CN113296063B - 一种毫米波辐射计线性度的测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明的一个实施例公开了一种毫米波辐射计线性度的测量装置和方法，该装置包括：控制装置、辐射计、极化栅网、可移动金属板、冷参考负载和热参考负载，其中，所述控制装置用于控制辐射计的位置和角度，所述极化栅网用于反射或透射噪声极化分量，所述可移动金属板用于反射噪声极化分量，所述冷参考负载和热参考负载用于提供不同温度的噪声。

Description

一种毫米波辐射计线性度的测量装置和方法

技术领域

本发明涉及毫米波测量领域。更具体地，涉及一种毫米波辐射计线性度的测量装置和方法。

背景技术

辐射计是一种接收热辐射噪声的装置，由天线和高灵敏度接收机组成。线性度是辐射计的关键技术指标之一。传统的毫米波辐射计线性度测量方式有两种：第一种是冷噪声源结合衰减器的方法，第二种是宽口径变温定标源法。第一种方法是在辐射计接收机端口进行线性度测量，第二种方法是在辐射计天线端口进行测量。由于毫米波辐射计天线通常为无源天线，不会改变辐射计的线性度，因此在接收机端口和在天线端口测量线性度实际上是等效的。

第一种方法的缺陷有：(1)随着频率提高，受冷噪声源内部传输线衰减的影响，冷噪声源输出的最低噪声被不断抬高；衰减器的插入损耗也不断增大，导致衰减器输出的最低噪声也被不断抬高，最终造成输出噪声的动态范围较小，无法覆盖被测辐射计动态范围。对于300GHz工作频率点的辐射计，即使冷噪声源的输出噪声温度为90K，经过衰减器后的最低输出噪声温度也将超过170K，而辐射计需要的最低输入噪声温度一般为100K以下。(2)毫米波衰减器与冷噪声源之间有物理连接，冷噪声源的物理温度在零下180℃以下，会导致衰减器部分结构的温度低于室温甚至结露，造成衰减量值不准及辐射计线性度测量误差；(3)一些用途的辐射计接收机接口不是标准的传输线接口，会造成测试时连接困难。综上，第一种方法的主要问题是随频率增加会压缩衰减器输出亮温度的动态范围，无法满足辐射计线性度测量中动态范围内要求。

第二种方法中，辐射计与宽口径可变温度辐射源之间无物理接触，不会引入上面第(3)种影响；由于是在空间测量，不需要使用波导连接件，因此第(1)和(2)种影响也可以忽略。第二种方法的主要缺点是需要改变宽口径辐射源的物理温度。通常辐射计线性度测量中测量点的间隔为10K～15K，加上稳定时间每变一个温度点需要45分钟～60分钟，测量辐射计线性度需要十个频率点以上。因此第二种方法的主要问题是测试时间过长。

