CN110346385B - 一种大气不透明度测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种大气不透明度测试方法，该方法涉及的装置是由接收机、固定架、俯仰旋转轴、座架、常温黑体、高温黑体、常温黑体旋转轴、高温黑体旋转轴组成，首先记录当前接收机波束仰角值及该仰角下接收机对向冷空的辐射强度，之后在接收机馈源口面交替引入常温黑体和高温黑体，分别记录接收机对应的辐射强度，以此测算出接收机强度及温度的响应比率和接收机等效的噪声温度，再结合环境温度和Bevis经验模型计算出等效的大气平均温度，最终利用上述数据计算出该波段当前对应的大气不透明度。该方法不需要为数据拟合而进行多仰角俯仰扫描测试，可在接收机波束方向处于0‑90度之间任意仰角下直接进行大气不透明度测试，尤其适用于射电天文毫米波强度校准工程应用，使强度校准效率及实时性有了明显提升。

Description

一种大气不透明度测试方法
技术领域
本发明涉及一种大气不透明度测试方法，尤其是一种在毫米波接收机强度校准中对大气不透明度进行实时、快速的测试方法，专门用于大气不透明度工程测量。
背景技术
在射电天文观测中，强度校准的目的是将接收设备对天文观测源的响应转换为天文意义上的流量。在常用的射电天文强度校准方法中，厘米波校准主要使用噪声注入模式，就是将一个标准噪声信号在馈源和极化器之后注入到接收机内部进行校准。由于毫米波微波器件的小型化导致噪声注入模式不易实现，加之注入模式可能引入噪声，因此BTL(BellTelephone Laboratory)最早提出使用斩波轮技术进行毫米波校准，就是在馈源口面交替放置或者移除常温黑体进行校准，使接收机交替测试冷空及常温黑体的辐射强度，以此建立温度标尺。除此之外，在毫米波观测中，强度校准还需要考虑天线效率和大气影响。天线效率包括衍射损耗、反射损耗(欧姆损耗、遮挡、误差波束响应)和照射损耗，因为它们都会以不同方式影响校准；而大气影响是由于大气的水汽(H2O)和氧分子(O2)会衰减天文信号并引入噪声。因此，毫米波强度校准最终得到是修正了大气衰减、辐射损耗、后向散射和溢出的射电源的等效温度；最后，根据科学观测需求的不同，再将射电源的等效温度转换为绝对亮温TR*、主波束亮温度TMB或者流量密度SV以完成最终的校准.
在高频射电波段，尤其是在毫米波和亚毫米波段观测中，地球大气对来自宇宙的电磁辐射会产生显著的吸收，研究大气吸收对从事毫米波射电天文观测来说非常必要。任何一个毫米波观测站，都需要在特定频率处测定大气不透明度及其随时间的变化，从大气不透明度的测量数据出发，借助于大气模型，决定大气的水汽含量，由此外推其它毫米波和亚毫米波段大气的不透明度，研究各个波段大气对毫米波与亚毫米波观测的影响。在毫米波射电天文观测中，实时获取不透明度数据也能准确地修正大气吸收效应，克服大气变化因素，从而实现高精度的强度校准。另外，大气不透明度也可用来定量评价观测地点作为毫米波与亚毫米波观测台址的优劣。
国际已有较多工作在毫米波及亚毫米波段的单天线和综合孔径千涉阵地面设备，例如在夏威夷国际天文台的JCMT望远镜、CSO望远镜和SMA亚毫米波干涉阵，另有在智利Atacama高原建设的64*12米的ALMA亚毫米波干涉阵等，上述观测台站均在前期对台址的大气不透明度进行了长时间测量，并在正式观测中用于精确的强度校准。
中国科学院紫金山天文台是国内最早开展毫米波观测的科研院所。在开展毫米波观测前，紫台预先研制出97.8GHz辐射计，专门用于在南京市区内开展该频段的大气不透明度测量，由于大气在电磁波段的不透明度是大气对流层中的水分子(水汽)、氧分子和其他一些分子对电磁波的吸收引起的，而在97.8GHz处大气不透明度的主要来源是对流层水汽的吸收，因此，该测量的不透明度可用来直接反应大气内水汽的含量，用以实时校准大气吸收，详见论文《在97.8GHz处测量地球大气的不透明度》。之后，紫金山天文台继续将该大气不透明度的测试方法应用492GHz亚毫米波段，并在青海德令哈观测站开展过相关的实测，详见论文《大气492GHz亚毫米波不透明度的测试》。之后，紫金山天文台继续用该方法在460GHz亚毫米波段开展大气不透明度测试，并在西藏羊八井观测站开展相关实测，详见论文《羊八井460GHz大气不透明度的测量》。