JP3965501B2 - マイクロ波放射計 - Google Patents

Description

この発明は、人工衛星等の宇宙機に搭載される、マイクロ波放射計に関するものである。

マイクロ波放射計は、衛星軌道上から地球大気中の水蒸気、海表面、氷等の水分子が発するマイクロ波をアンテナにより検出し、マイクロ波の波長分布を測定することにより、水蒸気、海表面、氷等の温度分布を測定する温度分布測定装置である。このマイクロ波放射計は、主反射鏡、低温校正用反射鏡、電波吸収体を並べた高温校正源、一次放射器、構体などから構成される。

温度が３００Ｋ程度の既知である高温校正源から得られるマイクロ波強度と、低温校正用反射鏡から得られる温度が３Ｋの宇宙空間からのマイクロ波強度を測定することにより、主反射鏡により測定した地球から放射されるマイクロ波強度を校正して観測対象の温度を得ている。このため、高温校正源は、温度の偏りがなくまた、高温校正源内の温度センサとの温度差がないように熱制御する必要がある。一般に、高温校正源の電波吸収体は、高分子樹脂に導電性の粉または短繊維を混ぜた材料から作られており、宇宙空間で使用されるため、空気の流れによる温度制御はできず、電波吸収体の温度制御は伝導と放射のみで行われる（例えば、特許文献１参照）。

特開平９−１４５７６３号公報

電波吸収体は、電波を吸収する性質を持たせるため、通常、誘電体材料を使用しており、誘電体材料は一般的に熱伝導率が低く、電波吸収体の先端部は、宇宙空間や対向する構体面との放射結合が強く、かつ熱が伝わりにくいため、より冷却される。

構体面の温度は日陰時と日照時で非常に温度差が激しく、電波吸収体の温度に大きな影響を与えるため、電波吸収体内での温度分布がつきやすく、温度センサによる温度測定値と一次放射器から受ける利得による温度に差が生じて正しく校正できなくなるため、観測対象上の温度を正しく求めることができないという問題点があった。

例えば、従来のマイクロ波放射計に設けられた高温校正源の電波吸収体の温度は、熱解析によると、最大値（根元の部分）と最小値（先端部）の温度差は、約３３．１℃あった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、電波吸収体の表面温度差を大きく改善することができるマイクロ波放射計を得るものである。

この発明に係るマイクロ波放射計は、構体上に、地球からのマイクロ波を受ける主反射鏡、深宇宙からのマイクロ波を受ける低温校正用反射鏡、温度が一定に制御された電波吸収体が複数個並べられた高温校正源、並びに前記主反射鏡、前記低温校正用反射鏡及び前記高温校正源からのマイクロ波を受信する一次放射器が設けられたマイクロ波放射計であって、前記構体の上面で前記高温校正源に対向する箇所に設け、前記電波吸収体と放射熱結合を持つ白色手段と、前記白色手段の温度を検出する第１の温度センサと、前記白色手段を加熱する第１のヒーターと、前記第１の温度センサによって検出された温度に基づいて前記白色手段が一定の温度になるように前記第１のヒーターを制御する第１のヒーターコントローラとを設けたものである。

この発明に係るマイクロ波放射計は、電波吸収体の表面温度差を大きく改善することができ、ひいては温度測定精度のよい、マイクロ波放射計を実現することができるという効果を奏する。

実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係るマイクロ波放射計について図１から図４までを参照しながら説明する。図１は、この発明の実施の形態１に係るマイクロ波放射計の構成を示す斜視図である。また、図２は、この発明の実施の形態１に係るマイクロ波放射計の断面構成を示す図である。なお、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。

図１において、この実施の形態１に係るマイクロ波放射計は、制御機器、電源機器等を内蔵し、後述する構成品を支持する構体１と、主反射鏡（図示せず）、低温校正用反射鏡（図示せず）及び後述する高温校正源からのマイクロ波を受信する一次放射器２と、温度が一定に制御された電波吸収体（後述する）が複数個並べられた高温校正源３とが設けられている。また、構体１の上面の全面には、構体１からの過冷却を抑えるためのＭＬＩ（多層断熱材）面４が設けられ、さらに、構体１の上方の高温校正源３に対向する部分のみに切欠き付きドーナツ状に白色でペイントした白色面５が設けられている。なお、構体１は、切欠き付きドーナツ状の白色面５の中心を軸として矢印のように回転する。

さらに、構体１の上方には、図示を省略しているが、地球からのマイクロ波を受ける主反射鏡、深宇宙からのマイクロ波を受ける低温校正用反射鏡などが設けられている。

図２において、構体１の内部には、ヒーターコントローラ１１と、白色面５に対向する位置にヒーター１２と、同じく白色面５に対向する位置に温度センサ１３とが設けられている。なお、短冊状のヒーター１２は、１箇所だけでなく、切欠き付きドーナツ状の白色面５に沿った位置に所定の間隔で切欠き付きドーナツ状に複数個設けてもよい。

