JP3669502B2

JP3669502B2 - 人工衛星用トータルパワー方式マイクロ波放射計の校正方法

Info

Publication number: JP3669502B2
Application number: JP2002184079A
Authority: JP
Inventors: 俊浩瀬在
Original assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Current assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Priority date: 2002-06-25
Filing date: 2002-06-25
Publication date: 2005-07-06
Anticipated expiration: 2022-06-25
Also published as: US6729756B2; JP2004028731A; EP1376082A1; US20030235234A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、人工衛星用トータルパワー方式マイクロ波放射計の校正方法に関し、より詳しくは、人工衛星用トータルパワー方式マイクロ波放射計の低温校正源の輝度温度を関係式から導出することによって校正する校正方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
マイクロ波放射計は、温度を有する物体から、プランクの放射則に従って放射される、強度がその温度にほぼ比例する電波を受信してその強度を測定することによって、その物体の輝度温度を測定する測定器である。プランクの放射則に従って物体から放射される電波は、強度が非常に弱く、通信などにおいては雑音とみなされるものである。マイクロ波放射計は、そのような微弱な電波の強度を高精度に測定することにより、観測対象の温度（輝度温度）を遠隔位置から測定するものである。そのため、マイクロ波放射計は、測定電波の強度の基準とするための、高温校正源と低温校正源を備えているのが一般的である。マイクロ波放射計の中でも、受信機に直接校正データを入力させるのではなく、観測対象から放射される電波を受信機に取り込む、一次放射器や導波管・ケーブルを使用して校正データを入力する方式のものを、トータルパワー方式マイクロ波放射計と称する。
【０００３】
人工衛星に搭載されるトータルパワー方式マイクロ波放射計では、低温校正源として、２．７Ｋの温度である深宇宙から放射される電波を利用するものが多い。そのような、深宇宙から放射される電波を低温校正源として利用する人工衛星用トータルパワー方式マイクロ波放射計においては、従来は、深宇宙の温度２．７Ｋを低温校正源の温度としてマイクロ波放射計の校正を行っていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
深宇宙から放射される電波を低温の校正源として利用するトータルパワー方式マイクロ波放射計における低温校正源は、深宇宙から放射される電波を一次放射器に収束させる反射鏡と組合わせて使用される。人工衛星に搭載する際の寸法、重量の制約、及び対象物を観測する際の視野との関係により、低温校正源用反射鏡は、観測対象物から放射される電波を一次放射器に収束させる反射鏡と比較すると、小さな反射鏡が使用される。そのため、低温校正源用反射鏡ではアンテナビーム幅が大きくなり、結果として、その視野には深宇宙のみでなく、マイクロ波放射計自身の構体、マイクロ波放射計を搭載している人工衛星の構体なども含まれてしまう。こうなると、低温校正源の測定データに深宇宙から放射される電波以外の電波が含まれてしまうため、低温校正源の温度は、深宇宙の温度である２．７Ｋとは異なった値になるはずである。従って、従来の放射計のように、低温校正源温度を２．７Ｋとすると、基準とする温度自体に誤差が含まれることになり、観測対象を測定する際の精度が劣化するという問題点があった。
【０００５】
この精度劣化の問題を解決する従来の方法として、人工衛星の姿勢を変え、通常なら地球などの観測対象物に向けている反射鏡を深宇宙の方向に振って、深宇宙を測定し、その際の測定データ用いて低温校正源を測定する際の測定データを補正することが実施されることもある。しかし、これを実施するためには、人工衛星の姿勢を変えざるを得ないため、本来の観測対象物の観測を中断しなくてはならない。また、人工衛星の姿勢を反転させるという大きな姿勢制御を行わざるを得ないため、人工衛星の運用にとって非常に危険であり、また人工衛星の寿命にも悪影響を与える。従って、そのような人工衛星の姿勢を変えるような測定データの補正は、数年間のミッション期間において、数回実施されるかどうかというように、非常に実施頻度が少ないものである。更に、人工衛星の性能によっては、実施が不可能である場合もある。また、この方法を実施したとしても、低温校正源の温度の補正は実施した際に行われるだけであり、実際のミッション期間の大部分は補正ができない。
【０００６】
精度の劣化の問題を解決する別の方法として、従来より、観測対象物、例えば特定の海洋の領域の温度を、マイクロ波放射計での測定と同期させて、実際に測定し、低温校正源の温度を逆に補正することも実施されている（シー・トルース）。しかし、マイクロ波放射計の１回の測定でデータを取得する領域は、数ｋｍ〜１００ｋｍ四方と非常に大きいため、その領域が均一の温度であることはほとんどないばかりでなく、その領域から放射される電波が、軌道上のマイクロ波放射計に到達するまでの大気による減衰などを、校正源を逆校正することができる程度に正確に把握することは不可能に近い。また、前述の姿勢を変える方法と同じく、この方法によって、逆校正を行うことができる頻度も高くはない。従って、この方法においても、低温校正源の温度を精度よく決定することはできない。
【０００７】
本発明は、従来の低温校正源を使用した校正方法の上記の問題点に鑑みてなされたものであり、低温校正源の温度の決定及び放射計の校正を高頻度で行うことができるような校正方法を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述の課題の解決は、以下の特徴を有する本発明によって達成される。請求項１に記載の発明は、深宇宙から放射される電波を利用する低温校正源と高温校正源とを有し、受信機で輝度温度を測定する人工衛星用トータルパワー方式マイクロ波放射計の校正方法において、当該受信機の温度が一定である条件の下で、温度がＴ_hot1である高温校正源の輝度温度を当該受信機で測定するステップと、Ｔ_hot1とＴ_hot2が異なる温度であるとして、温度がＴ_hot2である高温校正源の輝度温度を当該受信機で測定するステップと、低温校正源の輝度温度を当該受信機で測定するステップと、温度がＴ_hot1である当該高温校正源、温度がＴ_hot2である当該高温校正源、又は当該低温校正源の輝度温度を当該受信機で測定する当該ステップの内のそれぞれを所定の回数反復するステップと、温度がＴ_hot1である当該高温校正源の測定された輝度温度からそれの標準偏差ΔＴ_hot1を計算するステップと、温度がＴ_hot2である当該高温校正源の測定された輝度温度からそれの標準偏差ΔＴ_hot2を計算するステップと、当該低温校正源の測定された輝度温度からそれの標準偏差ΔＴ_coldを計算するステップと、当該低温校正源の輝度温度を
【数２】