在上述文章提及的大气不透明度测试方法中，由于系统无法直接测试获得接收机强度及温度的响应比率、接收机噪声温度以及大气平均温度，则在0-90度仰角范围内采取多仰角扫描方式获取多个仰角下的冷空辐射值，然后采取非线性最小二乘拟合的方法，得出一组仰角及对应冷空辐射强度数据内大气不透明度的一般情况。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种大气不透明度测试方法，该方法涉及的装置是由接收机、固定架、俯仰旋转轴、座架、常温黑体、高温黑体、常温黑体旋转轴、高温黑体旋转轴组成，首先记录当前接收机波束仰角值及该仰角下接收机对向冷空的辐射强度，之后在接收机馈源口面交替引入常温黑体和高温黑体，分别记录接收机对应的辐射强度，以此测算出接收机强度及温度的响应比率和接收机等效的噪声温度，再结合环境温度和Bevis经验模型计算出等效的大气平均温度，最终便可利用上述数据计算出该波段当前对应的大气不透明度。该方法不需要为数据拟合而进行多仰角俯仰扫描测试，可在接收机波束方向处于0-90度之间任意仰角下直接进行大气不透明度测试，尤其适用于射电天文毫米波强度校准工程应用，使强度校准效率及实时性有了明显提升。
本发明所述的一种大气不透明度测试方法，该方法涉及的装置是由接收机、固定架、俯仰旋转轴、座架、常温黑体、高温黑体、常温黑体旋转轴、高温黑体旋转轴组成，接收机(1)与固定架(2)相连，固定架(2)通过俯仰旋转轴(3)固定于座架(4)上，常温黑体旋转轴(7)一端固定常温黑体(5)，常温黑体旋转轴(7)的另一端固定在固定架(2)的左侧，高温黑体旋转轴(8)的一端固定高温黑体(6)，高温黑体旋转轴(8)的另一端固定在固定架(2)的右侧，具体操作按下列步骤进行：
a、记录当前接收机(1)波束方向的仰角值及该仰角下接收机(1)波束对向冷空的辐射强度，其中仰角值为0-90度之间；
b、旋转常温黑体旋转轴(7)，将常温黑体(5)移动至接收机(1)的馈源口面，记录常温黑体(5)温度及接收机(1)对应输出的辐射强度；
c、旋转常温黑体旋转轴(7)，将常温黑体(5)从接收机(1)的馈源口面移回原位，旋转高温黑体旋转轴(8)，将高温黑体(6)移动至接收机(1)的馈源口面，记录高温黑体(6)温度及接收机(1)对应输出的辐射强度，以此测算出接收机(1)强度及温度的响应比率和接收机(1)等效的噪声温度；
d、结合常温黑体(5)温度值计算出等效的大气平温度值，旋转高温黑体旋转轴(8)，将高温黑体(6)从接收机(1)馈源口面移回原位；
e、结合步骤a、步骤b、步骤c和步骤d测算出的仰角值、接收机(1)强度及温度响应比率、接收机(1)噪声温度及大气平均温度，以此计算出该波段当前对应的大气不透明度值。
本发明所述的一种大气不透明度测试方法，该方法中：
所述的接收机(1)由馈源、正交模耦合器、波导同轴转换器及低噪声放大器、混频器组成，各部件依次序相互级联，经混频器最终输出的中频信号由功率计直接进行总功率采集；接收机(1)的馈源法兰下部与固定架(2)用螺丝固定连接，使得在改变接收机(1)及其波束方向时二者保持统一姿态；
所述的固定架(2)、俯仰旋转轴(3)和座架(4)，主要用于在空间固定支撑接收机(1)，也便于在0-90度仰角范围内自由调整接收机(1)的波束方向；
所述的常温黑体(5)为商用平板型吸波材料，结合常温黑体旋转轴(7)主要用于在接收机(1)馈源口面引入或者移除测试所需的常温黑体(11)，以获得常温黑体(5)温度及接收机(1)对应输出的辐射强度；
所述的高温黑体(7)为商用平板型吸波材料，并由加热板加热至150摄氏度，结合高温黑体旋转轴(8)主要用于在接收机(1)馈源口面引入或者移除测试所需的高温黑体(7)，以获得高温黑体(8)温度及接收机(1)对应输出的辐射强度；
与现有技术大气不透明度测试方法相比，本发明在实施过程中不需要花费更多时间在0-90度仰角范围内采取多仰角扫描方式获取不同仰角下的冷空辐射值、采取非线性最小二乘拟合大气不透明度值，仅需测试常温黑体和高温黑体温度值及的对应接收机的强度输出，便可获得接收机强度及温度响应比率g(公式1)：
