专利名称：一种地基微波辐射计的非线性定标方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种定标装置及其方法，特别涉及一种地基微波毫米波辐射计的非线性定标方法及装置。
背景技术：
微波辐射计是一种被动式的微波遥感器，能穿透云层和雨区，并能穿透一定深度的地表或植被获取被植被覆盖的地面信息以及地表下一定深度目标的信息，用于全天时、 全天候地观测全球大气温度和湿度、水汽含量、降雨量等空间气象资料，以及地质与资源调查、海洋环境与�？黾觳�、灾害性天气预报与检测等，在大气探测及海洋观测中具有重要作用。从大的方面来说，微波辐射计主要应用于大气微波遥感、海洋微波遥感和陆地微波遥感；以具体内容来看，微波辐射计主要应用于气象、农林、地质、海洋环境监测和军事侦察等方面，目前还用于天文、医疗和导弹的末制导等方面。地基大气廓线微波探测仪作为微波辐射计的一种，与其他类型相比，具有功耗低、 体积小、质量轻和工作稳定，维护成本低，运行可靠等特点，是一种成熟可靠的探测大气温度、湿度廓线的业务数据服务手段。优点其一是弥补了星载微波辐射计在低空垂直分辨率差，尤其是云的遮挡和强吸收以及大气对毫米波波段电磁的不透明性。优点其二是对云中液态水的灵敏度较高，在陆地上空，是目前最准确成本最低的垂直液态水通量测量的手段。定标技术是微波辐射计设计中的一项关键技术。由于辐射计的工作环境特殊，不同类型和不同用途的微波辐射计采取不同的定标方式。对于星载微波辐射计，通常采用在轨高低、温两点定标，结合发射前热真空定标试验确定的系统非线性特征进行修正，高温参考源为星载吸收黑体，低温参考源为宇宙冷空背景的微波辐射。地基微波辐射计的定标与星载微波辐射计定标具有相同的思路，但由于大气衰减的影响，在地面没有宇宙冷空背景可以利用，所以高温参考源为内定标单元的噪声输入，低温参考源为探测仪内置的定标黑体。由于这两个参考源的亮度温度要高于探测目标的亮度温度，因此产品出厂前确定系统的非线性特性是非常关键的工作。目前对地基微波辐射计定标普遍使用的是理想情况下的高低温两点线性定标法。 低端定标源是参考负载温度，另一个定标源是参考负载加上耦合进来噪声源温度的和作为高温定标源。接收机的输入端通过开关周期地在天线单元和定标单元之间切换就可以获得实时定标曲线。理想的辐射计接收机是一个线性系统，但由于检波二极管的功率非线性特征造成的非线性误差是不可以忽略的，往往达到IK量级。利用两个定标源(Tlw和Thigh)的输出电压(V1ot和Vhigh)来计算定标方程的时候，给出的方程是一条理想直线，而实际的辐射计响应一条通过已知点的曲线，那么对于观测时输出电压V·，所对应的真实温度T_就可能出现较大误差。
图1是理想的基于地基微波辐射计的两点高低温定标示意图，即目前普遍使用的地基微波辐射计定标方法。如图1所示，普遍使用的地基微波辐射计定标方法认为地基微波辐射计是理想的线性系统，微波辐射计的定标方式主要采用内部的两个定标源的实时定标实现，从而通过高低温两点定标法确定系统的线性度。
图2是理想的基于地基微波辐射计线性系统两点定标的原理示意图。如图2所示， 微波辐射计的定标方式主要采用内部的两个定标源的实时定标实现的。低端定标源是参考负载温度，另一个定标源是参考负载加上耦合进来噪声源温度的和。接收机的输入端通过开关周期地在天线单元和定标单元之间切换就可以获得实时定标曲线。理想的辐射计接收机是一个线性系统，但由于检波二极管的功率非线性特征造成的非线性误差是不可以忽略的，往往达到IK量级。利用两个定标源(Tlw和Thigh)的输出电压(Vlw和Vhigh)来计算定标方程的时候，给出的方程是所示“ Idealcurve”，是一条理想直线，而实际的辐射计响应可能是“Real curve”，那么对于观测时输出电压V·，所对应的真实温度T_就可能出现较大误差。
发明内容
