CN108957377B - 一种全极化微波辐射计的定标装置及定标方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全极化微波辐射计的定标装置，用于全极化微波辐射计进行定标，对所述定标装置包括：非极化定标热源和非极化定标冷源，所述定标装置还包括极化定标源,所述极化定标源包括极化线栅和微波黑体，所述极化线栅覆盖在微波黑体上。本发明还提供了一种全极化微波辐射计的定标方法，所述方法包括：利用所述定标装置获得一组定标基准亮温；采用两点定标确定出水平和垂直通道的增益和偏移，获得水平通道亮温T_V和垂直通道亮温T_H；采用Y‑因子方法，利用辐射计系统噪声温度以及相关系数，实现全极化另外两个通道亮温T₃和T₄的定标。本发明的装置和方法能够使极化测量精度达到较高的要求，优于0.25K，以解决不同接收通道之间的耦合和幅度、相位不平衡问题。

Description

一种全极化微波辐射计的定标装置及定标方法

技术领域

本发明涉及微波辐射计领域，具体而言，涉及一种基于全极化微波辐射计的定标装置及方法。

背景技术

微波辐射计通过接收来自地物目标的电磁辐射或者反射进行探测，是一种被动微波遥感器。微波辐射计与红外及可见光遥感器相比，具有波长更长、穿透能力强的优势，并且能够全天时、全天候工作，特别适合于观测地球物理参数。微波辐射计在对地观测和日常生活中正发挥着越来越重要的作用。它不但能够应用于海洋环境监测、大气与气象观测、农业监测、地质探查和军事侦察等方面，还可以用于导弹的末端制导、射电天文、医疗病理研究等领域。微波辐射计可以进行幅相、极化和相干接收，可以进行灵活的信号处理，以获取更多的有用信息。与主动遥感器相比，微波辐射计具有功耗低、体积小、质量轻和工作稳定可靠等特点。

全极化微波辐射计是上世纪九十年代出现的一种被动微波遥感器，它在传统的双极化微波辐射计功率幅度测量的基础上，进一步测量了其相关信息。通过这些相关信息可以进一步获取目标表面微波辐射的各向异性特征，能够实现以下主要应用：

1)海洋应用：主要包括海面温度测量和海面风场测量；

2)气象应用：空气中水凝结物的分布方向；云的形成、分类；陆地海洋上降雨的区域、云相结构、降雨的空间变化等参数的信息；提高降雨测量的准确性；测量全球中间层温度廓线；测量上行亮温随不同地磁条件变化等。

3)陆地和海冰应用：包括土壤湿度、植被和作物生长情况、降雪与海冰分布与变化的测量等。

近年来，随着星载全极化微波辐射计WindSat、SMOS和Aquarius的成功发射，星载全极化微波辐射计的研究和应用进入了一个新的阶段。

为确定辐射计输出电压响应与天线口面输入电磁辐射的定量函数关系，通常采用两点定标法为双极化辐射计定标。两点定标时，选用两个微波辐射特性精确已知的参考噪声源作为微波辐射计定标源，利用两个定标源的输出响应确定辐射计输出电压与观测亮温之间的直线方程。两个定标源通常为高温源和低温源，而待测目标的亮温应该尽量在两个定标源亮温值之间，这样可以保证两点定标足够准确有效。

上述只能够对水平极化亮温值T_H和垂直极化亮温值T_V两个通道进行定标，不能满足全极化微波辐射计对T₃、T₄(stokes参数)两个相关通道的定标。全极化微波辐射计的极化测量精度要求很高(优于0.25K)，要求在轨进行极化定标，以解决不同接收通道之间的耦合和幅度、相位不平衡问题，确定极化测量的定标方程。为了实现全极化微波辐射计定标，需要特殊设计极化定标源。

发明内容

本发明的目的在于克服目前技术只能够对T_V、T_H两个通道进行定标，不能满足全极化微波辐射计对T₃、T₄两个相关通道的定标的问题，提出了一种全极化微波辐射计的定标装置及方法，能够使极化测量精度达到较高的要求(优于0.25K)，同时在轨进行极化定标，以解决不同接收通道之间的耦合和幅度、相位不平衡问题，确定极化测量的定标方程。

为了实现上述目的，本发明提出一种全极化微波辐射计的定标装置，用于进行全极化微波辐射计定标，所述定标装置包括：非极化定标热源和非极化定标冷源，还包括极化定标源，所述极化定标源包括极化线栅和微波黑体，所述极化线栅覆盖在微波黑体上。

