專利名稱：一種地基微波輻射計的非線性定標方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種定標裝置及其方法，特別涉及一種地基微波毫米波輻射計的非線性定標方法及裝置。
背景技術：
微波輻射計是一種被動式的微波遙感器，能穿透云層和雨區(qū)，并能穿透一定深度的地表或植被獲取被植被覆蓋的地面信息以及地表下一定深度目標的信息，用于全天時、 全天候地觀測全球大氣溫度和濕度、水汽含量、降雨量等空間氣象資料，以及地質(zhì)與資源調(diào)查、海洋環(huán)境與海況檢測、災害性天氣預報與檢測等，在大氣探測及海洋觀測中具有重要作用。從大的方面來說，微波輻射計主要應用于大氣微波遙感、海洋微波遙感和陸地微波遙感；以具體內(nèi)容來看，微波輻射計主要應用于氣象、農(nóng)林、地質(zhì)、海洋環(huán)境監(jiān)測和軍事偵察等方面，目前還用于天文、醫(yī)療和導彈的末制導等方面。地基大氣廓線微波探測儀作為微波輻射計的一種，與其他類型相比，具有功耗低、 體積小、質(zhì)量輕和工作穩(wěn)定，維護成本低，運行可靠等特點，是一種成熟可靠的探測大氣溫度、濕度廓線的業(yè)務數(shù)據(jù)服務手段。優(yōu)點其一是彌補了星載微波輻射計在低空垂直分辨率差，尤其是云的遮擋和強吸收以及大氣對毫米波波段電磁的不透明性。優(yōu)點其二是對云中液態(tài)水的靈敏度較高，在陸地上空，是目前最準確成本最低的垂直液態(tài)水通量測量的手段。定標技術是微波輻射計設計中的一項關鍵技術。由于輻射計的工作環(huán)境特殊，不同類型和不同用途的微波輻射計采取不同的定標方式。對于星載微波輻射計，通常采用在軌高低、溫兩點定標，結(jié)合發(fā)射前熱真空定標試驗確定的系統(tǒng)非線性特征進行修正，高溫參考源為星載吸收黑體，低溫參考源為宇宙冷空背景的微波輻射。地基微波輻射計的定標與星載微波輻射計定標具有相同的思路，但由于大氣衰減的影響，在地面沒有宇宙冷空背景可以利用，所以高溫參考源為內(nèi)定標單元的噪聲輸入，低溫參考源為探測儀內(nèi)置的定標黑體。由于這兩個參考源的亮度溫度要高于探測目標的亮度溫度，因此產(chǎn)品出廠前確定系統(tǒng)的非線性特性是非常關鍵的工作。目前對地基微波輻射計定標普遍使用的是理想情況下的高低溫兩點線性定標法。 低端定標源是參考負載溫度，另一個定標源是參考負載加上耦合進來噪聲源溫度的和作為高溫定標源。接收機的輸入端通過開關周期地在天線單元和定標單元之間切換就可以獲得實時定標曲線。理想的輻射計接收機是一個線性系統(tǒng)，但由于檢波二極管的功率非線性特征造成的非線性誤差是不可以忽略的，往往達到IK量級。利用兩個定標源(Tlw和Thigh)的輸出電壓(V1ot和Vhigh)來計算定標方程的時候，給出的方程是一條理想直線，而實際的輻射計響應一條通過已知點的曲線，那么對于觀測時輸出電壓V·，所對應的真實溫度T_就可能出現(xiàn)較大誤差。

圖1是理想的基于地基微波輻射計的兩點高低溫定標示意圖，即目前普遍使用的地基微波輻射計定標方法。如圖1所示，普遍使用的地基微波輻射計定標方法認為地基微波輻射計是理想的線性系統(tǒng)，微波輻射計的定標方式主要采用內(nèi)部的兩個定標源的實時定標實現(xiàn)，從而通過高低溫兩點定標法確定系統(tǒng)的線性度。