发明内容

有鉴于此，本发明的第一个实施例提供一种毫米波辐射计线性度的测量装置，包括：

控制装置、辐射计、极化栅网、可移动金属板、冷参考负载和热参考负载，其中，

所述控制装置用于控制辐射计的位置和角度，

所述极化栅网用于反射或透射噪声极化分量，

所述可移动金属板用于反射噪声极化分量，

所述冷参考负载和热参考负载用于提供不同温度的噪声。

在一个具体实施例中，所述控制装置包括：

旋转台和位移台，

所述旋转台用于改变辐射计的接收角度，

位移台用于改变辐射计的水平位置。

在一个具体实施例中，所述冷参考负载平行于地面，热参考负载垂直于地面，且装载有热参考负载的支撑框架和装载有冷参考的支撑框架夹角为直角，

所述装载有冷参考负载的支撑框架、装载有热参考负载的支撑框架和可移动挡板呈U型，

所述极化栅网的线栅方向平行于装载有冷参考负载的支撑框架、装载有热参考负载的支撑框架和可移动挡板。

在一个具体实施例中，在第一工作模式下，

所述辐射计载有天线的轴线对准热参考负载的中心，并与所述旋转台的轴线一致；

热参考负载平行于参考面的噪声极化分量被极化栅网透射从而入射到辐射计，垂直于参考面的噪声极化分量被反射回热参考负载并吸收；

冷参考负载垂直于参考面的噪声极化分量被极化栅网反射，从而入射到辐射计，平行于参考面的极化分量将被可移动金属板反射，并被冷参考负载吸收，

其中，参考面为与所述装载有冷参考负载的支撑框架、装载有热参考负载的支撑框架和可移动挡板均垂直的平面。

在一个具体实施例中，在第二工作模式下，

所述辐射计载有天线的轴线对准冷参考负载的中心，并与所述旋转台的轴线一致；

热参考负载垂直于参考面的噪声极化分量被极化栅网反射从而入射到辐射计，平行于参考面的噪声极化分量被可移动金属板反射，并被热参考负载吸收；

冷参考负载平行于参考面的噪声极化分量被极化栅网透射，从而入射到辐射计，垂直于参考面的极化分量将被反射回冷参考负载并吸收。

本发明的第二个实施例提供一种毫米波辐射计线性度的测量方法，包括：

S1:控制载有辐射计的控制装置，使得辐射计处于输出电压最大值对应的角度，

S2:在辐射计的初始位置、第一位置和第二位置，依次控制所述控制装置，改变辐射计的角度，依次获取每个位置、每个角度对应的辐射计的输出电压值，

S3:计算每个角度对应的初始位置输出电压值、第一位置输出电压值和第二位置输出电压值的平均数，作为此角度的输出电压值，

S4:利用每个角度的输出电压值，计算所述辐射计的线性度。

在一个具体实施例中，所述第一位置为以初始位置为起点，沿所述辐射计载有的天线轴线方向，向前移动半个工作波长，

所述第二位置为以初始位置为起点，沿所述辐射计载有的天线轴线方向，向后移动半个工作波长。

在一个具体实施例中，所述测量方法还包括：

在第一工作模式下，根据上述的方法进行测量，得到第一工作模式下的第一线性度，

在第二工作模式下，根据上述的方法进行测量，得到第二工作模式下的第二线性度，

对第一线性度和第二线性度取算术平均数，作为辐射计的线性度。

在一个具体实施例中，在第一工作模式下，所述辐射计接收到的噪声温度量值为

T_辐射计＝T_{冷参考负载}cos²θ+T_{热参考负载}sin²θ

T_{热参考负载}表示热参考负载输出的噪声温度，T_{冷参考负载}表示冷参考负载输出的噪声温度，θ为辐射计的天线极化方向与极化栅网线栅之间的夹角，

在第二工作模式下，所述辐射计接收到的噪声温度量值为

T_辐射计＝T_{热参考负载}cos²θ+T_{冷参考负载}sin²θ。

在一个具体实施例中，第一工作模式下，处于输出电压最大值时，辐射计的天线极化方向与极化栅网的线栅之间的夹角为90度，

第二工作模式下，处于输出电压最大值时，辐射计的天线极化方向与极化栅网的线栅之间的夹角为0度。

本发明的有益效果如下：

本发明不需要改变热参考负载和冷参考负载的物理温度，只需要通过电控旋转台来改变辐射计主极化方向和极化栅网线栅之间的夹角就可以实现辐射计线性度测量，测量速度快。冷参考负载和热参考负载输出的噪声温度在空间进行极化合成，损耗比传输线内部低很多，可以保证辐射计线性度测量所要求的动态范围。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出根据本发明一个实施例的毫米波辐射计线性度的测量装置架构图。

