星载微波辐射计热定标源计量测试技术研究_高青松.pdf

星载微波辐射计热定标源计量测试技术研究高青松，李得天*，陶院，景春妍，杨雷，马动涛，闫春杰，张虎忠（兰州空间技术物理研究所 真空技术与物理重点实验室，兰州730000）摘要：热定标源为星载微波辐射计提供高精度、高稳定的标准辐射亮温信号，用于微波辐射计在轨实时定标，在我国风云三号、海洋二号等气象与海洋观测卫星的微波探测载荷中得到广泛应用。热定标源物理温度与微波发射率的计量标定技术至关重要，直接关系到卫星探测的有效性和准确性。针对星载热定标源性能评价需求，围绕其关键的热特性和电磁特性，开展了计量测试技术研究，总结分析了物理温度测量与控制精度、温度不均匀度、温度稳定度以及微波发射率及频率范围等参数的现有测试方法与结果。同时根据我国遥感卫星定量化以及下一代气象卫星微波遥感载荷在轨定标需求，对更高性能星载热定标源的技术实现途径和发展趋势进行了分析与展望。关键词：遥感卫星；微波辐射计；热定标源；辐射定标；温度计量；微波发射率中图分类号：TB771文献标志码：A文章编号：1006-7086（2023）02-0103-08DOI：10.3969/j.issn.1006-7086.2023.02.001The Study of Metrology and Measurement Technology of Spaceborne MicrowaveRadiometer Hot Calibration TargetGAO Qingsong，LI Detian*，TAO Yuan，JING Chunyan，YANG Lei，MA Dongtao，YAN Chunjie，ZHANG Huzhong（Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Institute of Physics，Lanzhou730000）Abstract：The hot calibration target provides the standard radiation brightness temperature signal with high accuracyand stability for spaceborne microwave radiometer.It can be used for the real-time calibration of the microwave radiometeron-orbit，and widely applied in the microwave detection payloads of meteorological and ocean observation satellite，suchas FY-3 and HY-2.Therefore，the calibration technologies of physical temperature and microwave emissivity for hot calibration target is important，which is directly related to the validity and accuracy of satellite detection data.Focusing on theperformance evaluation requirements of hot calibration target，the measurement technologies of the thermal and electromagnetic characteristics were studied.The paper summarized and analyzed the current test methods and results of the keyparameters，mainly including the measurement and control precision of physical temperature，temperature non-uniformityand stability，microwave emissivity and frequency range，etc.The technical realization ways and development trends of thehot calibration target with better performance were analyzed and forecasted，according to the requirements of China s remote sensing satellite quantification，and the on-orbit calibration of microwave remote sensing payloads of next generationmeteorological satellite.Key words：remote sensing satellite；microwave radiometer；hot calibration target；radiometric calibration；temperaturemeasurement；microwave emissivity0引言精确的辐射定标是星载微波辐射计遥感数据定量应用的基础，其定标校准技术曾被列为风云三号气象卫星迫切需要解决的11项关键技术之一1。