作为上述装置的一种改进，所述非极化定标冷源装载在卫星上时，所述非极化定标冷源采用冷空反射镜。

作为上述装置的一种改进，所述非极化定标热源装载在卫星上时，所述非极化定标冷源采用发射率接近于1的角锥形的宽带高吸收材料。

作为上述装置的一种改进，所述非极化定标热源里设置热敏电阻和温度控制装置。

基于上述定标装置，本发明还提出了一种全极化微波辐射计的定标方法，所述方法包括：

所述全极化微波辐射计通过扫描非极化定标热源、非极化定标冷源、极化定标源获得一组定标基准亮温；采用两点定标确定出水平和垂直通道的增益和偏移，获得水平通道亮温T_V和垂直通道亮温T_H；采用Y-因子方法，利用辐射计系统噪声温度以及相关系数，实现全极化另外两个通道亮温T₃和T₄的定标。

作为上述方法的一种改进，所述方法具体包括以下步骤：

步骤1)在一个扫描周期之内，全极化微波辐射计天线和接收单元通过定标装置、非极化定标冷源、和非极化定标热源，获得定标热源温度测量值T_HOT值和相应的各个通道的输出电压测量值V_HOT、冷空温度值T_COLD和相应的各个通道的输出电压测量值V_COLD，以及垂直通道电压测量值V_V和水平通道电压测量值V_H；

步骤2)根据步骤1)的定标热源温度测量值T_HOT值和相应的各个通道输出电压测量值测量值V_HOT、冷空温度值T_COLD和相应的各个通道输出电压测量值V_COLD，采用两点定标方法，确定出相应通道的增益a和偏移b；

步骤3)根据步骤2)得到的通道增益a和通道偏移b，以及步骤1)得到的垂直通道响应V_V和水平通道响应V_H确定垂直通道响应的天线亮温值T_V和水平通道响应天线相应亮温T_H：

T_V＝a·V_V-b (3)

T_H＝a·V_H-b (4)

步骤4)使用全极化微波辐射计分别测量热源T_HOT和冷源T_COLD时的输出功率P₁和P₂的比值计算Y，输出功率P₁和P₂直接测量获得：

步骤5)根据步骤4)获得的Y值计算接收机噪声温度：

步骤6)根据步骤5)获得的接收机噪声温度，以及步骤3)获得的垂直通道响应的天线亮温值T_V和水平通道响应天线相应亮温T_H，确定垂直通道极化系统噪声温度T_v，sys和水平通道极化系统噪声温度T_H，sys：

T_v，sys＝T_v+T_rec (7)

T_H，sys＝T_H+T_rec (8)

步骤7)根据步骤6)获得的垂直极化通道系统温度噪声温度T_v，sys和水平极化通道系统温度噪声温度T_H，sys，利用实际测量获得的系数ρ₃，ρ₄，实现全极化量T₃和T₄的定标：

本发明的优点在于：

1、针对全极化微波辐射计定标装置及其定标问题提出了一种新的解决方案，即：利用非极化定标热源、非极化定标冷源(星载时可以采用冷空反射镜代替)、极化线栅+微波黑体的组合实现T_V、T_H、T₃和T₄全部4个stokes参数的定标；

2、这种方法在获得较好定标精度的同时极大的简化了全极化微波辐射计定标单元设备的复杂度，具有重要应用价值，尤其适合星载、机载等对全极化微波辐射计设备重量、体积、功耗和高精度定标精度要求的场景应用。

附图说明

图l为本发明的定标装置的极化定标源的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细的说明。

如图1所示，本发明提出一种新型全极化微波辐射计定标装置，所述定标装置为极化定标源，该极化定标源主要由极化线栅和微波黑体组成，极化线栅覆盖在微波黑体上，所述极化定标源与非极化定标热源和非极化定标冷源(星载时可以采用冷空反射镜代替)一起组合使用实现全极化微波辐射计定标。

使用时极化定标源与全极化微波辐射计的天线和接收单元之间存在周期性的相对运动，即一个扫描周期之内全极化微波辐射计的天线和接收单元依次经过非极化定标热源、非极化定标冷源、口面覆盖有极化线栅的极化定标源，产生一组定标基准亮温。

在观测目标时，全极化定标源在天线有效视场之外等待下一个周期的观测。考虑到全极化定标的实时性和控制系统的稳定性，应尽可能减少定标周期的长度和定标体旋转的角度，这样就可以保证在所述全极化微波辐射计系统的稳定周期内实现多点定标。星上应用时，2.73K的冷空可以替代非极化定标冷源，热源是发射率接近于1的角锥形的宽带高吸收材料。通过安装在各个定标源里面的热敏电阻实时记录热源温度。通过定标源温度控制装置实现非极化定标源的温度控制。

本发明采用数字相关型全极化微波辐射计接收辐射源经过极化光栅透射的电磁波。通过非极化冷源和热源，获得非极化通道增益等相关参量，从而实现非极化通道的定标。微波辐射计的输出电压V_OUT与输入亮温T_in的关系为：

V_OUT＝a(T_in+b)

