artII微波辐射计基本原理.ppt

,第二讲 地基微波辐射计的基本原理,基本概念 天线温度 微波辐射计工作原理,辐亮度与天线,在 内的发射功率为,定义辐射强度,接收面元： 辐亮度B (Radiance)：单位辐射源表面积、单位时间、向单位立体角所辐射的能量，单位为 Wm-2sr-1 .,接收面元： 设想在距离R处，有一接收面，如下图左半，刚好卡在内,或,接收面所接收到的功率,天线接收功率的计算,天线接收到的功率为：,为天线的方向性函数,天线的频率响应：频响函数,定义带宽 ：,时的频率范围 ， 称为带宽，也叫半功率带宽。 天线接收到的功率为：,或者,天线温度与气象信号,天线温度,在电子线路中，温度为T的电阻, 产生输入到系统的热噪声功率为 。天线输出其后端接收机的功率 , 相当于一个温度为Te的电阻所产生的热噪声功率。所以，Te就称为“天线温度”。,天线温度：天线温度不是天线自身的物理温度，而是代表外来能量。,辐射计系统： 天线传输线接收机,天线：物理温度，有损耗即“有吸收就有热辐射”，功率透射系数。 天线端口输出功率：,其中，,传输线：物理温度通常也是 ，信号损耗因子 1。理想传输线L=1; 接收机： 现实接收机无噪声接收机等效热噪声源,称 为系统噪声功率，相当于在传输线的输入端口（就是天线的输出端口）输入的总功率。,记接收机等效热噪声温度Tr, 则在接收机输入端口处的功率 可表示为：,其中，,称,为系统噪声温度,Typical Antenna Power Patterns,主瓣内， 与方向无关，可用 表示。 （0，0）为天线指向。由天线温度表达式可知，,天线方向性函数,即，天线温度 成为从天线所指方向射入天线的亮温度 。 这就是我们所要的信息，代表（0，0）方向上被测目标物的辐射状态（如物理温度，辐射物质含量等）。,地基微波辐射计的基本原理,微波辐射计被动地测量目标物在某个频率附近发射的热辐射功率 。,大气物理学院大气探测系,地基微波辐射计系统框图,接收机,辐射计本振频率 ，中频为 ，因此进入天线可以被测量的微波频率可以是,微波辐射计的工作频率,，或是,单信道接收机： 射频单元（天线到射放）只工作在 或,双信道接收机： 射频单元需同时工作在 这样，接收功率大但对射放要求高,具有随机热噪声的性质，要测量它在一定时间内的积分，才能取出稳定的振幅，作为“信号”功率，使得,系统的增益,称之为辐射计系统的增益。,系统的灵敏度,为辐射计系统的带宽， 为积分时间。,全功率辐射计与Dicke辐射计,1)全功率: 天线连续接收外来热辐射(不是脉冲式的)。 问题: 系统增益 若不稳定，则破坏了 与 的确定关系。,2)Dicke辐射计: 脉冲式的接收外来辐射。,全功率辐射计与Dicke辐射计,Dicke开关交替地接通1、2两端，在已知参考负载温度TR的情况下，利用两个输出VOA和VOB来 （1）解决增益不稳定性的影响。 VOA=kGsTA， VOB=kGsTR， 假设在一个开关周期内稳定，则 TA = TR* VOA /VOB， 则与增益是否稳定无关！,（2）解决接收机内部噪声Tr和增益不稳定性的影响。 VOA=kGs (TA+Tr) VOB=kGs (TR+Tr) 假设在一个开关周期内稳定，则 两信号之差D= k(TA-TR) 与噪声 Tr无关，可以从中获得被测TA。若能调整TR的值，使得两信号之差D=0，则得 TA =TR ，则与增益是否稳定无关！ 称此为平衡式Dicke辐射计。,与增益是否稳定有关!,辐射计的定标,辐射计接收机所得功率(或 )与 （即 ）成线性关系：,其中系数a、b为与辐射计系统性能和环境温度有关的系数。 可通过辐射计系统定标来确定。,（1）实验室方法高低温负载法: 把天线（或其传输线输入口）放在恒温槽内，则，观测P随T的变化，可得 的关系。 （2）晴空外场法自然定标法: 把天线放在外场,取晴朗夜晚、静风，施放探空仪得(Z)、( Z)。由辐射传输方程（后面介绍）可计算出在不同仰角时的值。改变天线仰角可得相应的读数,计算回归系数,即可得 。,Measure output voltages V1 and V2 from two blackbody targets at temperatures T1 and T2,Cautions: Need high emissivity target (low reflectivity) Uniform temperature throughout target Area large enough to cover more than main beam,LN2 TARGET PLACED ON RADIOMETRICS MWR ON ARM SGP FIELD SITE,LN2 TARGET PLACED ON RADIOMETRICS MWR ON ARM TWP NAURU FIELD SITE,Liquid Nitrogen calibration of microwave radiometers,Radiosonde Humidity Soundings and Microwave Radiometers during Nauru99, E. Westwater, B. Stankov, D. Cimini, Y. Han, J. Shaw, B. Lesht and C. Long, JAOT, 2003.,Radiometrics Microwave Radiometer,Radiometer Gain: Tnd is the noise injection temperature determined through calibr