專利名稱：一種使用三定標(biāo)源的星載被動(dòng)微波遙感儀器地面真空定標(biāo)試驗(yàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種衛(wèi)星被動(dòng)微波遙感儀器地面試驗(yàn)，尤其是涉及一種使用三定標(biāo)源的星載被動(dòng)微波遙感儀器地面真空定標(biāo)試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)方法。
背景技術(shù)：
風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星是我國(guó)新一代極軌氣象衛(wèi)星，星上裝載了微波溫度計(jì)、微波濕度計(jì)和微波成像儀等三個(gè)被動(dòng)微波遙感儀器(亦可統(tǒng)稱為微波輻射計(jì))。微波輻射計(jì)是一種被動(dòng)式微波遙感儀器，通過接收被測(cè)物體輻射的微波能量來探測(cè)目標(biāo)特性，物體輻射的微波能量與物體的亮溫度(簡(jiǎn)稱亮溫)之間的關(guān)系可由輻射定律完全確定，通過對(duì)物體亮溫的測(cè)量便可確定其輻射能量。微波遙感定標(biāo)，就是要通過某種定標(biāo)方法確定被測(cè)物體輻射亮溫值與輻射計(jì)輸出電壓值之間的關(guān)系。
上述微波輻射計(jì)的探測(cè)目的主要是為了定量反演大氣、陸地和海洋環(huán)境參數(shù)，如果輻射觀測(cè)誤差過大，不僅會(huì)使反演產(chǎn)品毫無意義，有時(shí)還會(huì)由于觀測(cè)誤差的引入對(duì)某些定量應(yīng)用，特別是數(shù)值模式應(yīng)用產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，為保證微波輻射計(jì)的輻射觀測(cè)精度， 必須具備必要的定標(biāo)手段和足夠的定標(biāo)精度，定標(biāo)精度將對(duì)微波輻射計(jì)的應(yīng)用產(chǎn)生決定性的影響。
被動(dòng)微波遙感儀器定標(biāo)一般分三個(gè)階段，衛(wèi)星發(fā)射前的地面定標(biāo)、衛(wèi)星發(fā)射后的在軌定標(biāo)，以及作為在軌定標(biāo)技術(shù)補(bǔ)充的替代定標(biāo)。地面定標(biāo)通常又可分為實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)和真空定標(biāo)。
在軌定標(biāo)作為衛(wèi)星被動(dòng)微波遙感儀器的主要定標(biāo)手段，決定了被動(dòng)微波遙感儀器遙感信息定量應(yīng)用的精度。而在軌實(shí)時(shí)定標(biāo)結(jié)果的優(yōu)劣強(qiáng)烈依賴于發(fā)射前地面定標(biāo)所給出的關(guān)于被動(dòng)微波遙感儀器基本性能狀況的測(cè)試結(jié)果。
由于微波遙感儀器制造水平的制約以及對(duì)微波遙感科學(xué)認(rèn)識(shí)的局限，早期的空間微波載荷對(duì)定標(biāo)工作并未給予應(yīng)有的重視。隨著航天技術(shù)的進(jìn)步和遙感儀器制造水平的提高，微波遙感的輻射定標(biāo)逐漸成為微波遙感科學(xué)與技術(shù)的重要組成部分，對(duì)微波遙感的應(yīng)用起著至關(guān)重要的作用。因此，目前所有空間對(duì)地微波遙感儀器在發(fā)射升空前無一例外地都要進(jìn)行地面定標(biāo)測(cè)試，這種定標(biāo)測(cè)試的目的有兩個(gè)，一是通過定標(biāo)測(cè)試對(duì)遙感儀器的基本性能進(jìn)行評(píng)估；二是通過地面定標(biāo)測(cè)試，獲取在軌遙感探測(cè)資料定量化應(yīng)用所必需的定標(biāo)系數(shù)。