Figure BDA0002167826970000031
其中，常温黑体负载温度为Tamb，热高温黑体负载温度为Thot，常温黑体负载强度输出Vamb，高温黑体负载强度输出Vhot，还可以根据公式2计算出接收机等效的噪声温度Trec：
Figure BDA0002167826970000032
根据公式3(Bevis经验模型)便可以得到大气平均温度Tatm，
Tatm＝70.2+0.72Tamb (3)
再通过测试当前仰角值el及该仰角对应的接收机指向冷空时的强度输出Vsky，根据公式4，便可直接计算出该波段对应的大气不透明度值τ；
Figure BDA0002167826970000041
本发明所述的一种大气不透明度测试方法，该方法的优点在于，可以在接收机波束处于0-90度任意仰角下直接进行大气不透明度测试，尤其适用于射电天文毫米波强度校准工程应用，使强度校准效率及实时性有了明显提升。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图；
图2为本发明常温黑体校准接收机时示意图；
图3为本发明高温黑体校准接收机时示意图。
具体实施方式
实施例
本发明所述的一种大气不透明度测试方法，该方法涉及的装置是由接收机、固定架、俯仰旋转轴、座架、常温黑体、高温黑体、常温黑体旋转轴、高温黑体旋转轴组成，接收机1与固定架2相连，固定架2通过俯仰旋转轴3固定于座架4上，常温黑体旋转轴7一端固定常温黑体5，常温黑体旋转轴7的另一端固定在固定架2的左侧，高温黑体旋转轴8的一端固定高温黑体6，高温黑体旋转轴8的另一端固定在固定架2的右侧，具体操作按下列步骤进行：
a、记录当前接收机1波束方向的仰角值为0-90度之间及该仰角下接收机1波束对向冷空的辐射强度，如图1所示；
b、旋转常温黑体旋转轴7，将常温黑体5移动至接收机1的馈源口面，如图2所示，记录常温黑体5温度及接收机1对应输出的辐射强度；
c、旋转常温黑体旋转轴7，将常温黑体5从接收机1的馈源口面移回原位，旋转高温黑体旋转轴8，将高温黑体6移动至接收机1的馈源口面，如图3所示，记录高温黑体6温度及接收机1对应输出的辐射强度，以此测算出该接收机1强度及温度的响应比率和接收机1等效的噪声温度；
d、结合常温黑体5温度值计算出等效的大气平温度值，旋转高温黑体旋转轴8，将高温黑体6从接收机1馈源口面移回原位；
e、结合步骤a、步骤b、步骤c和步骤d测算出的仰角值、接收机1强度及温度响应比率、接收机1噪声温度及大气平均温度，以此计算出该波段当前对应的大气不透明度值。

Claims (1)

1.一种大气不透明度测试方法，其特征在于该方法涉及的装置是由接收机、固定架、俯仰旋转轴、座架、常温黑体、高温黑体、常温黑体旋转轴、高温黑体旋转轴组成，接收机（1）与固定架（2）相连，固定架（2）通过俯仰旋转轴（3）固定于座架（4）上，常温黑体旋转轴（7）一端固定常温黑体（5），常温黑体旋转轴（7）的另一端固定在固定架（2）的左侧，高温黑体旋转轴（8）的一端固定高温黑体（6），高温黑体旋转轴（8）的另一端固定在固定架（2）的右侧，具体操作按下列步骤进行：
a、记录当前接收机（1）波束方向的仰角值及该仰角下接收机（1）波束对向冷空的辐射强度，其中仰角值为0-90度之间；
b、旋转常温黑体旋转轴（7），将常温黑体（5）移动至接收机（1）的馈源口面，记录常温黑体（5）温度及接收机（1）对应输出的辐射强度；
c、旋转常温黑体旋转轴（7），将常温黑体（5）从接收机（1）的馈源口面移回原位，旋转高温黑体旋转轴（8），将高温黑体（6）移动至接收机（1）的馈源口面，记录高温黑体（6）温度及接收机（1）对应输出的辐射强度，以此测算出接收机（1）强度及温度的响应比率和接收机（1）等效的噪声温度；
d、结合常温黑体（5）温度值计算出等效的大气平温度值，旋转高温黑体旋转轴（8），将高温黑体（6）从接收机（1）馈源口面移回原位；
e、结合步骤a、步骤b、步骤c和步骤d测算出的仰角值、接收机（1）强度及温度响应比率、接收机（1）噪声温度及大气平均温度，以此计算出该波段当前对应的大气不透明度值。
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