CN111948617B - 一种反射面天线微波发射率测试方法及其测试系统 - Google Patents

一种反射面天线微波发射率测试方法及其测试系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及航天微波无源遥感辐射计技术领域，提供了一种反射面天线微波发射率测试方法及其测试系统，其方法包括：通过反射面天线接收天空辐射信号；通过喇叭天线，将反射面天线接收的天空辐射信号与反射面天线自身的天线热辐射信号收集起来；通过微波辐射计，将喇叭天线收集的辐射信号转换成电压信号；通过数据采集单元，采集微波辐射计输出的电压以及反射面天线的温度数据；改变反射面天线的物理温度，采集在不同物理温度下的微波辐射计的输出电压，根据微波遥感理论推算得到反射面天线的微波发射率。基于被动微波遥感理论，通过改变反射面天线物理温度，测量微波辐射计输出变化，间接测试反射面天线发射率。

Description

一种反射面天线微波发射率测试方法及其测试系统
技术领域
本发明涉及航天微波无源遥感辐射计技术领域，尤其涉及一种反射面天线微波发射率测试方法及其测试系统。
背景技术
随着对微波辐射计系统高精度定量化应用需求不断提高，需精确确定影响微波辐射计定标精度的各个因素，其中反射面天线发射率是影响定标精度的主要因素。对于非天线口面全路径定标的微波辐射计，反射面天线发射率精确测定尤其重要。大多数微波辐射计反射面天线表面为金属铝，因金属铝在微波频段发射率较低，难以在地面进行准确测试，因此目前星载微波辐射计通过卫星在轨激动方式间接测试反射面天线发射率，该方法有以下局限性：
(1)卫星机动角度要能够满足对地观测角度完全对冷空进行观测，因此卫星设计难度增加。
(2)应选在阴影区进行卫星在轨机动，避免太阳辐射对微波辐射计的影响；
(3)当影响定标精度的其他变量在轨发生变化时，该方法不能真实反映反射面天线发射率。
发明内容
针对上述问题，为提高星载微波辐射计定标精度，降低卫星设计难度，本发明的目的在于提供一种反射面天线微波发射率测试方法及其测试系统，可以通过改变反射面天线物理温度，测量微波辐射计输出变化，间接测试反射面天线发射率。
本发明的上述发明目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种反射面天线微波发射率测试方法，包括以下步骤：
通过反射面天线接收天空辐射信号；
通过喇叭天线，将所述反射面天线接收的所述天空辐射信号与所述反射面天线自身的天线热辐射信号收集起来；
通过微波辐射计，将所述喇叭天线收集的辐射信号转换成电压信号；
通过数据采集单元，采集所述微波辐射计输出的电压以及所述反射面天线的温度数据；
改变所述反射面天线的物理温度，采集在不同物理温度下的所述微波辐射计的输出电压，根据微波遥感理论推算得到所述反射面天线的微波发射率。
进一步地，改变所述反射面天线的物理温度，采集在不同物理温度下的所述微波辐射计的输出电压，根据微波遥感理论推算得到所述反射面天线的微波发射率，具体为：
(1)测量所述反射面天线的物理温度为TP1时，所述数据采集单元采集到的所述微波辐射计的输出电压V1，根据微波遥感理论得到：
V1＝KGB(T1+Tsys)
T1＝n[(1-ε)TSKY+εTP1]+(1-n)TSKY
其中，K为波尔兹曼常数；
G为所述微波辐射计各通道链路净增益，是所述微波辐射计的固有参数；
B为所述微波辐射计各通道带宽，单位Hz，是所述微波辐射计固有参数；
T1为所述喇叭天线接收到的辐射亮温，单位K；
Tsys为所述微波辐射计噪声温度，单位K；
n为所述反射面天线的截获效率，定义为所述反射面天线所截获能量占所述喇叭天线辐射能量之比；
TSKY为天空辐射亮温，单位K；
ε为所述反射面天线的微波发射率；
(2)测量所述反射面天线的物理温度为TP2时，所述数据采集单元采集到的所述微波辐射计的输出电压V2，根据微波遥感理论得到：
V2＝KGB(T2+Tsys)
T2＝n[(1-ε)TSKY+εTP2]+(1-n)TSKY
