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10GHz~90GHz宽口径变温噪声源解析
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2017-11-14
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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。
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。
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