圖2是理想的基于地基微波輻射計線性系統(tǒng)兩點定標的原理示意圖。如圖2所示， 微波輻射計的定標方式主要采用內(nèi)部的兩個定標源的實時定標實現(xiàn)的。低端定標源是參考負載溫度，另一個定標源是參考負載加上耦合進來噪聲源溫度的和。接收機的輸入端通過開關周期地在天線單元和定標單元之間切換就可以獲得實時定標曲線。理想的輻射計接收機是一個線性系統(tǒng)，但由于檢波二極管的功率非線性特征造成的非線性誤差是不可以忽略的，往往達到IK量級。利用兩個定標源(Tlw和Thigh)的輸出電壓(Vlw和Vhigh)來計算定標方程的時候，給出的方程是所示“ Idealcurve”，是一條理想直線，而實際的輻射計響應可能是“Real curve”，那么對于觀測時輸出電壓V·，所對應的真實溫度T_就可能出現(xiàn)較大誤差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，為了克服上述多通道地基微波輻射計系統(tǒng)裝置在出廠前不能確定由于檢波二極管造成的系統(tǒng)的非線性特性的問題，從而提出一種用于微波輻射計的定標方法和裝置。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種地基微波輻射計的非線性定標方法，該方法為針對一種噪聲注入多點測量的非線性內(nèi)定標法，所述內(nèi)定標方法，具體步驟如下1)出廠前確定系統(tǒng)的非線性因子，具體步驟如下(1-1)檢波器的非線性特征表示為U = GP°其中U為檢波電壓，G為檢波系數(shù)，α為非線性因子且0< α <1，P為輸入功率；(1-2)Ρ為輸入功率，該值為接收機噪聲、注入噪聲與天線噪聲溫度功率之和，根據(jù) Plank定律，在微波波段輻射功率與亮度溫度成正比關系，因而檢波輸出電壓與輸入功率之間可以表示為U = G(Trec+TinJ+TA) α上述方程中，Trec接收機噪聲溫度、Tinj為注入噪聲溫度、Ta為天線溫度、G為檢波系數(shù)，α為非線性因子，其中Tra，G和α為定標需要獲取的三個未知量；(1-3)多點噪聲注入，在通常的高溫和低溫兩個定標參考點之間提供若干額外的定標點，對非線性進行擬合；天線觀測低溫和常溫黑體，可以獲得兩個定標點Τ。 U1和 Th U2，注入一定數(shù)值噪聲Tn后可以獲得另外兩個定標點Τ。+Τη U3和Th+Tn U4 ；通過上述4個定標點就可以獲得包括接收機噪聲溫度、系統(tǒng)增益和非線性因子這3個定標參數(shù)和注入噪聲；通過上述四個等式關系，就可以得到系統(tǒng)的增益，接收機噪聲溫度，且結(jié)合已知的注入噪聲，初步確定系統(tǒng)非線性系數(shù)α ；2)利用實驗室變溫源交叉多次驗證上述步驟初步確定的系統(tǒng)的非線性系數(shù)α ；3)探測過程中進行準周期實時定標，其具體步驟如下(3-1)觀測內(nèi)置黑體，確定定標方程，此定標方程可表示如下U = G(Trec+TA) α其中，U為檢波電壓，α為非線性因子且通過上述兩個步驟確定該值，Ta為天線噪
聲溫度；為了求出以上公式中的檢波系數(shù)G和接收機噪聲溫度Tre。這兩個未知參數(shù)，通過已知數(shù)值的高溫定標黑體和注入噪聲，上式表示為U1 = G(Trec+Th) αU2 = G(Trec+TinJ+Th) α其中，U1, U2為檢波電壓且通過檢測獲得，G為待求解的檢波系數(shù)，α為已知的非線性因子，Tre。為待求解的接收機噪聲溫度，Th為已知的高溫黑體溫度，Itaj為已知的注入噪聲溫度；通過求解包含兩個未知參數(shù)的方程組，得出檢波系數(shù)G和接收機噪聲溫度Tre。