図３は、この発明の実施の形態１に係るマイクロ波放射計の高温校正源の構成を示す図である。同図において、（ａ）は側面からみた断面図、（ｂ）は下面からみた図、（ｃ）は電波吸収体を側面からみた断面図である。

図３において、高温校正源３は、外側が熱制御材３１で被われ、フレーム３２内に複数の電波吸収体３３が収められている。また、電波吸収体３３の内部には、先端部にヒート部材３４が充填され、ヒーターコントローラ３５と、ヒーター棒３６と、温度センサ３７とが設けられている。なお、図３では、電波吸収体３３毎に、ヒート部材３４、ヒーターコントローラ３５、ヒーター棒３６、及び温度センサ３７が設けられている例を示したが、複数個毎に、例えば隣り合う４個の電波吸収体３３のうちの１個の電波吸収体３３に、ヒート部材３４、ヒーターコントローラ３５、ヒーター棒３６、及び温度センサ３７を設けてもよい。

つぎに、この実施の形態１に係るマイクロ波放射計の動作について図面を参照しながら説明する。図４は、この発明の実施の形態１に係るマイクロ波放射計の高温校正源の電波吸収体の温度特性を示す図である。

図２や図３に示すように、高温校正源３の下面は開放されており、直接白色ペイントした白色面５と電波吸収体３３は直接熱結合がある。白色ペイントは、太陽光吸収率が低く赤外放射率が高い材料を使用し、太陽光の照射により温度上昇を防止する役目を持つ。太陽光が当たる日照時には白色面５により温度上昇を抑え、太陽光が当たらない日陰時にはヒーターコントローラ１１による温度制御を行い、白色面５は常に温度が一定になるようにする。

高温校正源３内部の電波吸収体３３は、ヒーターコントローラ３５による制御温度と、白色面５のヒーターコントローラ１１による制御温度を近づけることにより、電波吸収体３３の先端部の温度低下を防止し、電波吸収体３３の温度分布を一様に近づけることができる。

図２に示すように、構体１の内部に設けたヒーターコントローラ１１は、温度センサ１３によって検出された白色面５の温度に基づいて、ヒーター１２のオン、オフを制御して、白色面５の温度を一様にする。例えば、ヒーターコントローラ１１は、温度センサ１３による検出温度が２９℃未満のときは、ヒーター１２に所定の電圧を印加して熱を加え、検出温度が３０℃以上のときには、所定の電圧の印加を止める。

また、図３に示すように、電波吸収体３３の内部に設けたヒーターコントローラ３５は、温度センサ３７によって検出された電波吸収体３３の温度に基づいて、ヒーター棒３６のオン、オフを制御して、電波吸収体３３の温度を一様にする。例えば、ヒーターコントローラ３５は、温度センサ３７による検出温度が２９℃未満のときは、ヒーター棒３６に所定の電圧を印加して加熱し、検出温度が３０℃以上のときには、所定の電圧の印加を止める。

電波吸収体３３の温度分布を一様に近づけることで、電波吸収体３３に取付けられた温度センサ３７の温度と、一次放射器２から得られるマイクロ波強度の校正が精度良く行なわれ、校正精度を上げることができる。また、ＭＬＩ面４を切欠き付きドーナツ状に切り欠いて構体１の上面に白色ペイントして白色面５を形成する方式であるため、電波吸収体３３の熱制御のための質量増加を抑えることができる。

例えば、図４に示すように、マイクロ波放射計に設けられた高温校正源３の電波吸収体３３の温度の最大値と最小値の差は約７．０℃で大幅に改善されている。

実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係るマイクロ波放射計について図５から図７までを参照しながら説明する。図５は、この発明の実施の形態２に係るマイクロ波放射計の構成を示す斜視図である。また、図６は、この発明の実施の形態２に係るマイクロ波放射計の断面構成を示す図である。

図５において、この実施の形態２に係るマイクロ波放射計は、構体１と、一次放射器２と、高温校正源３とが設けられている。また、構体１の上面の全面には、構体１からの過冷却を抑えるためのＭＬＩ（多層断熱材）面４が設けられ、さらに、構体１の上方の高温校正源３に対向する領域に設けた白色ペイントした切欠き付きドーナツ状のアルミ板６が設けられている。

図６において、構体１の内部には、ヒーターコントローラ１１が設けられ、アルミ板６の下側にヒーター１２と、温度センサ１３が設けられている。なお、短冊状のヒーター１２は、１箇所だけでなく、切欠き付きドーナツ状のアルミ板６に沿ってその下側に所定の間隔で切欠き付きドーナツ状に複数個設けてもよい。

