CN113175997B - 一种喇叭天线测试天空亮温的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种喇叭天线测试天空亮温的方法，该方法首先结合常温高温负载法获取接收机功率及温度响应比率，利用理论计算方式获取接收机噪声温度，通过测试常温负载覆盖至喇叭天线口面时接收机的功率输出，结合功率及温度响应比率和接收机理论噪声温度，获取当前仰角下接收机的地面噪声温度，再通过测试当前仰角下天空辐射对应的接收机功率输出，结合获取的功率及温度响应比率、接收机理论噪声温度，以及测试到的地面噪声温度，精确计算出当前仰角下的天空亮温。该方法无需依赖不易操作的低温负载便获取接收机功率及温度响应比率，并测试喇叭天线主波束在0到90度仰角内天线旁瓣及后瓣产生的地面噪声，以便将天空亮温从系统温度中精确分离，直接应用于接收机强度校准及大气不透明度测量等研究工作。

Description

一种喇叭天线测试天空亮温的方法

技术领域

本发明涉及一种喇叭天线测试天空亮温的方法，专门用于射电天文领域接收机强度校准及大气不透明度测量等研究工作。

背景技术

在射电天文领域有多种接收机的强度校准方法，其中斩波轮校准方法是通过在接收机馈源喇叭顶部交替引入和移除一个常温黑体，使接收机交替测试常温黑体和天空的辐射，以此测试接收机噪声温度的方法。其原理与传统的冷热负载法相同，只是将该方法中不易使用的液氮中浸泡的黑体负载(冷负载)用天空代替，测试时仅需在馈源喇叭口面交替引入或者移除常温负载便可对接收机进行校准。公式1为斩波轮法计算接收机噪声温度T_rec的公式，V_amb为常温黑体负载覆盖至馈源喇叭口面接收机的功率输出，T_amb为常温黑体负载温度，V_sky为接收机馈源喇叭波束在当前仰角下对向天空时的功率输出，T_sky为当前仰角下对应的天空亮温值，其中前三项都可以通过功率计及温度计进行精确测试。

斩波轮法优势在于可以在观测中、天线处于任意仰角下进行实时校准。鉴于斩波轮校准简单易行，仅需在接收机馈源口面设置一个具备斩波功能的常温黑体，便可进行强度校准，因此该方法在毫米波强度校准中被广泛应用。该方法的关键是在校准时需要知道对应波段在不同仰角下的天空亮温值。

除了应用于接收机强度校准，天空亮温还可用于大气不透明度测量研究。大气不透明度是大气衰减的一个度量，主要与氧气和水蒸气含量有关，其次还与它们的时空变异性有关，大气不透明度是大气对射电信号吸收效应最直接的参数表现。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，决定其水汽含量，由此外推其它毫米波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。大气不透明度也可用来作为定量评价观测站点是否可以作为毫米波与亚毫米波观测台址的参数指标。国际上较多工作在毫米波及亚毫米波段的单天线和综合孔径干涉阵地面设备，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，用于评估台址是否符合观测需求。

大气不透明度一般表示为_τ，即为光学深度，实际衰减可表示为e^-τ。大气传输与吸收的关系是相反的，故大气传输表示为1-e^-τ。假设地球大气是平行分层的，这个吸收在一个任意的天顶角以“sec z”项被给出，所以信号被大气的衰减可以表示为公式2。其中_τ0是天顶方向上的光学深度，A是大气质量(＝sec(z))，z是天顶角(90°减去俯仰角度el)。

在短厘米波及更高频段，尤其在毫米波射电天文观测中，更需要实时获取大气不透明度数据以准确修正大气吸收效应，克服大气变化因素，从而实现更高精度的强度校准，观测到的射电源的流量密度必须乘以e^-τ系数，从而获得其真实的大气层外的绝对的流量密度。经过修正后的射电望远镜的系统温度可以表示为公式3，其中T_atm是大气平均温度，T_rec是接收机噪声温度，T_CBR是宇宙背景辐射(一般为2.7K)，T_spill为天线的溢出效率。