微收稿日期：2022-12-20基金项目：甘肃省科技重大专项计划项目（22ZD6GA011）作者简介：高青松，高级工程师，主要从事星载微波辐射计热定标源技术、空间电子测量技术研究。E-mail：gqs_通信作者：李得天，中国工程院院士，博士生导师，主要从事真空测试计量技术及仪器研究。E-mail：引文信息：高青松，李得天，陶院，等.星载微波辐射计热定标源计量测试技术研究J.真空与低温，2023，29（2）：103-110.GAO Q S，LI D T，Tao Y，et al.The study of metrology and measurement technology of spaceborne microwave radiometer hotcalibration targetJ.Vacuum and Cryogenics，2023，29（2）：103-110.真空与低温Vacuum and Cryogenics第29卷第2期2023年3月103波辐射计是一种被动式微波遥感设备，通过接收被观测场景辐射的微波能量来探测目标特性2。星上定标采用两点式周期性定标方式，定标高温源采用研制的热定标源黑体，低温源采用宇宙空间背景辐射（2.7 K），经过地面定标、星上定标及后续数据处理修正，建立仪器测量值与被测量微波辐射信号间的定量关系，从而反演出各个观测视场的天线温度3。目前国际上尚未建立微波辐射计亮温度传递标准以及微波黑体发射率的统一计量标准。作为天基亮温参考标准，热定标源的辐射亮温是无法通过标准仪器直接准确测量的，不同的测试标准和装置也会影响其客观评价。星载微波辐射计热定标源的性能提升和精确计量测试，对提高亮温准确度以及微波探测载荷在轨定标精度都具有重要的促进作用和现实意义。热定标源由微波黑体辐射源体和温度测量控制器两部分组成。温度测量控制器对黑体辐射源物理温度进行高精度测量与恒温控制，再通过星上串行总线传输和使用这些测量数据4。在合理的设计与加工前提下，需要有效的计量测试方法客观评价热定标源的性能，包括热特性和电磁特性。其中，热特性包括物理温度测量精度、辐射面温度不均匀度、辐射面温度稳定度；电磁特性包括微波发射率和频率范围。本文对星载微波辐射计热定标源特性的计量测试技术进行研究，分析总结现有测试技术与方法的现状和改进方向，展望未来的技术发展趋势。1热定标源原理与组成热定标源辐射吸收体为周期性阵列四面体角锥结构形式，表面涂覆高衰减损耗的微波吸收材料，在吸收体结构和吸波材料的共同作用下，实现微波在锥体之间的多次反射和吸收，从而达到高发射率要求5。根据基尔霍夫热辐射定律，在热平衡状态下，物体吸收的能量与发射的能量相等，要使辐射源物理温度等于其亮温度，就要求微波发射率接近于16，其原理如式（1）所示：TB=Te（1）式中：TB为辐射源体亮温度，K；T为辐射源体物理温度，K；e为微波发射率。热定标源辐射源体由支撑结构、辐射体、测温组件及热控单元构成，温度测量控制器由温度采集单元、数据处理单元、控温单元及二次电源单元构成，如图1所示。图1热定标源组成示意图Fig.1Structure diagram of hot calibration target要准确获得热定标源特性，首先须对辐射源物理温度和微波发射率进行高精度的测量，而物理温度是通过温度测量控制器测得的，因此须测量温度测量控制器的测温精度与测温范围。热定标源辐射源较小的温度不均匀度和良好的温度稳定度不仅取决于辐射源自身的热控设计，温度测量控制器高精度的温度控制性能也是重要的影响因素，由这些性能指标共同决定热定标源的亮温不确定性。我国风云三号卫星微波成像仪定标精度由热定标源不确定性、冷定标源不确定性、热反射镜背瓣影响不确定性、仪器灵敏度和非线性偏差组成7。因此，热定标源的计量测试技术直接关系到微波辐射计的定标精度。2物理温度测试2.1测温精度及测温范围热定标源整机温度标定包括测温传感器标定和温度测量控制器标定两部分。测温传感器委托国家二级及以上法定计量机构标定。温度测量控制器的标定包括V-T（电压-温度）标定和环境温度真空与低温第 29 卷第 2 期104漂移误差校准。测温传感器采用 PT100或 PT1000型铂电阻，测量范围173383 K，其中，243338 K按0.1 K分度，准确度优于0.02 K。温度测量电路采用三线制或四线制，设计测量范围为250320 K。热定标源整机温度标定后，利用高精度直流多值标准电阻箱模拟铂电阻测温传感器分度表中不同阻值输入8，在控制器工作环境温度范围和测温范围内，选择多个环境温度点和铂电阻测温点，评价热定标源的测温精度和测温范围。测试原理如图2所示。