要想真實(shí)的了解被動(dòng)微波遙感儀器在軌運(yùn)行時(shí)的響應(yīng)特性，獲取有效的定標(biāo)參數(shù)則必需進(jìn)行地面真空定標(biāo)試驗(yàn)，原因主要有三個(gè)首先，對(duì)試驗(yàn)中定標(biāo)黑體參數(shù)的測(cè)量是影響被動(dòng)微波遙感儀器定標(biāo)精度的重要因素，黑體溫度的均勻性決定著黑體溫度測(cè)量精度， 當(dāng)有空氣存在時(shí)，黑體與環(huán)境溫度之間巨大的溫差會(huì)造成強(qiáng)烈的熱對(duì)流，對(duì)流的存在會(huì)破壞黑體溫度的均勻性，從而導(dǎo)致無法準(zhǔn)確計(jì)算黑體溫度。其次，由于冷定標(biāo)源處在極低的溫度之下，水汽和冰晶的凝結(jié)嚴(yán)重地影響微波的輻射傳輸，將導(dǎo)致定標(biāo)源的精度從0. 7K左右下降到1. 9K，這嚴(yán)重影響了定標(biāo)結(jié)果。此外，常壓環(huán)境下大氣中吸收氣體的存在也會(huì)對(duì)定標(biāo)測(cè)試產(chǎn)生一定的影響。
基于以上原因，風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星上的微波輻射計(jì)在國(guó)內(nèi)首次進(jìn)行了模擬在軌運(yùn)行環(huán)境下的地面定標(biāo)試驗(yàn)，即地面真空定標(biāo)試驗(yàn)，以對(duì)被動(dòng)微波遙感儀器的靈敏度、定標(biāo)準(zhǔn)確度和定標(biāo)精度等主要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)獲取了在軌遙感探測(cè)資料定量化應(yīng)用所必需的定標(biāo)系數(shù)(特別是非線性系數(shù))，建立了地面定標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)。
目前，國(guó)際上僅有英國(guó)、美國(guó)、俄羅斯等國(guó)家開展了微波定標(biāo)相關(guān)研究工作，歐盟、 美國(guó)等機(jī)構(gòu)發(fā)射的多種被動(dòng)微波遙感儀器非常重視定標(biāo)工作。20年來美國(guó)國(guó)防計(jì)劃DMSP 衛(wèi)星微波載荷SSM/I和SSM/T —直在發(fā)射前進(jìn)行熱真空定標(biāo)實(shí)驗(yàn)；日本與美國(guó)合作研發(fā)的 AMSR-E于1999年6月在TsukiAa空間中心進(jìn)行了地面真空定標(biāo)試驗(yàn)，在AMSR-E送抵美國(guó)洛山磯后，又在2001年8月25日 10月10日重新進(jìn)行了地面真空定標(biāo)試驗(yàn)；美國(guó)多年來相繼發(fā)射的NOAA系列衛(wèi)星上搭載的微波載荷AMSU-A和AMSU-B進(jìn)行了大量的地面真空定標(biāo)試驗(yàn)，由此可見地面微波真空定標(biāo)工作的重要性。然而，公開發(fā)表的相關(guān)論文大部分只是局限在對(duì)定標(biāo)工作重要性的討論和對(duì)定標(biāo)數(shù)據(jù)的算法研究上，對(duì)于如何系統(tǒng)的做地面真空定標(biāo)試驗(yàn)以及有哪些技術(shù)瓶頸等的報(bào)道非常少。
在風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星微波輻射計(jì)地面真空定標(biāo)試驗(yàn)之前，我國(guó)尚未進(jìn)行地面真空微波定標(biāo)試驗(yàn)。發(fā)明內(nèi)容
為了滿足我國(guó)新一代極軌氣象衛(wèi)星風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星三臺(tái)被動(dòng)微波遙感儀器高精度、 高靈敏度、高線性度、高穩(wěn)定性的氣象探測(cè)要求，尋找一種切實(shí)可行的滿足我國(guó)國(guó)情及科學(xué)技術(shù)水平的地面真空微波定標(biāo)試驗(yàn)方法，解決三臺(tái)被動(dòng)微波遙感儀器在軌的定量化探測(cè)的需求，本發(fā)明的目的在于提供一種星載被動(dòng)微波遙感儀器地面真空定標(biāo)試驗(yàn)方法。
