CN1184943A - 星载微波辐射计一点定标法 - Google Patents
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Abstract
一种星载微波辐射计一点定标方法,是通过由设置在卫星仓外的天线(1)、天线和星体传输线温度检测器(2)及设置在卫星仓内的微波开关(3)、恒温黑体(4)和数字自动补偿微波辐射计(5)构成的系统实现的,其中数字自动补偿微波辐射计(5)用于保障整个系统的增益不变并控制整个测量过程及对被测参数进行数据处理,恒温黑体(4)提供定标参数,天线和星体外传输线温度检测器(2)用于提供实时修正定标方程的环境温度,天线(1)用于接收被测目标的亮度温度信号。这种一点定标方法较之两点定标方法简便,装置技术要求低,准确、可靠,更适于星载。
Description
本发明属无线电接收机，具体涉及一种用来接收目标和背景的微波辐射强度的极灵敏的微波接收机。
20世纪30年代发展起来的射电天文学就是利用微波辐射计接收宇宙中的某一星座或银河系中的微波辐射，用以研究天体演变。到70年代，随着航天技术的发展，微波辐射计又成为对陆地、海洋、大气遥感的重要微波遥感器。自1962年美国首次在水手-2卫星上装载1.35cm和1.90cm波长双通道微波辐射计用以测量金星表面温度开始，1968年，1970年苏联发射的宇宙243，384卫星，载有四通道微波辐射计，实现对大气、海洋、陆地的探测，相继的雨云-5卫星、天空实验室，雨云-6、雨云-7卫星、海洋卫星A、泰劳斯-N，IRS卫星、MOS-1，DMSPSSM/1，NROSS，TRMM等卫星都装载微波辐射计，遥感海洋、大气和陆地，取得了定量的数据或图像，用以进行资源调查，土地有效利用、环境监测、自然灾害予报、大气观测等。
作为星载微波辐射计应在短期和长期内对所遥感的目标，在条件不变的情况下，给出不变的辐射亮度温度值，以利於用户作定量化的研究和应用。但实际的微波辐射计，由于空间环境的变化、电子元器件的老化，使系统性能发生变化，如系统放大器增益变化、传输线衰减量的变化等引起系统传输特性变化，转接头的失配引起反射特性变化。这些变化使所取得的遥感数据或图像失去可以定量判读性。所以在至今运行的星载微波辐射计上都设有“实时定标”部分，以保障获得优质数据或图像。
图1示出微波辐射计定标中的关系图
其中Tb为天线接收目标的亮度温度，η为天线效率，L为传输线插入损耗，G为主机系统总增益，TREC为系统的噪声温度，V为信号输出电压，Tb′为天线输出口的目标亮度温度，TBEC′为系统噪声温度等效到天线输出口的值，Tp为环境温度。上述参数之间的关系如下：
V＝G·(Tb′+TREC)
Tb′＝η·Tb+(1-η)·TpTREC＝(L-1)Tp+L·TREC则 V＝G·η·Tb+G·(L-η)·Tp+L·G·TREC
＝A·Tb+B ………………(1)
A＝G·η ………………(2)
B＝G·(L-η)·Tp+L·G·TREC ………………(3)(1)式是接收目标亮度温度与输出电压的线性关系式，即定标程，(2)式A为方程式(1)的斜率，(3)式B为方程式(1)的截距。
现行的实时定标是用两点定标法不断修正微波辐射计的定标方程(1)的系数，使所接收到的数据按新定标方程读出，保证其正确性。可将现行实时定标法归结成两种方法：
1、冷空和恒温黑体两点定标
图2示出冷空和恒温黑体两点定标的工作原理图。微波辐射计可以是任何类型的，如全功率型、Dicke型、零平衡Dicke型、双参考温度源型。天线固定在卫星上指向地面，在天线与微波辐射计间插入一个一刀三掷的微波开关，定端接在微波辐射计输入端。微波开关在控制信号驱动下依次接通天线、接收遥感目标信号；接通指向冷空的小喇叭大线，取得冷空2.7K定标信号；接通恒温黑体，取得高温定标信号。在控制和数据处理器中分离出两个定标信号，代入方程(1)中，解出新定标方程中的A、B，得到新的定标方程作为读取新数据使用。
2、扫描成像微波辐射计冷空、恒温黑体两点定标
图3是扫描成像微波辐射计冷空，恒温黑体两点定标的工作原理图。使用偏馈抛物面反射面，旋转轴通过馈源、反射面旋转，但其焦点不变，恒是馈源处。天线反射面扫描时，取得地面目标和定标源信号。如图3中所示反射面位置1实现对地面扫描，旋转到位置2时接收到恒温黑体的辐射，即高温定标信号，旋转到位置3时接收到冷空反射的2.7K，作为冷空定标信号。从两点定标信号用定标方程解出A和B，得到新的定标方程，读取随之而测得的目标数据。