T_sys(el)＝T_rec+T_atm(1-e^-τ)+T_spill+T_CBRe^-τ (3)

公式3中的第二项即为天空亮温其中T_atm定义为大气温度和湿度垂直分布的函数。为了精确获取大气平均温度，需要结合大量的气象参数，例如大气分层后的水蒸气分压、大气温度等，导致天空亮温的求解非常困难。如果可以精确获取不同仰角下的天空亮温值，便可以控制天线在不同仰角下进行俯仰扫描测试，从而利用非线性拟合的方式得到大气不透明度值。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种喇叭天线测试天空亮温的方法，该方法首先结合常温高温负载法获取接收机功率及温度响应比率，利用理论计算方式获取接收机噪声温度，之后通过测试常温负载覆盖至喇叭天线口面时接收机的功率输出，结合功率及温度响应比率和接收机理论噪声温度，便可获取当前仰角下接收机的地面噪声温度，再通过测试当前仰角下天空辐射对应的接收机功率输出，结合之前获取的功率及温度响应比率、接收机理论噪声温度，以及测试到的地面噪声温度，便可以精确计算出当前仰角下的天空亮温。该方法无需依赖不易操作的低温负载便可获取接收机功率及温度响应比率，并以此测试喇叭天线主波束在0到90度仰角内天线旁瓣及后瓣产生的地面噪声，以便将天空亮温从系统温度中精确分离，使之可以直接应用于接收机强度校准及大气不透明度测量等研究工作。

本发明所述的一种喇叭天线测试天空亮温的方法，该方法通过常温高温负载法获取接收机功率及温度响应比率，利用理论计算方式获取接收机噪声温度，通过常温负载覆盖喇叭天线主波束获取当前仰角下接收机的地面噪声温度，最终通过测试当前仰角下的天空辐射，计算出对应仰角下的天空亮温度值，具体操作按下列步骤进行：

a、将常温负载移动至喇叭天线口面，测试接收机的功率输出和常温负载温度，再将高温负载移动至喇叭天线口面，测试接收机的功率输出和高温负载温度，计算出接收机的功率和温度响应比率；

b、通过测试环境温度和接收机链路各微波器件的插损及噪声系数，计算出接收机的理论噪声温度；

c、在测试仰角下，将常温负载覆盖至喇叭天线口面获取接收机此时的功率输出，结合步骤a的功率及温度响应比率和步骤b的接收机理论噪声温度，计算出当前仰角下接收机的地面噪声温度；

d、将常温负载从喇叭天线口面移除，使得喇叭天线直接测试当前仰角下的天空辐射，结合步骤a的功率及温度响应比率、步骤b的接收机理论噪声温度，以及步骤c的当前仰角下接收机的地面噪声温度，精确计算出对应仰角下的天空亮温。

本发明所述的一种喇叭天线测试天空亮温的方法，该方法中：

所述的常温高温负载法，由常温黑体负载叶片、高温黑体负载叶片，以及分别可以将上述两个叶片转动至喇叭天线口面的旋转机械结构组成，其中高温黑体负载是由电阻丝上电后加热至150℃，测试时使用旋转机械结构分别将常温和高温负载转动至喇叭天线口面，测试对应的黑体负载温度及接收机功率输出，便可以得到接收机功率及温度响应比率g，如公式4所示，其中，高温黑体负载温度为Thot，高温黑体负载强度输出Vhot；

所述的接收机理论噪声温度，由于接收机系统的噪声温度主要取决于接收机前端无源器件的插损和有源器件的噪声和增益，整个级联系统的噪声温度计算如公式5所示，其中，G为微波链路各个器件的增益；

