Research of optimizing the microwave wide band blackbody calibration target

The blackbody calibration targets applied for microwave radiometer＇s prelaunch calibration are optimized with its electromagnetic and thermal characteristics. Based on the method of emissivity optimization with radar cross section （RCS） simulation and the method of subgrid finite difference time domain （FDTD）, the following design rules are summarized： that the round wedge is better than the square one, the best ratio from height to bottom radius is 4：1, for wide band calibration, the multilayer absorbing material coating is efficient to increase the emissivity, and the gradual thickness absorbing material coating is helpful to guarantee the uniform distribution of surface temperature even as it keeps a higher emissivity. Finally following the above conclusions, a new type of blackbody calibration target with the cellular array is preferred to improve the uniformity of polarization, which will increase the performance of the calibration targets further.

星载微波辐射计热定标源计量测试技术研究

热定标源为星载微波辐射计提供高精度、高稳定的标准辐射亮温信号,用于微波辐射计在轨实时定标,在我国风云三号、海洋二号等气象与海洋观测卫星的微波探测载荷中得到广泛应用。热定标源物理温度与微波发射率的计量标定技术至关重要,直接关系到卫星探测的有效性和准确性。针对星载热定标源性能评价需求,围绕其关键的热特性和电磁特性,开展了计量测试技术研究,总结分析了物理温度测量与控制精度、温度不均匀度、温度稳定度以及微波发射率及频率范围等参数的现有测试方法与结果。同时根据我国遥感卫星定量化以及下一代气象卫星微波遥感载荷在轨定标需求,对更高性能星载热定标源的技术实现途径和发展趋势进行了分析与展望。

地基微波辐射计探测质量综合分析

利用2018年7月至2019年7月上海宝山站地基微波辐射计亮温数据和探空资料,评估微波辐射计的探测质量,并讨论定标、天线罩性能等对探测质量的影响。结果表明:晴空条件下,微波辐射计实测亮温与模拟亮温一致性高,所有通道相关系数均超过0.96,均方根误差为0.15~2.68 K,其中氧气通道的探测准确性高于水汽通道。各通道偏差主要包括随机偏差、系统性偏差和季节性偏差三类,液氮定标能明显减少大部分水汽通道的系统性偏差,但对氧气通道的影响相对较小。更换新型材质天线罩有助于明显降低降水天气各通道的亮温偏差,明显缩短受降水影响后的亮温恢复时长,效果维持4个月左右。

综合孔径微波辐射计天线单元互耦的影响及其校正

本文建立了综合孔径微波辐射计天线单元之间互耦对于综合孔径成像的影响的模型，分析了天线单元之间的互耦对于综合孔径微波辐射计分辨率的影响．给出了校正天线单元互耦作用影响的方法，在此基础上提出了一种综合孔径微波辐射计的定标方法．通过数值模拟，证明了所提出的方法的有效性．

星载微波辐射计交叉定标中陆面目标辐射亮温计算模型

从被动微波辐射计在轨辐射定标的角度出发,选取亚马逊雨林作为高温地面目标,利用DMSPF13-SSM/I数据和NCEP数据对研究区19—89GHz辐射特性进行分析。研究发现,利用辐射亮温稳定的热带雨林作为地面目标,对19—89GHz的频段,微波辐射亮温计算精度可以达到1K以内;对于6和10GHz这样的低频通道,撒哈拉沙漠是一个可供选择的地面目标,根据所建立的亮温计算模型,利用数值预报分析场NCEP数据作为输入,其亮温计算精度在2K以内。

K波段微波辐射计通道优化和定标研究

利用K波段20～30GHz探测大气水汽廓线,深入分析地基微波辐射计的关键技术与性能指标,确定通道频率和个数的优化组合,并对所选通道利用非线性定标方程外定标,确定地基微波辐射不同通道的定标曲线和系统注入噪声,分析各通道定标误差。进而,采用奇偶周期方式的大气定标法进行参数校正。试验证明:以全球定位系统(GPS)无线电探空进行性能为标准,定标后的数据反演均方差为0.52g/m3,相关系数为0.965.

