sub>BACK</sub> | 0.00 | 0.16K | 0.34K | 4.04K | 7.74K | 12.97K |
表二：V极化
| h | 0cm | 5cm | 10cm | 15cm | 20cm | 25cm |
| T<sub>B</sub> | 80.00K | 80.22K | 81.04K | 82.74K | 84.73K | 88.02K |
| T<sub>BACK</sub> | 0.00 | 0.32K | 1.44K | 3.99K | 6.88K | 11.65K |
通过图2可知，实测裸地冻土时，随着液氮箱3与微波辐射计天线5开口之间的距离h的增大，微波辐射计天线5的辐射效率η越来越小，变化幅度很小。
通过图3可知，实测裸地冻土时，随着液氮箱3与微波辐射计天线5开口之间的距离h的增大，微波辐射计背瓣TBACK越来越大，变化幅度很大。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种微波辐射计背瓣的测量方法，其特征在于，所采用的微波辐射计背瓣的测量装置，包括底座(1)、固定在底座(1)上的升降台(2)、与升降台(2)相连的蓄电池(6)、与升降台(2)相连的数据终端(8)，其特征在于，还包括：
微波辐射计，包括分别与蓄电池(6)和数据终端(8)相连的微波辐射计接收机(4)、与微波辐射计接收机(4)相连且固定在底座(1)上的微波辐射计天线(5)，所述微波辐射计天线(5)的开口竖直向上设置；
固定在升降台(2)上的液氮箱(3)，所述液氮箱(3)是一个充满液氮的多孔吸收材料箱；
固定在升降台(2)内侧的标尺(7)，用于确定液氮箱(3)与微波辐射计天线(5)开口之间的距离；
所述数据终端(8)中安装有运行程序，用于控制升降台(2)的升降高度和实时记录微波辐射计接收机(4)的微波辐射测量数据；
该测量方法，包括以下步骤：
步骤一、利用罗盘将测量装置调整水平，保证微波辐射计天线(5)的开口竖直向；
步骤二、利用蓄电池(6)为升降台(2)和微波辐射计接收机(4)供电，接通升降台(2)电源，开始升降自检工作；
步骤三、接通微波辐射计接收机(4)电源，开始微波辐射计的预热工作；
步骤四、计算液氮箱(3)与微波辐射计天线(5)开口之间的最大距离h，h＝d/(2*tan(0.5*α))，d表示液氮箱(3)的宽度，α表示微波辐射计的主波束角；
步骤五、打开数据终端(8)，通过数据终端(8)中的运行程序控制升降台(2)的升降高度，使液氮箱(3)与微波辐射计天线(5)开口之间的距离为0，通过标尺(7)进行确定；
步骤六、开启微波辐射计自动测量功能，在0～h距离范围内进行多次测量，通过数据终端(8)实时记录微波辐射计接收机(4)所测量的多个微波辐射亮温；
步骤七、根据微波辐射传输理论，所述微波辐射计接收机(4)通过微波辐射计天线(5)接收到的微波辐射亮温TB如式(1)所示：
TB＝η·TLN+(1-η)·TG (1)
式中，η表示微波辐射计天线(5)的辐射效率，TLN表示液氮箱(3)中液氮的物理温度，TG表示目标的辐射亮温，如式(2)所示：
TG＝es·TS (2)
式中，es为目标发射率，TS为目标物理温度；
步骤八、通过变换式(1)和式(2)得到微波辐射计天线(5)的辐射效率η，如式(3)所示：
η＝(TB-es·TS)/(TLN–es·TS) (3)
则微波辐射计背瓣的大小如式(4)所示：
TBACK＝es·TS·(1-η) (4)。
2.根据权利要求1所述的一种微波辐射计背瓣的测量方法，其特征在于，所述数据终端(8)采用计算机。
3.根据权利要求1所述的一种微波辐射计背瓣的测量方法，其特征在于，所述微波辐射计，型号为JYR-Ka，频率为36.5GHz，带宽为400M。
4.根据权利要求1所述的一种微波辐射计背瓣的测量方法，其特征在于，所述蓄电池(6)，型号为SAIL-6-QA-195，额定电压为12V。
5.根据权利要求1所述的一种微波辐射计背瓣的测量方法，其特征在于，所述标尺(7)的刻度为0～100cm，精度为0.5cm。
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