10GHz~90GHz宽口径变温噪声源

1 导言

微波辐射计是一种用于丈量物体微波热辐射的被迫遥感仪器。因为物体的微波辐射信号是极端弱小的非相干信号，这种信号的功率比辐射计本身的噪声功率还要小许多，所以辐射计本质是一台高灵敏度接收机。为战胜体系噪声和通道增益漂移对微波辐射计灵敏度、线性度和稳定性的影响，有必要树立微波辐射计的输入亮温与输出电压之间的精确联系，称之为辐射计定标。定标精度将直接影响辐射计的丈量精度。在现已发射的“风云三号(FY-3)”气象卫星上就搭载了微波成像仪、微波温度计和微波湿度计三种辐射计，其定标技能则被列为FY-3气象卫星的11项关键技能之一。

本文介绍的宽口径变温噪声源(以下简称变温源)能够供给85K~340K规模内的可变亮温输出，它在规范冷源和规范热源的合作下完结对微波辐射计的线性度、灵敏度和稳定性的地上定标作业。本文第二部分介绍了变温源的结构及作业原理，第三部分是变温源辐射体发射率丈量及辐射体温度丈量的相关内容，最终是变温源的测验成果和定论。

2 变温源体系结构及作业原理

变温源首要由宽口径辐射体、温度操控设备、测温体系及液氮容器组成。图1给出了宽口径辐射体的示意图。辐射体加工进程如下：先是用线切割在整块金属铝上加工出类似于暗室尖劈形吸波资料形状的金属基体，整个金属基体直径300mm，上面摆放的金属锥为金字塔形方锥；经特别工艺处理后，再对金属基体进行全体涂敷吸波资料；然后设备测温传感器。7支测温用Pt25铂电阻传感器的散布如图2所示。

图1 宽口径辐射体示意图

图2 测温用温度传感器散布示意图

变温源温度操控方法是依据外加温度设置要求完结对调温体的加热电流和用于制冷的液氮流量的操控，即双PID操控回路，如图3所示。调温体与自增压的液氮罐连通，在调温体内有规矩散布的通路，便于液氮或低温氮气流转，从而使调温体的物理温度下降。另外在调温体内部还设备有多个加热器，用来进步其物理温度。操控液氮流量的电磁阀和加热设备悉数由PID调理器精确调理。PID调理器依据输入的温度丈量信息和设置温度之间的差值依照必定的份额微积分调理加热器的电流和操控液氮流量的电磁阀的通断比来使调温体的物理温度上升、下降或在某一点保持稳定。

图3 变温源温度操控原理框图

图4 变温源什物相片

立式机柜所包括的仪器设备从上到下分别为工控机显现器、工控机机箱、温度操控机箱、FLUKE1590超级电阻测温仪、FLUKE2590多路扫描开关。图片前方灰色箱体上外表的白色泡沫塑料窗口为变温源的亮温辐射口面。泡沫塑料在这里的用处首要是绝热和避免水汽遇冷而凝结在辐射体外表。

3 辐射体发射率丈量和温度丈量

3.1 辐射体发射率丈量

依据普朗克规律和瑞利-金斯公式，在微涉及毫米波频段物体辐射的亮温能够表明为物体发射率及其物理温度T的乘积方式，如式(1)所示，该公式是咱们研发变温源的理论基础。

(1)

依据Friis公式及相关批改公式，图1所示宽口径辐射体的发射率能够用(2)式进行核算。

(2)

公式(2)中各参数的意义如下：为辐射体的功率反射系数，为辐射体在特定间隔下的后向电压反射系数，为作业波长，为丈量天线的有用面积，为丈量天线的近场增益批改因子，为天线口面中心到辐射体的垂直间隔，为天线口面中心到其相位中心的间隔，C_g为辐射体的散射批改因子。

辐射体发射率丈量能够分为后向电压反射系数丈量()和散射批改因子丈量(C_g)两部分。其间后向电压反射系数丈量选用空间滑动负载法；散射批改因子丈量与双站雷达散射截面丈量类似，将收发天线坐落一个弧形滑轨上，经过对散射在空间的能量进行丈量并求积分，然后与金属板的积分值相除，就能够得到辐射体的散射批改因子。

图5给出了标量网络分析仪(SNA)丈量后向电压反射系数的原理框图。经过在重载直滑轨上前后滑动辐射体，能够将天线本身的反射系数和辐射体的反射系数别离。

图5 SNA丈量后向电压反射系数示意图

图6给出了几个反射系数的组成矢量图。其间，来自天线与自由空间阻抗不接连面引起的反射能够认为是一个固定反射矢量，当沿天线轴向方向前后滑动被测辐射体时，组成矢量结尾的运动轨道是一个以天线矢量结尾为圆心的圆形。而这个圆的半径便是被测辐射体的后向电压反射系数。

图6 反射系数丈量组成矢量图

3.2 温度丈量

测温体系由FLUKE1590超级电阻测温仪、FLUKE2590多路扫描开关、Pt25铂电阻温度计和数据收集软件组成。数据收集软件的首要有三个功能模块：用户界面模块、数据收集模块和数据存储模块。首要的类是CServerDlg、CDlgSensorCfg、CDlgHTPage、CDlgCTPage、CDlgVTPage、CSensors、CSensor和CNiVisaSession，首要数据结构_CAL_DATA和_TEMPERATURE_DATA。当上述三个模块需求一起运转，若规划成单线程方式，则当恣意一个模块作业时，其它两个模块处于暂停状况，为了处理这个问题，本软件将这三部分分别用三个不同的线程来完结，这样三个模块独立运转，经过音讯和必要的同步机制完结信息的交互。其联系如图7所示。其间，用户界面模块用于显现温度丈量成果，一起呼应用户输入，完结与用户的交互，并将与用户的交互成果传递给其它两个模块；数据收集模块用于温度丈量数据的收集和处理；数据存储模块用于将数据收集模块收集到的数据以数据文件的方式存储在本地硬盘上。

图7 数据收集软件的UML模型图

4 输出亮温丈量成果

表1给出了咱们研发的变温源的丈量目标以及和英国变温源几项首要技能目标的比照。两边在发射率上的较大差异来源于核算发射率时是否考虑了公式(2)中的散射批改因子C_g。

表1 变温源技能目标丈量成果及比照

5 定论

本文介绍了一种宽口径变温噪声源，该设备能够在10GHz~90GHz规模内供给85K~340K的可变亮温输出，输出亮温扩展不确定度小于1K。此设备及相关技能已成功应用于FY-3系列卫星所搭载的微波辐射计地上定标实验中。