10GHz~90GHz寬口徑變溫噪聲源

1 引言

微波輻射計(jì)是一種用于測量物體微波熱輻射的被動(dòng)遙感儀器。由于物體的微波輻射信號(hào)是極其微弱的非相干信號(hào)，這種信號(hào)的功率比輻射計(jì)本身的噪聲功率還要小很多，所以輻射計(jì)實(shí)質(zhì)是一臺(tái)高靈敏度接收機(jī)。為克服系統(tǒng)噪聲和通道增益漂移對微波輻射計(jì)靈敏度、線性度和穩(wěn)定性的影響，必須建立微波輻射計(jì)的輸入亮溫與輸出電壓之間的精確關(guān)系，稱之為輻射計(jì)定標(biāo)。定標(biāo)精度將直接影響輻射計(jì)的測量精度。在已經(jīng)發(fā)射的“風(fēng)云三號(hào)(FY-3)”氣象衛(wèi)星上就搭載了微波成像儀、微波溫度計(jì)和微波濕度計(jì)三種輻射計(jì)，其定標(biāo)技術(shù)則被列為FY-3氣象衛(wèi)星的11項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)之一。

本文介紹的寬口徑變溫噪聲源(以下簡稱變溫源)可以提供85K~340K范圍內(nèi)的可變亮溫輸出，它在標(biāo)準(zhǔn)冷源和標(biāo)準(zhǔn)熱源的配合下完成對微波輻射計(jì)的線性度、靈敏度和穩(wěn)定性的地面定標(biāo)工作。本文第二部分介紹了變溫源的結(jié)構(gòu)及工作原理，第三部分是變溫源輻射體發(fā)射率測量及輻射體溫度測量的相關(guān)內(nèi)容，最后是變溫源的測試結(jié)果和結(jié)論。

2 變溫源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

變溫源主要由寬口徑輻射體、溫度控制裝置、測溫系統(tǒng)及液氮容器組成。圖1給出了寬口徑輻射體的示意圖。輻射體加工過程如下：先是用線切割在整塊金屬鋁上加工出類似于暗室尖劈形吸波材料形狀的金屬基體，整個(gè)金屬基體直徑300mm，上面排列的金屬錐為金字塔形方錐；經(jīng)特殊工藝處理后，再對金屬基體進(jìn)行整體涂敷吸波材料；然后安裝測溫傳感器。7支測溫用Pt25鉑電阻傳感器的分布如圖2所示。

圖1 寬口徑輻射體示意圖

圖2 測溫用溫度傳感器分布示意圖

變溫源溫度控制方式是根據(jù)外加溫度設(shè)置要求完成對調(diào)溫體的加熱電流和用于制冷的液氮流量的控制，即雙PID控制回路，如圖3所示。調(diào)溫體與自增壓的液氮罐連通，在調(diào)溫體內(nèi)有規(guī)則分布的通路，便于液氮或低溫氮?dú)饬魍ǎ瑥亩拐{(diào)溫體的物理溫度下降。另外在調(diào)溫體內(nèi)部還安裝有多個(gè)加熱器，用來提高其物理溫度。控制液氮流量的電磁閥和加熱裝置全部由PID調(diào)節(jié)器準(zhǔn)確調(diào)節(jié)。PID調(diào)節(jié)器根據(jù)輸入的溫度測量信息和設(shè)置溫度之間的差值按照一定的比例微積分調(diào)節(jié)加熱器的電流和控制液氮流量的電磁閥的通斷比來使調(diào)溫體的物理溫度上升、下降或在某一點(diǎn)保持穩(wěn)定。

圖3 變溫源溫度控制原理框圖

圖4 變溫源實(shí)物照片

立式機(jī)柜所包含的儀器設(shè)備從上到下分別為工控機(jī)顯示器、工控機(jī)機(jī)箱、溫度控制機(jī)箱、FLUKE1590超級電阻測溫儀、FLUKE2590多路掃描開關(guān)。圖片前方灰色箱體上表面的白色泡沫塑料窗口為變溫源的亮溫輻射口面。泡沫塑料在這里的用途主要是絕熱和防止水汽遇冷而凝結(jié)在輻射體表面。

3 輻射體發(fā)射率測量和溫度測量

3.1 輻射體發(fā)射率測量

根據(jù)普朗克定律和瑞利-金斯公式，在微波及毫米波頻段物體輻射的亮溫可以表示為物體發(fā)射率及其物理溫度T的乘積形式，如式(1)所示，該公式是我們研制變溫源的理論基礎(chǔ)。