這兩個未知參數(shù)；(3-2)利用定標方程反演亮度溫度，完成定標，公式如下U = G(Trec+TA) α其中，U為已知的檢波電壓，G為步驟(3-1)獲得的檢波系數(shù)，α為已知的非線性因子，Trec為步驟(3-1)獲得的接收機噪聲溫度；求解此方程反演出天線的亮度溫度ΤΑ，完成定標過程。作為本發(fā)明的一個改進，所述的內(nèi)定標法，能夠用外定標保證內(nèi)定標過程的正確性，所述的外定標通過利用產(chǎn)品配套的外置低溫黑體進行周期為半年至一年的周期性檢驗維護，用于對系統(tǒng)的非線性特征參數(shù)進行重新確認，并將新的確認結(jié)果輸入到探測儀中。本發(fā)明還針對上述的噪聲注入多點測量的非線性內(nèi)定標法提出一種內(nèi)定標裝置， 該裝置用于完成針對一種噪聲注入多點測量的非線性內(nèi)定標，所述的內(nèi)定標裝置包含噪聲注入模塊和內(nèi)置定標黑體模塊；其特征在于，所述的噪聲注入模塊包含噪聲溫度為100 200Κ的噪聲源、開關和用于噪聲信號注入的定向耦合器；所述噪聲源產(chǎn)生所需要的定標噪聲信號，饋源提供提供低溫和常溫定標噪聲信號；開關用于實現(xiàn)噪聲信號通斷，對噪聲源供電電源進行通斷控制，在對接收子單元恒溫措施的情況下，控制其噪聲電源通斷有利于保證噪聲輸入的穩(wěn)定；所述定向耦合器用于實現(xiàn)噪聲信號的饋入，饋入噪聲溫度100 200Κ ；所述的噪聲注入模塊的噪聲源，針對K波段20 30GHz和V波段50 60GHz，超噪比為10dB，耦合度為-13 _20dB，注入噪聲溫度為范圍100-200K，恒溫精度為0. 1°C。所述的噪聲注入模塊的開關，通過對噪聲源供電電源進行通斷控制實現(xiàn)，在對接收子單元恒溫措施的情況下，控制其噪聲電源通斷更有利于保證噪聲輸入的穩(wěn)定。所述的噪聲注入模塊的定向耦合器，由波導組成，針對K波段 20 30GHz和V波段50 60GHz，波導型號分別為WRiM和WR15，法蘭型號為UG-381/U和 UG-385/U，駐波比小于等于1. 25，+12V供電。所述的內(nèi)置定標黑體模塊包含吸波黑體，溫度傳感器、高低溫保溫層、和微型直流風扇；所述的吸波黑體，發(fā)射率大于等于0. 999 ；所述溫度傳感器，由多個測量電阻組成， 分別安裝在定標黑體不同位置，測溫精度為0. rc ；所述的高低溫保溫層是采用具有良好隔熱性能的泡沫材料組成，位于該內(nèi)置定標黑體單元的頂層和底層，用于減小黑體上的梯度； 所述的微型直流風扇位于內(nèi)置黑體模塊的左右兩端，用于強制空氣流動，保證內(nèi)置黑體各部分溫度均勻。其中，所述的內(nèi)置定標黑體的溫度傳感器，為了對黑體的溫度進行準確的測量，在定標黑體的不同位置安裝多個測溫電阻，以保證黑體亮度溫度的準確性。噪聲注入模塊與內(nèi)置定標黑體的指標要求見表1 表1噪聲注入模塊與內(nèi)置黑體指標要求
權利要求
1.一種地基微波輻射計的非線性定標方法，該方法為針對一種噪聲注入多點測量的非線性內(nèi)定標法，所述內(nèi)定標方法，具體步驟如下1)出廠前確定系統(tǒng)的非線性因子，具體步驟如下 (1-1)檢波器的非線性特征表示為U = GPa其中U為檢波電壓，G為檢波系數(shù)，α為非線性因子且0< a <1，P為輸入功率； (1-2)P為輸入功率，該值為接收機噪聲、注入噪聲與天線噪聲溫度功率之和，根據(jù) Plank定律，在微波波段輻射功率與亮度溫度成正比關系，因而檢波輸出電壓與輸入功率之間可以表示為U = G(Trec+TinJ+TA) α上述方程中，Tre。