一種地基微波輻射計(jì)定標(biāo)源設(shè)計(jì)與研制

成俊杰 曹 月 孫曉寧 楊寒旭 翟 宏

(北京無(wú)線電計(jì)量測(cè)試研究所，北京 100039)

1 引 言

中國(guó)疆域遼闊，氣象災(zāi)害多發(fā)。為減少災(zāi)害性天氣對(duì)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)造成的損失，國(guó)家不斷加強(qiáng)現(xiàn)代化氣象觀測(cè)手段，增強(qiáng)人工影響天氣的能力。微波輻射計(jì)能夠在近乎所有天氣條件下，在分鐘的時(shí)間分辨率下進(jìn)行實(shí)時(shí)連續(xù)無(wú)人值守操作，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)其覆蓋區(qū)域不間斷實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，獲得連續(xù)、高分辨率大氣溫度及濕度廓線，彌補(bǔ)探空氣球的不足[1]。多通道微波輻射計(jì)觀測(cè)技術(shù)結(jié)合遙感和數(shù)值模擬手段可以探測(cè)中國(guó)多數(shù)區(qū)域大氣水含量和大氣水汽輸送變化，通過(guò)測(cè)量(20～60)GHz頻段大氣向下發(fā)射的亮溫，反演地面至10km的大氣溫度、濕度、云水垂直廓線。在一些發(fā)達(dá)國(guó)家，已開(kāi)始代替無(wú)線電探空氣球，在數(shù)值天氣預(yù)報(bào)、人工影響天氣工程、氣候變化研究等領(lǐng)域中承擔(dān)關(guān)鍵角色[2]。

微波輻射計(jì)對(duì)各種物體的自然輻射信號(hào)進(jìn)行被動(dòng)接收。研究成果表明：不同物體在不同條件下的輻射亮溫雖然有一定差異，但通常很小。因此微波輻射計(jì)必須經(jīng)過(guò)統(tǒng)一、精確、可靠的定標(biāo)，即用輻射計(jì)去接收一個(gè)微波輻射特性已知的定標(biāo)源輻射信號(hào)，精確構(gòu)造出輻射計(jì)電信號(hào)輸出與接收到的輻射亮溫度之間的定標(biāo)關(guān)系，才能保證微波被動(dòng)探測(cè)信息的準(zhǔn)確性和應(yīng)用價(jià)值[3]。

2 大氣探測(cè)輻射計(jì)定標(biāo)源工作原理

大氣環(huán)境下工作的輻射計(jì)主要通過(guò)寬口徑定標(biāo)源對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)，以滿足輻射計(jì)的溯源需求。同樣工作在大氣環(huán)境下的計(jì)量級(jí)定標(biāo)源基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。定標(biāo)源包括輻射體、微波窗、控溫體(一級(jí)冷端、二級(jí)冷端、傳熱網(wǎng)絡(luò)、加熱膜)、控溫裝置(PID、控溫傳感器及其他外圍單元)、測(cè)溫裝置(測(cè)溫儀、溫度傳感器)、其它部分(外殼、屏蔽罩等)。微波窗由低損泡沫構(gòu)成，允許微波輻射幾乎無(wú)損地通過(guò)。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，它可以避免水汽凝結(jié)在裸露的輻射體上。

圖1 實(shí)驗(yàn)室/大氣環(huán)境定標(biāo)源結(jié)構(gòu)示意圖

大氣環(huán)境下輻射計(jì)定標(biāo)源基本溯源途徑如下：通過(guò)定期測(cè)量輻射體內(nèi)部的溫度傳感器，來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度參數(shù)溯源到ITS-90國(guó)際溫標(biāo)；定期測(cè)量輻射體的發(fā)射率，發(fā)射率可溯源到基本的無(wú)線電參數(shù)；定期測(cè)量微波窗的插入損耗，并依據(jù)亮溫度傳輸公式進(jìn)行修正。

