專利名稱：一種輻射計定標方法
技術領域：
本發(fā)明涉及微波輻射計的校準方法，進一步還涉及其數據測量方法，即對輻射計 進行定標并進行目標觀測，以提高輻射計定標和觀測精度。
背景技術：
根據輻射計經典設計理論，無論何種構成形式、何種工作頻率的輻射計，其視頻輸 出電壓U0與天線口面處的目標亮溫Ta之間的關系都可用一個線性方程近似表示U。= Gs · (TA+Tffl)(1)上式中GS為輻射計的系統(tǒng)增益，Tffl為系統(tǒng)等效噪聲溫度。輻射計的實際應用是通過測量U0值來計算TA，這就要求首先確定系統(tǒng)自身特性參 數Gs和TM。而確定Gs和Tkn真實值的過程就稱為輻射計的定標。輻射計定標主要采用兩種方法。一種方法是接收機與天線分別定標，另一種方法 是整體定標。具體定標過程設計，目前國內外普遍采用冷熱源絕對定標方法讓輻射計先后 對亮溫為Th的熱輻射源和T。的冷輻射源進行觀測，相應的輻射計輸出電壓值分別為Uh和 U。。若在定標過程中Gs和Ten能夠保持恒定，則有
J^=Gs-(T^Trn)i(2) [Uc =Gs-(Tc+TRN)上述兩個線性方程聯合求解，就可以確定未知量Gs和TKN。但上述傳統(tǒng)方法存在兩方面缺陷[1]由于忽略了實際存在的非線性因素，因此采用線性方程計算的結果總是存在 誤差，不能滿足高精度的應用需求；[2]在工程實踐中，輻射計系統(tǒng)增益Gs和等效噪聲溫度Ten并非恒定不變，而是隨 著時間的推移發(fā)生波動和漂移，即定標結果并不能長期保持精確有效，因此需要人工頻繁 進行冷熱源絕對定標。而定標所用冷輻射源通常需要液氮或液氦制冷，頻繁定標使輻射計 難以滿足野外長期使用要求，這限制了輻射計的應用。美歐發(fā)達國家擁有更加先進的輻射計設計技術，采用了新的先進思路。其原理簡 述如下由于實際的輻射計接收特性并不是真正線性的，因此采用非線性方程能更精確描 述輻射計的接收特性U。= Gs · (TA+Tffl) α(3)上式中的α稱為系統(tǒng)非線性因子，具體值也需由定標過程求出。在電路設計上，輻射計系統(tǒng)硬件構成中增加一個附加噪聲源，交替工作于激發(fā)和 不激發(fā)兩種狀態(tài)。噪聲源未激發(fā)時不產生附加噪聲，即輻射計系統(tǒng)等效噪聲溫度仍為Tkn ； 而激發(fā)時變?yōu)門KN+Tnd，其中Tnd是附加噪聲源產生的附加噪聲溫度。因此對任何目標場景進 行觀測時，輻射計將交替輸出兩個電壓值，其中一個對應于噪聲源未激發(fā)態(tài)，另一個對應于 噪聲源激發(fā)態(tài)。則采用標準冷熱源定標時，將得到四個輸出電壓值，即如下非線性方程組
U2=Gs-(Tc+Tnd+Tmr⑷其中U1 U4分別為四種狀態(tài)下的輻射計輸出電壓值；而未知量除Gs和Tkn外，還 增加了兩個未知量α和Tnd，正好可由上述四方程聯合求出。α和Tnd的穩(wěn)定性遠高于Gs 以及Tkn，因此計算結果具有更高的精確度，國外稱這種方法為“四點非線性法”。利用“四點非線性法”測得的輻射計的四個參數中，系統(tǒng)增益Gs最容易波動和漂 移，系統(tǒng)等效噪聲溫度Ten的穩(wěn)定性則明顯高于Gs，而非線性因子α和附加噪聲溫度Tnd主 要取決于系統(tǒng)電氣結構設計，并能夠在相當長時期內維持恒定。因此需要有更簡潔的方法， 能夠在輻射計工作過程中實時修正系統(tǒng)增益Gs、間歇性地對系統(tǒng)等效噪聲溫度Ten進行修 正、而僅在需要修正非線性因子α和附加噪聲溫度Tnd時才進行冷熱源絕對定標，這樣就能 避免頻繁進行冷熱源絕對定標，并減少對正常觀測工作的影響。“四點非線性法”雖然提高了輻射計測量精確度，但由于系統(tǒng)增益Gs和等效噪聲溫 度Tkn的波動和漂移，在輻射計工作過程當中仍需要頻繁進行冷熱源絕對定標，這仍然不能 滿足野外作業(yè)的實際需求。

