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一种基于极化线栅的微波辐射计变温定标源研究

更新时间：2019-12-24 08:45:14 大小：1M 上传用户：守着阳光1985查看TA发布的资源 标签：微波辐射计 下载积分：1分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

资料介绍

根据极化线栅的准光学的极化分离原理,设计了由极化线栅、人造黑体和冷空构成的新型线栅定标源.定标源通过极化线栅的旋转混合人造黑体和冷空的辐射能量,从而输出亮温变化可控的微波辐射,为微波辐射计外定标提供人造变温源,解决了低频段大口径天线辐射计的外定标难题.通过定标实验验证,极化线栅在L波段的透过率优于99.3%,反射率达到98.4%,线栅定标源的亮温呈正弦规律变化,变化范围为8~248K,实验结果与设计目标相吻合.


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1
Vol． 46 No． 1  
Jan． 2018  
第
期
电
子
学
报
2018  
1
ACTA ELECTRONICA SINICA  
年
月
一种基于极化线栅的  
微波辐射计变温定标源研究  
1，2  
1
1
1，3  
1，3  
， ， ， ，  
董 帅 王振占 王新彪 贺秋瑞 李娇阳  
( 1．  
，
中国科学院国家空间科学中心 北京  
100190; 2．  
，
北京无线电测量研究所 北京  
100854; 3． ， 100049)  
中国科学院大学 北京  
:
， 、  
根据极化线栅的准光学的极化分离原理 设计了由极化线栅 人造黑体和冷空构成的新型线栅定标源  
．
摘
要
， ，  
定标源通过极化线栅的旋转混合人造黑体和冷空的辐射能量 从而输出亮温变化可控的微波辐射 为微波辐射计外定  
， ． ， L  
标提供人造变温源 解决了低频段大口径天线辐射计的外定标难题 通过定标实验验证 极化线栅在 波段的透过率  
99. 3% ，  
反射率达到  
98. 4% ， ，  
线栅定标源的亮温呈正弦规律变化 变化范围为  
8 ～ 248K，  
实验结果与设计目标相  
优于  
．
吻合  
:
;
;
;
关键词  
中图分类号  
URL: http: / /www． ejournal． org． cn  
辐射计 定标 极化线栅 准光技术  
:
TP732. 1，TN015  
:
A
: 0372-2112 ( 2018) 01-0185-05  
DOI: 10． 3969 /j． issn． 0372-2112． 2018． 01． 025  
文献标识码  
文章编号  
电子学报  
Study on Polarized Wire Grid for Microwave Radiometer Calibration  
1，2  
1
1
1，3  
1，3  
DONG Shuai ，WANG Zhen-zhan ，WANG Xin-biao ，HE Qiu-rui ，LI Jiao-yang  
( 1． National Space Science Center，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China;  
2． Beijing Radio Institute of Measurement，Beijing 100854，China;  
3． University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China)  
Abstract: The quasi optical polarization separation principle is introduced． The new type of wire grid calibration  
source consisting of polarized wire grid，artificial black body，and cold sky signal is designed． Through the rotation of the po-  
larized wire grid，the radiation energy of artificial black body and cold sky is mixed． The wire grid calibration source pro-  
vides varying temperature signals，and solves the problem of low-frequency radiometer calibration． A measured reflectivity of  
98. 4% and transmittance of 99. 9% at L-band is demonstrated． The brightness temperature dynamic range of wire grid cali-  
bration source is between 8K and 248K，which meets the design goal．  
Key words: radiometer; calibration; polarized wire grid; quasi-optical technology  
、 、  
廓线探测 海表风场温盐遥感 植被农林与冰盖监测等  
1
引言  
［2，3］  
．
多个领域发挥有重要作用  
，
微波辐射计是一种被动式微波遥感器 其没有发  
，
微波辐射计应用中需要定标 即确定辐射计输出  
，
射机发射电磁信号 而是通过接收机被动接收天线观  
．
电压与观测目标亮度温度之间的函数关系 现有辐射  
， ，  
测到的视场微波辐射 因此 微波辐射计的本质是高灵  
，
计多设计为线性系统 因而采用两点确定直线的两点  
．
敏度微波噪声接收机 微波辐射计观测到的噪声功率  
，
定标法为辐射计定标 即测量两个微波辐射特性精确  
，
以亮度温度的方式表示 由于辐射计的高灵敏度特性  
，
-
已知的 噪 声 源 的 输 出 电 压 以 建 立 亮 温 电 压 直 线 方  
［4］  
K(  
其可探测到的亮度温度可低至几  
Penzias Wilson  
如上世纪六十年代  
3K  