として当該人工衛星用トータルパワー方式マイクロ波放射計を校正するステップと、を有することを特徴とする。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明の特徴に加えて、温度がＴ_hot1である当該高温校正源、温度がＴ_hot2である当該高温校正源、又は当該低温校正源の輝度温度を当該受信機で測定する当該ステップは、人工衛星が日照中あるいは日陰中のいずれか一方である間に実施されることを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
まず、低温校正源の温度を決定する関係式を導く。マイクロ波放射計において、受信機温度がＴ_sysである場合には、輝度温度Ｔ_obsの観測対象を観測した際の分解能（標準偏差）ΔＴ_obsは、
【数３】

【数４】

で与えられる。ここでＢはバンド幅、τは積分時間である。この関係を温度Ｔ_hotの高温校正源、温度Ｔ_coldの低温校正源を観測した場合にあてはめると、それぞれを観測した際の温度分解能ΔＴ_hot、ΔＴ_coldは、
【数５】

【数６】

となる。今、Ｔ_sysが一定で、高温校正源温度がＴ_hot1、Ｔ_hot2の時に高温校正源と低温校正源を観測し、高温校正源を観測した時の分解能がΔＴ_hot1、ΔＴ_hot2、低温校正源を観測した時の分解能がΔＴ_coldであったとする。このとき、ΔＴ_hot1−ΔＴ_cold、ΔＴ_hot2、−ΔＴ_coldを計算すると、
【数７】

