【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 電阻器輸出的資用噪聲功率 nP 的表達(dá)式完全相同。天線的輸出功率與黑體的熱力學(xué)溫度是一一對(duì)應(yīng)的線性關(guān)系，而電阻器的資用噪聲功率與電阻本身的溫度呈線性關(guān)系。如果兩者輸出功率相同的話，我們可以得到這樣的 等效 :如圖 所示，如果從接收機(jī)輸入端向天線端觀察，封閉在黑體中的無(wú)耗天線可以等效為一個(gè)電阻，這個(gè)電阻與接收機(jī)相匹配，并且此電阻的溫度等于黑體的溫度 (K)。黑體表面到天線的距離可以看作是任意的，這是因?yàn)楹隗w沒(méi)有反射能量，只吸收外界輻射的全部能量。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 7 頁(yè) 共 41 頁(yè) 三種溫度的關(guān)系 亮度溫度 在波長(zhǎng)已知的條件下，黑體的亮度溫度與熱力學(xué)溫度成線性關(guān)系。實(shí)際物體的亮溫總比同樣溫度下的黑體的低，這種關(guān)系可用瑞利一金斯近似表示出來(lái)，即 : fkTfBBbb ???? 22? （ 24） 其中 bbB ，表示黑體的亮溫，帶寬 f? 很窄。記亮度為 ),( ??B ，它是方向的函數(shù)。由以上分析可知，可以用一個(gè)溫度比實(shí)際物體溫度低的黑體來(lái)代替 實(shí)際物體熱力學(xué)溫度 T，不妨設(shè)這個(gè)溫度為 ),( ??bT ，它即表示我們通常據(jù)說(shuō)的亮度溫度，簡(jiǎn)稱亮溫，即 : fTkBb ?? ),(2),( 2 ????? （ 25） 由此可見(jiàn)，亮溫幾 ),( ??bT 只是一個(gè)等效黑體的熱力學(xué)溫度，而不是物體本身的熱力學(xué)溫度 ，它只是為了描述實(shí)際物體自身的輻射特性，根據(jù)亮度相等的原理等效出來(lái)的。 視在溫度 在大氣毫米波遙感領(lǐng)域，輻射源有來(lái)自宇宙的輻射，大氣的向下輻射，大氣輻射被散射的部分等，這些輻射會(huì)形成一定的亮度分布 ),( ??B ，毫米波輻射計(jì)會(huì)接收不同輻射源的輻射功率。由于亮度 ),( ??B 與相對(duì)應(yīng)的輻射溫度是線性關(guān)系，因此我們可以用黑體的等效輻射溫度 ),( ??APT 來(lái)代替物體的亮度),( ??B , ),( ??APT 即為通常所說(shuō)的視在溫度，可以表示為 : fTkBb ?? ),(2),( 2 ????? (26) 亮度溫度 ),( ??APT 表示物體本身的熱輻射能 。視在溫度則是物體本身的熱輻射能經(jīng)過(guò)衰減和散射，再加上外來(lái)的熱輻射能之后到達(dá)天線后的熱輻射能。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 8 頁(yè) 共 41 頁(yè) 天線溫度 在實(shí)際天氣條件下在天線周圍會(huì)形成亮度分布 ),( ??ftB 則有 : ),(2),(2 ????? APft TkB ? （ 27） 用上式代換得天線功率 : ????? dFBfAP nfrA ),(),(21 4 ????? fkTA?? (28) 式 (28)和電阻輸出噪聲功率 fkTpn ?? 的表達(dá)式相一致，由此我們可以得到這 一個(gè)等效，可以用一個(gè)溫度為幾的電阻的資用噪聲功率來(lái)代替天線的輸出功率， AT 即為我們通常所說(shuō)的天線輻射溫度，簡(jiǎn)稱天線溫度。由此可見(jiàn)，天線溫度和天線輻射方向圖及視在溫度都有關(guān)系，它并不是天線自身的絕對(duì)溫度，只是天線輸出功率的一種度量。 微波鷹米波輻射計(jì) 微波 /毫米波輻射計(jì)是用來(lái)探測(cè)物體微波波段熱輻射能量的一種儀器，它實(shí)際上是一種高靈敏度的被動(dòng)接收機(jī)。