為了達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明為解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是提供一種使用三定標(biāo)源的星載被動(dòng)微波遙感儀器地面真空定標(biāo)試驗(yàn)裝置，包括真空罐、目標(biāo)變溫定標(biāo)源、冷定標(biāo)源、熱定標(biāo)源、被動(dòng)微波遙感儀器、安裝小車、電纜、導(dǎo)熱條、液氮管，其特征在于
所述的真空罐是具有高真空抽氣系統(tǒng)的真空罐，罐內(nèi)安裝了具有一定包絡(luò)空間的熱沉，在熱沉內(nèi)部通液氮制冷，且在熱沉面向儀器一例噴涂低溫黑漆，從而模擬星載被動(dòng)微波遙感儀器在軌運(yùn)行的真空、深冷及黑背景環(huán)境；
所述的目標(biāo)變溫定標(biāo)源，具有模擬地物目標(biāo)輻射特性的能力，通過改變定標(biāo)源物理溫度來模擬不同的地物目標(biāo)特性，真空中使用的變溫定標(biāo)源的輻射體的基底用導(dǎo)熱條與真空罐的熱沉相連，通過控制加熱量來控制變溫定標(biāo)源的物理溫度，達(dá)到改變輻射亮溫的目的；
所述的冷定標(biāo)源，真空中使用的冷定標(biāo)源的輻射體基底中分布有液體管路，采用在管路中通液氮，使輻射體的物理溫度恒定在液氮的沸點(diǎn)溫度，從而使冷定標(biāo)源的亮溫恒定在80K左右；冷定標(biāo)源中分布有多個(gè)高精度的測(cè)溫點(diǎn)，對(duì)輻射體的物理溫度進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量；冷定標(biāo)源的液體管路通過液氮管實(shí)現(xiàn)真空罐內(nèi)與罐外液氮系統(tǒng)相連；
所述的熱定標(biāo)源，采用被動(dòng)微波遙感儀器自帶的熱定標(biāo)源，其輻射亮溫在300K左右，在熱定標(biāo)源黑體中放置多個(gè)溫度傳感器以精確測(cè)量黑體的溫度分布。
進(jìn)一步地，提供一種星載被動(dòng)微波遙感儀器地面真空定標(biāo)試驗(yàn)方法
步驟1、被動(dòng)微波遙感儀器在一個(gè)掃描周期內(nèi)獲取已知輻射亮溫的目標(biāo)變溫定標(biāo)源、冷定標(biāo)源及熱定標(biāo)源的觀測(cè)數(shù)據(jù)；
步驟2、通過兩點(diǎn)定標(biāo)方法計(jì)算出目標(biāo)變溫定標(biāo)源的亮溫，將計(jì)算出的亮溫值與已知的亮溫值進(jìn)行對(duì)比，獲取輻射定標(biāo)曲線；
步驟3、采取溫控措施控制被動(dòng)微波遙感儀器恒定在不同的工作溫度下工作，獲得不同環(huán)境溫度下被動(dòng)微波遙感儀器的輸入輸出響應(yīng)曲線，即TV曲線；
步驟4、通過兩點(diǎn)定標(biāo)方法計(jì)算出目標(biāo)定標(biāo)源的亮溫，將計(jì)算出的亮溫值與已知的亮溫值進(jìn)行對(duì)比，獲取輻射定標(biāo)曲線；
步驟5、通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，獲取被動(dòng)微波遙感儀器不同溫度條件下工作時(shí)的基本性能參數(shù)和定標(biāo)精度。