接收機噪聲溫度、Tiiu.為注入噪聲溫度、Ta為天線溫度、G為檢波系數(shù)， α為非線性因子，其中Tre。，G和α為定標需要獲取的三個未知量；(1-3)多點噪聲注入，在通常的高溫和低溫兩個定標參考點之間提供若干額外的定標點，對非線性進行擬合；天線觀測低溫和常溫黑體，可以獲得兩個定標點Τ。 U1和Th U2, 注入一定數(shù)值噪聲Tn后可以獲得另外兩個定標點Τ。+Τη U3和Th+Tn U4 ；通過上述4個定標點對應的U值獲得包括Tre。、G和α 3個定標參數(shù)和Tiiu.的值，初步確定系統(tǒng)非線性系數(shù)α ；2)利用實驗室變溫源交叉多次驗證上述步驟初步確定的系統(tǒng)的非線性系數(shù)α，進一步獲得更精確的非線性系數(shù)α的值；3)探測過程中進行準周期實時定標，其具體步驟如下 (3-1)觀測內(nèi)置黑體，確定定標方程，此定標方程可表示如下 U = G(Trec+TA) α其中，U為檢波電壓，α為非線性因子且通過上述兩個步驟確定該值，Ta為天線噪聲溫度；為了求出以上公式中的檢波系數(shù)G和接收機噪聲溫度Trec這兩個未知參數(shù)，通過已知數(shù)值的高溫定標黑體和注入噪聲，上式表示為 U1 = G(Trec+Th) α U2 = G(Trec+TinJ+Th) α其中，U1, U2為檢波電壓且通過檢測獲得，G為待求解的檢波系數(shù)，α為已知的非線性因子，Tre。為待求解的接收機噪聲溫度，Th為已知的高溫黑體溫度，為已知的注入噪聲溫度；通過求解包含兩個未知參數(shù)的方程組，得出檢波系數(shù)G和接收機噪聲溫度Tre。這兩個未知參數(shù)；(3-2)利用定標方程反演亮度溫度，完成定標，公式如下 U = G(Trec+TA) α其中，U為已知的檢波電壓，G為步驟(3-1)獲得的檢波系數(shù)，α為已知的非線性因子， Trec為步驟(3-1)獲得的接收機噪聲溫度；求解此方程反演出天線的亮度溫度Ta，完成定標過程。
2.根據(jù)權利要求1所述的地基微波輻射計的非線性定標方法，其特征在于，所述的內(nèi)定標法，能夠用外定標保證內(nèi)定標過程的正確性，所述的外定標通過利用產(chǎn)品配套的外置低溫黑體進行周期為半年至一年的周期性檢驗維護，用于對系統(tǒng)的非線性特征參數(shù)進行重新確認，并將新的確認結(jié)果輸入到探測儀中。
3.—種地基微波輻射計的非線性定標裝置，該裝置用于完成針對一種噪聲注入多點測量的非線性內(nèi)定標法，該方法包含步驟為1)出廠前確定系統(tǒng)的非線性因子，通過多點噪聲注入，在通常的高溫和低溫兩個定標參考點之間提供若干額外的定標點，對非線性進行擬合；天線觀測低溫和常溫黑體，可以獲得兩個定標點T。 U1和Th U2，注入一定數(shù)值噪聲Tn后可以獲得另外兩個定標點T。+Tn U3和Th+Tn U4 ；通過上述4個定標點就可以獲得包括接收機噪聲溫度、系統(tǒng)增益和非線性因子這3個定標參數(shù)和注入噪聲；通過上述四個等式關系，就可以得到系統(tǒng)的增益，接收機噪聲溫度，且結(jié)合已知的注入噪聲，初步確定系統(tǒng)非線性系數(shù)α ；2)利用實驗室變溫源交叉多次驗證上述步驟初步確定的系統(tǒng)的非線性系數(shù)α；3)探測過程中進行準周期實時定標，其具體步驟如下 (3-1)觀測內(nèi)置黑體，確定定標方程，此定標方程可表示如下 U = G(Trec+TA) α求出檢波系數(shù)G和接收機噪聲溫度Tre。