图2示出根据本发明一个实施例的毫米波辐射计线性度的测量方法流程图。

图3示出根据本发明另一个实施例的毫米波辐射计线性度的测量装置架构图。

具体实施方式

为使本发明的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

如图1所示，一种毫米波辐射计线性度的测量装置，包括：

支撑框架1、可移动金属板2、极化栅网3、热参考负载4、冷参考负载5、控制装置6(图中未示出)和辐射计8，其中，

所述辐射计可以为单一极化方式，可以为多种极化方式，当辐射计有多种极化方式时，只需要指定某一种极化方式到达最大值，不影响测量的执行即可，在此不做限定。

所述控制装置用于控制辐射计的位置和角度，

所述控制装置包括：

旋转台61和位移台62，

所述旋转台用于改变辐射计的接收角度，

位移台用于改变辐射计的水平位置。

其中，旋转台和位移台的驱动方式可以为电动可以为手动，在此不做限定，旋转台和位移台可以为一体，也可以为分开的两个独立装置安装在一起。在此不做限定。

所述极化栅网用于反射或透射噪声极化分量，对极化方向与其线栅方向平行的电磁波全反射，对极化方向与其线栅方向垂直的电磁波全透射。

在一个具体实施例中，所述极化栅网由一组平行的细金属丝构成，位于热参考负载4和控制装置6之间，且线栅方向垂直于参考面。

本领域技术人员根据实际情况对极化栅网的具体位置以及线栅的数量进行调整，使其尽可能多的反射或透射噪声极化分量。

参考面为与所述装载有冷参考负载的支撑框架、装载有热参考负载的支撑框架和可移动挡板均垂直的平面。

所述可移动金属板用于反射噪声极化分量，

所述冷参考负载和热参考负载用于提供不同温度的噪声；

所述冷参考负载平行于地面，热参考负载垂直于地面，且装载有热参考负载的支撑框架和装载有冷参考的支撑框架夹角为直角，

如图1所示，所述装载有冷参考负载的支撑框架、装载有热参考负载的支撑框架和可移动挡板呈U型。

支撑框架用于安装冷参考负载和热参考负载，支撑框架可以为L型框架，将冷参考负载和热参考负载安装于同一个支撑框架上，也可以将冷参考负载和热参考负载分别安装在不同的支撑框架上，只要装载有热参考负载的支撑框架和装载有冷参考的支撑框架夹角为直角即可，在此不做限定。

如图2所示，一种毫米波辐射计线性度的测量方法，包括：

如图1所示，在第一工作模式下，此时所述辐射计载有天线的轴线对准热参考负载的中心，并与所述旋转台的轴线一致；

热参考负载平行于参考面的噪声极化分量被极化栅网透射从而入射到辐射计，垂直参考面的噪声极化分量被反射回热参考负载并吸收；

冷参考负载垂直于参考面的噪声极化分量被极化栅网反射，从而入射到辐射计，平行参考面的极化分量将被可移动金属板反射，并被冷参考负载吸收。

在一个具体实施例中，控制载有辐射计的控制装置，使得辐射计处于输出电压最大值对应的角度，在一个具体实施例中，此时辐射计的天线极化方向与极化栅网的线栅之间的夹角为90度。

在辐射计的初始位置，即此时辐射计的天线极化方向与极化栅网的线栅之间的夹角为90度，水平方向处于初始状态，控制所述控制装置，以90度为起点，改变辐射计的角度，使其转动到均匀分布的离散角度值θ₁₁、θ₂₁、……、θ_n1，确保θ₁₁、θ₂₁、……、θ_n1的范围大于90度，依次获取每个角度θ₁₁、θ₂₁、……、θ_n1对应的辐射计的输出电压值V₁₁(1)、V₂₁(1)、……、V_n1(1)，

在辐射计的第一位置，即此时辐射计的天线极化方向与极化栅网的线栅之间的夹角为90度，水平方向为以初始状态为起点，沿所述辐射计载有的天线轴线方向，向前移动半个工作波长。控制所述控制装置，以90度为起点，改变辐射计的角度，使其转动到均匀分布的离散角度值θ₁₁、θ₂₁、……、θ_n1，确保θ₁₁、θ₂₁、……、θ_n1的范围大于90度，依次获取每个角度θ₁₁、θ₂₁、……、θ_n1对应的辐射计的输出电压值V₁₁(2)、V₂₁(2)、……、V_n1(2)，

在辐射计的第二位置，即此时辐射计的天线极化方向与极化栅网的线栅之间的夹角为90度，水平方向为以初始位置为起点，沿所述辐射计载有的天线轴线方向，向后移动半个工作波长。控制所述控制装置，以90度为起点，改变辐射计的角度，使其转动到均匀分布的离散角度值θ₁₁、θ₂₁、……、θ_n1，确保θ₁₁、θ₂₁、……、θ_n1的范围大于90度，依次获取每个角度θ₁₁、θ₂₁、……、θ_n1对应的辐射计的输出电压值V₁₁(3)、V₂₁(3)、……、V_n1(3)。

