一種地基微波輻射計定標源設計與研制

成俊杰 曹 月 孫曉寧 楊寒旭 翟 宏

(北京無線電計量測試研究所，北京 100039)

1 引 言

中國疆域遼闊，氣象災害多發。為減少災害性天氣對工農業生產和國民經濟造成的損失，國家不斷加強現代化氣象觀測手段，增強人工影響天氣的能力。微波輻射計能夠在近乎所有天氣條件下，在分鐘的時間分辨率下進行實時連續無人值守操作，能夠實現對其覆蓋區域不間斷實時監測，獲得連續、高分辨率大氣溫度及濕度廓線，彌補探空氣球的不足[1]。多通道微波輻射計觀測技術結合遙感和數值模擬手段可以探測中國多數區域大氣水含量和大氣水汽輸送變化，通過測量(20～60)GHz頻段大氣向下發射的亮溫，反演地面至10km的大氣溫度、濕度、云水垂直廓線。在一些發達國家，已開始代替無線電探空氣球，在數值天氣預報、人工影響天氣工程、氣候變化研究等領域中承擔關鍵角色[2]。

微波輻射計對各種物體的自然輻射信號進行被動接收。研究成果表明：不同物體在不同條件下的輻射亮溫雖然有一定差異，但通常很小。因此微波輻射計必須經過統一、精確、可靠的定標，即用輻射計去接收一個微波輻射特性已知的定標源輻射信號，精確構造出輻射計電信號輸出與接收到的輻射亮溫度之間的定標關系，才能保證微波被動探測信息的準確性和應用價值[3]。

2 大氣探測輻射計定標源工作原理

大氣環境下工作的輻射計主要通過寬口徑定標源對其進行校準，以滿足輻射計的溯源需求。同樣工作在大氣環境下的計量級定標源基本結構如圖1所示。定標源包括輻射體、微波窗、控溫體(一級冷端、二級冷端、傳熱網絡、加熱膜)、控溫裝置(PID、控溫傳感器及其他外圍單元)、測溫裝置(測溫儀、溫度傳感器)、其它部分(外殼、屏蔽罩等)。微波窗由低損泡沫構成，允許微波輻射幾乎無損地通過。在實驗室環境下，它可以避免水汽凝結在裸露的輻射體上。

圖1 實驗室/大氣環境定標源結構示意圖

大氣環境下輻射計定標源基本溯源途徑如下：通過定期測量輻射體內部的溫度傳感器，來實現溫度參數溯源到ITS-90國際溫標；定期測量輻射體的發射率，發射率可溯源到基本的無線電參數；定期測量微波窗的插入損耗，并依據亮溫度傳輸公式進行修正。

根據地基大氣探測輻射計工作頻段和校準需求，設計了熱定標源(298～333)K、常溫定標源(283～298)K、冷定標源80K的組合定標方案。既滿足了輻射計觀測亮溫度范圍的要求，同時又能夠在較短的時間完成高中低3個區間的校準工作。

3 輻射體發射率仿真及測量結果

3.1 輻射體設計及發射率電磁仿真

本項目研制的定標源輻射體結構如圖2所示，單錐的寬高比約為1∶4，錐高約為92mm。輻射體通過在周期陣列形式的金屬基體之上澆鑄吸波涂料制作完成。通過調節金屬基體的物理溫度，可改變輻射體的輸出亮溫度[4]。

圖2 定標源輻射體示意圖

在熱力平衡條件下，根據基爾霍夫定律可以認為發射率等于吸收率。考慮到入射極化影響，根據一般形式的基爾霍夫定律可以得到物體h極化方向發射率eh(θ0,φ0)、反照率A(θ0,φ0)和微分散射系數γ的關系如下[5,6]

eh(θ0,φ0)=1-A(θ0,φ0)

(1)

式中：γhh(s,o)——散射與入射輻射同極化時，目標體的微分散射系數；γvh(s,o)——散射與入射輻射異極化時，目標體的微分散射系數。

(20～60)GHz頻段內主要窗口的發射率仿真數據如圖3所示，最低在0.999 95以上。

圖3 發射率仿真數據圖

3.2 發射率測量

根據Friis方程，推導出發射率測量公式為[6]