所述的接收机地面噪声温度，当采用喇叭天线直接作为接收天线进行相关测试时，与反射面天线不同，虽然喇叭天线可以剔除反射面所产生的欧姆损耗，在C波段及更高波段也可以忽略宇宙背景辐射，但对于精确测量来说，系统温度中无法忽略馈源喇叭由于旁瓣和后瓣所引入的地面噪声。如何测量喇叭天线的地面噪声，是从系统温度中分离出天空亮温度的关键。本发明所述的喇叭天线地面噪声温度的测试方法，首先通过常温高温负载法获取到接收机功率及温度响应比率，利用理论计算方式获取接收机噪声温度，然后利用俯仰调整机构将喇叭天线主波束调整至0到90度之间任意待测仰角，使用常温黑体负载叶片覆盖至喇叭天线口面，使得天线主波束接收来自常温黑体负载的辐射，此时整个接收系统的系统温度为接收机噪声温度、常温黑体温度，以及当前仰角下从喇叭天线旁瓣及后面进入接收机内部的的地面噪声温度三部分组成。最终，通过公式6可直接计算出当前仰角下的地面噪声温度；

所述的天空亮温测试，利用俯仰调整机构将喇叭天线主波束调整至待测仰角，使得喇叭天线主波束对向该仰角下的天空，测试此时的天空辐射，再结合上述功率及温度响应比率、接收机理论噪声温度及当前仰角下的地面噪声温度，通过公式7便可准确测试出当前仰角下的天空亮温值。

本发明的优点在于所述的一种喇叭天线测试天空亮温的方法，无需依赖不易操作的低温负载便可获取接收机功率及温度响应比率，通过常温负载覆盖喇叭天线主波束，以此测试出喇叭天线主波束在0到90度仰角内由天线旁瓣及后瓣产生的地面噪声，以便进一步将天空亮温从系统温度中精确分离，使之可以应用于接收机强度校准及大气不透明度测量等研究工作。

附图说明

图1为本发明流程图。

具体实施方式

实施例

本发明所述的一种喇叭天线测试天空亮温的方法，该方法首先通过常温高温负载法获取接收机功率及温度响应比率，同时利用理论计算方式获取接收机噪声温度，之后通过使用常温负载覆盖喇叭天线主波束获取当前仰角下由天线旁瓣及后瓣进入接收机的地面噪声温度，结合上述参数，最终通过测试当前仰角下的天空辐射，计算出对应仰角下的天空亮温值。具体操作按下列步骤进行：

a、将常温负载移动至喇叭天线口面，使得常温负载辐射进入喇叭天线主波束，测试当前接收机的功率输出和常温负载温度，再将高温负载移动至喇叭天线口面，使得高温负载辐射进入喇叭天线主波束，测试当前接收机的功率输出和高温负载温度，计算出接收机的功率和温度响应比率；

所述的常温高温负载法，由常温黑体负载叶片、高温黑体负载叶片，以及分别可以将上述两个叶片转动至喇叭天线口面的旋转机械结构组成，其中高温黑体负载是由电阻丝上电后加热至150℃，测试时使用旋转机械结构分别将常温和高温负载转动至喇叭天线口面，测试对应的黑体负载温度及接收机功率输出，便得到接收机功率及温度响应比率g，如公式所示：

其中，高温黑体负载温度为Thot，高温黑体负载强度输出Vhot；

b、通过测试环境温度(即喇叭天线及接收机当前的物理温度)和整个接收系统链路各微波器件的插损及低噪声放大器的噪声系数，通过噪声级联的方式计算出接收机理论的噪声温度；

所述的接收机理论噪声温度，由于接收机系统的噪声温度主要取决于接收机前端无源器件的插损和有源器件的噪声和增益，整个级联系统的噪声温度计算如公式所示：

其中，G为微波链路各个器件的增益；

c、在测试仰角下，再次将常温负载移动至喇叭天线口面获取接收机此时的功率输出，此时接收到信号是接收机自身的功率响应、喇叭天线主波束进入的常温负载辐射和喇叭天线旁瓣及后瓣进入的地面噪声的总和，在此基础上结合步骤a的功率及温度响应比率和步骤b的接收机理论噪声温度，以此计算出当前仰角下接收机的地面噪声温度；