可见上述两种方法都可以实现实时定标，方法(1)是通过插入在天线和微波辐射计间的一刀三掷开关将星外指向冷空的2.7K和星内的恒温黑体标准引入进辐射计进行定标的。定标开关的损耗会影响辐射计灵敏度，天线到定标开关部分不能校准，2.7K标准难以准确传输。方法2是通过冷空反射镜取得冷空2.7K和恒温黑体辐射取得高温标准，经过天线进行定标的，对天线能进行较准，冷空反射镜和恒温黑体难保证准确性。两者的共同缺点是技术难度大，难保准确可靠。
本发明的目的是利用先进的数字自动补偿微波辐射计，保障系统增益不变和测量露在星体外的天线馈线的环境温度Tp，实现准确可靠的一点定标。
本发明是利用“数字自动补偿微波辐射计(中国专利，申请号96220486.2)能保障系统增益不变的特点，通过监测露在星外的天线和馈线的环境温度实现一点定标。图4是星载微波辐射计一点定标法工作原理图。系统由设置在星体外的天线(1)、天线和星体外传输线温度检测器(2)和设置在卫星仓内的微波开关(3)、恒温黑体(4)及数字自动补偿微波辐射计(5)组成。整个时实定标过程是在数字自动补偿微波辐射计(5)的数字自动补偿系统的控制下进行的，具体步骤如下：将微波开关(3)接通恒温黑体(4)测得黑体的温度Tc，经数字自动补偿系统处理后得到LGTREC＝Vc-GηTc，从而计算出定标时方程的截距，即标定了系统的噪声量，同时数字自动补偿系统又通过天线和星体外传输线温度检测器(2)测得环境温度Tp，计算出G(L-η)Tb′，并将其加到定标时方程的截距上，从而得到完整的定标方程；将微波开关(3)接通天线(1)，接收目标辐射信号，数字自动补偿系统按新定标方程处理，获得准确目标亮温值。
在具体实施中，天线(1)可以是固定不动的，也可以是以任何方式扫描的，如往复式扫描、园锥扫描、螺旋扫描、园周旋转扫描等，用以获取地面目标辐射信号；天线和星体外部传输线温度检测器(2)，用来实时检测天线和星体外传输线的温度，因为环境温度的变化会引起由大线和传输线损耗而产生的噪声变化，通过所测得的温度来修正定标方程的截距；在数字自动补偿系统的控制下微波开关可以实现接收由天线(1)来的遥感目标信号，或者恒温黑体(4)的定标信号；恒温黑体(4)提供定标的标准噪声温度；数字自动补偿微波辐射计(5)由微波开关、参考源、全功率微波接收机和数字自动补偿系统组成，它的主要优点是能保证系统增益不变，具有良好的线性。
本系统使用的数字自动补偿微波辐射计(5)使增益G不变，天线效率η和传输线损耗L是已知的，只有系统噪声和星体外天线及馈线的环境温度Tp的不确定性引起定标方程的变化。
由公式(1)、(2)、(3)式可知，当控制微波开关(3)接通恒温黑体(4)时，由已知的Tc、Vc、Gη可以得到L·G·TREC＝Vc-Gη·Tc，它是定标时方程的截距，也就是标定了系统中的噪声量。由定标时测得的环境温度Tp，计算G(L-η)·Tp，将其加到定标时方程的截距上，就得到了完整的定标方程。全部的控制和运算都是在数字自动补偿微波辐射计(5)的数字自动补偿系统中进行的。
综上所述本发明由于采用了先进的数字自动补偿微波辐射计，因为它保持系统增益不变，使定标方程的斜率不变，通过对恒温源测量定标了系统噪声的不确定性，获得了定标方程星内部分的截距。通过测量天线和星外环境温度，标定了星体外的不确定性，获得了定标方程另外一部份的截距，是一种技术简单、准确可靠的星载微波辐射计定标方法。此法也适於机载微波辐射计的定标。
附图说明：
图1微波辐射计定标中的关系图
图2冷空和恒温黑体两点定标法的工作原理图
图3扫描成像微波辐射冷空和恒温黑体两点定标法的工作原理图。
图4星载微波辐射计一点定标工作原理图，在图4中(1)天线(2)天线和星体外传输线温度检测器，(3)微波开关，(4)恒温黑体，(5)数字自动补偿微波辐射计。
Claims (1)
1、一种星载微波辐射计一点定标方法，在由设置在卫星仓外的天线(1)、天线和星体外传输线温度检测器(2)及设置在卫星仓内的微波开关(3)、恒温黑体(4)和数字自动补偿微波辐射计(5)构成的系统中对星载微波辐射计系统进行一点定标，其特征是在数字自动补偿系统的控制下进行下述步骤：
(1)将微波开关(3)接通恒温黑体(4)，测得黑体的温度Tc，经数字自动补偿系统处理后得到LGTREC＝Vc-GηTc，从而计算出定标时方程的截距，即标定了该时刻系统的噪声量TREC；
(2)在测量黑体温度的同时，数字自动补偿系统又通过天线和星体外传输线温度检测器(2)测得的环境温度Tp，计算出G(L-η)Tp，并将其加到定标方程的截距上，得到完整的定标方程；
(3)将微波开关(3)接通天线(1)，接收目标辐射信号，数字自动补偿系统按新定标方程处理，获得准确的目标亮度温度值。
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