自然界物體發(fā)射的微波熱輻射信號(hào)是非相干信號(hào)，并且極其微弱，因此，它不可 能像傳統(tǒng)的信噪比大于 1的接收機(jī)，其信號(hào)噪聲功率比輻射計(jì)本身噪聲功率小得多，這個(gè)特點(diǎn)決定了輻射計(jì)必須具有高靈敏度 。微波輻射計(jì)本身無(wú)發(fā)射機(jī)，不發(fā)射信號(hào)，故它是無(wú)源的，它只需要接收物體發(fā)射的微波波段的熱電磁信號(hào)，因此輻射計(jì)具有很好的隱蔽性，又由于其低成本，低功耗，體積小，因而得到了廣泛的應(yīng)用，特別是在軍事領(lǐng)域和大氣遙感領(lǐng)域 [13]。 毫米波輻射計(jì)的一般組成有天線，噪聲源，前端寬帶混頻，中頻放大，檢波，視頻大，數(shù)據(jù)采集與處理電路等模塊組成 [14]。輻射計(jì)的重要技術(shù)指標(biāo)有靈敏度和絕對(duì)精度。能夠被檢測(cè)出的最小的天線溫度 的變化量稱為輻射計(jì)的靈敏度，它是毫米波輻射計(jì)的主技術(shù)指標(biāo)。輻射計(jì)另一個(gè)重要概念 — 定標(biāo)。定標(biāo)包括接收機(jī)定標(biāo)和天線定標(biāo)。接收定標(biāo)是用來(lái)確定接收機(jī)輸出電壓，和輻射計(jì)輸入噪聲溫度之間的近似的線性關(guān) 。天線定標(biāo)是天線主波束接收到的能量和天線接收到的總能量本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 9 頁(yè) 共 41 頁(yè) 之間的關(guān)系。定標(biāo)的方比較多，最基本的是用于線性系統(tǒng)輻射計(jì)的兩點(diǎn)定標(biāo)法，還有定標(biāo)精度高的掃角定標(biāo)等。定標(biāo)的準(zhǔn)確與否決定了輻射計(jì)的絕對(duì)精度。 大氣的物理概況 在大氣層中 90km 以內(nèi)，除了水蒸氣受天氣條件和時(shí)間變化影響比較大之外，大氣的基本組成是相對(duì)穩(wěn)定的。 根據(jù)現(xiàn)在的地理學(xué)理論，大氣的主要成分是氮?dú)? 2N )和氧氣 ( 2O )，海平面上兩者分別占大氣總體積的 %和 %，標(biāo)準(zhǔn)大氣 (通常所說(shuō)的空氣 )的分子量是 ，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓強(qiáng)為 ，干燥空氣密度為 3/ mkg 。大氣中還存在著氫 ( rA )，二氧化碳 ( 2CO )，氖 ( eN )和氦 eH 等稀有氣體元素。它們加一塊所占大氣體積的比例還不到 1%。雖然它們所起的作用相對(duì)水和氧來(lái)說(shuō)差不多，但由于其含量非常小，故它們的影響可以忽略不計(jì)。因?yàn)榈厍驅(qū)θf(wàn)物的引力作用，和 氣壓 (Pa)一樣，大氣密度隨著高度變化近似呈現(xiàn)出指數(shù)變化規(guī)律。 大氣壓強(qiáng) p 和大氣密度 ?? 都可看作隨著高度的增大呈指數(shù)曲線變小。大氣絕對(duì)溫度隨著高度的變化出現(xiàn)周期性的變化，根據(jù)這種變化規(guī)律，人們把水平分層的大氣人為分成對(duì)流層、平流層、中間層和熱電離層 (高層大氣 )。 標(biāo)準(zhǔn)大氣，是能夠反映某地區(qū) (如中緯度 )垂直方向上氣溫、氣壓、濕度等近似平均分布的一種模式大氣。它能粗略地反映中緯度地區(qū)大氣多年年平均狀況，并得到一國(guó)或國(guó) 際組織承認(rèn)?，F(xiàn)在國(guó)際上通用的大氣模式是 1976 年美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)大氣。它能代表中等太陽(yáng)活動(dòng)期間，中緯度地區(qū)由地面到 1000 公里的理想靜態(tài)大氣的平均結(jié)構(gòu) [l5]。