なお、この発明の実施の形態２に係るマイクロ波放射計に設けられた高温校正源の構成は、上記の実施の形態１と同様である。

つぎに、この実施の形態２に係るマイクロ波放射計の動作について図面を参照しながら説明する。図７は、この発明の実施の形態２に係るマイクロ波放射計の高温校正源の電波吸収体の温度特性を示す図である。

図６に示すように、高温校正源３の下面は開放されており、白色ペイントしたアルミ板６と電波吸収体３３は直接熱結合がある。白色ペイントは、太陽光吸収率が低く赤外放射率が高い材料を使用し、太陽光の照射により温度上昇を防止する役目を持つ。太陽光が当たる日照時には白色ペイントにより温度上昇を抑え、太陽光が当たらない日陰時にはヒーターコントローラ１１、３５による温度制御を行い、常に温度が一定になるようにする。

高温校正源３内部の電波吸収体３３は、ヒーターコントローラ３５による制御温度と、白色ペイントしたアルミ板６のヒーターコントローラ１１による制御温度を近づけることにより、電波吸収体３３の先端部の温度低下を防止し、電波吸収体３３の温度分布を一様に近づけることができる。

図６に示すように、構体１の内部に設けたヒーターコントローラ１１は、温度センサ１３によって検出されたアルミ板６の温度に基づいて、ヒーター１２のオン、オフを制御して、アルミ板６の温度を一様にする。例えば、ヒーターコントローラ１１は、温度センサ１３による検出温度が２９℃未満のときは、ヒーター１２に所定の電圧を印加して加熱し、検出温度が３０℃以上のときには、所定の電圧の印加を止める。

また、電波吸収体３３の内部に設けたヒーターコントローラ３５は、温度センサ３７によって検出された電波吸収体３３の温度に基づいて、ヒーター棒３６のオン、オフを制御して、電波吸収体３３の温度を一様にする。例えば、ヒーターコントローラ３５は、温度センサ３７による検出温度が２９℃未満のときは、ヒーター棒３６に所定の電圧を印加して加熱し、検出温度が３０℃以上のときには、所定の電圧の印加を止める。

電波吸収体３３の温度分布を一様に近づけることで、電波吸収体３３に取付けられた温度センサ３７の温度と、一次放射器２から得られるマイクロ波強度の校正が精度よく行われ、校正精度を上げることができる。

また、白色ペイントしたアルミ板６のみを熱制御することで、構体１内の搭載機器の温度によらず熱制御でき、また白色ペイントしたアルミ板６のみを熱制御するためヒーターの消費電力を少なくできる。上記実施の形態１では２００Ｗの消費電力が必要であるが、この実施の形態２では１３０Ｗ程度まで消費電力を抑えることができる。

例えば、図７に示すように、マイクロ波放射計に設けられた高温校正源３の電波吸収体３３の温度の最大値と最小値の差が約２．４℃で上記実施の形態１よりも大幅に改善されている。

実施の形態３．
この発明の実施の形態３に係るマイクロ波放射計について図８及び図９を参照しながら説明する。図８は、この発明の実施の形態３に係るマイクロ波放射計の高温校正源の電波吸収体を側面からみた断面図である。なお、高温校正源以外の構成は、上記実施の形態１又は実施の形態２と同様である。

図８において、電波吸収体３３の内部には、ヒーターコントローラ３５と、温度センサ３７と、電波吸収体３３の温度を一定に保つためのヒーター３８と、金属等の熱伝導率のよい材料から作られるヒート板３９とが設けられている。電波吸収体３３の先端部は、熱伝導率のよい電波吸収体材料３３Ａである。短冊状のヒーター３８は、電波吸収体３３の内部の４面全部に設けても良いし、対向する２面でも良いし、１面だけでも良い。ヒート板３９は、電波吸収体３３の内側全面に設けられている。なお、図８では、電波吸収体３３毎に、ヒーターコントローラ３５、温度センサ３７、ヒーター３８、及びヒート板３９が設けられている例を示したが、複数個毎に、例えば隣り合う４個の電波吸収体３３のうちの１個の電波吸収体３３に、ヒーターコントローラ３５、温度センサ３７、ヒーター３８、及びヒート板３９を設けてもよい。

つぎに、この実施の形態３に係るマイクロ波放射計の動作について図面を参照しながら説明する。図９は、この発明の実施の形態３に係るマイクロ波放射計の高温校正源の電波吸収体の温度特性を示す図である。

図８に示すように、電波吸収体３３の内部に設けたヒーターコントローラ３５は、温度センサ３７によって検出された電波吸収体３３の温度に基づいて、ヒーター３８のオン、オフを制御して、電波吸収体３３の温度を一様にする。例えば、ヒーターコントローラ３５は、温度センサ３７による検出温度が２９℃未満のときは、ヒーター３８に所定の電圧を印加して加熱し、検出温度が３０℃以上のときには、所定の電圧の印加を止める。