根據(jù)地基大氣探測(cè)輻射計(jì)工作頻段和校準(zhǔn)需求，設(shè)計(jì)了熱定標(biāo)源(298～333)K、常溫定標(biāo)源(283～298)K、冷定標(biāo)源80K的組合定標(biāo)方案。既滿足了輻射計(jì)觀測(cè)亮溫度范圍的要求，同時(shí)又能夠在較短的時(shí)間完成高中低3個(gè)區(qū)間的校準(zhǔn)工作。

3 輻射體發(fā)射率仿真及測(cè)量結(jié)果

3.1 輻射體設(shè)計(jì)及發(fā)射率電磁仿真

本項(xiàng)目研制的定標(biāo)源輻射體結(jié)構(gòu)如圖2所示，單錐的寬高比約為1∶4，錐高約為92mm。輻射體通過(guò)在周期陣列形式的金屬基體之上澆鑄吸波涂料制作完成。通過(guò)調(diào)節(jié)金屬基體的物理溫度，可改變輻射體的輸出亮溫度[4]。

圖2 定標(biāo)源輻射體示意圖

在熱力平衡條件下，根據(jù)基爾霍夫定律可以認(rèn)為發(fā)射率等于吸收率?？紤]到入射極化影響，根據(jù)一般形式的基爾霍夫定律可以得到物體h極化方向發(fā)射率eh(θ0,φ0)、反照率A(θ0,φ0)和微分散射系數(shù)γ的關(guān)系如下[5,6]

eh(θ0,φ0)=1-A(θ0,φ0)

(1)

式中：γhh(s,o)——散射與入射輻射同極化時(shí)，目標(biāo)體的微分散射系數(shù)；γvh(s,o)——散射與入射輻射異極化時(shí)，目標(biāo)體的微分散射系數(shù)。

(20～60)GHz頻段內(nèi)主要窗口的發(fā)射率仿真數(shù)據(jù)如圖3所示，最低在0.999 95以上。

圖3 發(fā)射率仿真數(shù)據(jù)圖

3.2 發(fā)射率測(cè)量

根據(jù)Friis方程，推導(dǎo)出發(fā)射率測(cè)量公式為[6]

(2)

式中：Cg——散射修正因子，是對(duì)用周期結(jié)構(gòu)表面模型對(duì)電磁波散射效應(yīng)的一種近似修正；r——天線口面到被測(cè)輻射體的距離；r′——天線口面到相位中心的距離；μ——近場(chǎng)修正因子；A——天線有效口面；Rbb0——不考慮距離和天線增益時(shí)的輻射體反射系數(shù)。

當(dāng)上述天線參數(shù)不易獲得時(shí)，可采用金屬參考平板進(jìn)行歸一化處理。發(fā)射率測(cè)量包括兩部分，后向電壓反射系數(shù)測(cè)量和散射修正因子測(cè)量，其中后向電壓反射系數(shù)測(cè)量可以采用移動(dòng)輻射體的空間駐波法，散射修正因子測(cè)量采用雙站RCS測(cè)量。最終的發(fā)射率測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 定標(biāo)源輻射體發(fā)射率測(cè)量結(jié)果

4 定標(biāo)源溫度控制及試驗(yàn)結(jié)果

4.1 定標(biāo)源溫度控制設(shè)計(jì)

三個(gè)定標(biāo)源的溫度控制都是PID(比例積分微分)方式，原理如圖4所示。

圖4 一種最基本的PID控制系統(tǒng)原理框圖

圖4中，ysv(t)為設(shè)定值，y(t)為實(shí)際輸出值，e(t)為兩者之差，u(t)為控制量。控制規(guī)律如式(3)所示

(3)

式中：KP——比例系數(shù)；TI——積分時(shí)間常數(shù)；TD——微分時(shí)間常數(shù)。

PID控制器根據(jù)設(shè)定值與實(shí)際輸出值構(gòu)成的偏差，將偏差比例、偏差積分和微分通過(guò)線性方程構(gòu)成控制量，從而對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制。