中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)總局將 1976 年美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)大氣的 30 公里以下部分選作中國(guó)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) (GB1920 一 80)，自 1980 年 5 月 1 日起實(shí)施。這樣規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，與中國(guó)中緯度 (北緯 450 )實(shí)際大氣十分接近。 如果只考慮大氣發(fā)射和吸收的要求，對(duì)于美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)大氣模型，由于在 30km高處的 大氣密度大約是 ?? ，為標(biāo)準(zhǔn)大氣密度的 %，可忽略不計(jì)，因此，只需要研究 30km 以下部分的大氣狀況。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)大氣模型和理想氣體狀態(tài)方程，可以得到溫度、大氣密度、水汽密度和氣壓分布。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 10 頁(yè) 共 41 頁(yè) 3 大氣毫米波吸收模式 大氣水蒸氣的吸收譜 水蒸氣的吸收譜是由水蒸氣分子轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)躍遷產(chǎn)生的。在其諧振頻率中，最低的是 ，接著是 一 ，如表 ，列出了水蒸氣分子最低的 10 收線模式 [16]。 100GHz 以內(nèi)的水蒸氣的吸收系數(shù) [17]： kmdBffeTTffk TOH /])( 1)300[()300(2)( 62122/64412322 ?? ????? ??? ?(31) 大氣氧氣分子的吸收譜 大氣中的氧氣分子，由于其沒(méi)有電偶極矩，因此不會(huì)產(chǎn)生電偶極躍遷。然而，它有兩個(gè)不對(duì)稱電子的自旋產(chǎn)生磁偶極矩，磁偶極的躍遷產(chǎn)生了微波吸收譜線。 氧的微波吸收譜由兩部分組成 :在 50一 7OGHz之間分布的相當(dāng)多的諧振吸收線 。 吸收譜線。在低層大氣氣壓比較高時(shí)，由于壓力展寬的作用，使50 一 7OGHz 之間的相當(dāng)多的吸收線相互疊加，進(jìn)而形成了連續(xù)的吸收帶，通常本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 11 頁(yè) 共 41 頁(yè) 稱這個(gè)吸收帶為 60GHz 吸收帶 [18]。 1945 年， van vleck 一 weisskopf 利用各譜線的吸收系數(shù)之和計(jì)算出了氧氣的吸收系數(shù)，它是求氧氣吸收系數(shù)的一般方法。接下來(lái)又經(jīng)過(guò)很多研究人員的理論研究和實(shí)驗(yàn)測(cè)量，確定了 5mm 波段氧氣帶內(nèi)諧振吸收線中心頻率及相關(guān)干擾參數(shù) [19]，如表 所示。 不同天氣條件下的大氣輻射特性 4 大氣毫米波傳播模型 MPM 簡(jiǎn)介 MPM 模型，即毫米波傳播模型是用來(lái)預(yù)測(cè) 100OGHz 以內(nèi)中性大氣功率衰 減系數(shù)和延遲效應(yīng)的復(fù)數(shù)形式折射率的寬帶模型。是由毫米波遙感領(lǐng)域的著名學(xué)者 于 1985 年提出的，幾年后他又根據(jù)理論和實(shí)驗(yàn)研究對(duì)該模型進(jìn)行修正和完善，主要用在干燥空氣，水蒸氣，懸浮液滴 (霆，霧和云 )和雨等天氣條本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 12 頁(yè) 共 41 頁(yè) 件下 [4]。