三年地基微波辐射计观测温度廓线的精度分析

对安装在北京南郊观象台的地基微波辐射计测量的温度廓线数据的精度进行了分析。首先在2006年9月晴天条件下,对比由7个氧气通道测量的亮温与由微波辐射传输模式计算的亮温。得到51.250GHz的测量值与计算值的标准差值最大,为3.8K,其余通道均小于1.8K。2种亮温的偏差值以及绝对偏差值,在51.250和52.280GHz处大于1.0K,在其余5个通道处都小于1.0K。2种亮温拟合直线的斜率,在52.280和53.850GHz处分别为0.66与0.7,其余通道都大于0.8。然后,使用2005年9月—2008年8月的观测数据,对比地基微波辐射计与探空同时观测的大气温度。结果显示,2种测量技术的差异随高度而增大。另外,将3a观测数据按照季节以及晴天与非晴无降水天进行对比分析。结果显示,不同季节2种测量技术存在不同差异。其中,夏季测量差异最小。而晴天测量差异在3.250km以下比非晴无降水天小。

星载微波辐射计定标热源及其发射率测试研究

文章描述了星载微波辐射计定标源的结构与功能,介绍了应用空间反射法测试发射率的原理和方法,并对测试试验结果进行了分析讨论。

辐射传输模式对地基微波辐射计观测亮温的模拟能力分析

提供高时间分辨率大气温度湿度廓线的地基微波辐射计近年来广泛使用,多通道观测亮温的数据质量是大气廓线产品合理性的基本保障。一般定期液氮绝对定标可以更好维护亮温数据质量,但实际操作颇为不易。辐射传输模式作为一种辅助工具,可以检验和认识地基微波辐射计观测亮温的数据质量。本文针对三个辐射传输模式:MonoRTM、ARTS和MWRT,结合北京探空观测资料、北京观象台和河北香河站同类型的德国RPG地基微波辐射计观测资料,分析比较了三个模式的模拟与观测亮温差异,评估不同辐射传输模式对地基微波辐射计观测的模拟能力。地基微波辐射计14个通道观测亮温与模式模拟的差异统计比较发现:三个模式的模拟结果与地基微波辐射计大部分通道的观测亮温都很接近,与观测结果具有很好一致性(如相关系数高达0.99),而对温度通道ch8(51.26 GHz)和ch9(52.28 GHz),三个模式模拟与观测相关系数明显较低(<0.80),并且存在显著的绝对偏差(4~5 K),表明模式在这两个通道的模拟能力有待提高。三个模式中,MonoRTM模式在温度通道ch8、 ch9和ch10(53.86GHz)存在明显的系统性偏差,尤其是ch8高达5K;ARTS模式对水汽通道ch1(22.24 GHz)的模拟能力相对较弱;MWRT模拟与观测亮温在多个通道上相对更为接近和稳定,尤其系统性偏差最小。此外,探空廓线与地基观测站的空间位置不一致,对地基微波辐射计水汽通道的模拟结果影响较为显著,而对水汽不敏感的温度通道影响甚微。两地观测亮温与模式模拟的比对,初步表明北京观象台地基微波辐射水汽通道的观测质量有待改进。

微波毫米波辐射计宽带亮温定标系统研究

构建了国内首套微波毫米波辐射计宽带亮温定标系统,该系统由宽带标准黑体定标源、Dicke式标准辐射计、空间法黑体定标源发射率测量转台、高精度控温和测温装置组成。使国内具备了10 GHz^220 GHz频段辐射计校准、黑体定标源输出亮温值校准、微波亮温定标过程不确定度分析能力的实验研究平台。最后基于建立的微波辐射计定标系统亮温传递模型,给出了更为细致的随定标环境温度变化的微波亮温系统测量不确定度分析结果。