计算每个角度对应的初始位置输出电压值V₁(1)、第一位置输出电压值V₁(2)和第二位置输出电压值V₁(3)的平均数，作为此角度的输出电压值。

利用每个角度的输出电压值和最小二乘法，计算所述辐射计的第一线性度。

在第一工作模式下，所述辐射计接收到的噪声温度量值为

T_辐射计＝T_{冷参考负载}cos²θ+T_{热参考负载}sin²θ

T_{热参考负载}表示热参考负载输出的噪声温度，T_{冷参考负载}表示冷参考负载输出的噪声温度，θ为辐射计的天线极化方向与极化栅网线栅之间的夹角，

如图3所示，在第二工作模式下，此时所述辐射计载有天线的轴线对准冷参考负载的中心，并与所述旋转台的轴线一致；

热参考负载垂直于参考面的噪声极化分量被极化栅网反射从而入射到辐射计，平行于参考面的噪声极化分量被可移动金属板反射，并被热参考负载吸收；

冷参考负载平行于参考面的噪声极化分量被极化栅网透射，从而入射到辐射计，垂直于参考面的极化分量将被反射回冷参考负载并吸收。

在一个具体实施例中，控制载有辐射计的控制装置，使得辐射计处于输出电压最大值对应的角度，在一个具体实施例中，此时辐射计的天线极化方向与极化栅网的线栅之间的夹角为0度。

在辐射计的初始位置，即此时辐射计的天线极化方向与极化栅网的线栅之间的夹角为0度，水平方向处于初始状态，控制所述控制装置，以0度为起点，改变辐射计的角度，使其转动到均匀分布的离散角度值θ₁₂、θ₂₂、……、θ_n2，确保θ₁₂、θ₂₂、……、θ_n2的范围大于90度，依次获取每个角度θ₁₂、θ₂₂、……、θ_n2对应的辐射计的输出电压值V₁₂(1)、V₂₂(1)、……、V_n2(1)，

在辐射计的第一位置，即此时辐射计的天线极化方向与极化栅网的线栅之间的夹角为0度，水平方向为以初始状态为起点，沿所述辐射计载有的天线轴线方向，向前移动半个工作波长。控制所述控制装置，以0度为起点，改变辐射计的角度，使其转动到均匀分布的离散角度值θ₁₂、θ₂₂、……、θ_n2，确保θ₁₂、θ₂₂、……、θ_n2的范围大于90度，依次获取每个角度θ₁₂、θ₂₂、……、θ_n2对应的辐射计的输出电压值V₁₂(2)、V₂₂(2)、……、V_n2(2)，

在辐射计的第二位置，即此时辐射计的天线极化方向与极化栅网的线栅之间的夹角为0度，水平方向为以初始位置为起点，沿所述辐射计载有的天线轴线方向，向后移动半个工作波长。控制所述控制装置，以0度为起点，改变辐射计的角度，使其转动到均匀分布的离散角度值θ₁₂、θ₂₂、……、θ_n2，确保θ₁₂、θ₂₂、……、θ_n2的范围大于90度，依次获取每个角度θ₁₂、θ₂₂、……、θ_n2对应的辐射V₁₂(3)、V₂₂(3)、……、V_n2(3)。

计算每个角度对应的初始位置输出电压值V₂(1)、第一位置输出电压值V₂(2)和第二位置输出电压值V₂(3)的平均数，作为此角度的输出电压值，

利用每个角度的输出电压值和最小二乘法，计算所述辐射计的第二线性度。

在第二工作模式下，所述辐射计接收到的噪声温度量值为

T_辐射计＝T_{热参考负载}cos²θ+T_{冷参考负载}sin²θ。

对第一线性度和第二线性度取算术平均数，作为辐射计的线性度。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (8)

