微波辐射计简要测量原理

空间微波遥感技术的学科内涵,以合成孔径雷达、高度计、辐射计、散射计为代表。其中微波辐射计是一种被动式微波遥感设备,通过接收被观测场景辐射的微波能量来探测目标特性。

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前言

空间微波遥感技术的学科内涵,以合成孔径雷达高度计辐射计散射计为代表。其中微波辐射计是一种被动式微波遥感设备,通过接收被观测场景辐射的微波能量来探测目标特性。


一、定标与灵敏度

通过接收热辐射,将噪声功率能量与目标区域或物理亮温建立线性关系,从而实现测量。要完成精确的测量,通过定标来确定这个映射曲线是关键。

星上定标采用两点式周期性定标方式,定标高温源采用研制的热定标源黑体,低温源采用宇宙空间背景辐射(2.7K),经过地面定标、星上定标及后续数据处理修正,建立仪器测量值与被测量微波辐射信号间的定量关系,从而反演出各个观测视场的天线温度。

与通常接收机接收最小信号能力的灵敏度指标不同,辐射计相关灵敏度是成像仪接收机可以测量的最小亮温变化,即接收机系统噪声的标准差。在实验室环境下,另接收机观测辐射亮温恒定的目标,此时接收机输出电压的波动就是由接收机系统噪声引起的,统计此时输出信号的标准差和与之对应的接收机系统增益即可获得灵敏度,这也是目前国内微波成像仪常用的灵敏度计算方法。

二、基本原理

通过接收系统标校获得接收功率与亮温映射曲线。简单的微波辐射计系统大致包括接收天线、射频前端和数字后端,可采用简单的直接检波或者超外差采样数字化等方法。这里主要说明建立映射曲线的计算过程。

根据噪声系数与噪温的定义,有下列曲线关系。

图1 噪声系数与噪温对应曲线

计算需要用到的参数包括:接收系统噪声系数N(如图1所示与噪声温度一一对应),系统增益G波尔兹曼常数k环境温度290K以及分辨率带宽BW。假定系统增益80dB,得到的噪声系数与功率的曲线为:

图2 特定增益系统自身噪温与输出功率曲线

采用不同噪声系数的系统,对外界T=30K到800K的物体进行噪温接收,得到的映射曲线如图3所示,接收系统噪声系数越好,曲线越陡峭,推测系统能够实现的灵敏度越高

图3 接收系统整体接收噪温

最后,通过图2标校数据与图3测试曲线,能够反演出外界噪温与接收功率的映射曲线。采用倍数关系,将得到如图4所示的一条直线

图4 反演得到的外界噪温与外界噪声功率曲线

图3和图4结合就能够通过接收机接收到功率映射到外界噪温,从而完成测量。


总结

讨论了辐射计接收系统与一般接收系统的区别和一些关键点,通过最简化的理论计算,大致了解了辐射计的工作和测量过程。

参考文献:

  1. 星载微波辐射计热定标源计量测试技术研究 真空与低温 2023.3
  2. 高光谱微波辐射计宽带高速数字系统设计 电子学报 2021.2
  3. 星载微波成像仪灵敏度稳定性分析 遥感学报 2020.9
  4. 天线噪声特性分析与阵列信号接收新模型构建 航天电子对抗 2017.12
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