ヒーター３８により、ヒート板３９が熱せられ、ヒート板３９は熱伝導率がよいため、熱を素早く拡散する役割を持つ。ヒート板３９により電波吸収体３３と、その熱伝導率のよい電波吸収体材料３３Ａが熱せられる。電波吸収体３３は高温校正源３の奥側であり、宇宙空間との放射結合が少なく、温度分布は生じにくい。

熱伝導率のよい電波吸収体材料３３Ａは、先端部に使用され、宇宙空間との放射結合が大きくなっているが、熱伝導率がよいため温度分布は生じにくい。電波吸収体材料の熱伝導率を大きくするには、熱伝導率のよい材料を混入しなければならないが、そのため比重が大きくなってしまう。熱伝導率のよい電波吸収体材料３３Ａを、先端部のみの使用とすることにより、電波吸収体３３の全体の質量を極力抑えている。

上記の実施の形態１、あるいは実施の形態２と組み合わせることにより、より電波吸収体３３の温度分布を一様に近づけることができ、校正精度を上げることができる。

例えば、図９に示すように、マイクロ波放射計に設けられた高温校正源３の電波吸収体３３の温度の最大値と最小値の差が約２．１℃で上記実施の形態２よりも改善されている。

この発明の実施の形態１に係るマイクロ波放射計の構成を示す斜視図である。 この発明の実施の形態１に係るマイクロ波放射計の断面構成を示す図である。 この発明の実施の形態１に係るマイクロ波放射計の高温校正源の構成を示す図である。 この発明の実施の形態１に係るマイクロ波放射計の高温校正源の電波吸収体の温度特性を示す図である。 この発明の実施の形態２に係るマイクロ波放射計の構成を示す斜視図である。 この発明の実施の形態２に係るマイクロ波放射計の断面構成を示す図である。 この発明の実施の形態２に係るマイクロ波放射計の高温校正源の電波吸収体の温度特性を示す図である。 この発明の実施の形態３に係るマイクロ波放射計の高温校正源の電波吸収体の構成を示す図である。 この発明の実施の形態３に係るマイクロ波放射計の高温校正源の電波吸収体の温度特性を示す図である。

符号の説明

１ 構体、２ 一次放射器、３ 高温校正源、４ ＭＬＩ面、５ 白色面、６ アルミ板、１１ ヒーターコントローラ、１２ ヒーター、１３ 温度センサ、３１ 熱制御材、３２ フレーム、３３ 電波吸収体、３３Ａ 電波吸収体材料、３４ ヒート部材、３５ ヒーターコントローラ、３６ ヒーター棒、３７ 温度センサ、３８ ヒーター、３９ ヒート板。

Claims (4)

1. 構体上に、地球からのマイクロ波を受ける主反射鏡、深宇宙からのマイクロ波を受ける低温校正用反射鏡、温度が一定に制御された電波吸収体が複数個並べられた高温校正源、並びに前記主反射鏡、前記低温校正用反射鏡及び前記高温校正源からのマイクロ波を受信する一次放射器が設けられたマイクロ波放射計であって、
   前記構体の上面で前記高温校正源に対向する箇所に設け、前記電波吸収体と放射熱結合を持つ白色手段と、
   前記白色手段の温度を検出する第１の温度センサと、
   前記白色手段を加熱する第１のヒーターと、
   前記第１の温度センサによって検出された温度に基づいて前記白色手段が一定の温度になるように前記第１のヒーターを制御する第１のヒーターコントローラと
   を備えたことを特徴とするマイクロ波放射計。
2. 前記白色手段は、前記構体の上面の前記高温校正源に対向する部分のみに切欠き付きドーナツ状に白色でペイントした白色面であり、
   前記第１の温度センサ、及び前記第１のヒーターは、前記構体の内部に設けられている
   ことを特徴とする請求項１記載のマイクロ波放射計。
3. 前記白色手段は、前記構体の上面の前記高温校正源に対向する領域に設けた白色ペイントした切欠き付きドーナツ状のアルミ板であり、
   前記第１の温度センサ、及び前記第１のヒーターは、前記アルミ板の下側に設けられている
   ことを特徴とする請求項１記載のマイクロ波放射計。
4. 前記電波吸収体は、
   先端部の材料の熱伝導率が前記先端部以外の根本の部分の材料の熱伝導率よりも大きく、
   前記電波吸収体の内側全面にヒート板が設けられ、
   前記電波吸収体の温度を検出する第２の温度センサと、
   前記ヒート板を加熱する第２のヒーターと、
   前記第２の温度センサによって検出された温度に基づいて前記電波吸収体が一定の温度になるように前記第２のヒーターを制御する第２のヒーターコントローラとを有する
   ことを特徴とする請求項１、２又は３記載マイクロ波放射計。

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