星载毫米波亚毫米波辐射计定标的初步研究

　　1　引　言

　　随着星载微波辐射计的发展,其工作频段已扩展到毫米波和亚毫米波,且应用十分广泛。星载毫米波、亚毫米波辐射计在大气探测方面占有重要的位置,它可以对大气温度、大气湿度和臭氧进行探测。另外,还可以利用星载毫米波和亚毫米波辐射计接收宇宙目标的电磁辐射来进行天文观测。像搭载在Aqua航天器上的AMSU-A(Advanced Micro-wave Sounding Unit A)和HSB(Humidity Sounderfor Brazil)[1],其中AMSU-A的频率范围为23~89 GHz,主要用来探测大气的温度;HSB的频率范围为150~183 GHz,主要用来观测大气的水蒸汽。还有NASA 2004年发射的Aura[2,9]卫星,它上面装载的MLS(Microwave Limb Sounder)是继UARS(Upper Atmosphere Research Satellite)[3]MLS后将频率扩展到亚毫米波段的微波辐射计系统,工作频率由原来的118 GHz、190 GHz、240 GHz扩展到了640 GHz、2.5 THz,主要用来监测大气中臭氧的变化以及增强天气预报的可靠性。用于天文观测的星载微波辐射计有美国于1998年发射的SWAS[4](Submillimeter Wave Astronomy Satellite)卫星,它的微波辐射计的工作频段分别为487 GHz、492 GHz、548 GHz、551 GHz、557 GHz,主要用来研究星际间的化学成分和恒星的形成。而瑞典于1996年发射的Odin[5]小卫星上装载的毫米波、亚毫米波辐射计,其频率分别为119 GHz、422 GHz、488 GHz、553 GHz、575 GHz;同时满足天文和大气观测两个使命。

　　在频率较低时,利用Rayleigh-Jeans公式来计算天线接收的黑体辐射功率Pb与其物理温度T成线性关系[6]。

　　而且微波辐射计接收机采用平方律检波,接收机的输入功率与其输出电压Vout成线性关系,即:

　　因此,为了求得观测目标的辐射,星载微波辐射计一般采用高低温两点定标。高温源采用处于环境温度的黑体,低温源为冷空背景辐射。

　　但是在毫米波和亚毫米波段,由于频率较高,Rayleigh-Jeans近似的误差较大,黑体辐射功率与黑体温度的线性关系将不再成立。那么定标源辐射功率应该如何计算,不同的微波辐射计系统也有不同的表示。在AMSU-A中,高温定标源的黑体辐射仍用黑体的绝对温度来表示,而冷空背景辐射用所谓的热力学亮度温度Tbc来表示[1]。

　　其中:h =6.63×10-34J,为普朗克常数;κ=1.38×10-23J·K-1,为波尔兹曼常数;f为频率,单位为Hz。Tc为冷空的绝对温度。在Aura MLS和UARS MLS中,则是利用谱功率密度Pv来表示黑体的辐射[2,3]。本文在上述文献的基础上,从Planck定律出发,在毫米波和亚毫米波段,推导了微波辐射计的定标方程以及黑体的辐射功率的表达式。

　　2　毫米波亚毫米波辐射计定标方程

　　在毫米波、亚毫米波段,由于频率较高,Ray-leigh-Jeans近似公式与Planck表示式会有偏差。以300 K室温下的黑体为例,当频率f在100~1 000 GHz时,Rayleigh-Jeans近似公式与Planck表示式的相对偏差δ如表1所示。