3mm波段面目标辐射特性测量研究

　　面目标是指尺寸远大于测量波长的平面目标,如草地、水面、水泥跑道、大型建筑等[1].在8mm波段面目标辐射特性研究的基础上[2],本文利用中心工作频率为94 GHz的Dicke辐射计进行了大量的地物面目标辐射测量实验.

　　1　辐射计定标方法与特性指标

　　图1是微波辐射特性测试示意图,Lα(θ,H)是被测地物目标到天线的传输路径上的大气损耗因子;TB(θ,φ,p)为地物在(θ,φ)方向上p极化亮度温度;TSC(θ,φ,p)为地物在(θ,φ)方向上p极化散射温度;TUP(θ,H)是天线收到的大气向上辐射的辐射计距离地面的高度为H,采用水平分层大气模型,在(θ,φ)方向上辐射计观测到的视在温度

　　由于采用的是水平分层的大气模型,因此大气向上辐射的视在温度与方向φ无关.天线与被测目标之间的距离较小,大气向上辐射的视在温度与大气对辐射的衰减作用均可忽略.因而式(1)可简化为

式中:TSC(θ,φ,p)=Γ(θ,φ,p)TDN(θ,φ,p),Γ(θ,φ,p)为目标的反射系,TDN(θ,φ,p)为大气向下辐射的视在温度.处在TAP(θ,φ)分布中的无耗天线的温度

　　实测的电压输出数据经定标后得到的天线温度,再经反演后可得到视在温度和亮度温度分布.

　　1.1　定标方法

　　自然变温定标源是一套脱胎于哈迪原型的改进型地基小口径天线微波辐射计整体定标设备,其结构如图2所示[3].把液氮置入泡沫箱中,让液氮自然挥发,与此同时间断性地测量定标负载的物理温度Ti(i=1,2,…,N)和对应的输出电压值Vouti(i=1,2,…,N).这样,进行标定的定标负载物理温度采样点是从液氮沸点温度(77.36K)到定标负载的最高物理温度(室温)间的一系列数据值,根据分层结构辐射理论,从物理温度值计算得到定标负载的辐射亮度温度值TBi(i=1,2,…,N),进而可以得到辐射计天线接收到的天线温度值TAi(i=1,2,…,N).把这一系列数据点(TAi, Vouti)用平滑的曲线连接起来就得到定标曲线,线性度好的微波辐射计得到的应该是一条直线[4].

　　哈迪所设计的冷定标源原型,由于辐射计喇叭天线罩在致冷定标负载的上部,液氮会从聚氨脂泡沫材料上开的孔洞中挥发出来,导致喇叭天线结霜;同时液氮液面对辐射计逆向传输噪声还存在着反射作用.这些都会对定标精度有影响.改进型自然变温定标源将辐射计喇叭天线放在致冷定标负载下部,并在辐射吸收材料(RAM)与喇叭天线之间加了一层隔离层,从而避免了上述问题,提高了定标精度.

　　1.2　技术指标

　　如图3所示,接收机输入信号由狄克开关控制,一半时间接通TA,一半时间接通恒温匹配负载TREF.匹配负载可看作与黑体等效,因此TREF等于它的物理温度,由于它恒温在固定的温度,因此TREF是确定的.狄克开关的开关速率使在一个开关周期内接收机增益基本不变.通过检验TA和TREF的差值,可以尽量减小甚至消除系统增益G的变化对灵敏度的影响[5].3 mm狄克辐射计主要指标如下:工作频率94 GHz;狄克开关频率495 Hz;中放频宽2 000 MHz;系统带宽2 GHz;灵敏度0.2 K;前端噪声系数<1.5 dB;线性度0.999;混频器单边带损耗<7 dB.