【数８】

となる。式（５）及び（６）より低温校正源の温度ΔＴ_coldは、
【数９】

で表現される。従って、このように低温校正源の温度Ｔ_coldを決定することができ、この数値を用いて放射計を校正することができる。
【００１１】
これから、本発明の実施の形態に係る人工衛星用トータルパワー方式マイクロ波放射計１００（以下、マイクロ波放射計１００と称する。）の構成について説明する。図１は、マイクロ波放射計１００の一般的な概略ブロック構成図である。マイクロ波放射計１００は、反射鏡１、一次放射器２、受信機３、回転装置４、高温校正源５、及び低温校正源６から構成される。反射鏡１は、観測対象から放射される電波を収束的に反射して一次放射器２に収束させる。一次放射器２は、電波を集める働きをする。受信機３は、一次放射器２で集めた電波を検波し、ビデオ信号として出力する。その受信機３からの出力は、人工衛星の送信装置を通じて地上で取得されて処理される。回転装置４は、反射鏡１、一次放射器２、及び受信機３を回転させる動作を行う。高温校正源５は、一般に、ヒータなどで温度を高温に制御された電波吸収体で構成され、その位置は固定されている。低温校正源６は、深宇宙から放射される電波を一次放射器２に収束させる反射鏡である。それは、一般にパラボラアンテナが使用され、その位置は固定されている。
【００１２】
次に、マイクロ波放射計１００を校正する手順について説明する。図２から４は、トータルパワー方式マイクロ波放射計における、観測対象物、高温校正源、及び低温校正源の輝度温度を測定する動作をそれぞれ説明するための概念図である。受信機３の温度Ｔ_sysが一定の条件の下で、観測対象物、高温校正源、及び低温校正源の輝度温度を測定する。図２から４に示すように、反射鏡１及び一次放射器２が回転装置４によって一回転させられる間に、高温校正源５、低温校正源６が、反射鏡１と一次放射器２との間に配置される。図２の状態では、反射鏡１は、観測対象物からの放射電波を反射して、一次放射器２に導いており、観測対象物の輝度温度が受信機３で測定される。図３の状態では、反射鏡１と一次放射器２との間に、高温校正源５が配置され、そこからの放射が一次放射器２に導かれ、受信機３で高温校正源５の輝度温度が測定される。ここで、高温校正源５の輝度温度の測定は、高温校正源５の実際の温度をＴ_hot1に保った状態で複数回数実施し、温度をＴ_hot2（Ｔ_hot1≠Ｔ_hot2）に保った状態で複数回数実施する。ここでは、Ｔ_hot1、Ｔ_hot2の例として、Ｔ_hot1＝２９０Ｋ、Ｔ_hot2＝３１０Ｋとして測定を実施する。ここで、Ｔ_hot1（＝２９０Ｋ）及びＴ_hot2（＝３１０Ｋ）は、高温校正源５の温度を直接測定することができるために正確に測定できる値であり、Ｔ_coldは、低温校正源６によって深宇宙からの放射を正確にシミュレートすることはできないために正確には測定できない値であることに注意する。すなわち本発明は、そのようなＴ_coldを、現実の測定値（及びそれの標準偏差）から正確に求めるものである。図４の状態では、反射鏡１と一次放射器２との間に、低温校正源６が配置され、そこからの放射が一次放射器２に導かれ、受信機３で低温校正源６の輝度温度が測定される。ここで、低温校正源６の輝度温度測定は、複数回数実施する。次に、このようにしてそれぞれ複数回数測定された、温度がＴ_hot1である高温校正源５の輝度温度測定値、温度がＴ_hot2である高温校正源５の輝度温度測定値、及び低温校正源６の輝度温度測定値から、それぞれの対象についての輝度温度測定値の標準偏差ΔＴ_hot1、ΔＴ_hot2、及びΔＴ_coldを計算する。ここでは、得られた結果より、ΔＴ_hot1＝０．３３４、ΔＴ_hot2＝０．３５７、及びΔＴ_cold＝０．０１７とする。この値を、（式７）の計算式
【数１０】