發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的技術問題是克服上述輻射計定標方法的不足，提供一種更完善實 用的輻射計定標方法，提高輻射計的定標精度和觀測精度，并能夠簡化定標過程，實現自動 定標系統(tǒng)，滿足輻射計野外長期工作的需要?；谇笆觥八狞c非線性”絕對定標法的分析，本發(fā)明進一步發(fā)展出兩種新的定標方 法，一種稱為“噪聲定標”，另一種稱為“增益定標”，并將三者結合使用。本發(fā)明采用“噪聲定標”過程只用一個標準熱噪聲源，而不需要冷噪聲源。對標準 熱源作一次觀測，類似前述“四點非線性法”，得到如下非線性方程組\RNJ(5)在方程組(5)中，α和Tnd視作已知量，其值來自于冷熱源絕對定標過程；Th是標 準熱源的亮溫杣和U2為分別在附加噪聲源工作和不工作期間，輻射計的輸出電壓值。而 將Tkn和Gs作為未知量求解。用方程組(5)可以求出輻射計等效噪聲溫度Tkn和系統(tǒng)增益Gs。本發(fā)明采用“增益定標”過程則無需任何標準輻射源參與。對任意目標場景作一 次觀測，類似得到如下非線性方程組S K A RNJ(6)在方程組(6)中，α、Tnd和Ten均為已知量(其中α和Tnd的值來自絕對定標過 程，而Tkn的值來自“噪聲定標”過程)，U1和U2分別為附加噪聲源工作和不工作期間，輻射 計的輸出電壓值；ΤΑ是輻射計天線口面處的目標亮溫。通過方程組(6)可以求出兩個未知 量GS和TA。由此也可見，“增益定標”與目標亮溫觀測工作是同步伴隨進行，無需定標源參 與，這使得輻射計實時自動定標成為可能。
4
由于上述“噪聲定標”和“增益定標”過程并未使用標準冷噪聲源，而是需要利用絕 對定標的一些數據結果，所以將“噪聲定標”和“增益定標”方法均稱為“相對”定標方法。本發(fā)明所提出新的輻射計定標方法以及計算方法，與現有方法相比具有如下優(yōu)占.
^ \\\ ·[1]采用非線性方程描述輻射計特性，與傳統(tǒng)線性方法相比，誤差更??；[2]新的定標方法不需借助標準冷源，大大降低了對操作環(huán)境的要求，方便了輻射 計野外作業(yè)，使得產品推廣應用成為可能；[3]新的定標方法以“四點非線性法”為基礎，并不需要增加新的硬件設備，因此制 造成本并未提高，但卻提供了更加實用的定標手段；[4]新的定標方法使輻射計能實現周期性自動定標，使得無人值守長期工作成為 可能。


圖1本發(fā)明定標及目標觀測所采用的周期時序圖
具體實施例方式本發(fā)明在“噪聲定標”和“增益定標”過程都不使用冷噪聲源，其初始數據來自“四 點非線性法”絕對定標結果，相對于絕對定標方法，“噪聲定標”和“增益定標”是一種相對 定標方法，在具體實施方式
上，三種定標方法并非獨立關系，而是周期性迭代實施首先按 照“四點非線性法”完成冷熱源絕對定標，獲得(或修正)輻射計系統(tǒng)的Gs、TKM、a和Tnd參 數；以此為初始數據，在輻射計正常工作期間，間歇執(zhí)行“噪聲定標”操作，修正系統(tǒng)的Ten參 數；伴隨輻射計的正常觀測活動，實時進行“增益定標”操作，實時修正系統(tǒng)的Gs參數，并同 時計算出待測目標亮溫TA。本發(fā)明使得輻射計自動高精度實時定標、長期野外無人值守工作成為可能?，F用 如下實施例進行說明定標時序實施例本發(fā)明按照圖1所示周期時序制訂輻射計定標和觀測程序首先可在人工參與下 進行冷熱源絕對定標，占用周期tl時長一般需要幾分鐘到半小時左右，在此期間不能進行 正常目標的觀測；在t2周期進行相對定標和正常目標觀測活動。對于穩(wěn)定性較好的輻射 計，t2長達半年也能維持很高的觀測精度。整個輻射計定標和觀測過程即由tl和t2周期 不斷交替循環(huán)。周期t2則進一步細分，由子周期t2a和t2b交替循環(huán)組成。其中t2a子周期進行 噪聲定標，根據輻射計具體工作情況可能需要幾毫秒至幾分鐘，在此期間不能進行正常目 標的觀測；而在t2b子周期內，增益定標與正常的目標觀測活動同時進行。對于穩(wěn)定性較好 的輻射計，t2b長達幾個小時也能維持很高的觀測精度。定標計算實施例對某臺輻射計實施定標首先按照“四點非線性法”完成冷熱源絕對定標，獲得輻 射計四項參數Gs、Ten, α和Tnd，其中非線性因子α = 0. 99、附加噪聲溫度Tnd = 150Κ作為 初始數據。而Th^PGs值由于不能長期保持穩(wěn)定，故舍棄不用。當使用亮溫為Th = 350Κ的標準熱源執(zhí)行“噪聲定標”操作時，得到輻射計輸出的兩個電壓=U1 = 2500mV,U2 = 2776mV, 將已知數據帶入前述方程組(5)，得如下方程組