(3)根据上述测试数据，得到所述反射面天线的微波发射率为：
进一步地，通过金属斗，屏蔽除所述天空辐射信号之外的其他场景辐射。
本发明还提供了一种应用上述的反射面天线微波发射率测试方法进行测试的反射面天线微波发射率测试系统，包括：反射面天线、喇叭天线、微波辐射计、数据采集单元；
所述反射面天线，用于接收天空辐射信号；
所述喇叭天线，用于收集所述反射面天线接收的所述天空辐射信号与所述反射面天线自身的天线热辐射信号；
所述微波辐射计，用于将所述喇叭天线收集的辐射信号转换成电压信号；
所述数据采集单元，用于采集所述微波辐射计输出的电压以及所述反射面天线的温度数据，进而通过采集的不同物理温度下的所述微波辐射计的输出电压，依据上述测试方法中提出的反射面天线的微波发射率的计算过程，根据微波遥感理论推算得到所述反射面天线的微波发射率。
进一步地，反射面天线微波发射率测试系统，还包括：金属斗、反射面天线加热单元、供电单元；
所述金属斗，用于屏蔽除所述天空辐射信号之外的其他场景的辐射信号；
所述反射面天线加热单元，用于对所述反射面天线进行加热，改变所述反射面天线的物理温度，从而改变所述反射面天线自身的天线热辐射；
所述供电单元，用于对所述微波辐射计和所述反射面天线加热单元进行供电。
进一步地，所述金属斗采用包括铝在内的高反射率、低发射率的材料。
进一步地，所述喇叭天线与所述反射面天线的距离依据所述喇叭天线辐射方向图和所述反射面天线的口径确定，依据为所述反射面天线截获效率n大于等于0.99。
进一步地，所述微波辐射计在测量过程中保存自身温度不变。
进一步地，所述供电单元给所述微波辐射计提供纹波电压小于15mV的供电电压，同时为所述反射面加热单元提供供电电压。
进一步地，在同一时刻同时采集所述反射面天线的物理温度、所述微波辐射计的物理温度，以及所述微波辐射计的输出电压。
与现有技术相比，本发明包括以下至少一种有益效果是：
(1)基于被动微波遥感理论，通过改变反射面天线物理温度，测量微波辐射计输出变化，间接测试反射面天线发射率。可解决被动微波辐射计反射面天线发射率测试难题，提高星载辐射计在轨定标精度。且本发明具有一定的通用性，可广泛应用于各类星载微波辐射计反射面天线发射率的测试。
(2)本发明的反射面天线微波发射率测试方法及测试系统，能够在地面测试反射面天线在微波频段的天线发射率。
(3)本发明的微波辐射计是高灵敏度接收机，因此发射率测试精度更高。
(4)本发明利用微波遥感理论测试反射面天线发射率，测试数据更接近实际应用场景。
(5)本发明中的微波辐射计可以是多个频率，多个通道的，因此测试频率覆盖范围宽，具有较好的推广和应用价值。
附图说明
图1为本发明反射面天线微波发射率测试方法的整体流程图；
图2为本发明反射面天线微波反射率测试的原理图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。
第一实施例
如图1的流程图和图2的原理图所示，本实施例提供了一种反射面天线微波发射率测试方法，包括以下步骤：
S1：通过反射面天线接收天空辐射信号。
S2：通过喇叭天线，将所述反射面天线接收的所述天空辐射信号与所述反射面天线自身的天线热辐射信号收集起来。
S3：通过微波辐射计，将所述喇叭天线收集的辐射信号转换成电压信号。
S4：通过数据采集单元，采集所述微波辐射计输出的电压以及所述反射面天线的温度数据。
S5：改变所述反射面天线的物理温度，采集在不同物理温度下的所述微波辐射计的输出电压，根据微波遥感理论推算得到所述反射面天线的微波发射率，具体的微波发射率的计算过程为：
(1)测量所述反射面天线的物理温度为TP1时，所述数据采集单元采集到的所述微波辐射计的输出电压V1，根据微波遥感理论得到：
V1＝KGB(T1+Tsys)
T1＝n[(1-ε)TSKY+εTP1]+(1-n)TSKY
其中，K为波尔兹曼常数，在本实施例中为1.38*10-23J/K；
G为所述微波辐射计各通道链路净增益，是所述微波辐射计的固有参数；