本发明的目的在于，为了克服上述多通道地基微波辐射计系统装置在出厂前不能确定由于检波二极管造成的系统的非线性特性的问题，从而提出一种用于微波辐射计的定标方法和装置。为了实现上述目的，本发明提供一种地基微波辐射计的非线性定标方法，该方法为针对一种噪声注入多点测量的非线性内定标法，所述内定标方法，具体步骤如下1)出厂前确定系统的非线性因子，具体步骤如下(1-1)检波器的非线性特征表示为U = GP°其中U为检波电压，G为检波系数，α为非线性因子且0< α <1，P为输入功率；(1-2)Ρ为输入功率，该值为接收机噪声、注入噪声与天线噪声温度功率之和，根据 Plank定律，在微波波段辐射功率与亮度温度成正比关系，因而检波输出电压与输入功率之间可以表示为U = G(Trec+TinJ+TA) α上述方程中，Trec接收机噪声温度、Tinj为注入噪声温度、Ta为天线温度、G为检波系数，α为非线性因子，其中Tra，G和α为定标需要获取的三个未知量；(1-3)多点噪声注入，在通常的高温和低温两个定标参考点之间提供若干额外的定标点，对非线性进行拟合；天线观测低温和常温黑体，可以获得两个定标点Τ。 U1和 Th U2，注入一定数值噪声Tn后可以获得另外两个定标点Τ。+Τη U3和Th+Tn U4 ；通过上述4个定标点就可以获得包括接收机噪声温度、系统增益和非线性因子这3个定标参数和注入噪声；通过上述四个等式关系，就可以得到系统的增益，接收机噪声温度，且结合已知的注入噪声，初步确定系统非线性系数α ；2)利用实验室变温源交叉多次验证上述步骤初步确定的系统的非线性系数α ；3)探测过程中进行准周期实时定标，其具体步骤如下(3-1)观测内置黑体，确定定标方程，此定标方程可表示如下U = G(Trec+TA) α其中，U为检波电压，α为非线性因子且通过上述两个步骤确定该值，Ta为天线噪
声温度；为了求出以上公式中的检波系数G和接收机噪声温度Tre。这两个未知参数，通过已知数值的高温定标黑体和注入噪声，上式表示为U1 = G(Trec+Th) αU2 = G(Trec+TinJ+Th) α其中，U1, U2为检波电压且通过检测获得，G为待求解的检波系数，α为已知的非线性因子，Tre。为待求解的接收机噪声温度，Th为已知的高温黑体温度，Itaj为已知的注入噪声温度；通过求解包含两个未知参数的方程组，得出检波系数G和接收机噪声温度Tre。这两个未知参数；(3-2)利用定标方程反演亮度温度，完成定标，公式如下U = G(Trec+TA) α其中，U为已知的检波电压，G为步骤(3-1)获得的检波系数，α为已知的非线性因子，Trec为步骤(3-1)获得的接收机噪声温度；求解此方程反演出天线的亮度温度Τ�。瓿啥ū旯�。作为本发明的一个改进，所述的内定标法，能够用外定标保证内定标过程的正确性，所述的外定标通过利用产品配套的外置低温黑体进行周期为半年至一年的周期性检验维护，用于对系统的非线性特征参数进行重新确认，并将新的确认结果输入到探测仪中。本发明还针对上述的噪声注入多点测量的非线性内定标法提出一种内定标装置， 该装置用于完成针对一种噪声注入多点测量的非线性内定标，所述的内定标装置包含噪声注入�？楹湍谥枚ū旰谔迥？椋黄涮卣髟谟冢龅脑肷⑷肽？榘肷露任�100 200Κ的噪声源、开关和用于噪声信号注入的定向耦合器；所述噪声源产生所需要的定标噪声信号，馈源提供提供低温和常温定标噪声信号；开关用于实现噪声信号通断，对噪声源供电电源进行通断控制，在对接收子单元恒温措施的情况下，控制其噪声电源通断有利于保证噪声输入的稳定；所述定向耦合器用于实现噪声信号的馈入，馈入噪声温度100 200Κ ；所述的噪声注入�？榈脑肷矗攵訩波段20 30GHz和V波段50 60GHz，超噪比为10dB，耦合度为-13 _20dB，注入噪声温度为范围100-200K，恒温精度为0. 1°C。所述的噪声注入模块的开关，通过对噪声源供电电源进行通断控制实现，在对接收子单元恒温措施的情况下，控制其噪声电源通断更有利于保证噪声输入的稳定。所述的噪声注入�？