PartII微波輻射計(jì)基本原理ppt課件

1、, Dept. of Atmos. Sounding, Nanjing Univ. of Info. Sci.& Tech. (NUIST)第二講 地基微波輻射計(jì)的基本原理, Dept. of Atmos. Sounding, Nanjing Univ. of Info. Sci.& Tech. (NUIST)p基本概念基本概念p天線溫度天線溫度p微波輻射計(jì)工作原理微波輻射計(jì)工作原理 , Dept. of Atmos. Sounding, Nanjing Univ. of Info. Sci.& Tech. (NUIST)輻亮度與天線rrttBAPtrttBAPI在 內(nèi)

2、的發(fā)射功率為 定義輻射強(qiáng)度 接收面元： 輻亮度B (Radiance)：?jiǎn)挝惠椛湓幢砻娣e、單位時(shí)間、向單位立體角所輻射的能量，單位為 Wm-2sr-1 , Dept. of Atmos. Sounding, Nanjing Univ. of Info. Sci.& Tech. (NUIST)接收面元：設(shè)想在距離R處，有一接收面，如下圖左半，剛好卡在內(nèi)2RArr2RArr或, Dept. of Atmos. Sounding, Nanjing Univ. of Info. Sci.& Tech. (NUIST)接收面所接收到的功率 ttrrPBAP 2trrttrrtBA APP

3、BABAR , Dept. of Atmos. Sounding, Nanjing Univ. of Info. Sci.& Tech. (NUIST)天線接收功率的計(jì)算 trdABFP,4r天線接收到的功率為：,F 為天線的方向性函數(shù), Dept. of Atmos. Sounding, Nanjing Univ. of Info. Sci.& Tech. (NUIST)天線的頻率響應(yīng)：頻響函數(shù) f0maxff 定義帶寬 ：f max21 f 時(shí)的頻率范圍 ，稱為帶寬，也叫半功率帶寬。天線接收到的功率為： 00/2r/24,fffrffPfBFA ddf dfdAFBfPrf

4、fff,004r或者, Dept. of Atmos. Sounding, Nanjing Univ. of Info. Sci.& Tech. (NUIST)天線溫度與氣象信號(hào), Dept. of Atmos. Sounding, Nanjing Univ. of Info. Sci.& Tech. (NUIST)天線溫度nPkT fePkTfeT在電子線路中，溫度為T的電阻, 產(chǎn)生輸入到系統(tǒng)的熱噪聲功率為 。天線輸出其后端接收機(jī)的功率 , 相當(dāng)于一個(gè)溫度為Te的電阻所產(chǎn)生的熱噪聲功率。所以，Te就稱為“天線溫度”。 nPkT fePkT, Dept. of Atmos. S

5、ounding, Nanjing Univ. of Info. Sci.& Tech. (NUIST) 天線溫度：天線溫度不是天線自身的物理溫度，而是代表外來(lái)能量。 44( , ) ( , )( , )BATFdTFd , Dept. of Atmos. Sounding, Nanjing Univ. of Info. Sci.& Tech. (NUIST)輻射計(jì)系統(tǒng)： 天線傳輸線接收機(jī) p 天線：物理溫度，有損耗即“有吸收就有熱輻射”，功率透射系數(shù)。p 天線端口輸出功率： fkTPPPllAout)1 ()(AkTfPlAlATTT)1 (其中，, Dept. of Atmo

6、s. Sounding, Nanjing Univ. of Info. Sci.& Tech. (NUIST)p傳輸線：物理溫度通常也是 ，信號(hào)損耗因子 1。理想傳輸線L=1;p接收機(jī)：p 現(xiàn)實(shí)接收機(jī)無(wú)噪聲接收機(jī)等效熱噪聲源poutinPPL pT, Dept. of Atmos. Sounding, Nanjing Univ. of Info. Sci.& Tech. (NUIST)稱 為系統(tǒng)噪聲功率，相當(dāng)于在傳輸線的輸入端口就是天線的輸出端口輸入的總功率。 記接收機(jī)等效熱噪聲溫度Tr, 則在接收機(jī)輸入端口處的功率可表示為：fkTfkTLPLPrPAout)11 (1)(fk