．
，
两个定标源通常为高温源和低温源 两源亮温差  
程
［5］  
和
利用射电望远镜发现了  
．
微波辐射计是微波辐射测量的有效手  
宇宙微波  
0 ～ 350K  
，
以减小  
应覆盖微波辐射计常用的测量范围  
［1］  
)
背景辐射  
． ，  
两点定标误差 目前的工程实际中 低温定标源多采用  
， ．  
段 在微波遥感领域具有重要地位 除了作为独立分支  
．
制冷源 然而以制冷源作为定标源受到使用条件的强  
，
的射电望远镜应用之外 微波辐射计已在大气温湿度  
: ，  
约束 一方面 对制冷剂和制冷装置的依赖使得其在野  
: 2016-05-23;  
: 2017-02-02; :  
责任编辑 李勇锋  
收稿日期  
修回日期  
186  
2018  
年
电
子
学
报
; ， ，  
外环境下很难应用 另一方面 以目前热控技术 大口面  
，
制冷源的温度梯度不可控 因而制冷源的有效口面普  
．
遍较小 上述现象严重影响了低频段大尺寸天线辐射  
， L S  
计的实时定标 而以 波段和 波段为代表的微波低频  
，
段又是海表盐度及土壤湿度遥感的关键频段 其精确  
［6］  
．
定标问题亟待解决  
本文设计了以极化线栅为核心  
10K  
，
部件的变温定标源 在常温环境下产生  
到室温间  
，
的连续变化亮温 可对大口径天线微波辐射计进行精  
．
确的野外实时定标  
a、 g、  
极化线栅性能主要由金属丝半径 间距 波长 λ  
2
极化线栅原理与定标源设计  
， X  
三者之间的关系共同决定 为达到兼顾 波段以下频  
，
段的设计目标 线栅定标源的线间距为  
0. 3cm，  
线径为  
极化线栅由一系列等间距平行排列的金属丝构  
0. 3mm，  
有效口径  
1. 2m．  
45°  
极化线栅固定于与地面呈  
，
成 是一种根据准光学原理对电磁波进行极化分离的  
，
角的外框上 背面大口径黑体与天顶冷空辐射经过极  
， 、 ， 、 、  
设备 具有宽频带 低损耗等特点 在微波 毫米波 亚毫  
［7 ～ 9］  
， 2  
化线栅混合后的水平分量辐射至天线口面 图 为研制  
．
米波以及远红外波段有广泛应用价值  
理想情况  
．
的极化线栅实物图 大气扰动会使冷空亮温产生偏差  
，
， ，  
下 当入射波极化方向与线栅金属丝方向平行时 线栅  
．
在传统的定标过程中这一偏差是无法估计的 而在本  
;
将入射波全反射 当入射波极化方向与线栅金属丝方  
［10 ～ 12］  
，
定标源设计中 由于每一对冷热源对应着唯一的输出  
，
向垂直时 线栅将入射波全透过  
．
， ， ，  
亮温变化曲线 因此 当热源亮温可以精确控制时 通过  
，
在此原理上 赫尔辛基科技大学的  
Lahtinen  
等人采  
，
对比实测与仿真曲线 可以反向修正测量过程中的天  
、 、  
用钼丝栅网 聚四氟乙烯的相位延迟板 人造黑体构成  
［13 ～ 15］  
，
顶冷空亮温 有效提高了定标精度  
．
，
的冷热源 设计了全极化微波辐射计定标方案  
，
对
．
全极化微波辐射计的定量观测具有重要意义 但液氮  
、
冷源 钼丝栅网与相位延迟板等结构限制住了定标源  
，
的有效口径 无法解决大口径天线的低频辐射计系统  
， ， 、  
定标需求 为此 本文设计了一种由极化线栅 人造黑体  
，
噪声源和冷空组成的微波辐射计外定标源 用于解决  
．
低频段辐射计由于天线口径过大造成的外定标难题  
，
根据极化线栅的工作原理 经过极化线栅混合后  
T
T
T
、
冷空温度  
输出的亮度温度  
和
与黑体温度  
h
v
HOT  
3
线栅定标源测试实验  
T
:
和极化网格旋转角度之间的关系为  
COLD  
T
HOT  
L 、L  
实验使用了 波段微波辐射计 波段有源微波冷  
2
2
T
r
t
L
cos  
sin  
θ
θ
h
v
‖
⊥
‖
⊥
‖
⊥
T
·
=
·
( ACNS) 、  
，
匹配负载等设备 以测试线栅定标源  
噪声源  
COLD  
2
2
[
]
[
]
[
]
T
r
t
L
sin  
cos  
θ
θ
L ． L  
波段的性能 实验用到的 波段微波辐射计中心频  
T
在
G
1. 414GHz，  
带宽  
27MHz，  
灵敏度优于  
0. 2K，  
在多次岸  
率
( 1)  
，T  
分别是热源和冷源的亮温 是线栅的  
G
［17，18］  
．
基和机载试验中表现了稳定的性能  
测试采用该  
，T  
T
和
其中  
HOT  
COLD  
V ， 3  
辐射计的 极化通道 实验装置如图 所示  
．
; r 、t 、L  
‖
物理温度  
是线栅和电磁波极化方向平行时线  
‖
‖
10°  
，
旋转 天线观测极化线栅  
实验设计极化线栅每隔  
、
栅的反射系数 传输系数和欧姆损耗  
． r 、t 、L  
⊥
分别为二  
⊥
⊥
． ，  
不同角度下混合的辐射信号 由于装置限制 实时定标时  
、 ;  
者垂直时的反射系数 传输系数和欧姆损耗 θ 为线栅排  
［16］  
，
天线和内定标源需要经过不同的馈线接入接收机系统  
．
列方向和天线口面垂直极化方向的夹角  
为了将竖直  
， ．  
实验设计了标定馈线网络的步骤 提高测量准确度 整个  
，
面上冷空信号与水平面上黑体信号混合 设计极化线栅  
实验过程中常温黑体定标源通过四个测温点实时监测其  
45°  
．
夹角 计算中需  
所在的平面和辐射计天线口面之间呈  
要将极化网格平面上的角度投影到天线口面处  
( 1)  
． ，  
物理温度 总结实验过程为以下七步 各步分时进行  
:
．
( 1)  
，
对制冷匹配负载加注液氮 通过馈线网络  
2
观
，
进行仿真 得到变温源输出亮温随线栅  
根据式  
，
测高低温匹配负载 用于校准  
ACNS;  
1．  
旋转角度变化如图 仿真中假设热源亮温  
300K，  
冷源  
( 2)  
1
通过馈线网络 观测  
ACNS  
，
和高温噪声源 用  
5K， V ， H  
图中实线为 极化仿真曲线 虚线为 极化  
亮温  
( 3)  
;
于与下面进行的第  
步对比矫正馈线亮温贡献  
．
仿真曲线  

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