天线物理温度对辐射计接收亮温度影响的研究.pdf

2 0 1 1 年6 月 第3 l 卷第3 期 宇航计测技术 J o u r n a lo fA s t r o n a u t i cM e t r o l o g ya n dM e a s u r e m e n t J u n ，2 0 1 I V 0 1 3 1 ，N o 3 文章编号：1 0 0 0 7 2 0 2 ( 2 0 1 1 ) 0 3 0 0 0 1 0 4 中图分类号：V 5 5 7 + 3文献标识码：A 天线物理温度对辐射计接收亮温度影响的研究 汪哲思杨于杰程春悦刘杰 ( 北京无线电计量测试所，北京1 0 0 0 3 9 ) 摘 要D i c k 式辐射计天线物理温度的变化，直接影响辐射计接收的亮温度。设计一种实验方法，通过改 变天线物理温度，测量辐射计输出电压，依据二元回归分析方法推出天线的辐射效率，实验中的外推曲线与测量数 据吻合。给出了天线物理温度变化和辐射计接收亮温度变化的关系。 关键词 微波辐射计亮温度天线物理温度 R e s e a r c ho nA n t e n n aT e m p e r a t u r eo nB r i g h t n e s s T e m p e r a t u r eo fR e c e i v e r W A N GZ h e - s i Y A N GY u - j i eC H E N GC h u n - y u eL I UJ i e ( B e r i n gI n s t i t u t eo fR a d i oM e t r o l o g ya n dM e a s u r e m e n t ，B e i j i n g1 0 0 0 3 9 ) A b s t r a c tT h et e m p e r a t u r eo fD i c kr a d i o m e t e r 8a n t e n n ah a sa ne f f e c to nb r i g h t n e s st e m p e r a t u r eo f r e c e i v e r T h i sp a p e rd e s i g n sa ne x p e r i m e n tt h a tc h a n g i n gt h ea n t e n n a st e m p e r a t u r ea n dm e a s u r i n gt h e o u t p u to fr a d i o m e t e r ，t od e d u c ea n t e n n ar a d i a t i o ne f f i c i e n c yw i t hm u l t i p l el i n e a rr e g r e s s i o n T h ee x t r a p o - l a t e dd a t ai si na c c o r dw i t hm e a s u r e m e n td a t a K e yw o r d s M i c r o w a v er a d i o m e t e r B r i g h t n e s sT e m p e r a t u r e A n t e n n aT e m p e r a t u r e 1 引言 D i c k 式辐射计输出电压与辐射计接收亮温度 和参考温度之差成线性关系1 1 ，因此需要考虑天线 物理温度变化的影响。天线输入亮温度与输出亮温 度的关系2 1 如式( 1 ) 所示 7 t 伽。= 叼正。+ ( 1 一，7 。) L ( 1 ) 式中：，7 。天线的辐射效率；瓦。天线输出亮 温度；兀。天线输入亮温度；T t 天线物理温 度。 从式( 1 ) 可以看出当天线输入亮温度与天线温 度不相等时，天线的输入亮温度与输出亮温度不相 等，而且天线温度变化也会造成天线输出亮温度的 变化，这都直接影响辐射计的定标精度和测量精度。 