這兩個未知參數(shù)； (3-2)利用定標方程反演亮度溫度，完成定標，公式如下 U = G(Trec+TA) α其中，U為已知的檢波電壓，G為步驟(3-1)獲得的檢波系數(shù)，α為已知的非線性因子， Trec為步驟(3-1)獲得的接收機噪聲溫度；求解此方程反演出天線的亮度溫度ΤΑ，完成定標過程； 所述的內(nèi)定標裝置包含噪聲注入模塊和內(nèi)置定標黑體模塊；其特征在于， 所述的噪聲注入模塊包含噪聲溫度為100 200Κ的噪聲源、開關和用于噪聲信號注入的定向耦合器；所述噪聲源產(chǎn)生所需要的定標噪聲信號，饋源提供提供低溫和常溫定標噪聲信號；開關用于實現(xiàn)噪聲信號通斷，對噪聲源供電電源進行通斷控制，在對接收子單元恒溫措施的情況下，控制其噪聲電源通斷有利于保證噪聲輸入的穩(wěn)定；所述定向耦合器用于實現(xiàn)噪聲信號的饋入，饋入噪聲溫度100 200Κ ；所述的內(nèi)置定標黑體模塊包含吸波黑體，溫度傳感器、高低溫保溫層、和微型直流風扇；所述的吸波黑體，發(fā)射率大于等于0. 999 ；所述溫度傳感器，由多個測量電阻組成，分別安裝在定標黑體不同位置，測溫精度為0. rc ；所述的高低溫保溫層是采用具有良好隔熱性能的泡沫材料組成，位于該內(nèi)置定標黑體單元的頂層和底層，用于減小黑體上的梯度；所述的微型直流風扇位于內(nèi)置黑體模塊的左右兩端，用于強制空氣流動，保證內(nèi)置黑體各部分溫度均勻。
4.根據(jù)權利要求3所述的地基微波輻射計的非線性定標裝置，其特征在于，所述的噪聲注入模塊的噪聲源，針對K波段20 30GHz和V波段50 60GHz，超噪比為10dB，耦合度為-13 -20dB，注入噪聲溫度為范圍100-200K，恒溫精度為0. 1°C。
5.根據(jù)權利要求3所述的地基微波輻射計的非線性定標裝置，其特征在于，所述的噪聲注入模塊的開關，通過對噪聲源供電電源進行通斷控制實現(xiàn)，在對接收子單元恒溫措施的情況下，控制其噪聲電源通斷更有利于保證噪聲輸入的穩(wěn)定。
6.根據(jù)權利要求3所述的地基微波輻射計的非線性定標裝置，其特征在于，所述的噪聲注入模塊的定向耦合器，由波導組成。
7.根據(jù)權利要求3所述的地基微波輻射計的非線性定標裝置，其特征在于，所述的內(nèi)置定標黑體的溫度傳感器，為了對黑體的溫度進行準確的測量，在定標黑體的不同位置安裝多個測溫電阻，以保證黑體亮度溫度的準確性。
全文摘要
本發(fā)明提供一種地基微波輻射計的非線性定標方法，該非線性定標方法是在地基微波輻射計噪聲注入兩點定標的基礎上實現(xiàn)噪聲注入多點亮溫的非線性定標方法，即利用兩個已知的參考目標和注入已知噪聲的另外兩個參考目標獲得的多點亮溫值對接收機噪聲溫度和增益的漂移進行周期性校準，確定地基微波輻射計系統(tǒng)的非線性因子獲得定標方程用于目標亮度溫度的實時測量。同時本發(fā)明還提出一種地基微波輻射計的非線性定標裝置，包括噪聲注入模塊和系統(tǒng)內(nèi)置定標黑體，其中噪聲注入模塊包含噪聲源、開關和定向耦合器，系統(tǒng)內(nèi)置定標黑體提供相當于環(huán)境溫度的標準亮溫。此方法減小了由于檢波二極管功率非線性特征造成的非線性誤差，從而提高探測精準度。
文檔編號G01S7/497GK102243294SQ20101017816
公開日2011年11月16日 申請日期2010年5月14日 優(yōu)先權日2010年5月14日
發(fā)明者何杰穎, 劉和光, 孫波, 張升偉, 董曉龍 申請人:中國科學院空間科學與應用研究中心