に代入すると、Ｔ_cold＝１４．３Ｋとなり、Ｔ_hot1、Ｔ_hot2、ΔＴ_hot1、ΔＴ_hot2、及びΔＴ_coldから、Ｔ_coldが求められることになる。このＴ_cold＝１４．３Ｋの値は、前述のような種々の方法によって求めた現実のＴ_coldの値である１５Ｋとほぼ同じ値であり、本発明によって決定されるＴ_coldの値は非常に正確なものであることが確認されている。本発明の意義は、このように、正確に測定可能なＴ_hot1及びＴ_hot2の値に加えて、統計的な誤差を含む値である測定値の標準偏差ΔＴ_hot1、ΔＴ_hot2、及びΔＴ_coldを使用することによって、計算式により正確にＴ_coldを決定することができることにある。なお、それぞれの対象を測定する回数が多いほど、測定値から計算された標準偏差が、真の統計的な標準偏差に近づくことになり、Ｔ_coldをより正確に決定することができる。ここで、高温校正源５及び低温校正源６の輝度温度を測定するためには、人工衛星の運用上、特に大きな制限はなく、測定回数を事実上任意に増やすことができる。従って、決定されるＴ_coldは極めて正確な値となる。このようにして、Ｔ_coldを決定した後に、その値を使用してマイクロ波放射計を校正する。具体的には、低温校正源６の輝度温度を測定したときの放射電波の強度の平均値を、Ｔ_coldに対応する強度として、放射電波の強度と輝度温度との関係の低温側を校正する。なお、観測対象物の測定を継続しながら、（温度がＴ_hot1及びＴ_hot2の）高温校正源５及び低温校正源６の輝度温度を測定することができるため、人工衛星による観測計画に影響を与えることなく、高頻度に正確なＴ_coldを計算で決定して校正しておくことができることも本発明の大きな特徴である。
【００１３】
なお、上述の測定は、受信機３の温度Ｔ_sysが一定の条件の下で行う必要がある。しかし、人工衛星が日照領域から日陰領域へ進む場合、あるいは日陰領域から日照領域に進む場合は、受信機３の温度Ｔ_sysが変化する場合が想定され得る。このような場合は、人工衛星が、日照領域あるいは日陰領域のいずれか一方である間に、温度がＴ_hot1である高温校正源５、温度がＴ_hot2である高温校正源５、及び低温校正源６の輝度温度を受信機３で測定することによって、受信機３の温度Ｔ_sysが一定の状態の下でＴ_coldを正確に決定することができる。このようにすると、日照・日陰の境界付近においても、低温校正源の温度を決定することができるという利点がある。
【００１４】
【発明の効果】
本発明によれば、深宇宙からの放射を正確に表わしておらず、誤差を含んでいる低温校正源の温度を、正確に直接測定可能なＴ_hot1及びＴ_hot2の値に加えて、統計的な誤差を含む値である測定値の標準偏差ΔＴ_hot1、ΔＴ_hot2、及びΔＴ_coldを使用することによって、計算式により正確にＴ_coldを決定することができ、それによって、人工衛星用トータルパワー方式マイクロ波放射計の低温側を高頻度かつ正確に校正することができるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るマイクロ波放射計１００の概略構成を示すブロック構成図である。
【図２】トータルパワー方式マイクロ波放射計における、観測対象物の輝度温度を測定する動作を説明するための概念図である。
【図３】トータルパワー方式マイクロ波放射計における、高温校正源の輝度温度を測定する動作を説明するための概念図である。
【図４】トータルパワー方式マイクロ波放射計における、低温校正源の輝度温度を測定する動作を説明するための概念図である。
【符号の説明】
１反射鏡
２一次放射器
３受信機
４回転装置
５高温校正源
６低温校正源
１００マイクロ波放射計

Claims

深宇宙から放射される電波を利用する低温校正源と高温校正源とを有し、受信機で輝度温度を測定する人工衛星用トータルパワー方式マイクロ波放射計の校正方法において、前記受信機の温度が一定である条件の下で、
温度がＴ_hot1である高温校正源の輝度温度を前記受信機で測定するステップと、
Ｔ_hot1とＴ_hot2が異なる温度であるとして、温度がＴ_hot2である高温校正源の輝度温度を前記受信機で測定するステップと、
低温校正源の輝度温度を前記受信機で測定するステップと、
温度がＴ_hot1である前記高温校正源、温度がＴ_hot2である前記高温校正源、又は前記低温校正源の輝度温度を前記受信機で測定する前記ステップの内のそれぞれを所定の回数反復するステップと、
温度がＴ_hot1である前記高温校正源の測定された輝度温度からそれの標準偏差ΔＴ_hot1を計算するステップと、
温度がＴ_hot2である前記高温校正源の測定された輝度温度からそれの標準偏差ΔＴ_hot2を計算するステップと、
前記低温校正源の測定された輝度温度からそれの標準偏差ΔＴ_coldを計算するステップと、
前記低温校正源の輝度温度を

として前記人工衛星用トータルパワー方式マイクロ波放射計を校正するステップと、を有することを特徴とする人工衛星用トータルパワー方式マイクロ波放射計の校正方法。
請求項１に記載の人工衛星用トータルパワー方式マイクロ波放射計の校正方法において、
温度がＴ_hot1である前記高温校正源、温度がＴ_hot2である前記高温校正源、又は前記低温校正源の輝度温度を前記受信機で測定する前記ステップは、人工衛星が日照中あるいは日陰中のいずれか一方である間に実施されることを特徴とする人工衛星用トータルパワー方式マイクロ波放射計の校正方法。