專利名稱：一種使用三定標(biāo)源的星載被動微波遙感儀器地面真空定標(biāo)試驗方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種衛(wèi)星被動微波遙感儀器地面試驗，尤其是涉及一種使用三定標(biāo)源的星載被動微波遙感儀器地面真空定標(biāo)試驗裝置和試驗方法。
背景技術(shù)：
風(fēng)云三號衛(wèi)星是我國新一代極軌氣象衛(wèi)星，星上裝載了微波溫度計、微波濕度計和微波成像儀等三個被動微波遙感儀器(亦可統(tǒng)稱為微波輻射計)。微波輻射計是一種被動式微波遙感儀器，通過接收被測物體輻射的微波能量來探測目標(biāo)特性，物體輻射的微波能量與物體的亮溫度(簡稱亮溫)之間的關(guān)系可由輻射定律完全確定，通過對物體亮溫的測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)方法確定被測物體輻射亮溫值與輻射計輸出電壓值之間的關(guān)系。
上述微波輻射計的探測目的主要是為了定量反演大氣、陸地和海洋環(huán)境參數(shù)，如果輻射觀測誤差過大，不僅會使反演產(chǎn)品毫無意義，有時還會由于觀測誤差的引入對某些定量應(yīng)用，特別是數(shù)值模式應(yīng)用產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，為保證微波輻射計的輻射觀測精度， 必須具備必要的定標(biāo)手段和足夠的定標(biāo)精度，定標(biāo)精度將對微波輻射計的應(yīng)用產(chǎn)生決定性的影響。
被動微波遙感儀器定標(biāo)一般分三個階段，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)補充的替代定標(biāo)。地面定標(biāo)通常又可分為實驗室定標(biāo)和真空定標(biāo)。
在軌定標(biāo)作為衛(wèi)星被動微波遙感儀器的主要定標(biāo)手段，決定了被動微波遙感儀器遙感信息定量應(yīng)用的精度。而在軌實時定標(biāo)結(jié)果的優(yōu)劣強烈依賴于發(fā)射前地面定標(biāo)所給出的關(guān)于被動微波遙感儀器基本性能狀況的測試結(jié)果。
由于微波遙感儀器制造水平的制約以及對微波遙感科學(xué)認(rèn)識的局限，早期的空間微波載荷對定標(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)測試，這種定標(biāo)測試的目的有兩個，一是通過定標(biāo)測試對遙感儀器的基本性能進(jìn)行評估；二是通過地面定標(biāo)測試，獲取在軌遙感探測資料定量化應(yīng)用所必需的定標(biāo)系數(shù)。
要想真實的了解被動微波遙感儀器在軌運行時的響應(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，原因主要有三個首先，對試驗中定標(biāo)黑體參數(shù)的測量是影響被動微波遙感儀器定標(biāo)精度的重要因素，黑體溫度的均勻性決定著黑體溫度測量精度， 當(dāng)有空氣存在時，黑體與環(huán)境溫度之間巨大的溫差會造成強烈的熱對流，對流的存在會破壞黑體溫度的均勻性，從而導(dǎo)致無法準(zhǔn)確計算黑體溫度。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對定標(biāo)測試產(chǎn)生一定的影響。
基于以上原因，風(fēng)云三號衛(wèi)星上的微波輻射計在國內(nèi)首次進(jìn)行了模擬在軌運行環(huán)境下的地面定標(biāo)試驗，即地面真空定標(biāo)試驗，以對被動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)行測試，同時獲取了在軌遙感探測資料定量化應(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。
目前，國際上僅有英國、美國、俄羅斯等國家開展了微波定標(biāo)相關(guān)研究工作，歐盟、 美國等機構(gòu)發(fā)射的多種被動微波遙感儀器非常重視定標(biāo)工作。20年來美國國防計劃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)實驗；日本與美國合作研發(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，在AMSR-E送抵美國洛山磯后，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；美國多年來相繼發(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，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定標(biāo)工作重要性的討論和對定標(biāo)數(shù)據(jù)的算法研究上，對于如何系統(tǒng)的做地面真空定標(biāo)試驗以及有哪些技術(shù)瓶頸等的報道非常少。
在風(fēng)云三號衛(wèi)星微波輻射計地面真空定標(biāo)試驗之前，我國尚未進(jìn)行地面真空微波定標(biāo)試驗。發(fā)明內(nèi)容
為了滿足我國新一代極軌氣象衛(wèi)星風(fēng)云三號衛(wèi)星三臺被動微波遙感儀器高精度、 高靈敏度、高線性度、高穩(wěn)定性的氣象探測要求，尋找一種切實可行的滿足我國國情及科學(xué)技術(shù)水平的地面真空微波定標(biāo)試驗方法，解決三臺被動微波遙感儀器在軌的定量化探測的需求，本發(fā)明的目的在于提供一種星載被動微波遙感儀器地面真空定標(biāo)試驗方法。
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)源的星載被動微波遙感儀器地面真空定標(biāo)試驗裝置，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，從而模擬星載被動微波遙感儀器在軌運行的真空、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)源中分布有多個高精度的測溫點，對輻射體的物理溫度進(jìn)行準(zhǔn)確測量；冷定標(biāo)源的液體管路通過液氮管實現(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)源黑體中放置多個溫度傳感器以精確測量黑體的溫度分布。
