一种地基微波辐射计定标源设计与研制

成俊杰 曹 月 孙晓宁 杨寒旭 翟 宏

(北京无线电计量测试研究所，北京 100039)

1 引 言

中国疆域辽阔，气象灾害多发。为减少灾害性天气对工农业生产和国民经济造成的损失，国家不断加强现代化气象观测手段，增强人工影响天气的能力。微波辐射计能够在近乎所有天气条件下，在分钟的时间分辨率下进行实时连续无人值守操作，能够实现对其覆盖区域不间断实时监测，获得连续、高分辨率大气温度及湿度廓线，弥补探空气球的不足[1]。多通道微波辐射计观测技术结合遥感和数值模拟手段可以探测中国多数区域大气水含量和大气水汽输送变化，通过测量(20～60)GHz频段大气向下发射的亮温，反演地面至10km的大气温度、湿度、云水垂直廓线。在一些发达国家，已开始代替无线电探空气球，在数值天气预报、人工影响天气工程、气候变化研究等领域中承担关键角色[2]。

微波辐射计对各种物体的自然辐射信号进行被动接收。研究成果表明：不同物体在不同条件下的辐射亮温虽然有一定差异，但通常很小。因此微波辐射计必须经过统一、精确、可靠的定标，即用辐射计去接收一个微波辐射特性已知的定标源辐射信号，精确构造出辐射计电信号输出与接收到的辐射亮温度之间的定标关系，才能保证微波被动探测信息的准确性和应用价值[3]。

2 大气探测辐射计定标源工作原理

大气环境下工作的辐射计主要通过宽口径定标源对其进行校准，以满足辐射计的溯源需求。同样工作在大气环境下的计量级定标源基本结构如图1所示。定标源包括辐射体、微波窗、控温体(一级冷端、二级冷端、传热网络、加热膜)、控温装置(PID、控温传感器及其他外围单元)、测温装置(测温仪、温度传感器)、其它部分(外壳、屏蔽罩等)。微波窗由低损泡沫构成，允许微波辐射几乎无损地通过。在实验室环境下，它可以避免水汽凝结在裸露的辐射体上。

图1 实验室/大气环境定标源结构示意图

大气环境下辐射计定标源基本溯源途径如下：通过定期测量辐射体内部的温度传感器，来实现温度参数溯源到ITS-90国际温标；定期测量辐射体的发射率，发射率可溯源到基本的无线电参数；定期测量微波窗的插入损耗，并依据亮温度传输公式进行修正。

根据地基大气探测辐射计工作频段和校准需求，设计了热定标源(298～333)K、常温定标源(283～298)K、冷定标源80K的组合定标方案。既满足了辐射计观测亮温度范围的要求，同时又能够在较短的时间完成高中低3个区间的校准工作。

3 辐射体发射率仿真及测量结果

3.1 辐射体设计及发射率电磁仿真

本项目研制的定标源辐射体结构如图2所示，单锥的宽高比约为1∶4，锥高约为92mm。辐射体通过在周期阵列形式的金属基体之上浇铸吸波涂料制作完成。通过调节金属基体的物理温度，可改变辐射体的输出亮温度[4]。

图2 定标源辐射体示意图

在热力平衡条件下，根据基尔霍夫定律可以认为发射率等于吸收率。考虑到入射极化影响，根据一般形式的基尔霍夫定律可以得到物体h极化方向发射率eh(θ0,φ0)、反照率A(θ0,φ0)和微分散射系数γ的关系如下[5,6]

eh(θ0,φ0)=1-A(θ0,φ0)

(1)

式中：γhh(s,o)——散射与入射辐射同极化时，目标体的微分散射系数；γvh(s,o)——散射与入射辐射异极化时，目标体的微分散射系数。

(20～60)GHz频段内主要窗口的发射率仿真数据如图3所示，最低在0.999 95以上。

图3 发射率仿真数据图

3.2 发射率测量

根据Friis方程，推导出发射率测量公式为[6]