本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明采用三定標(biāo)源周期兩點(diǎn)定標(biāo)試驗(yàn)方法，通過采取溫控措施控制被動(dòng)微波遙感儀器設(shè)定在不同的工作溫度下工作，獲得不同環(huán)境溫度下被動(dòng)微波遙感儀器的輸入輸出響應(yīng)曲線。通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，獲取被動(dòng)微波遙感儀器不同溫度條件下工作時(shí)的基本性能參數(shù)和定標(biāo)精度。從而，實(shí)現(xiàn)了星載被動(dòng)微波遙感儀器在地面進(jìn)行高精度的真空微波定標(biāo)試驗(yàn)，解決了我國(guó)星載被動(dòng)微波遙感儀器地面真空定標(biāo)試驗(yàn)的技術(shù)難點(diǎn)，該試驗(yàn)方法定標(biāo)精度高(優(yōu)于Ik)，對(duì)被動(dòng)微波遙感儀器的基本性能(包括系統(tǒng)靈敏度、系統(tǒng)線性度、系統(tǒng)定標(biāo)準(zhǔn)確度、系統(tǒng)穩(wěn)定性等)進(jìn)行真實(shí)性的評(píng)估，同時(shí)獲取被動(dòng)微波遙感儀器在軌遙感探測(cè)資料定量化應(yīng)用所必需的定標(biāo)系數(shù)，提高了星載被動(dòng)微波遙感儀器在軌定量化應(yīng)用的有益效果。該定標(biāo)試驗(yàn)方法能適應(yīng)不同星載被動(dòng)微波遙感儀器地面真空定標(biāo)試驗(yàn)的需求，提高星載被動(dòng)微波遙感儀器在軌的定量化應(yīng)用。


圖1星載被動(dòng)微波遙感儀器地面真空定標(biāo)示意1.真空罐、2.目標(biāo)變溫定標(biāo)源、3.冷定標(biāo)源、4.熱定標(biāo)源、5.被動(dòng)微波遙感儀器、 6.安裝小車、7.電纜、8導(dǎo)熱條、9、液氮管。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合

本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。
星載被動(dòng)微波遙感儀器地面真空定標(biāo)試驗(yàn)方法是以普朗克輻射定律為基礎(chǔ)，利用 Rayleigh-Jeans近似公式，可以得出被動(dòng)微波遙感儀器輸出電壓與被觀測(cè)場(chǎng)景亮溫之間存在線性關(guān)系，由此可確定定標(biāo)方程為
Tb = aXC0UT+b
其中，Tb為目標(biāo)場(chǎng)景，Cout為接收機(jī)對(duì)應(yīng)的輸出電壓計(jì)數(shù)值，a、b為定標(biāo)系數(shù)。根據(jù)兩點(diǎn)確定一條直線的原理，輻射計(jì)在每個(gè)定標(biāo)周期分別對(duì)低溫(冷)定標(biāo)源Tkm和高溫 (熱)定標(biāo)源Titc進(jìn)行觀測(cè)，根據(jù)其輸出計(jì)數(shù)值Crou)、Chot就可以確定被動(dòng)微波遙感儀器的輸出電壓與輸入亮溫之間的關(guān)系
Tcold = aXCC0LD+b
Thot — aX CH0T+b
聯(lián)列方程可以求得
權(quán)利要求
1.一種使用三定標(biāo)源的星載被動(dòng)微波遙感儀器地面真空定標(biāo)試驗(yàn)裝置，包括真空罐 (1)、目標(biāo)變溫定標(biāo)源O)、冷定標(biāo)源(3)、熱定標(biāo)源G)、被動(dòng)微波遙感儀器(5)、安裝小車 (6)、電纜(7)、導(dǎo)熱條(8)、液氮管(9)，其特征在于:所述的真空罐(1)是具有高真空抽氣系統(tǒng)的真空罐，罐內(nèi)安裝了具有一定包絡(luò)空間的熱沉，在熱沉內(nèi)部通液氮制冷，且在熱沉面向儀器一側(cè)噴涂低溫黑漆，從而模擬星載被動(dòng)微波遙感儀器在軌運(yùn)行的真空、深冷及黑背景環(huán)境；所述的目標(biāo)變溫定標(biāo)源( ，具有模擬地物目標(biāo)輻射特性的能力，通過改變定標(biāo)源物理溫度來模擬不同的地物目標(biāo)特性，真空中使用的變溫定標(biāo)源的輻射體的基底用導(dǎo)熱條(8) 