B为所述微波辐射计各通道带宽，单位Hz，是所述微波辐射计固有参数；
T1为所述喇叭天线接收到的辐射亮温，单位K；
Tsys为所述微波辐射计噪声温度，单位K；
n为所述反射面天线的截获效率，定义为所述反射面天线所截获能量占所述喇叭天线辐射能量之比；
TSKY为天空辐射亮温，单位K；
ε为所述反射面天线的微波发射率；
(4)测量所述反射面天线的物理温度为TP2时，所述数据采集单元采集到的所述微波辐射计的输出电压V2，根据微波遥感理论得到：
V2＝KGB(T2+Tsys)
T2＝n[(1-ε)TSKY+εTP2]+(1-n)TSKY
(5)根据上述测试数据，得到所述反射面天线的微波发射率为：
进一步地，通过金属斗，屏蔽除所述天空辐射信号之外的其他场景辐射。金属斗的材料为高反射率、低发射率的材料。在本实施例中，金属斗的材料选择铝。
第二实施例
本实施例依据第一实施例中的反射面天线微波发射率测试方法，提出了一种反射面天线微波发射率测试系统，依据第一实施例中提出的方法进行测试，包括：反射面天线、喇叭天线、微波辐射计、数据采集单元；
所述反射面天线，用于接收天空辐射信号；
所述喇叭天线，用于收集所述反射面天线接收的所述天空辐射信号与所述反射面天线自身的天线热辐射信号；
所述微波辐射计，用于将所述喇叭天线收集的辐射信号转换成电压信号；
所述数据采集单元，用于采集所述微波辐射计输出的电压以及所述反射面天线的温度数据，进而通过采集的不同物理温度下的所述微波辐射计的输出电压，根据微波遥感理论推算得到所述反射面天线的微波发射率。
进一步的，系统还包括：金属斗、反射面天线加热单元、供电单元；
所述金属斗，用于屏蔽除所述天空辐射信号之外的其他场景的辐射信号；
所述反射面天线加热单元，用于对所述反射面天线进行加热，改变所述反射面天线的物理温度，从而改变所述反射面天线自身的天线热辐射；
所述供电单元，用于对所述微波辐射计和所述反射面天线加热单元进行供电。
进一步的，所述金属斗采用包括铝在内的高反射率、低发射率的材料。但是需要说明的是，本实施例中的铝只是一种举例，还可以使用其他的任意一种高反射率、低发射率的材料制作而成，本发明不做任何限制。
进一步地，所述喇叭天线与所述反射面天线的距离依据所述喇叭天线辐射方向图和所述反射面天线的口径确定，依据为所述反射面天线截获效率n大于等于0.99。具体地，可以设计电磁仿真软件来进行确定。
进一步地，所述微波辐射计在执行第一实施例中的整个测量过程中保存自身温度不变。且微波辐射计的探测灵敏度高。
进一步地，所述供电单元给所述微波辐射计提供纹波电压小于15mV的供电电压，同时为所述反射面加热单元提供供电电压。
进一步地，在同一时刻同时采集所述反射面天线的物理温度、所述微波辐射计的物理温度，以及所述微波辐射计的输出电压。
第三实施例
本实施例给出了使用第一实施例中的测试方法，以及第二实施例中的测试系统进行测试的具体的测试数据的举例。
建立测试系统，由金属斗、喇叭天线、54GHz微波辐射计、反射面天线加热单元、供电单元、数据采集单元组成。微波辐射计输出稳定后开始进行测试，测试步骤如下：
当反射面天线物理温度TP1为292K时，测试微波辐射计的输出电压V1为5.875V；
开启反射面天线加热单元，对反射面天线进行加热，当反射面天线物理温度TP2为342K时，测试微波辐射计的输出电压V2为5.887V时；
微波辐射计的固有参数KGB＝9.7mV/K，反射面天线的截获效率n＝0.999，因此根据公式计算得到反射面天线在54GHz频率上的发射率为0.025。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。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前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。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 (9)