1.一种毫米波辐射计线性度的测量装置，其特征在于，包括：

控制装置、辐射计、极化栅网、可移动金属板、冷参考负载和热参考负载，其中，

所述控制装置用于控制辐射计的位置和角度，

所述极化栅网用于反射或透射噪声极化分量，

所述可移动金属板用于反射噪声极化分量，

所述冷参考负载和热参考负载用于提供不同温度的噪声，

所述冷参考负载平行于地面，热参考负载垂直于地面，且装载有热参考负载的支撑框架和装载有冷参考的支撑框架夹角为直角，

所述装载有冷参考负载的支撑框架、装载有热参考负载的支撑框架和可移动金属板呈U型，

所述极化栅网的线栅方向平行于装载有冷参考负载的支撑框架、装载有热参考负载的支撑框架和可移动金属板；

所述测量装置的毫米波辐射计线性度的测量方法包括，

S1:控制载有辐射计的控制装置，使得辐射计处于输出电压最大值对应的角度，

S2:在辐射计的初始位置、第一位置和第二位置，依次控制所述控制装置，改变辐射计的角度，依次获取每个位置、每个角度对应的辐射计的输出电压值，

S3:计算每个角度对应的初始位置输出电压值、第一位置输出电压值和第二位置输出电压值的平均数，作为此角度的输出电压值，

S4:利用每个角度的输出电压值，计算所述辐射计的线性度。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述控制装置包括：

旋转台和位移台，

所述旋转台用于改变辐射计的接收角度，

位移台用于改变辐射计的水平位置。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，在第一工作模式下，

所述辐射计载有天线的轴线对准热参考负载的中心，并与所述旋转台的轴线一致；

热参考负载平行于参考面的噪声极化分量被极化栅网透射从而入射到辐射计，垂直于参考面的噪声极化分量被反射回热参考负载并吸收；

冷参考负载垂直于参考面的噪声极化分量被极化栅网反射，从而入射到辐射计，平行于参考面的极化分量将被可移动金属板反射，并被冷参考负载吸收，

其中，参考面为与所述装载有冷参考负载的支撑框架、装载有热参考负载的支撑框架和可移动金属板均垂直的平面。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，在第二工作模式下，

所述辐射计载有天线的轴线对准冷参考负载的中心，并与所述旋转台的轴线一致；

热参考负载垂直于参考面的噪声极化分量被极化栅网反射从而入射到辐射计，平行于参考面的噪声极化分量被可移动金属板反射，并被热参考负载吸收；

冷参考负载平行于参考面的噪声极化分量被极化栅网透射，从而入射到辐射计，垂直于参考面的极化分量将被反射回冷参考负载并吸收。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一位置为以初始位置为起点，沿所述辐射计载有的天线轴线方向，向前移动半个工作波长，

所述第二位置为以初始位置为起点，沿所述辐射计载有的天线轴线方向，向后移动半个工作波长。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述测量装置的毫米波辐射计线性度的测量方法还包括：

在第一工作模式下，根据如权利要求1或5所述的测量装置的毫米波辐射计线性度的测量方法进行测量，得到第一工作模式下的第一线性度，

在第二工作模式下，根据如权利要求1或5所述的测量装置的毫米波辐射计线性度的测量方法进行测量，得到第二工作模式下的第二线性度，

对第一线性度和第二线性度取算术平均数，作为辐射计的线性度。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在第一工作模式下，所述辐射计接收到的噪声温度量值为

T_辐射计＝T_{冷参考负载}cos²θ+T_{热参考负载}sin²θ

T_{热参考负载}表示热参考负载输出的噪声温度，T_{冷参考负载}表示冷参考负载输出的噪声温度，θ为辐射计的天线极化方向与极化栅网线栅之间的夹角，

在第二工作模式下，所述辐射计接收到的噪声温度量值为

T_辐射计＝T_{热参考负载}cos²θ+T_{冷参考负载}sin²θ。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，

第一工作模式下，处于输出电压最大值时，辐射计的天线极化方向与极化栅网的线栅之间的夹角为90度，

第二工作模式下，处于输出电压最大值时，辐射计的天线极化方向与极化栅网的线栅之间的夹角为0度。