一种微波辐射计黑体发射率测量系统及测量方法与流程

1.本发明属于无源大气微波遥感技术领域，特别涉及该领域中的一种微波辐射计黑体发射率测量系统及测量方法。


背景技术：

2.微波辐射计是用于测量大气微波辐射的被动遥感仪器。它本身不发射电磁波，而是通过被动地接收被观测场景辐射的微波能量来探测目标特性。由于物体的微波辐射信号是非相干的极其微弱的信号，这种信号的功率比辐射计本身的噪声功率还要小得多，所以辐射计实质是高灵敏度的接收机。
3.微波辐射计主要用于接收大气微波辐射信号，天线接收的信号通过馈源进入接收机系统，接收机对信号进行放大、滤波、检波和再放大后，变成电压形式进入数据采集单元。数据采集单元在经过设备标定后，将对应的电压输出再转化为亮温，从而实现大气辐射亮温的实时监测。通过本地化的模型得出不同亮温下的垂直廓线输出。
4.为了得到准确的亮温数据，就需要对微波辐射计进行标定，以获得微波辐射计输出电压与天线接收的大气辐射信号之间的定量关系。定标精度决定了辐射计测量数据的准确程度和应用价值。
5.常用定标方式有液氮定标、倾斜曲线定标、噪声源定标等。目前地面定标比较常用的是液氮定标法，液氮定标时低温源一般使用浸入液氮中的黑体，高温源使用常温或者高温黑体。如果定标源的黑体材料不是理想的黑体，发射率小于1，直接使用其物理温度作为黑体的亮度温度会导致一定的误差。常用的几种发射率测量方法一般限于实验室特定的条件下，而且精度受限，且随着黑体的老化，发射率改变，但不能及时进行发射率更新，导致实时定标的误差较大。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的技术问题就是提供一种基于微波辐射计的黑体发射率测量系统及测量方法。
7.本发明采用如下技术方案：
8.一种微波辐射计黑体发射率测量系统，其改进之处在于：包括由伺服系统驱动旋转的反射面天线，在反射面天线的顶部设置定标箱，在定标箱内安装黑体，在反射面天线的底部设置定标黑体，在定标黑体上安装黑体测温传感器，k/v馈源接收反射面天线的信号，k/v接收机包括噪声源、开关、耦合器和信号处理电路，其中耦合器与k/v馈源、开关和信号处理电路电连接，噪声源与开关电连接，中央信号处理系统与上述的伺服系统和k/v接收机电连接。
9.进一步的，在定标箱内含有液氮，定标箱内的黑体浸入液氮内。
10.进一步的，定标箱内黑体的锥体朝下，定标黑体的锥体朝上。
11.进一步的，噪声源提供一个高温的噪声信号。
12.进一步的，信号处理电路包括放大电路、功分电路、滤波电路和检波电路。
13.一种微波辐射计黑体发射率测量方法，使用上述的测量系统，其改进之处在于，包括如下步骤：
14.步骤1，建立微波辐射计测量系统：
15.将测量系统内的各部件安装就位，向定标箱内倒入液氮后，用盖子将定标箱盖牢；
16.步骤2，获取冷源的定标测试数据：
17.中央信号处理系统将开关断开，控制伺服系统驱动反射面天线旋转至对准定标箱，反射面天线接收定标箱内浸入液氮的黑体的辐射信号，k/v馈源接收反射面天线的功率信号并经耦合器送入信号处理电路，信号处理电路将输入信号调理输出为电压信号v1，定标箱亮温为t1；
18.中央信号处理系统将开关闭合，反射面天线的功率信号在耦合器内叠加噪声信号后送入信号处理电路，信号处理电路将输入信号调理输出为电压信号v2，等效亮温为t2；
19.步骤3，计算设备的定标系数：
20.微波辐射计定标方程为：
[0021][0022]
其中k为斜率，b为截距；
[0023]
由于微波辐射计是线性的，根据步骤2所得的v1,v2,t1,t2及式(1)，可求得斜率k及截距b：
[0024][0025][0026]
步骤4，对黑体发射率进行修正：
[0027]
中央信号处理系统将开关断开，控制伺服系统驱动反射面天线旋转至对准定标黑体，反射面天线接收定标黑体的辐射信号，k/v馈源接收反射面天线的功率信号并经耦合器送入信号处理电路，信号处理电路将输入信号调理输出为电压信号v3，将v3代入式(1)，求得定标黑体的亮温t3为：
[0028][0029]
式(4)的斜率k由式(2)求得，截距b由式(3)求得；
[0030]
黑体测温传感器测量的定标黑体的温度为t4；
[0031]
亮温t3除以温度t4即可得到定标黑体的发射率ε：
[0032][0033]