1.一种反射面天线微波发射率测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
通过反射面天线接收天空辐射信号；
通过喇叭天线，将所述反射面天线接收的所述天空辐射信号与所述反射面天线自身的天线热辐射信号收集起来；
通过微波辐射计，将所述喇叭天线收集的辐射信号转换成电压信号；
通过数据采集单元，采集所述微波辐射计输出的电压以及所述反射面天线的温度数据；
改变所述反射面天线的物理温度，采集在不同物理温度下的所述微波辐射计的输出电压，根据微波遥感理论推算得到所述反射面天线的微波发射率，具体为：
(1)测量所述反射面天线的物理温度为TP1时，所述数据采集单元采集到的所述微波辐射计的输出电压V1，根据微波遥感理论得到：
V1＝KGB(T1+Tsys)
T1＝n[(1-ε)TSKY+εTP1]+(1-n)TSKY
其中，K为波尔兹曼常数；
G为所述微波辐射计各通道链路净增益，是所述微波辐射计的固有参数；
B为所述微波辐射计各通道带宽，单位Hz，是所述微波辐射计固有参数；
T1为所述喇叭天线接收到的辐射亮温，单位K；
Tsys为所述微波辐射计噪声温度，单位K；
n为所述反射面天线的截获效率，定义为所述反射面天线所截获能量占所述喇叭天线辐射能量之比；
TSKY为天空辐射亮温，单位K；
ε为所述反射面天线的微波发射率；
(2)测量所述反射面天线的物理温度为TP2时，所述数据采集单元采集到的所述微波辐射计的输出电压V2，根据微波遥感理论得到：
V2＝KGB(T2+Tsys)
T2＝n[(1-ε)TSKY+εTP2]+(1-n)TSKY
(3)根据上述测试数据，得到所述反射面天线的微波发射率为：
2.根据权利要求1所述的反射面天线微波发射率测试方法，其特征在于，还包括：通过金属斗，屏蔽除所述天空辐射信号之外的其他场景辐射。
3.一种应用权利要求1-2任意一项所述的反射面天线微波发射率测试方法进行测试的反射面天线微波发射率测试系统，其特征在于，包括：反射面天线、喇叭天线、微波辐射计、数据采集单元；
所述反射面天线，用于接收天空辐射信号；
所述喇叭天线，用于收集所述反射面天线接收的所述天空辐射信号与所述反射面天线自身的天线热辐射信号；
所述微波辐射计，用于将所述喇叭天线收集的辐射信号转换成电压信号；
所述数据采集单元，用于采集所述微波辐射计输出的电压以及所述反射面天线的温度数据，进而通过采集的不同物理温度下的所述微波辐射计的输出电压，根据微波遥感理论推算得到所述反射面天线的微波发射率。
4.根据权利要求3所述的反射面天线微波发射率测试系统，其特征在于，还包括：金属斗、反射面天线加热单元、供电单元；
所述金属斗，用于屏蔽除所述天空辐射信号之外的其他场景的辐射信号；
所述反射面天线加热单元，用于对所述反射面天线进行加热，改变所述反射面天线的物理温度，从而改变所述反射面天线自身的天线热辐射；
所述供电单元，用于对所述微波辐射计和所述反射面天线加热单元进行供电。
5.根据权利要求4所述的反射面天线微波发射率测试系统，其特征在于，还包括：所述金属斗采用包括铝在内的高反射率、低发射率的材料。
6.根据权利要求3所述的反射面天线微波发射率测试系统，其特征在于，所述喇叭天线与所述反射面天线的距离依据所述喇叭天线辐射方向图和所述反射面天线的口径确定，依据为所述反射面天线截获效率n大于等于0.99。
7.根据权利要求3的所述反射面天线微波发射率测试系统，其特征在于，所述微波辐射计在测量过程中保存自身温度不变。
8.根据权利要求4所述的反射面天线微波发射率测试系统，其特征在于，所述供电单元给所述微波辐射计提供纹波电压小于15mV的供电电压，同时为所述反射面加热单元提供供电电压。
9.根据权利要求3所述的反射面天线微波发射率测试系统，其特征在于，在同一时刻同时采集所述反射面天线的物理温度、所述微波辐射计的物理温度，以及所述微波辐射计的输出电压。
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