進(jìn)一步地，提供一種星載被動微波遙感儀器地面真空定標(biāo)試驗方法
步驟1、被動微波遙感儀器在一個掃描周期內(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)源的觀測數(shù)據(jù)；
步驟2、通過兩點定標(biāo)方法計算出目標(biāo)變溫定標(biāo)源的亮溫，將計算出的亮溫值與已知的亮溫值進(jìn)行對比，獲取輻射定標(biāo)曲線；
步驟3、采取溫控措施控制被動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、通過兩點定標(biāo)方法計算出目標(biāo)定標(biāo)源的亮溫，將計算出的亮溫值與已知的亮溫值進(jìn)行對比，獲取輻射定標(biāo)曲線；
步驟5、通過對試驗數(shù)據(jù)的分析，獲取被動微波遙感儀器不同溫度條件下工作時的基本性能參數(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)源周期兩點定標(biāo)試驗方法，通過采取溫控措施控制被動微波遙感儀器設(shè)定在不同的工作溫度下工作，獲得不同環(huán)境溫度下被動微波遙感儀器的輸入輸出響應(yīng)曲線。通過對試驗數(shù)據(jù)的分析，獲取被動微波遙感儀器不同溫度條件下工作時的基本性能參數(shù)和定標(biāo)精度。從而，實現(xiàn)了星載被動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，解決了我國星載被動微波遙感儀器地面真空定標(biāo)試驗的技術(shù)難點，該試驗方法定標(biāo)精度高(優(yōu)于Ik)，對被動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)行真實性的評估，同時獲取被動微波遙感儀器在軌遙感探測資料定量化應(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)試驗方法能適應(yīng)不同星載被動微波遙感儀器地面真空定標(biāo)試驗的需求，提高星載被動微波遙感儀器在軌的定量化應(yīng)用。


圖1星載被動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。
具體實施方式
下面結(jié)合

本發(fā)明的優(yōu)選實施例。
星載被動微波遙感儀器地面真空定標(biāo)試驗方法是以普朗克輻射定律為基礎(chǔ)，利用 Rayleigh-Jeans近似公式，可以得出被動微波遙感儀器輸出電壓與被觀測場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)場景，Cout為接收機對應(yīng)的輸出電壓計數(shù)值，a、b為定標(biāo)系數(shù)。根據(jù)兩點確定一條直線的原理，輻射計在每個定標(biāo)周期分別對低溫(冷)定標(biāo)源Tkm和高溫 (熱)定標(biāo)源Titc進(jìn)行觀測，根據(jù)其輸出計數(shù)值Crou)、Chot就可以確定被動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)源的星載被動微波遙感儀器地面真空定標(biāo)試驗裝置，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，從而模擬星載被動微波遙感儀器在軌運行的真空、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)源中分布有多個高精度的測溫點，對輻射體的物理溫度進(jìn)行準(zhǔn)確測量； 冷定標(biāo)源的液體管路通過液氮管(9)實現(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)源黑體中放置多個溫度傳感器以精確測量黑體的溫度分布。
2.一種使用三定標(biāo)源的星載被動微波遙感儀器地面真空定標(biāo)試驗方法，其特征在于 步驟1、被動微波遙感儀器( 在一個掃描周期內(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的觀測數(shù)據(jù)；步驟2、通過兩點定標(biāo)方法計算出目標(biāo)變溫定標(biāo)源的亮溫，將計算出的亮溫值與已知的亮溫值進(jìn)行對比，獲取輻射定標(biāo)曲線；步驟3、采取溫控措施控制被動微波遙感儀器( 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、通過兩點定標(biāo)方法計算出目標(biāo)定標(biāo)源的亮溫，將計算出的亮溫值與已知的亮溫值進(jìn)行對比，獲取輻射定標(biāo)曲線；步驟5、通過對試驗數(shù)據(jù)的分析，獲取被動微波遙感儀器不同溫度條件下工作時的基本性能參數(shù)和定標(biāo)精度。
全文摘要
本發(fā)明采用三定標(biāo)源周期兩點定標(biāo)試驗方法，通過采取溫控措施控制被動微波遙感儀器設(shè)定在不同的工作溫度下工作，獲得不同環(huán)境溫度下被動微波遙感儀器的輸入輸出響應(yīng)曲線。通過對試驗數(shù)據(jù)的分析，獲取被動微波遙感儀器不同溫度條件下工作時的基本性能參數(shù)和定標(biāo)精度。從而，實現(xiàn)了星載被動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，解決了我國星載被動微波遙感儀器地面真空定標(biāo)試驗的技術(shù)難點，該試驗方法定標(biāo)精度高(優(yōu)于1k)，對被動微波遙感儀器的基本性能進(jìn)行真實性的評估，同時獲取被動微波遙感儀器在軌遙感探測資料定量化應(yīng)用所必需的定標(biāo)系數(shù)，提高了星載被動微波遙感儀器在軌定量化應(yīng)用的有益效果。
文檔編號G01D21/00GK102519513SQ20111036246
公開日2012年6月27日 申請日期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 申請人:上海衛(wèi)星工程研究所