(2)

式中：Cg——散射修正因子，是对用周期结构表面模型对电磁波散射效应的一种近似修正；r——天线口面到被测辐射体的距离；r′——天线口面到相位中心的距离；μ——近场修正因子；A——天线有效口面；Rbb0——不考虑距离和天线增益时的辐射体反射系数。

当上述天线参数不易获得时，可采用金属参考平板进行归一化处理。发射率测量包括两部分，后向电压反射系数测量和散射修正因子测量，其中后向电压反射系数测量可以采用移动辐射体的空间驻波法，散射修正因子测量采用双站RCS测量。最终的发射率测量结果见表1。

表1 定标源辐射体发射率测量结果

4 定标源温度控制及试验结果

4.1 定标源温度控制设计

三个定标源的温度控制都是PID(比例积分微分)方式，原理如图4所示。

图4 一种最基本的PID控制系统原理框图

图4中，ysv(t)为设定值，y(t)为实际输出值，e(t)为两者之差，u(t)为控制量。控制规律如式(3)所示

(3)

式中：KP——比例系数；TI——积分时间常数；TD——微分时间常数。

PID控制器根据设定值与实际输出值构成的偏差，将偏差比例、偏差积分和微分通过线性方程构成控制量，从而对被控对象进行控制。

冷定标源及常温定标源控温结构如图5所示。冷定标源采用液氮浸泡方式，使辐射体稳定工作在80K附近[7]。PID根据液氮控温体内液面位置判断是否打开电磁阀补充液氮；常温定标源可工作在(283～298)K区间，利用循环水进行温控；热定标源采用加热膜方式，加热膜安装在均温板上，这里就不再给出具体模型。

图5 定标源控温结构示意图

为克服大气环境下定标试验中对流换热对辐射体表面温度的影响，在定标源辐射体上面增加微波窗。微波窗的引入会对输出亮温度造成影响。当微波窗物理温度与辐射体物理温度不同时，会抬高或降低辐射体表面辐射的亮温。当损耗正切为3E-5时，采用理论公式计算出10cm厚度微波窗产生的亮温度衰减，如图6所示，当定标源物理温度为80K时，经微波窗后的亮温度，如图7所示。因此在毫米波频段需要根据微波窗的特性对冷定标源的输出亮温进行修正[8]。水冷变温源和热定标源由于辐射体温度和微波窗温度比较接近可不予补偿。

图6 微波窗功率传输系数实验结果图

图7 定标源经微波窗后输出亮温度实验结果图

4.2 定标源温度试验数据

试验中，取温度控制相对稳定后一段时间内的测试数据进行处理分析。冷定标源和常温定标源的温度稳定性及均匀性分别如图8和图9所示。温度稳定性定义为总采样周期内平均值最大值与最小值的差值，也可以看作是某一时间段内的最大波动。温度均匀性定义为同一采样时间内最大值与最小值的差值。

图8 冷定标源温度稳定性及均匀性实验结果图

图9 常温定标源温度稳定性及均匀性实验结果图

实验结果表明，该定标源组最终实现了80K工作温度且辐射体口面垂直放置时优于0.2K的温度均匀性，优于0.023K的温度稳定性。常温定标源的温度均匀性优于0.11K，温度稳定性优于0.02K。

5 结束语

介绍了(20～60)GHz地基探测辐射计定标源组的构成、辐射体电磁仿真与发射率测量、定标源温度控制等内容。由测试数据可以看出，本套定标源在设计频段内具有0.999 9左右的发射率，温度均匀性优于0.2K，温度稳定性优于0.023K。实验室环境下，冷定标源输出亮温不确定度为1.0K(k=2)，常温定标源输出亮温不确定度为0.3K(k=2)，热定标源输出亮温不确定度为0.5K(k=2)。该套定标源目前已应用于大气探测辐射计的定标校准工作中。