从上面分析可知天线物理温度的变化会造成辐 射计接收亮温度的变化。所以本文就天线物理温度 对辐射计接收亮温度影响展开研究d 本文设计出一 种实验方法，使得天线的辐射区域都在定标源上，保 持定标源的输出亮温度和辐射计性能的稳定，用铂 电阻温度传感器监测天线温度和隔热波导温度的变 化，测量辐射计输出电压，依据二元回归分析外推出 天线的辐射效率，确定天线物理温度变化和辐射计 接收亮温度变化的关系。 2 实验模型的理论分析 实验装置如图l 所示。辐射体采用吸波材料面 万方数据 宇航计测技术 2 0 1 1 筵 板构成，温度传感器采用工业应用高精度、高稳定的 贴片铂电阻温度传感器，测温仪器采用L a k e S h o r e 公司的3 4 0 精密温度测量仪，测温精度能达到l m K ， 天线上放置有两个贴片铂电阻温度传感器，微波辐 射计里面放置两个贴片铂电阻温度传感器。微波辐 射计的中心频率为8 9 G H z ，积分时间设置为3 s ，微 波辐射计的灵敏度为0 1 K ，稳定性为O 2 K h 。隔 热波导放置在天线和接收机之间，保证天线的温度 均匀性和接收机工作温度稳定。 图1 实验装置示意图 隔热波导由不锈钢材料制成，不锈钢的导热性 能较差，因此隔热波导上存在温度梯度，而隔热波导 的损耗比较大。当天线温度处于3 3 0 K ，用有限元法 仿真隔热波导的温度分布如图2 所示。 叠 p 、_ ， 曲 羁 壤 窿 V 。 图2 隔热波导的温度分布围 隔热波导产生的噪声温度3 1 如式( 2 ) 所示。 r2i f 雾知 式中：Z 隔热波导的长度；a 隔热波导的衰 减。把隔热波导等分成n 等份，每等份的物理温度近 似相等，取每等份的中间温度为每等份的物理温度， 则隔热波导产生的噪声温度为 r = 耋2 仅蹦也一一” ( 3 ) 假设隔热波导温度分布均匀为死d 产生噪声温 度与式( 3 ) 计算所得噪声温度相等，则为等效温 度 T = ( 1 一e 划)( 4 ) 令式( 3 ) 与式( 4 ) 相等，则乃。，为等效温度。计 算可知贴片铂电阻温度传感器放置在( 1 9 1 2 3 1 ) m m 处。天线温度处于3 5 0 K ，3 4 0 K ，3 2 0 K ， 3 1 0 K ，3 0 0 K 时，用等效温度计算隔热波导产生噪声 温度的误差为一0 3 ，一0 1 ，0 1 ，0 3 ， 0 7 5 。从上分析可知产生的误差几乎可以忽略不 计，因此温度传感器放置在隔热波导的( 1 9 1 2 3 1 ) m l n 处。 定标源放置在常温情况下，均匀性非常好，且表 面温度与内部温度一致，因此定标源的输出亮温度 没有变化，而且天线视在亮温度与定标源输出亮温 度相等。天线视在亮温度与天线输入亮温度的关 系H 1 为 ，r I I o ( 日，妒) F 。( 口，妒) d I l 瓦。= 垃7 一 ( 5 ) 0 F 。( p ，9 ) d f l 嚣 式中：L ( 口，妒) 天线视在亮温度；F 。( p ， 妒) 天线归一化辐射方向图。 天线的辐射区域都在定标源上，定标源和天线 温度都处于常温下，当更换不同主波束效率的天线 时，微波辐射计的输出没有变化，因此本次实验中可 以忽略天线主波束效率对微波辐射计接收亮温度的 影响。 从以上分析，本次实验中可以把天线等效成二 端口网络，定标源等效成匹配负载。 微波接收机的输入亮温度与天线的输出亮温度 的关系为 疋= 嘞乙+ ( 1 一c 1 2 ) 疋 ( 6 ) 式中：乙微波接收机的输入亮温度；疋隔 热波导的温度；o r ：隔热波导的插入损耗。将式 万方数据 第3 期天线物理温度对辐射计接收亮温度影响的研究 3 ( 1 ) 带入式( 6 ) 可得 疋= O 2 叼I 瓦。+ ( 1 一叩1 ) r 1 + ( 1 一a 2 ) 瓦 ( 7 ) 接收机的输入亮温度与输出电压的关系为 秽= 口兄+ b( 8 ) 将式( 7 ) 带人式( 8 ) ，化简可得 删号a T l O 2 瓦。