7、TLsys1rPlAlsysLTTLTT)(其中，稱sysT為系統(tǒng)噪聲溫度f(wàn)kTP, Dept. of Atmos. Sounding, Nanjing Univ. of Info. Sci.& Tech. (NUIST)Typical Antenna Power Patterns , Dept. of Atmos. Sounding, Nanjing Univ. of Info. Sci.& Tech. (NUIST), Dept. of Atmos. Sounding, Nanjing Univ. of Info. Sci.& Tech. (NUIST)主瓣內(nèi)， 與

8、方向無(wú)關(guān)，可用 表示。（0，0為天線指向。由天線溫度表達(dá)式可知， 天線方向性函數(shù)內(nèi)不在內(nèi)在很小的主瓣立體角當(dāng)MMF0,1),(),(BT),(00BTdTTMBMA),(1),(00BT即，天線溫度 成為從天線所指方向射入天線的亮溫度 。 這就是我們所要的信息，代表（0，0方向上被測(cè)目標(biāo)物的輻射狀態(tài)如物理溫度，輻射物質(zhì)含量等）。 ATBT, Dept. of Atmos. Sounding, Nanjing Univ. of Info. Sci.& Tech. (NUIST)地基微波輻射計(jì)的基本原理, Dept. of Atmos. Sounding, Nanjing Univ. of

9、 Info. Sci.& Tech. (NUIST)p微波輻射計(jì)被動(dòng)地測(cè)量目標(biāo)物在某個(gè)頻率附近發(fā)射的熱輻射功率 。大氣物理學(xué)院大氣探測(cè)系大氣物理學(xué)院大氣探測(cè)系地基微波輻射計(jì)系統(tǒng)框圖接收機(jī), Dept. of Atmos. Sounding, Nanjing Univ. of Info. Sci.& Tech. (NUIST)輻射計(jì)本振頻率 ，中頻為 ，因此進(jìn)入天線可以被測(cè)量的微波頻率可以是 p微波輻射計(jì)的工作頻率0f10fffIIfff01Ifff01，或是單信道接收機(jī)：射頻單元天線到射放只工作在 或雙信道接收機(jī)：射頻單元需同時(shí)工作在這樣，接收功率大但對(duì)射放要求高1f2f12&

10、amp;, Dept. of Atmos. Sounding, Nanjing Univ. of Info. Sci.& Tech. (NUIST) 具有隨機(jī)熱噪聲的性質(zhì)，要測(cè)量它在一定時(shí)間內(nèi)的積分，才能取出穩(wěn)定的振幅，作為“信號(hào)功率，使得 p系統(tǒng)的增益BT稱之為輻射計(jì)系統(tǒng)的增益。 sGsyssoutTGVp系統(tǒng)的靈敏度BTTsyssys為輻射計(jì)系統(tǒng)的帶寬， 為積分時(shí)間。 B, Dept. of Atmos. Sounding, Nanjing Univ. of Info. Sci.& Tech. (NUIST)全功率輻射計(jì)與Dicke輻射計(jì) 1)全功率: 天線連續(xù)接收外來(lái)熱輻

11、射(不是脈沖式的)。問(wèn)題: 系統(tǒng)增益 若不穩(wěn)定，則破壞了 與 的確定關(guān)系。sGoutVsysT, Dept. of Atmos. Sounding, Nanjing Univ. of Info. Sci.& Tech. (NUIST)2)Dicke輻射計(jì): 脈沖式的接收外來(lái)輻射。 全功率輻射計(jì)與Dicke輻射計(jì) Dicke開(kāi)關(guān)交替地接通1、2兩端，在已知參考負(fù)載溫度TR的情況下，利用兩個(gè)輸出VOA和VOB來(lái)（1解決增益不穩(wěn)定性的影響。VOA=kGsTA，VOB=kGsTR，假設(shè)在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)穩(wěn)定，那么TA = TR* VOA /VOB，則與增益是否穩(wěn)定無(wú)關(guān)?。?解決接收機(jī)內(nèi)部噪聲Tr