i2499 = Gs-(350 + 7^)°"\sm [2776 = Gs .(350 + 150 + 7^解之得系統(tǒng)等效噪聲溫度Ten = 993K，同時可得系統(tǒng)增益Gs = 2. 0005。在某次“增益定標”(也是正常的目標觀測)過程中，得到輻射計輸出兩個電壓分 別為U1 = 2223mV, U2 = 2500mV，帶入式(6)得如下方程組
12223 = Gs-(J4 +993)°99 [2500 = Gs-(7^+150 + 993)°"解之得待測目標亮溫Ta = 200K,同時可得系統(tǒng)增益Gs = 2. 0002，可見Gs已有漂 移。結合定標時序實施例可知，輻射計進行冷熱源絕對定標、噪聲定標和增益定標為 周期性迭代運行，如此能夠使輻射計實現周期性自動定標。使得野外應用和無人值守長期 工作成為可能。
權利要求
一種輻射計定標方法，其特征是首先按照“四點非線性法”完成冷熱源絕對定標，獲得輻射計的系統(tǒng)增益GS、等效噪聲溫度TRN、系統(tǒng)非線性因子α和附加噪聲溫度Tnd參數；以此為初始數據，根據輻射計各項參數維持穩(wěn)定的能力不同，周期性執(zhí)行“相對定標”方法在輻射計正常工作期間，間歇執(zhí)行“噪聲定標”操作，修正系統(tǒng)的TRN參數；伴隨輻射計的目標觀測活動，實時進行“增益定標”操作，實時修正系統(tǒng)的GS參數，同時還獲得待測目標亮溫TA，即通過周期性參數修正獲得精確的輻射計自身參數和目標觀測數據。
2.根據權利要求1所述的輻射計定標方法，其特征是所述“噪聲定標”操作方法只對 標準熱源作一次觀測，得到如下非線性方程組，用方程組計算輻射計系統(tǒng)等效噪聲溫度Tkn 和系統(tǒng)增益Gs:U, =Gs-(Th+TknT⑴U2 = Gs-(Th+Tnd+TRNT在方程組(1)中，Tnd和α的值來自絕對定標結果，Th是標準熱源的亮溫諷和U2為分 別在附加噪聲源工作和不工作期間，輻射計的輸出電壓值。
3.根據權利要求1或2所述輻射計定標方法，其特征是在“增益定標”操作方法中，輻 射計系統(tǒng)增益Gs用如下方程組計算，同時還得到輻射計天線口面處的目標亮溫Ta \UX=GS-{TA+Tmr⑵在方程組(2)中Tnd和α的值來自于絕對定標的結果；Tkn的值來自于噪聲定標的結 果^和U2為分別在附加噪聲源工作和不工作期間，輻射計的輸出電壓值。
4.根據權利要求1所述輻射計定標方法，其特征是根據輻射計各項參數維持穩(wěn)定的 能力不同，制訂輻射計定標和目標觀測時序，由周期tl和周期t2不斷交替循環(huán)，冷熱源絕 對定標占用周期tl，在此期間不能進行正常目標的觀測；在周期t2進行相對定標和正常目 標觀測活動；其次，周期t2由子周期t2a和t2b交替循環(huán)組成，在子周期t2a進行噪聲定標， 在此期間不能進行正常目標的觀測；而在子周期t2b內，同時進行增益定標與正常的目標 觀測；所述冷熱源絕對定標、噪聲定標和增益定標交替循環(huán)，實現輻射計周期性自動定標。
全文摘要
本發(fā)明公開一種輻射計定標方法，在利用“四點非線性法”完成冷熱源絕對定標的基礎上，根據輻射計各項參數維持穩(wěn)定的能力不同，周期性執(zhí)行“噪聲定標”和“增益定標”的“相對定標”過程，獲得更加準確的輻射計特性參數和目標觀測數據。本發(fā)明不但能夠提高輻射計定標和觀測精度，而且不需要頻繁執(zhí)行冷熱源絕對定標過程，大大降低了對操作環(huán)境的要求，并使輻射計能夠完成周期性自動定標，使得野外應用和無人值守長期工作成為可能。
文檔編號G01J5/52GK101936778SQ20101024872
公開日2011年1月5日 申請日期2010年8月5日 優(yōu)先權日2010年8月5日
發(fā)明者盧建平, 吳皓, 張刊, 朱磊, 王超, 秦江 申請人:中國兵器工業(yè)第二○六研究所