Part-II-微波辐射计基本原理

[e-mail],Dept.ofAtmos.Sounding,NanjingUniv.ofInfo.Sci.&Tech.(NUIST)第二讲地基微波辐射计的基本原理[e-mail],Dept.ofAtmos.Sounding,NanjingUniv.ofInfo.Sci.&Tech.(NUIST)基本概念天线温度微波辐射计工作原理[e-mail],Dept.ofAtmos.Sounding,NanjingUniv.ofInfo.Sci.&Tech.(NUIST)辐亮度与天线rrttBAPtrttBAPI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[e-mail],Dept.ofAtmos.Sounding,NanjingUniv.ofInfo.Sci.&Tech.(NUIST)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2RArr2RArr或[e-mail],Dept.ofAtmos.Sounding,NanjingUniv.ofInfo.Sci.&Tech.(NUIST)接收面所接收到的功率ttrrPBAP2trrttrrtBAAPPBABAR[e-mail],Dept.ofAtmos.Sounding,NanjingUniv.ofInfo.Sci.&Tech.(NUIST)天线接收功率的计算trdABFP,,4r天线接收到的功率为：,F为天线的方向性函数[e-mail],Dept.ofAtmos.Sounding,NanjingUniv.ofInfo.Sci.&Tech.(NUIST)天线的频率响应：频响函数f0maxff定义带宽：fmax21f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：00/2r/24,,fffrffPfBFAddfdfdAFBfPrffff,,004r或者[e-mail],Dept.ofAtmos.Sounding,NanjingUniv.ofInfo.Sci.&Tech.(NUIST)天线温度与气象信号[e-mail],Dept.ofAtmos.Sounding,NanjingUniv.ofInfo.Sci.&Tech.(NUIST)天线温度nPkTfePkTfeT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”。nPkTfePkTf[e-mail],Dept.ofAtmos.Sounding,NanjingUniv.ofInfo.Sci.&Tech.(NUIST)•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。44(,)(,)(,)BATFdTFd[e-mail],Dept.ofAtmos.Sounding,NanjingUniv.ofInfo.Sci.&Tech.(NUIST)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：fkTPPPllAout)1()('AkTfPlAlATTT)1('其中，[e-mail],Dept.ofAtmos.Sounding,NanjingUniv.ofInfo.Sci.&Tech.(NUIST)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outinPPL[e-mail],Dept.ofAtmos.Sounding,NanjingUniv.ofInfo.Sci.&Tech.(NUIST)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：fkTfkTLPLPrPAout)11(1)(fkTLsys1rPlAlsysLTTLTT)(其中，称sysT为系统噪声温度fkTPsyssys[e-mail],Dept.ofAtmos.Sounding,NanjingUniv.ofInfo.Sci.&Tech.(NUIST)[e-mail],Dept.ofAtmos.Sounding,NanjingUniv.ofInfo.Sci.&Tech.(NUIST)[e-mail],Dept.ofAtmos.Sounding,NanjingUniv.ofInfo.Sci.&Tech.(NUIST)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内不在内在很小的主瓣立体角当MMF0,1),(),(BT),(00BTdTTMBMA),(1),(00BT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）。AT[e-mail],Dept.ofAtmos.Sounding,NanjingUniv.ofInfo.Sci.&Tech.(NUIST)地基微波辐射计的基本原理[e-mail],Dept.ofAtmos.Sounding,NanjingUniv.ofInfo.Sci.&Tech.(NUIST)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[e-mail],Dept.ofAtmos.Sounding,NanjingUniv.ofInfo.Sci.&Tech.(NUIST)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0f10fffIIfff01Ifff01，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1f2f12&[e-mail],Dept.ofAtmos.Sounding,NanjingUniv.ofInfo.Sci.&Tech.(NUIST)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BT称之为辐射计系统的增益。sGsyssoutTGV系统的灵敏度BTTsyssys为辐射计系统的带宽，为积分时间。B[e-mail],Dept.ofAtmos.Sounding,NanjingUniv.ofInfo.Sci.&Tech.(NUIST)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。[e-mail],Dept.ofAtmos.Sounding,NanjingUniv.ofInfo.Sci.&Tech.(NUIST)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![e-mail],Dept.ofAtmos.Sounding,NanjingUniv.ofInfo.Sci.&Tech.(NUIST)辐射计的定标•辐射计接收机所得功率Ｐ(或)与（即）成线性关系：sysPATBTBPaTb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。[e-mail],Dept.ofAtmos.Sounding,NanjingUniv.ofInfo.Sci.&Tech.(NUIST)•（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Ｔ(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。baTPBbaTPB[e-mail],Dept.ofAtmos.Sounding,NanjingUniv.ofInfo.Sci.&Tech.(NUIST)•MeasureoutputvoltagesV1andV2fromtwoblackbodytargetsattemperaturesT1andT2112212121212)(TGVTGVOTTVVGTTGVV[e-mail],Dept.ofAtmos.Sounding,NanjingUniv.ofInfo.Sci.&Tech.(NUIST)Cautions:Needhighemissivitytarget(lowreflectivity)Uniformtemperat[e-mail],Dept.ofAtmos.Sounding,NanjingUniv.ofInfo.Sci.&Tech.(NUIST)[e-mail],Dept.ofAtmos.Sounding,NanjingUniv.ofInfo.Sci.&Tech.(NUIST)[e-mail],Dept.ofAtmos.Sounding,NanjingUniv.ofInfo.Sci.&Tech.(NUIST)[e-mail],Dept.ofAtmos.Sounding,NanjingUniv.ofInfo.Sci.&Tech.(NUIST)LiquidNitrogencalibrationofmicrowaveradiometersRadiosondeHumiditySoundingsandMicrowaveRadiometersduringNa