+ b + a ( 1 一田1 ) a 2 T I + 口( 1 一a 2 ) 孔 ( 9 ) 式( 9 ) 可写成如下形式 t I = 风+ 卢IT I + 岛疋( 1 0 ) 其中风= a t I a 2 死+ b ，卢I = 口( 1 一竹1 ) a 2 ，岛 = 口( 1 一a ：) 。通过测量，运用二元回归可以估计出 卢。，进而可以求出天线的辐射效率叼。 3 实验结果分析 本次实验在实验室条件下进行，环境温度为 1 9 6 0 C 。测量天线温度为3 5 0 K ，3 4 0 K ，3 3 0 K ， 3 2 0 K ，3 1 0 K 和3 0 0 K 时，微波辐射计的输出电压，同 时记录隔热波导的温度。 本次实验模型如式( 1 0 ) 所示，因此可以建立数 据模型如式( 1 1 ) 1 0 = 风+ 卢1T i + 岛疋+ 占 ( 1 1 ) 运用最大似然法，各项参数估计为 声= ( ，r ) 。1 矿y( 1 2 ) 式中：声= ( 反，声。，声：) ，V = ( 移。，移：，) ， r = 兀2 I 矗 其中( f = l ，2 ，I ) 为第i 次测量接收机的 输出电压值，t 。，分别为第i 次测量的天线温度、 隔热波导段温度。回归系数的显著性检验构造满足 t 分布的统计量。回归方程的显著性检验可以运用 相关系数和残差平方和检验。相关系数的平方定 义为 尺2 = 恙 ( 1 3 ) 式中：s s 厅= ( 玩一石) 2 ，S S E = ( 吼一玉；) 。，石 = 寺酗。 对3 5 0 K ，3 4 0 K ，3 3 0 K ，3 2 0 K 测量点做二元回 归分析。参数估计结果如表1 所示。 表1 参数估计 残差平方和等于0 0 0 08 3 35 ，相关系数平方等 于0 9 9 3 。回归方程如图3 所示，其中散点为测量 数据。 艺 幽 脚 茁 霹 毒 鲁i 蝤 。 幽 脚 吾 霹 暑 鲁i 鞲 o 。 矿 。 厂 影。 ( a ) 辐射计输出与天线温度的关系 3 Z 。 意 Z 。 。 D 63 0 73 0 8 3 0 93 033 1 23 334 3 1 53 ( b )辐射计输出与隔热波导温度的关系 田3 回归方程图 6 万方数据 宇航计测技术 2 0 1 1 焦 回归方程外推，天线温度为3 1 0 K 和3 0 0 K 时，4结束语 测量数据与回归方程的关系如图4 所示。 兮 出 脚 茁 铎 毒 擎 辎 7 ， J r 3 0 0 3 0 5 3 l O 3 1 53 2 03 2 53 3 0 3 3 5 3 4 03 4 53 5 0 天线的温度( K ) ( a ) 辐射计输出与天线温度的关系 3 7 3 3 7 2 5 3 7 2 S 3 7 1 5 幽q7 1 钟 曩3 - 7 0 5 暴 3 7 嚣3 6 9 5 3 6 9 3 6 8 5 3 6 8 “ Z 。 7 忑 r 2 9 83 0 0 3 0 23 0 43 0 63 0 83 1 03 1 23 1 43 1 6 隔热波导的温度( K ) ( b )辐射计输出与隔热波导温度的关系 图4 测量数据与回归方程关系图 测量数据与回归方程外推的残差平方和等于 0 0 0 00 1 02 。由图4 可知回归方程外推曲线与测 量数据非常吻合。 从实验结果分析中可知卢。，岛的估计值，由式 ( 1 0 ) 可知天线辐射效率田。= 0 9 5 ，隔热波导的插 人损耗a ：= 0 5 8 d B ，而a ：的通过矢量网络分析仪 测量为0 5 4 d B 。可见通过这个方法能够求出天线 的辐射效率。 当天线的温度改变r ，天线的输出亮温度和输 入亮温度的关系为 7 伽。+ 兀= 叼1 + ( 1 一，7 1 ) ( L + A T ) ( 1 4 ) 式中：瓦输出亮温度变化值。 式( 1 4 ) 减去式( 1 ) 可得 死= ( 1 一叼1 ) a T( 1 5 ) 本文设计了一种实验方法，保持辐射体输出亮 温度没有变化，改变天线的物理温度，监测隔热波导 的物理温度，测量辐射计的输出电压，依据二元回归