所述的接收机地面噪声温度，当采用喇叭天线直接作为接收天线进行相关测试时，与反射面天线不同，虽然喇叭天线可以剔除反射面所产生的欧姆损耗，在C波段及更高波段也可以忽略宇宙背景辐射，但对于精确测量来说，系统温度中无法忽略馈源喇叭由于旁瓣和后瓣所引入的地面噪声。如何测量喇叭天线的地面噪声，是从系统温度中分离出天空亮温度的关键。本发明所述的喇叭天线地面噪声温度的测试方法，首先通过常温高温负载法获取到接收机功率及温度响应比率，利用理论计算方式获取接收机噪声温度，然后利用俯仰调整机构将喇叭天线主波束调整至0到90度之间任意待测仰角，使用常温黑体负载叶片覆盖至喇叭天线口面，使得天线主波束接收来自常温黑体负载的辐射，此时整个接收系统的系统温度为接收机噪声温度、常温黑体温度，以及当前仰角下从喇叭天线旁瓣及后面进入接收机内部的的地面噪声温度三部分组成，最终，通过公式：

直接计算出当前仰角下的地面噪声温度；

d、保持当前测试仰角，将常温负载从喇叭天线口面移除，使得喇叭天线主波束对向当前仰角下的天空并获取接收机此时的功率输出，此时接收到信号是接收机自身的功率响应、喇叭天线主波束进入的天空辐射和喇叭天线旁瓣及后瓣进入的地面噪声的总和，在此基础上结合步骤a的功率及温度响应比率、步骤b的接收机理论噪声温度，以及步骤c的当前仰角下接收机的地面噪声温度，精确计算出当前仰角下的天空亮温；

所述的天空亮温测试，利用俯仰调整机构将喇叭天线主波束调整至待测仰角，使得喇叭天线主波束对向该仰角下的天空，测试此时的天空辐射，再结合上述功率及温度响应比率、接收机理论噪声温度及当前仰角下的地面噪声温度，通过公式：

准确测试出当前仰角下的天空亮温值。

本发明所述的一种喇叭天线测试天空亮温的方法，该方法无需依赖不易操作的低温负载便可获取接收机功率及温度响应比率，并以此测试喇叭天线主波束在0到90度仰角内由旁瓣及后瓣产生的地面噪声，以便将天空亮温从系统温度中精确分离，使之可以直接应用于接收机强度校准及大气不透明度测量等研究工作。

Claims (1)

1.一种喇叭天线测试天空亮温的方法，其特征在于该方法通过常温高温负载法获取接收机功率及温度响应比率，利用计算方式获取接收机的理论噪声温度，通过常温负载覆盖喇叭天线主波束获取当前仰角下接收机的地面噪声温度，最终通过测试当前仰角下的天空辐射，计算出对应仰角下的天空亮温，具体操作按下列步骤进行：

a、将常温负载移动至喇叭天线口面，测试接收机的功率输出和常温负载温度，再将高温负载移动至喇叭天线口面，测试接收机的功率输出和高温负载温度，计算出接收机的功率和温度响应比率；

b、通过测试环境温度和接收机链路各微波器件的插损及噪声系数，计算出接收机的理论噪声温度；

c、在测试仰角下，将常温负载覆盖至喇叭天线口面获取接收机此时的功率输出，结合步骤a的功率及温度响应比率和步骤b的接收机理论噪声温度，计算出当前仰角下接收机的地面噪声温度；

d、将常温负载从喇叭天线口面移除，使得喇叭天线直接测试当前仰角下的天空辐射，结合步骤a的功率及温度响应比率、步骤b的接收机理论噪声温度，以及步骤c的当前仰角下接收机的地面噪声温度，精确计算出对应仰角下的天空亮温。