将该发射率ε更新至配置文件中，供微波辐射计实时修正时使用。
[0034]
本发明的有益效果是：
[0035]
黑体作为微波辐射计实时修正的一个标准源，其发射率随时间变化，导致定标误差。本发明所公开的测量系统及测量方法，解决了现有地面微波辐射计黑体发射率的精度较差、正常运行时无法测量黑体发射率以及实时定标时黑体发射率随时间变化导致的亮温不准确问题，可以在液氮定标的同时实现黑体发射率的测量，借由每季度周期性的液氮定标对黑体发射率进行修正，大大提高了黑体发射率的测试效率和定标黑体的亮温精度，为微波辐射计实时修正提供了一个更加准确的标准源，增加了微波辐射计实时修正的准确度，为提高微波辐射计亮温测量精度提供了必要的依据，满足辐射计系统的应用需求。
附图说明
[0036]
图1是本发明实施例1所公开测量系统的组成框图；
[0037]
图2是本发明实施例1所公开测量方法的流程示意图。
具体实施方式
[0038]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0039]
实施例1，如图1所示，本实施例公开了一种微波辐射计黑体发射率测量系统，包括由伺服系统1驱动旋转的反射面天线2，在反射面天线的顶部设置定标箱3，在定标箱内安装黑体31，在反射面天线的底部设置定标黑体4，在定标黑体上安装黑体测温传感器41，用于测量定标黑体的温度，k/v馈源5接收反射面天线的信号，k/v接收机6包括噪声源61、开关62、耦合器63和信号处理电路64，其中耦合器与k/v馈源、开关和信号处理电路电连接，噪声源与开关电连接，中央信号处理系统7与上述的伺服系统和k/v接收机电连接，中央信号处理系统用于对其他部件进行控制，信号采集，数据处理等。
[0040]
在本实施例中，在定标箱内含有液氮，定标箱内的黑体浸入液氮内，作为定标用的冷源。定标箱内黑体的锥体朝下，定标黑体的锥体朝上，作为内部的标准源，测试标定后用于周期定标。噪声源提供一个高温的噪声信号，通过断开和闭合开关，周期性的经耦合器进入k/v接收机接收通路。信号处理电路包括放大电路、功分电路、滤波电路和检波电路。
[0041]
本实施例还公开了一种微波辐射计黑体发射率测量方法，使用上述的测量系统，基于液氮定标，对微波辐射计内部黑体的发射率进行测量，为实时定标常温源的准确性提供依据。如图2所示，具体包括如下步骤：
[0042]
步骤1，建立微波辐射计测量系统：
[0043]
将测量系统内的各部件安装就位，包括建立地基微波辐射计系统并使其工作稳定。向定标箱内缓慢倒入液氮后，用盖子将定标箱盖牢，获取定标用低温标准源。
[0044]
步骤2，获取冷源的定标测试数据：
[0045]
对定标箱低温标准源进行测量：中央信号处理系统将开关断开，控制伺服系统驱动反射面天线旋转至对准定标箱，反射面天线接收定标箱内浸入液氮的黑体的辐射信号，k/v馈源接收反射面天线的功率信号并经耦合器送入信号处理电路，信号处理电路将输入信号调理输出为电压信号v1，定标箱亮温为t1；
[0046]
对定标箱低温标准源及噪声源进行测量：中央信号处理系统将开关闭合，反射面
天线的功率信号在耦合器内叠加噪声信号后送入信号处理电路，信号处理电路将输入信号调理输出为电压信号v2，等效亮温(定标箱亮温加上噪声源的耦合噪声)为t2；
[0047]
步骤3，计算设备的定标系数：
[0048]
微波辐射计定标方程为：
[0049][0050]
其中k为斜率，b为截距；
[0051]
由于微波辐射计是线性的，根据步骤2所得的v1,v2,t1,t2及式(1)，可求得斜率k及截距b：
[0052][0053][0054]
步骤4，对黑体发射率进行修正：
[0055]
中央信号处理系统将开关断开，控制伺服系统驱动反射面天线旋转至对准定标黑体，反射面天线接收定标黑体的辐射信号，k/v馈源接收反射面天线的功率信号并经耦合器送入信号处理电路，信号处理电路将输入信号调理输出为电压信号v3，将v3代入式(1)，求得定标黑体的亮温t3为：
[0056][0057]
式(4)的斜率k由式(2)求得，截距b由式(3)求得；
[0058]
黑体测温传感器测量的定标黑体的温度为t4；
[0059]
亮温t3除以温度t4即可得到定标黑体的发射率ε：
[0060][0061]
将该发射率ε更新至配置文件中，供微波辐射计实时定标修正时使用，进而获得准确的黑体亮温信息。