12、和增益不穩(wěn)定性的影響。 VOA=kGs (TA+Tr) VOB=kGs (TR+Tr) 假設(shè)在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)穩(wěn)定，那么 兩信號(hào)之差D= k(TA-TR) 與噪聲 Tr無(wú)關(guān)，可以從中獲得被測(cè)TA。若能調(diào)整TR的值，使得兩信號(hào)之差D=0，則得TA =TR ，則與增益是否穩(wěn)定無(wú)關(guān)！稱此為平衡式Dicke輻射計(jì)。與增益是否穩(wěn)定有關(guān)!, Dept. of Atmos. Sounding, Nanjing Univ. of Info. Sci.& Tech. (NUIST)輻射計(jì)的定標(biāo) 輻射計(jì)接收機(jī)所得功率(或 )與 （即 ）成線性關(guān)系： sysPATBTBPaTb其中系數(shù)a、b為與輻射計(jì)系統(tǒng)性能

13、和環(huán)境溫度有關(guān)的系數(shù)?？赏ㄟ^(guò)輻射計(jì)系統(tǒng)定標(biāo)來(lái)確定。, Dept. of Atmos. Sounding, Nanjing Univ. of Info. Sci.& Tech. (NUIST) （1實(shí)驗(yàn)室方法高低溫負(fù)載法: 把天線或其傳輸線輸入口放在恒溫槽內(nèi)，那么，觀測(cè)P隨T的變化，可得 的關(guān)系。 （2晴空外場(chǎng)法自然定標(biāo)法: 把天線放在外場(chǎng),取晴朗夜晚、靜風(fēng)，施放探空儀得(Z)、( Z)。由輻射傳輸方程后面介紹可計(jì)算出在不同仰角時(shí)的值。改變天線仰角可得相應(yīng)的讀數(shù),計(jì)算回歸系數(shù),即可得 。baTPBbaTPB, Dept. of Atmos. Sounding, Nanjing Univ.

14、 of Info. Sci.& Tech. (NUIST) Measure output voltages V1 and V2 from two blackbody targets at temperatures T1 and T2112212121212)(TGVTGVOTTVVGTTGVV, Dept. of Atmos. Sounding, Nanjing Univ. of Info. Sci.& Tech. (NUIST)Cautions: Need high emissivity target (low reflectivity) Uniform temperatur

15、e throughout target Area large enough to cover more than main , Dept. of Atmos. Sounding, Nanjing Univ. of Info. Sci.& Tech. (NUIST), Dept. of Atmos. Sounding, Nanjing Univ. of Info. Sci.& Tech. (NUIST)LN2 TARGET PLACED ON RADIOMETRICSMWR ON ARM SGP FIELD SITE, Dept. of Atmos. Sounding, Nanj

16、ing Univ. of Info. Sci.& Tech. (NUIST)LN2 TARGET PLACED ON RADIOMETRICSMWR ON ARM TWP NAURU FIELD SITE, Dept. of Atmos. Sounding, Nanjing Univ. of Info. Sci.& Tech. (NUIST)Liquid Nitrogen calibration of microwave radiometersRadiosonde Humidity Soundings and Microwave Radiometers during Nauru99, E. Westwater, B. Stankov, D. Cimini, Y. Han, J. Shaw, B. Lesht and C. Long, JAOT, , Dept. of Atmos. Sounding, Nanjing Univ. of Info. Sci.& Tech. (NUIST)Radiometrics Microwave Radiometer)()(refskyrefndrefndrefbVVVVTTTvRadiomet