K波段辐射计定标方法研究

聂军平

（北京航空航天大学，电子信息工程学院，北京，100191）

摘要：阐述了一种新的辐射计定标方法，并作了误差分析。这种定标方法是以晴空大气本身作为冷源进行定标，克服了在K波段时使用液氮定标时液氮温度不够低的缺点，提高了定标的精度，而且在使用中既经济又方便。

关键词：辐射计；定标；误差分析

K band radiometer calibration method research

Nie Junping

（School of Electronics and Information Engineering，Beijing University of Aeronautics and Astronautics，Beijing，100191，China）

Abstract：This article expounds a new radiometer calibration method，and gives some error analysis。This calibration method is based on clear sky itself as cold source，and overcome the disadvantage of temperature low enough when useing the liquid nitrogen as cold source for K band radiometer calibration。It raises the calibration precision，and in use already economy and convenient。

Key words：radiometer，calibration，error analysis

1 引言

定标是微波辐射计进行绝对测量的重要步骤之一，通过定标可确定辐射计的输出电压与输入噪声温度之间的线性关系式。由于定标精度直接影响测量精度，因此提高定标精度成为了绝对测量研究的主要课题。用于观测大气的毫米波辐射计通常用已知辐射亮温的参考负载来进行定标。通常使用的定标方法为液氮定标，然而在K波段，在晴空时天顶亮温通常低于50K，超过了使用液氮进行两点定标的线性范围，因此在该频段使用液氮定标就不精确了，对此可采用Tip定标法。Tip定标需用辐射计测量两个或两个以上不同仰角的数据，通过调整系统所需的单个定标参数值直到系统的输出符合已给出的物理关系来实现的。Tip定标是把特殊的辐射计方程和大气辐射传输理论结合起来定标的。在此所使用的微波辐射计为北航电磁工程实验室自行研制的80通道K波段微波辐射计。

2 Tip定标的基本原理

Tip定标方法基于以下原理：天空各角度方向的归一化大气不透明度相等。归一化大气不透明度的定义为：t=τ/α，其中α为大气质量因子（与测量角度θ有关），τ为大气不透明度。在定标过程中通过测量两个或两个角度以上的辐射计电压输出数据，由辐射计方程T=G（V-Vr）+Tr（其中Tr，Vr分别为热源的辐射温度与其对应的辐射计输出电压）可得各角度的大气辐射亮温Tb（θi，G），从而再由大气辐射温度Tb与大气不透明度τ的关系式：

（其中Tmr和Tbb分别为大气平均辐射温度和宇宙背景辐射亮温（Tbb=2.75K））可得各角度的归一化大气不透明度ti（θ，G），而因各角度的归一化大气不透明度ti值相等从而可求出G值。而实际上由于辐射计系统误差和测量的各种误差，得出的各ti值可能不会相等，在此只要求得使各ti值间偏差最小的G值即可。

3 定标的误差分析

在该定标中，定标误差主要包括理论假设误差和辐射计系统误差两部份。前者包括了大气平均辐射温度的不确定和大气质量因子与角度关系的不确定，后者包括了辐射计的角度转动误差，系统的随机噪声和天线结构的影响。

3.1 大气平均辐射温度的影响

大气平均辐射温度Tmr在得到大气不透明度τ与天空亮温Tb间的关系起着重要作用。通常Tmr认定为一个常数，它由气象因素决定。它的不确定波动范围的标准差如表一所示大概为15K（以下数据由北京地区往年气象资料计算得出）。而为了减小Tmr的波动范围，可按季节对其分类并采用地面空气温度来预测大气平均辐射温度的方法，其具体做法为：通过往年的气象数据计算得到每天的大气平均辐射温度Tmr值，从而找出大气平均辐射温度与地面大气温度的线性回归关系，确定其回归系数a，b，即Tmr=aT0+b，从而测得地面表层大气温度就可预测Tmr，如表2和表3所示，这种预测方法相对于认定其为一常值来说减半了Tmr值的误差。

3.2 大气质量因子与角度关系的不确定

在球形大气模型中，考虑地球曲率与大气折射的影响，大气质量因子与角度的关系为

其中α0为在水平大气模型中的质量因子（α0=1/sinθ）。各频率所对应的等效高度H值的计算也分为夏冬两季，其值如表四、表五所示。

3.3 辐射计角度转动误差、系统的随机噪声等影响

对于辐射计的角度转动指示误差，采取取双边对称角度补偿的方法可以显著的减小其影响。而对于系统随机噪声可进行多次定标采取时间平均减小其影响。

4 结论

图1和图2分别为所测的天顶亮温图与天空各频率各角度的亮温图，从图一中可以看出在22.23GHZ时的水汽峰，图二中横坐标为角度，纵坐标为频率，从图中也很好的反映出了横向亮温两边高中间低，纵向亮温两边低中间高的特点。因此在K波段采用Tip定标方法是能够满足辐射计测量需要。

参考文献

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作者简介

聂军平（1989），男，江西吉安，硕士，主要从事辐射计定标的研究，n-j-p@126.com