基于车载微波辐射计的地面观测试验方法

微波遥感具有全天时全天候的优点,并对云雾、雨雪和植被等有一定的穿透能力。地基微波辐射计以机动灵活的方式接收地表在微波波段的电磁辐射特性,被广泛用于土壤水分、冻融过程等微波遥感定量试验中。以车载多通道双极化微波辐射计(RPG-6CH-DP)为例,针对不同植被覆盖地表,在内蒙古多伦地区开展了为期3个月的野外观测试验,获得了L(1.4GHz)、C(6.925GHz)、X(10.65GHz)三个频率下的极化亮温观测数据。结果发现,L波段对植被的穿透能力最强,对土壤水分变化最敏感。微波辐射计观测地物的方位角、入射角均对观测亮温有直接影响。这为解译地物微波辐射传输过程及其相互作用机理、各种理论模型的发展和验证、地表参数反演算法的改进,以及相关地球观测卫星计划的载荷方案论证奠定了基础。

星载微波辐射计地面定标系统研究

论述了用于星载微波辐射计（ＳＭＲ）性能测试的地面定标系统，该系统由定标负载、定标接收机、转台、微波屏蔽暗室、微机及附件组成。利用微机对地面定标系统转台转速和ＳＭＲ一些参数（如积分时间、中放增益等）进行控制，并对测量定标数据进行实时采样、处理和显示。通过地面定标试验，能够得到ＳＭＲ的定标精度、灵敏度、接收非线性和增益不稳定度等主要定标性能参数，为ＳＭＲ的研制和应用提供了必要的理论和工程依据。

微波辐射计定标注入噪声特性分析与校正

与星载微波辐射计不同,地基微波辐射计由于没有宇宙冷空背景作为低温定标参考,通常在系统中利用内置黑体和噪声源耦合注入进行实时定标。但是,作为定标基准信号,接收机注入噪声的偏差直接影响辐射计的定标精度。本文着重介绍了一种K波段地基微波辐射计的系统结构和噪声注入非线性定标方法,并以网络散射参量为基础建立了辐射计噪声注入信号的传输模型,在对注入噪声进行理论分析的基础上使用线性补偿方法修正接收机的注入噪声值。实验结果表明,该方法能够校正接收机的注入噪声,使其偏差小于1K。

一种地基微波辐射计定标源设计与研制

微波辐射计定标技术是实现其定量化遥感应用的先决条件,针对地基微波辐射计的定标需求,设计开发了由冷定标源、常温定标源和热定标源构成的定标源组保障辐射计观测亮温度区间校准工作的顺利完成。本文介绍了辐射计定标源工作原理,给出辐射体的发射率电磁仿真和测试结果,结果表明,辐射体具有0.9999左右的发射率。介绍了定标源的控温方式、控温结构和温度试验结果,试验结果表明,该定标源组温度均匀性优于0.2K,温度稳定性优于0.023K。本装置具有高精度、高可靠性的特点,已在地基辐射计日常校准工作中得到应用。

星载微波辐射计定标热源研究

介绍了应用频率在10-90GHz波段的星载微波辐射计定标热源的结构及其功能；论述了定标热源微波吸收材料选择、吸收体结构设计、热设计及温度测控等技术与方法；给出了定标热源吸收率和温度特性测试结果。地面和在轨运行均表明，该定标热源满足星载微波辐射计设计要求。

基于CFD技术的微波定标源亮温评定方法

基于计算流体动力学仿真技术对微波定标源表面物理温度分布进行了仿真,解决了现有测温手段难以对小尺寸定标源尖劈进行高精度温度测量的问题,在此基础上建立了定标源等效输出物理温度的评定方法,并给出测温电阻埋设深度的建议值,从而有效减少测温电阻测量值与定标源等效表面物理温度值的差值,给出定标源输出亮温度不确定度小于0.5K的合理评定结果,提高了微波辐射计定标系统的精度评估水平。