(2)

式中：Cg——散射修正因子，是對用周期結構表面模型對電磁波散射效應的一種近似修正；r——天線口面到被測輻射體的距離；r′——天線口面到相位中心的距離；μ——近場修正因子；A——天線有效口面；Rbb0——不考慮距離和天線增益時的輻射體反射系數。

當上述天線參數不易獲得時，可采用金屬參考平板進行歸一化處理。發射率測量包括兩部分，后向電壓反射系數測量和散射修正因子測量，其中后向電壓反射系數測量可以采用移動輻射體的空間駐波法，散射修正因子測量采用雙站RCS測量。最終的發射率測量結果見表1。

表1 定標源輻射體發射率測量結果

4 定標源溫度控制及試驗結果

4.1 定標源溫度控制設計

三個定標源的溫度控制都是PID(比例積分微分)方式，原理如圖4所示。

圖4 一種最基本的PID控制系統原理框圖

圖4中，ysv(t)為設定值，y(t)為實際輸出值，e(t)為兩者之差，u(t)為控制量。控制規律如式(3)所示

(3)

式中：KP——比例系數；TI——積分時間常數；TD——微分時間常數。

PID控制器根據設定值與實際輸出值構成的偏差，將偏差比例、偏差積分和微分通過線性方程構成控制量，從而對被控對象進行控制。

冷定標源及常溫定標源控溫結構如圖5所示。冷定標源采用液氮浸泡方式，使輻射體穩定工作在80K附近[7]。PID根據液氮控溫體內液面位置判斷是否打開電磁閥補充液氮；常溫定標源可工作在(283～298)K區間，利用循環水進行溫控；熱定標源采用加熱膜方式，加熱膜安裝在均溫板上，這里就不再給出具體模型。

圖5 定標源控溫結構示意圖

為克服大氣環境下定標試驗中對流換熱對輻射體表面溫度的影響，在定標源輻射體上面增加微波窗。微波窗的引入會對輸出亮溫度造成影響。當微波窗物理溫度與輻射體物理溫度不同時，會抬高或降低輻射體表面輻射的亮溫。當損耗正切為3E-5時，采用理論公式計算出10cm厚度微波窗產生的亮溫度衰減，如圖6所示，當定標源物理溫度為80K時，經微波窗后的亮溫度，如圖7所示。因此在毫米波頻段需要根據微波窗的特性對冷定標源的輸出亮溫進行修正[8]。水冷變溫源和熱定標源由于輻射體溫度和微波窗溫度比較接近可不予補償。

圖6 微波窗功率傳輸系數實驗結果圖

圖7 定標源經微波窗后輸出亮溫度實驗結果圖

4.2 定標源溫度試驗數據

試驗中，取溫度控制相對穩定后一段時間內的測試數據進行處理分析。冷定標源和常溫定標源的溫度穩定性及均勻性分別如圖8和圖9所示。溫度穩定性定義為總采樣周期內平均值最大值與最小值的差值，也可以看作是某一時間段內的最大波動。溫度均勻性定義為同一采樣時間內最大值與最小值的差值。

圖8 冷定標源溫度穩定性及均勻性實驗結果圖

圖9 常溫定標源溫度穩定性及均勻性實驗結果圖

實驗結果表明，該定標源組最終實現了80K工作溫度且輻射體口面垂直放置時優于0.2K的溫度均勻性，優于0.023K的溫度穩定性。常溫定標源的溫度均勻性優于0.11K，溫度穩定性優于0.02K。

5 結束語

介紹了(20～60)GHz地基探測輻射計定標源組的構成、輻射體電磁仿真與發射率測量、定標源溫度控制等內容。由測試數據可以看出，本套定標源在設計頻段內具有0.999 9左右的發射率，溫度均勻性優于0.2K，溫度穩定性優于0.023K。實驗室環境下，冷定標源輸出亮溫不確定度為1.0K(k=2)，常溫定標源輸出亮溫不確定度為0.3K(k=2)，熱定標源輸出亮溫不確定度為0.5K(k=2)。該套定標源目前已應用于大氣探測輻射計的定標校準工作中。