Part II_微波辐射计基本原理

天线的频率响应：频响函数
定义带宽 f ：
f
f
称为带宽，也叫半功率带宽。 天线接收到的功率为：
f 0 f /2
1 max 2
时的频率范围 ，
Pr
f 0 f /2

f
f 0 f
B f , F , Ar d df
4
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
Ar r R
2
或
r
Ar
R2
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接收面所接收到的功率
f0
天线温度与气象信号
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天线温度 Te
Pn kT f
P kTe f
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 Pn kT f 。天线输出其后端接收机的功率 P kTe f , 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”。
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• 天线方向性函数
1 F ( , ) 0 , 当在很小的主瓣立体角 M内
不在 M内
主瓣内，TB ( , ) 与方向无关，可用 TB ( 0 , 0 ) 表示。
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。
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• （1）实验室方法\高低温负载法: 把天线（或其
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辐射计的定标
• 辐射计接收机所得功率Ｐ(或 Psys )与 T（即 TB ） A 成线性关系：
P aTB b
第二讲 地基微波辐射计的基本原理
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Hale Waihona Puke Baidu
基本概念 天线温度 微波辐射计工作原理
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max f f 0
或者 Pr

f B f , F , Ar ddf
4
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（0，0）为天线指向。由天线温度表达式可知，
1 TA M
M
T ( , )d TB ( 0 , 0 )
B
即，天线温度 T A 成为从天线所指方向射入天线的亮温度 TB 。 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）。
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系统的增益
TB 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
Vout Gs Tsys
天线接收到的功率为：
Pr F , B , Ar dt
4
F , 为天线的方向性函数
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Pt BAt r Pr
BAt Ar Pr Pt BAt r BArt 2 R
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天线接收功率的计算
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 。
接收机
地基微波辐射计系统框图
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大气物理学院大气探测系
微波辐射计的工作频率
V2 V1 G (T2 T1 ) V2 V1 G T2 T1 O V2 GT2 V1 G T1
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• 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。
TA
4
T
B
( , ) F ( , )d
辐亮度与天线
• 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 .
在 r内的发射功率为
P BAt r t
定义辐射强度 Pt It BAt r
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Gs 称之为辐射计系统的增益。
系统的灵敏度
Tsys
Tsys B
B 为辐射计系统的带宽，
为积分时间。
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全功率辐射计与Dicke辐射计
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地基微波辐射计的基本原理
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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 G s若不稳定，则破坏了Vout 与 Tsys 的确定关系。
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• Measure output voltages V1 and V2 from two blackbody targets at temperatures T1 and T2
' (A Pout ) l P (1 l )k TP f kTAf
其中， A' lTA (1 l )TP T
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辐射计本振频率
f0
，中频为 f I f 0 f1 ，因此进入天线
可以被测量的微波频率可以是 f1 f 0 f I ，或是 f1 f 0 f I
单信道接收机：
射频单元（天线到射放）只工作在 f 1 或 f 2 双信道接收机：
射频单元需同时工作在 f1 & f 2 这样，接收功率大但对射放要求高
全功率辐射计与Dicke辐射计
2)Dicke辐射计:
脉冲式的接收外来辐射。
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， （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) 利用两个输出VOA和VOB来 VOB=kGs (TR+Tr) （1）解决增益不稳定性的影响。 假设在一个开关周期内稳定，则 两信号之差 VOA=kGsTA， VOB=kGsTR， 与增益是否稳定有关! D= k(TA-TR) 假设在一个开关周期内稳定，则 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* VOA /VOB， TA =TR ，则与增益是否稳定无关！ 则与增益是否稳定无关！ 称此为平衡式Dicke辐射计。
传输线：物理温度通常也是 T p ，信号损耗
Pin 因子L Pout
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
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4
F ( , )d
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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：
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Typical Antenna Power Patterns
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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：
P 1 ( A) 1 1 Pout (1 )kTP f kTr f kTsys f L L L
其中， 称
Tsys l TA ( L l )TP LTr
Tsys 为系统噪声温度
称 Psys k Tsys f 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。
传输线输入口）放在恒温槽内，则，观测P随T的
变化，可得 P aTB b 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 P aTB b 。