榈亩ㄏ蝰詈掀鳎刹ǖ甲槌桑攵訩波段 20 30GHz和V波段50 60GHz，波导型号分别为WRiM和WR15，法兰型号为UG-381/U和 UG-385/U，驻波比小于等于1. 25，+12V供电。所述的内置定标黑体�？榘ê谔澹露却衅鳌⒏叩臀卤Ｎ虏恪⒑臀⑿椭绷鞣缟龋凰龅奈ê谔澹⑸渎蚀笥诘扔�0. 999 ；所述温度传感器，由多个测量电阻组成， 分别安装在定标黑体不同位置，测温精度为0. rc ；所述的高低温保温层是采用具有良好隔热性能的泡沫材料组成，位于该内置定标黑体单元的顶层和底层，用于减小黑体上的梯度； 所述的微型直流风扇位于内置黑体�？榈淖笥伊蕉耍糜谇恐瓶掌鞫Ｖつ谥煤谔甯鞑糠治露染鶆�。其中，所述的内置定标黑体的温度传感器，为了对黑体的温度进行准确的测量，在定标黑体的不同位置安装多个测温电阻，以保证黑体亮度温度的准确性。噪声注入�？橛肽谥枚ū旰谔宓闹副暌蠹�1 表1噪声注入�？橛肽谥煤谔逯副暌�
权利要求
1.一种地基微波辐射计的非线性定标方法，该方法为针对一种噪声注入多点测量的非线性内定标法，所述内定标方法，具体步骤如下1)出厂前确定系统的非线性因子，具体步骤如下 (1-1)检波器的非线性特征表示为U = GPa其中U为检波电压，G为检波系数，α为非线性因子且0< a <1，P为输入功率； (1-2)P为输入功率，该值为接收机噪声、注入噪声与天线噪声温度功率之和，根据 Plank定律，在微波波段辐射功率与亮度温度成正比关系，因而检波输出电压与输入功率之间可以表示为U = G(Trec+TinJ+TA) α上述方程中，Tre。接收机噪声温度、Tiiu.为注入噪声温度、Ta为天线温度、G为检波系数， α为非线性因子，其中Tre。，G和α为定标需要获取的三个未知量；(1-3)多点噪声注入，在通常的高温和低温两个定标参考点之间提供若干额外的定标点，对非线性进行拟合；天线观测低温和常温黑体，可以获得两个定标点Τ。 U1和Th U2, 注入一定数值噪声Tn后可以获得另外两个定标点Τ。+Τη U3和Th+Tn U4 ；通过上述4个定标点对应的U值获得包括Tre。、G和α 3个定标参数和Tiiu.的值，初步确定系统非线性系数α ；2)利用实验室变温源交叉多次验证上述步骤初步确定的系统的非线性系数α，进一步获得更精确的非线性系数α的值；3)探测过程中进行准周期实时定标，其具体步骤如下 (3-1)观测内置黑体，确定定标方程，此定标方程可表示如下 U = G(Trec+TA) α其中，U为检波电压，α为非线性因子且通过上述两个步骤确定该值，Ta为天线噪声温度；为了求出以上公式中的检波系数G和接收机噪声温度Trec这两个未知参数，通过已知数值的高温定标黑体和注入噪声，上式表示为 U1 = G(Trec+Th) α U2 = G(Trec+TinJ+Th) α其中，U1, U2为检波电压且通过检测获得，G为待求解的检波系数，α为已知的非线性因子，Tre。为待求解的接收机噪声温度，Th为已知的高温黑体温度，为已知的注入噪声温度；通过求解包含两个未知参数的方程组，得出检波系数G和接收机噪声温度Tre。这两个未知参数；(3-2)利用定标方程反演亮度温度，完成定标，公式如下 U = G(Trec+TA) α其中，U为已知的检波电压，G为步骤(3-1)获得的检波系数，α为已知的非线性因子， Trec为步骤(3-1)获得的接收机噪声温度；求解此方程反演出天线的亮度温度Ta，完成定标过程。
2.根据权利要求1所述的地基微波辐射计的非线性定标方法，其特征在于，所述的内定标法，能够用外定标保证内定标过程的正确性，所述的外定标通过利用产品配套的外置低温黑体进行周期为半年至一年的周期性检验维护，用于对系统的非线性特征参数进行重新确认，并将新的确认结果输入到探测仪中。