由于該模型能夠?qū)Σ煌鞖鈼l件進(jìn)行更接近實(shí)際的計(jì)算和模擬，并且可行性強(qiáng)，因此多年來(lái)已被研究人員普遍接受，成為研究毫米波大氣輻射特性的重要模型。電磁波的參數(shù)決定了它更適合在中性大氣中傳播。一般來(lái)說(shuō)，這種影響是由于吸收、散射和折射作用引起的。復(fù)折射指數(shù)是一個(gè)電磁輻射和大氣媒質(zhì)的量 度，表達(dá)式為 39。 jnnn ?? 。在頻率為 f的平面波傳輸距離為 L時(shí)相位和輻度滿足 ： cfjnLeELE ?20)( ?? （ 41） 其中 0E 是初始振輻， c 是光在真空中的傳播速度，折射指數(shù) n 依賴于頻率和大氣條件而變化，它的實(shí)部比 標(biāo)準(zhǔn)值稍大 )39。( ??n ，這使其傳播速度比光速 c 略小，然而與之聯(lián)系的正的虛部 (n? )使幅度 0E 減小。 復(fù)折射率的定義公式如下 : ppmnN 610)1( ?? （ 42） MPM 模型由 44 個(gè)氧氣分子和 30 個(gè)水分子的線譜 (ITHz 以下 )、水蒸氣遠(yuǎn)翼吸收譜、干燥空氣的非諧振譜、懸浮液滴 (霆，霧或者云的環(huán)境 )及雨的折射譜組成[20]。 MPM 的輸入變量如表 所示。 由表可知，變量組 (P,T,U,W,R)的時(shí)間和空間分布決定了輻射傳輸特性。 大氣狀況是用大氣壓強(qiáng)來(lái)衡量的，滿足 : epp ?? kpa (43) 其中 p和 e分別是干燥空氣和水蒸氣的局部壓強(qiáng)。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 13 頁(yè) 共 41 頁(yè) 相對(duì)反向溫度變量和溫度的關(guān)系為 : ?? T? (44) 相對(duì)濕度 100100 ???seeU %RH （ 45） 飽和水蒸氣壓強(qiáng) )%100( RHes ,溫度和水蒸氣密度 vw 的關(guān)系為 : ) x p ( 59 ??? ???? Uew v 3??mg (46) 設(shè) p=101kPa， T=22C0 (? =)時(shí)，海平面上典型的大氣狀況在時(shí)間和空間上變化很大，如表 所示。 水滴密度的增大和減小是由相對(duì)濕度決定的 (80 一 %RH)，它滿足 : )100( ])4(20[10)(1033UC UCwUwgW A ? ?????? (47) 其中)1 00( ])4(20[)( UC UCUg ? ??? 參數(shù) C由下表 給出。 在不同氣象條件下 0w 的平均值大致在 到 ? 3?m 一之間。懸浮水汽凝結(jié)體的現(xiàn)表明云霧達(dá)到了飽和 100%RH，它是用懸 浮水滴密度砰來(lái)度量的， W本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 14 頁(yè) 共 41 頁(yè) 值可通過(guò)水滴尺寸或可見(jiàn)光 ( m? )的能見(jiàn)度 VS(km)來(lái)估計(jì) [4],水滴密度和能見(jiàn)度由下表給出 表 水滴密度和能見(jiàn)度參數(shù) 雨具有懸浮于飽和空氣中對(duì)流云的統(tǒng)計(jì)特性，它的垂直分布被 Co0 等溫線分成兩部分，而隨著季節(jié)和緯度的變化該等溫線會(huì)在地平面到 6km 的高度變化。等溫線下部分由水滴組成，上部區(qū)域是由冰粒組成。 降雨的特性和降雨率 R密切相，而降雨率 R 和以下因素有關(guān) :時(shí)間百分比 Rt ，即一年內(nèi)降雨相對(duì)時(shí)間的平均值 。有效雨點(diǎn)面積 LLR/ 。瞬時(shí)懸浮液滴密度 3??? mRgmW RR 。根據(jù)這些參數(shù)的取值，把中緯度降雨類型作如下分類 (水平距離 L=10km)，如下表所示。