其中，T_in为天线噪声温度，a表示通道增益，b表示通道偏移。

基于上述定标装置，本发明还提出了一种全极化微波辐射计的定标方法，所述方法包括：

1)根据定标热源温度测量值T_HOT值和相应的各个通道相应输出电压测量值V_HOT、冷空温度值T_COLD和相应的各个通道相应输出电压测量值V_COLD确定出各个通道的增益a和偏移b：

2)通过采用两点定标确定出a和b后，可以根据垂直通道响应V_V确定该通道的天线亮温值T_V：

T_V＝a·V_V-b (3)

同理，可以根据水平通道响应V_H确定响应的该通道的天线亮温值T_H：

T_H＝a·V_H-b (4)

进一步计算极化相关通道的亮温T₃和T₄。系统噪声温度在微波辐射计系统中起到很大作用。本装置的定标方法利用所谓的“Y-因子”方法计算接收机噪声温度。假设辐射计线性度足够好，用辐射计分别测量热源T_HOT和冷源T_COLD时的输出功率P₁和P₂的，根据比值计算Y：

在获得Y后，可以计算接收机的噪声温度T_rec：

根据天线温度和公式(7)得到的接收机噪声温度以及公式(4)和(5)得到的天线亮温，可以得到垂直水平极化系统噪声温度T_v，sys和水平极化系统噪声温度T_H，sys：

T_v，sys＝T_v+T_rec (7)

T_H，sys＝T_H+T_rec (8)

利用辐射计系统噪声温度以及相关系数，可以实现全极化量T₃和T₄的定标：

其中，ρ₃，ρ₄为相关系数由实际测量获得，本发明通过实验室进行了全极化微波辐射计的定标。全极化通道定标最重要的参数是对水平和垂直极化通道间相位的标定，实验给出本装置与现有的全极化定标源获得的相位误差小于1°。

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)

1.一种全极化微波辐射计的定标方法，基于一种全极化微波辐射计的定标装置，所述定标装置包括：非极化定标热源、非极化定标冷源和极化定标源,所述极化定标源包括极化线栅和微波黑体，所述极化线栅覆盖在微波黑体上；所述方法包括：

所述全极化微波辐射计通过扫描非极化定标热源、非极化定标冷源、极化定标源获得一组定标基准亮温；

采用两点定标确定出水平和垂直通道的增益和偏移，获得水平通道亮温和垂直通道亮温；

采用Y-因子方法，利用辐射计系统噪声温度以及相关系数，实现全极化另外两个通道亮温的定标；

所述方法包括以下步骤：

步骤1)在一个扫描周期之内，全极化微波辐射计天线和接收单元通过定标装置、非极化定标冷源、和非极化定标热源，获得定标热源温度测量值T_HOT值和相应的各个通道的输出电压测量值V_HOT、冷空温度值T_COLD和相应的各个通道的输出电压测量值V_COLD，以及垂直通道电压测量值V_V和水平通道电压测量值V_H；

步骤2)根据步骤1)的定标热源温度测量值T_HOT和相应的各个通道输出电压测量值V_HOT、冷空温度值T_COLD和相应的各个通道输出电压测量值V_COLD，采用两点定标方法，确定出相应通道的增益a和偏移b；

步骤3)根据步骤2)得到的通道增益a和通道偏移b，以及步骤1)得到的垂直通道电压测量值V_V和水平通道电压测量值V_H确定垂直通道响应的天线亮温值T_V和水平通道响应天线相应亮温T_H：

T_V＝a·V_V-b (3)

T_H＝a·V_H-b (4)

步骤4)使用全极化微波辐射计分别测量热源T_HOT和冷源T_COLD时的输出功率P₁和P₂的比值计算Y，输出功率P₁和P₂直接测量获得：

步骤5)根据步骤4)获得的Y值计算接收机噪声温度：

步骤6)根据步骤5)获得的接收机噪声温度，以及步骤3)获得的垂直通道响应的天线亮温值T_V和水平通道响应天线相应亮温T_H，确定垂直通道极化系统噪声温度T_v,sys和水平通道极化系统噪声温度T_H,sys：

T_v,sys＝T_v+T_rec (7)

T_H,sys＝T_H+T_rec (8)

步骤7)根据步骤6)获得的垂直通道极化系统噪声温度T_v,sys和水平通道极化系统噪声温度T_H,sys，利用实际测量获得的系数ρ₃，ρ₄，实现全极化量T₃和T₄的定标：

2.根据权利要求1所述的全极化微波辐射计的定标方法，其特征在于，所述非极化定标冷源装载在卫星上时，所述非极化定标冷源采用冷空反射镜。

3.根据权利要求1所述的全极化微波辐射计的定标方法，其特征在于，所述非极化定标热源装载在卫星上时，所述非极化定标热源采用发射率接近于1的角锥形的宽带高吸收材料。

4.根据权利要求1-3之一所述的全极化微波辐射计的定标方法，其特征在于，所述非极化定标热源里设置热敏电阻和温度控制装置。

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