10GHz~90GHz宽口径变温噪声源详细解析

1 引言

微波辐射计是一种用于测量物体微波热辐射的被动遥感仪器。由于物体的微波辐射信号是极其微弱的非相干信号，这种信号的功率比辐射计本身的噪声功率还要小很多，所以辐射计实质是一台高灵敏度接收机。为克服系统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，必须建立微波辐射计的输入亮温与输出电压之间的精确关系，称之为辐射计定标。定标精度将直接影响辐射计的测量精度。在已经发射的“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，其定标技术则被列为FY-3气象卫星的11项关键技术之一。

本文介绍的宽口径变温噪声源（以下简称变温源）可以提供85K~340K范围内的可变亮温输出，它在标准冷源和标准热源的配合下完成对微波辐射计的线性度、灵敏度和稳定性的地面定标工作。本文第二部分介绍了变温源的结构及工作原理，第三部分是变温源辐射体发射率测量及辐射体温度测量的相关内容，最后是变温源的测试结果和结论。

2 变温源系统结构及工作原理

变温源主要由宽口径辐射体、温度控制装置、测温系统及液氮容器组成。图1给出了宽口径辐射体的示意图。辐射体加工过程如下：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材料形状的金属基体，整个金属基体直径300mm，上面排列的金属锥为金字塔形方锥；经特殊工艺处理后，再对金属基体进行整体涂敷吸波材料；然后安装测温传感器。7支测温用Pt25铂电阻传感器的分布如图2所示。

图1 宽口径辐射体示意图

图2 测温用温度传感器分布示意图

变温源温度控制方式是根据外加温度设置要求完成对调温体的加热电流和用于制冷的液氮流量的控制，即双PID控制回路，如图3所示。调温体与自增压的液氮罐连通，在调温体内有规则分布的通路，便于液氮或低温氮气流通，从而使调温体的物理温度下降。另外在调温体内部还安装有多个加热器，用来提高其物理温度。控制液氮流量的电磁阀和加热装置全部由PID调节器准确调节。PID调节器根据输入的温度测量信息和设置温度之间的差值按照一定的比例微积分调节加热器的电流和控制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 变温源温度控制原理框图

图4 变温源实物照片

立式机柜所包含的仪器设备从上到下分别为工控机显示器、工控机机箱、温度控制机箱、FLUKE1590超级电阻测温仪、FLUKE2590多路扫描开关。图片前方灰色箱体上表面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途主要是绝热和防止水汽遇冷而凝结在辐射体表面。

3 辐射体发射率测量和温度测量

3.1 辐射体发射率测量

根据普朗克定律和瑞利-金斯公式，在微波及毫米波频段物体辐射的亮温可以表示为物体发射率及其物理温度T的乘积形式，如式（1）所示，该公式是我们研制变温源的理论基础。

（1）

根据Friis公式及相关修正公式，图1所示宽口径辐射体的发射率可以用（2）式进行计算。

（2）

公式（2）中各参数的含义如下：为辐射体的功率反射系数，为辐射体在特定距离下的后向电压反射系数，为工作波长，为测量天线的有效面积，为测量天线的近场增益修正因子，为天线口面中心到辐射体的垂直距离，为天线口面中心到其相位中心的距离，Cg为辐射体的散射修正因子。

辐射体发射率测量可以分为后向电压反射系数测量（）和散射修正因子测量（Cg）两部分。其中后向电压反射系数测量采用空间滑动负载法；散射修正因子测量与双站雷达散射截面测量相似，将收发天线位于一个弧形滑轨上，通过对散射在空间的能量进行测量并求积分，然后与金属板的积分值相除，就可以得到辐射体的散射修正因子。

图5给出了标量网络分析仪（SNA）测量后向电压反射系数的原理框图。通过在重载直滑轨上前后滑动辐射体，可以将天线自身的反射系数和辐射体的反射系数分离。

图5 SNA测量后向电压反射系数示意图

图6给出了几个反射系数的合成矢量图。其中，来自天线与自由空间阻抗不连续面引起的反射可以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，合成矢量终点的运动轨迹是一个以天线矢量终点为圆心的圆形。而这个圆的半径就是被测辐射体的后向电压反射系数。

图6 反射系数测量合成矢量图

3.2 温度测量

测温系统由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采集软件组成。数据采集软件的主要有三个功能模块：用户界面模块、数据采集模块和数据存储模块。主要的类是CServerDlg、CDlgSensorCfg、CDlgHTPage、CDlgCTPage、CDlgVTPage、CSensors、CSensor和CNiVisaSession，主要数据结构_CAL_DATA和_TEMPERATURE_DATA。当上述三个模块需要同时运行，若设计成单线程模式，则当任意一个模块工作时，其它两个模块处于暂停状态，为了解决这个问题，本软件将这三部分分别用三个不同的线程来实现，这样三个模块独立运行，通过消息和必要的同步机制完成信息的交互。其关系如图7所示。其中，用户界面模块用于显示温度测量结果，同时响应用户输入，完成与用户的交互，并将与用户的交互结果传递给其它两个模块；数据采集模块用于温度测量数据的采集和处理；数据存储模块用于将数据采集模块采集到的数据以数据文件的形式存储在本地硬盘上。

图7 数据采集软件的UML模型图

4 输出亮温测量结果

表1给出了我们研制的变温源的测量指标以及和英国变温源几项主要技术指标的对比。双方在发射率上的较大差异来源于计算发射率时是否考虑了公式（2）中的散射修正因子Cg。

表1 变温源技术指标测量结果及对比

参数 国别中国英国

温度范围85K～340K

可变85K～340K

可变

温度均匀性0.2K or less0.2K

温度稳定性0.15K/10min0.15K/10min

发射率》0.995 or more》0.99999

辐射体口径300mm--

5 结论

本文介绍了一种宽口径变温噪声源，该装置可以在10GHz~90GHz范围内提供85K~340K的可变亮温输出，输出亮温扩展不确定度小于1K。此装置及相关技术已成功应用于FY-3系列卫星所搭载的微波辐射计地面定标试验中。