與真空罐的熱沉相連，通過控制加熱量來控制變溫定標(biāo)源的物理溫度，達(dá)到改變輻射亮溫的目的；所述的冷定標(biāo)源(3)，真空中使用的冷定標(biāo)源的輻射體基底中分布有液體管路，采用在管路中通液氮，使輻射體的物理溫度恒定在液氮的沸點(diǎn)溫度，從而使冷定標(biāo)源的亮溫恒定在80K左右；冷定標(biāo)源中分布有多個(gè)高精度的測(cè)溫點(diǎn)，對(duì)輻射體的物理溫度進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量； 冷定標(biāo)源的液體管路通過液氮管(9)實(shí)現(xiàn)真空罐內(nèi)與罐外液氮系統(tǒng)相連；所述的熱定標(biāo)源G)，采用被動(dòng)微波遙感儀器(5)自帶的熱定標(biāo)源，其輻射亮溫在300K 左右，在熱定標(biāo)源黑體中放置多個(gè)溫度傳感器以精確測(cè)量黑體的溫度分布。
2.一種使用三定標(biāo)源的星載被動(dòng)微波遙感儀器地面真空定標(biāo)試驗(yàn)方法，其特征在于 步驟1、被動(dòng)微波遙感儀器( 在一個(gè)掃描周期內(nèi)獲取已知輻射亮溫的目標(biāo)變溫定標(biāo)源O)、冷定標(biāo)源⑶及熱定標(biāo)源⑷的觀測(cè)數(shù)據(jù)；步驟2、通過兩點(diǎn)定標(biāo)方法計(jì)算出目標(biāo)變溫定標(biāo)源的亮溫，將計(jì)算出的亮溫值與已知的亮溫值進(jìn)行對(duì)比，獲取輻射定標(biāo)曲線；步驟3、采取溫控措施控制被動(dòng)微波遙感儀器( 恒定在不同的工作溫度下工作，獲得不同環(huán)境溫度下被動(dòng)微波遙感儀器(5)的輸入輸出響應(yīng)曲線，即TV曲線；步驟4、通過兩點(diǎn)定標(biāo)方法計(jì)算出目標(biāo)定標(biāo)源的亮溫，將計(jì)算出的亮溫值與已知的亮溫值進(jìn)行對(duì)比，獲取輻射定標(biāo)曲線；步驟5、通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，獲取被動(dòng)微波遙感儀器不同溫度條件下工作時(shí)的基本性能參數(shù)和定標(biāo)精度。
全文摘要
本發(fā)明采用三定標(biāo)源周期兩點(diǎn)定標(biāo)試驗(yàn)方法，通過采取溫控措施控制被動(dòng)微波遙感儀器設(shè)定在不同的工作溫度下工作，獲得不同環(huán)境溫度下被動(dòng)微波遙感儀器的輸入輸出響應(yīng)曲線。通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，獲取被動(dòng)微波遙感儀器不同溫度條件下工作時(shí)的基本性能參數(shù)和定標(biāo)精度。從而，實(shí)現(xiàn)了星載被動(dòng)微波遙感儀器在地面進(jìn)行高精度的真空微波定標(biāo)試驗(yàn)，解決了我國(guó)星載被動(dòng)微波遙感儀器地面真空定標(biāo)試驗(yàn)的技術(shù)難點(diǎn)，該試驗(yàn)方法定標(biāo)精度高(優(yōu)于1k)，對(duì)被動(dòng)微波遙感儀器的基本性能進(jìn)行真實(shí)性的評(píng)估，同時(shí)獲取被動(dòng)微波遙感儀器在軌遙感探測(cè)資料定量化應(yīng)用所必需的定標(biāo)系數(shù)，提高了星載被動(dòng)微波遙感儀器在軌定量化應(yīng)用的有益效果。
文檔編號(hào)G01D21/00GK102519513SQ20111036246
公開日2012年6月27日 申請(qǐng)日期2011年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月15日
發(fā)明者葉擎昊, 李葉飛, 楊勇, 趙其昌 申請(qǐng)人:上海衛(wèi)星工程研究所