(1)

根據(jù)Friis公式及相關(guān)修正公式，圖1所示寬口徑輻射體的發(fā)射率可以用(2)式進(jìn)行計(jì)算。

(2)

公式(2)中各參數(shù)的含義如下：為輻射體的功率反射系數(shù)，為輻射體在特定距離下的后向電壓反射系數(shù)，為工作波長，為測量天線的有效面積，為測量天線的近場增益修正因子，為天線口面中心到輻射體的垂直距離，為天線口面中心到其相位中心的距離，C_g為輻射體的散射修正因子。

輻射體發(fā)射率測量可以分為后向電壓反射系數(shù)測量()和散射修正因子測量(C_g)兩部分。其中后向電壓反射系數(shù)測量采用空間滑動(dòng)負(fù)載法；散射修正因子測量與雙站雷達(dá)散射截面測量相似，將收發(fā)天線位于一個(gè)弧形滑軌上，通過對散射在空間的能量進(jìn)行測量并求積分，然后與金屬板的積分值相除，就可以得到輻射體的散射修正因子。

圖5給出了標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀(SNA)測量后向電壓反射系數(shù)的原理框圖。通過在重載直滑軌上前后滑動(dòng)輻射體，可以將天線自身的反射系數(shù)和輻射體的反射系數(shù)分離。

圖5 SNA測量后向電壓反射系數(shù)示意圖

圖6給出了幾個(gè)反射系數(shù)的合成矢量圖。其中，來自天線與自由空間阻抗不連續(xù)面引起的反射可以認(rèn)為是一個(gè)固定反射矢量，當(dāng)沿天線軸向方向前后滑動(dòng)被測輻射體時(shí)，合成矢量終點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡是一個(gè)以天線矢量終點(diǎn)為圓心的圓形。而這個(gè)圓的半徑就是被測輻射體的后向電壓反射系數(shù)。

圖6 反射系數(shù)測量合成矢量圖

3.2 溫度測量

測溫系統(tǒng)由FLUKE1590超級電阻測溫儀、FLUKE2590多路掃描開關(guān)、Pt25鉑電阻溫度計(jì)和數(shù)據(jù)采集軟件組成。數(shù)據(jù)采集軟件的主要有三個(gè)功能模塊：用戶界面模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。主要的類是CServerDlg、CDlgSensorCfg、CDlgHTPage、CDlgCTPage、CDlgVTPage、CSensors、CSensor和CNiVisaSession，主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)_CAL_DATA和_TEMPERATURE_DATA。當(dāng)上述三個(gè)模塊需要同時(shí)運(yùn)行，若設(shè)計(jì)成單線程模式，則當(dāng)任意一個(gè)模塊工作時(shí)，其它兩個(gè)模塊處于暫停狀態(tài)，為了解決這個(gè)問題，本軟件將這三部分分別用三個(gè)不同的線程來實(shí)現(xiàn)，這樣三個(gè)模塊獨(dú)立運(yùn)行，通過消息和必要的同步機(jī)制完成信息的交互。其關(guān)系如圖7所示。其中，用戶界面模塊用于顯示溫度測量結(jié)果，同時(shí)響應(yīng)用戶輸入，完成與用戶的交互，并將與用戶的交互結(jié)果傳遞給其它兩個(gè)模塊；數(shù)據(jù)采集模塊用于溫度測量數(shù)據(jù)的采集和處理；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊用于將數(shù)據(jù)采集模塊采集到的數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)文件的形式存儲(chǔ)在本地硬盤上。

圖7 數(shù)據(jù)采集軟件的UML模型圖

4 輸出亮溫測量結(jié)果

表1給出了我們研制的變溫源的測量指標(biāo)以及和英國變溫源幾項(xiàng)主要技術(shù)指標(biāo)的對比。雙方在發(fā)射率上的較大差異來源于計(jì)算發(fā)射率時(shí)是否考慮了公式(2)中的散射修正因子C_g。

表1 變溫源技術(shù)指標(biāo)測量結(jié)果及對比

5 結(jié)論

本文介紹了一種寬口徑變溫噪聲源，該裝置可以在10GHz~90GHz范圍內(nèi)提供85K~340K的可變亮溫輸出，輸出亮溫?cái)U(kuò)展不確定度小于1K。此裝置及相關(guān)技術(shù)已成功應(yīng)用于FY-3系列衛(wèi)星所搭載的微波輻射計(jì)地面定標(biāo)試驗(yàn)中。