3.—种地基微波辐射计的非线性定标装置，该装置用于完成针对一种噪声注入多点测量的非线性内定标法，该方法包含步骤为1)出厂前确定系统的非线性因子，通过多点噪声注入，在通常的高温和低温两个定标参考点之间提供若干额外的定标点，对非线性进行拟合；天线观测低温和常温黑体，可以获得两个定标点T。 U1和Th U2，注入一定数值噪声Tn后可以获得另外两个定标点T。+Tn U3和Th+Tn U4 ；通过上述4个定标点就可以获得包括接收机噪声温度、系统增益和非线性因子这3个定标参数和注入噪声；通过上述四个等式关系，就可以得到系统的增益，接收机噪声温度，且结合已知的注入噪声，初步确定系统非线性系数α ；2)利用实验室变温源交叉多次验证上述步骤初步确定的系统的非线性系数α；3)探测过程中进行准周期实时定标，其具体步骤如下 (3-1)观测内置黑体，确定定标方程，此定标方程可表示如下 U = G(Trec+TA) α求出检波系数G和接收机噪声温度Tre。这两个未知参数； (3-2)利用定标方程反演亮度温度，完成定标，公式如下 U = G(Trec+TA) α其中，U为已知的检波电压，G为步骤(3-1)获得的检波系数，α为已知的非线性因子， Trec为步骤(3-1)获得的接收机噪声温度；求解此方程反演出天线的亮度温度Τ�。瓿啥ū旯蹋� 所述的内定标装置包含噪声注入�？楹湍谥枚ū旰谔迥？椋黄涮卣髟谟冢� 所述的噪声注入�？榘肷露任�100 200Κ的噪声源、开关和用于噪声信号注入的定向耦合器；所述噪声源产生所需要的定标噪声信号，馈源提供提供低温和常温定标噪声信号；开关用于实现噪声信号通断，对噪声源供电电源进行通断控制，在对接收子单元恒温措施的情况下，控制其噪声电源通断有利于保证噪声输入的稳定；所述定向耦合器用于实现噪声信号的馈入，馈入噪声温度100 200Κ ；所述的内置定标黑体�？榘ê谔澹露却衅�、高低温保温层、和微型直流风扇；所述的吸波黑体，发射率大于等于0. 999 ；所述温度传感器，由多个测量电阻组成，分别安装在定标黑体不同位置，测温精度为0. rc ；所述的高低温保温层是采用具有良好隔热性能的泡沫材料组成，位于该内置定标黑体单元的顶层和底层，用于减小黑体上的梯度；所述的微型直流风扇位于内置黑体�？榈淖笥伊蕉耍糜谇恐瓶掌鞫Ｖつ谥煤谔甯鞑糠治露染鶆�。
4.根据权利要求3所述的地基微波辐射计的非线性定标装置，其特征在于，所述的噪声注入�？榈脑肷矗攵訩波段20 30GHz和V波段50 60GHz，超噪比为10dB，耦合度为-13 -20dB，注入噪声温度为范围100-200K，恒温精度为0. 1°C。
5.根据权利要求3所述的地基微波辐射计的非线性定标装置，其特征在于，所述的噪声注入�？榈目兀ü栽肷垂┑绲缭唇型ǘ峡刂剖迪郑诙越邮兆拥ピ阄麓胧┑那榭鱿拢刂破湓肷缭赐ǘ细欣诒Ｖぴ肷淙氲奈榷�。
6.根据权利要求3所述的地基微波辐射计的非线性定标装置，其特征在于，所述的噪声注入�？榈亩ㄏ蝰詈掀鳎刹ǖ甲槌�。
7.根据权利要求3所述的地基微波辐射计的非线性定标装置，其特征在于，所述的内置定标黑体的温度传感器，为了对黑体的温度进行准确的测量，在定标黑体的不同位置安装多个测温电阻，以保证黑体亮度温度的准确性。
全文摘要
本发明提供一种地基微波辐射计的非线性定标方法，该非线性定标方法是在地基微波辐射计噪声注入两点定标的基础上实现噪声注入多点亮温的非线性定标方法，即利用两个已知的参考目标和注入已知噪声的另外两个参考目标获得的多点亮温值对接收机噪声温度和增益的漂移进行周期性校准，确定地基微波辐射计系统的非线性因子获得定标方程用于目标亮度温度的实时测量。同时本发明还提出一种地基微波辐射计的非线性定标装置，包括噪声注入�？楹拖低衬谥枚ū旰谔澹渲性肷⑷肽？榘肷�、开关和定向耦合器，系统内置定标黑体提供相当于环境温度的标准亮温。此方法减小了由于检波二极管功率非线性特征造成的非线性误差，从而提高探测精准度。
文档编号G01S7/497GK102243294SQ20101017816
公开日2011年11月16日 申请日期2010年5月14日 优先权日2010年5月14日
发明者何杰颖, 刘和光, 孙波, 张升伟, 董晓龙 申请人:中国科学院空间科学与应用研究中心
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