冷定標(biāo)源及常溫定標(biāo)源控溫結(jié)構(gòu)如圖5所示。冷定標(biāo)源采用液氮浸泡方式，使輻射體穩(wěn)定工作在80K附近[7]。PID根據(jù)液氮控溫體內(nèi)液面位置判斷是否打開(kāi)電磁閥補(bǔ)充液氮；常溫定標(biāo)源可工作在(283～298)K區(qū)間，利用循環(huán)水進(jìn)行溫控；熱定標(biāo)源采用加熱膜方式，加熱膜安裝在均溫板上，這里就不再給出具體模型。

圖5 定標(biāo)源控溫結(jié)構(gòu)示意圖

為克服大氣環(huán)境下定標(biāo)試驗(yàn)中對(duì)流換熱對(duì)輻射體表面溫度的影響，在定標(biāo)源輻射體上面增加微波窗。微波窗的引入會(huì)對(duì)輸出亮溫度造成影響。當(dāng)微波窗物理溫度與輻射體物理溫度不同時(shí)，會(huì)抬高或降低輻射體表面輻射的亮溫。當(dāng)損耗正切為3E-5時(shí)，采用理論公式計(jì)算出10cm厚度微波窗產(chǎn)生的亮溫度衰減，如圖6所示，當(dāng)定標(biāo)源物理溫度為80K時(shí)，經(jīng)微波窗后的亮溫度，如圖7所示。因此在毫米波頻段需要根據(jù)微波窗的特性對(duì)冷定標(biāo)源的輸出亮溫進(jìn)行修正[8]。水冷變溫源和熱定標(biāo)源由于輻射體溫度和微波窗溫度比較接近可不予補(bǔ)償。

圖6 微波窗功率傳輸系數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

圖7 定標(biāo)源經(jīng)微波窗后輸出亮溫度實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

4.2 定標(biāo)源溫度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)中，取溫度控制相對(duì)穩(wěn)定后一段時(shí)間內(nèi)的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。冷定標(biāo)源和常溫定標(biāo)源的溫度穩(wěn)定性及均勻性分別如圖8和圖9所示。溫度穩(wěn)定性定義為總采樣周期內(nèi)平均值最大值與最小值的差值，也可以看作是某一時(shí)間段內(nèi)的最大波動(dòng)。溫度均勻性定義為同一采樣時(shí)間內(nèi)最大值與最小值的差值。

圖8 冷定標(biāo)源溫度穩(wěn)定性及均勻性實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

圖9 常溫定標(biāo)源溫度穩(wěn)定性及均勻性實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該定標(biāo)源組最終實(shí)現(xiàn)了80K工作溫度且輻射體口面垂直放置時(shí)優(yōu)于0.2K的溫度均勻性，優(yōu)于0.023K的溫度穩(wěn)定性。常溫定標(biāo)源的溫度均勻性優(yōu)于0.11K，溫度穩(wěn)定性優(yōu)于0.02K。

5 結(jié)束語(yǔ)

介紹了(20～60)GHz地基探測(cè)輻射計(jì)定標(biāo)源組的構(gòu)成、輻射體電磁仿真與發(fā)射率測(cè)量、定標(biāo)源溫度控制等內(nèi)容。由測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，本套定標(biāo)源在設(shè)計(jì)頻段內(nèi)具有0.999 9左右的發(fā)射率，溫度均勻性優(yōu)于0.2K，溫度穩(wěn)定性優(yōu)于0.023K。實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，冷定標(biāo)源輸出亮溫不確定度為1.0K(k=2)，常溫定標(biāo)源輸出亮溫不確定度為0.3K(k=2)，熱定標(biāo)源輸出亮溫不確定度為0.5K(k=2)。該套定標(biāo)源目前已應(yīng)用于大氣探測(cè)輻射計(jì)的定標(biāo)校準(zhǔn)工作中。