图2测温精度测试原理图Fig.2Test schematic diagram of temperature measurement accuracy测试时分别设定高低温试验箱内环境温度为263 K、293 K和 318 K，待环境温度稳定时，根据某一路铂电阻测温传感器分度表，在测温范围内随机选取多个电阻值，并分别在标准电阻箱上设置，记录所有电阻值对应的标称温度和实时采集温度，按式（2）计算热定标源的测温精度和范围。k=Tki-Tki（2）式中：k为高低温实验箱内环境温度Te下热定标源的测温精度，K；Tki为标准电阻箱电阻值为Rki时，实时采集的温度，K；Tki为分度表中电阻值为Rki时，对应的标称温度，K。2.2控温精度完成测温精度和范围测试后，将热定标源辐射源体置于热真空环境下，随机以某时刻作为起点，分别测试、记录 30 min 内各点的辐射面温度平均值，计算该段时间内热定标源的控温目标值和各点辐射面温度平均值之间的最大波动值，用来表征热定标源的控温精度。测试原理如图3所示。图3控温精度测试原理图Fig.3Test schematic diagram of temperature control accuracy高青松等：星载微波辐射计热定标源计量测试技术研究105当试验箱内真空度达到要求时，设定适当的箱内环境温度并稳定时，设置温度测量控制器的目标加热温度对辐射源体进行加热，待温度达到目标加热温度且稳定后，按式（3）计算热定标源控温精度。=max|Ti-|TA（3）式中：为设定的实验箱环境温度下，热定标源的控温精度，K；Ti为第i点处辐射面的平均温度，K；TA为目标加热温度，K。2.3辐射面温度不均匀度按照热定标源辐射面内均匀分布原则，将铂电阻测温传感器埋入辐射体角锥内部不同位置的盲孔中，形成多点测温网络，测点数量一般为48个。测温网络所有测点的实测温度算术平均值代表热定标源辐射面温度值，利用该算术平均值与各位置点测温值之间的差值，评价热定标源辐射面的温度均匀性9。测试原理同图3。将辐射源放置于热真空试验箱工作台上，辐射源热边界模拟实际在轨状态，当试验箱内环境温度达到设定温度并稳定时，设置温度测量控制器的目标加热温度值对辐射源进行加热，待温度稳定后，实时采集所有测点的温度数据。按式（4）计算所有测点实测温度算术平均值。Tav=1ni=1nTi（4）式中：Tav为所有测点实测温度的算术平均值，K；n为总测点数；i为测点序号；Ti为第i个测点对应的实测温度，K。再按式（5）计算热定标源辐射面温度的不均匀度。=max|Ti-Tav（5）式中：为各测点实测温度与算术平均值差值的最大值，K。2.4辐射面温度稳定度辐射面温度稳定度测试原理同图3。随机以某时刻为起点，当辐射源体温度稳定时，将多点测温网络算术平均值作为辐射面温度，在1 h内测量多个温度值，以该时间段内辐射面温度的标准差表征辐射面温度稳定度，按式（6）和（7）计算。Tav=1ni=1nTi（6）=i=1n()Ti-Tav2n（7）式中：Tav为1 h内测试的所有辐射面温度的平均值，K；n为1 h内的总测温数据个数；Ti为1 h内以1 min为间隔，测得的第i个辐射面温度，K；为辐射面温度稳定度，K。3微波发射率及频率范围测试基于基尔霍夫热平衡定律导出的发射率和反射率的互补关系10，通过获取热定标源工作频率范围内电磁反射率的方式确定发射率。即在热定标源工作频率范围内，选取多个特征频点，基于电磁散射测量，测得各频点处后向电压反射系数，计算热定标源在相应频率范围内的发射率。测试原理如图4所示。图4微波发射率及频率范围测试原理图Fig.4Test schematic diagram of microwave emissivity and frequency range测试时先使用具有镜面效果的金属平板对测试系统进行校准11（金属板面积应大于被测热定标源辐射面投影面积），得到测试系统的反射系数。再选取合适频率的收/发天线，使其照射区域位于热定标源辐射面区域内，辐射源体移动距离应大于矢量网络分析仪的5个工作波长，记录每移动半个工作波长时反射系数最大值和最小值。取微波辐射计中心频点和上下限频点进行多次测量，获得热定标源工作频率范围。按式（8）计算热定标源的微波发射率。e=1-R2bbC2g（8）式中：Rbb为某频点下的后向电压反射系数；Cg为散射修正因子，一般在12之间。当辐射源体角锥周期小于测量频率的自由空间电波场（低频）时，Cg=1；当角锥周期大于自由空间电波场（高频）时，Cg1。4测试结果及分析4.1测温精度及测温范围以风云三号卫星微波成像仪热定标源为例，环境温度 263318 K 时，测温范围为 249.15320.15 K，测温精度优于0.03 K。7路测温通道Pt1Pt7如图3所示，测试结果如表1所列。表1微波成像仪热定标源测温精度及测温范围测试结果Tab.1Test result of temperature measurement accuracy and range of MWRI hot calibration target真空与低温第 29 卷第 2 期106源辐射面投影面积），得到测试系统的反射系数。再选取合适频率的收/发天线，使其照射区域位于热定标源辐射面区域内，辐射源体移动距离应大于矢量网络分析仪的5个工作波长，记录每移动半个工作波长时反射系数最大值和最小值。取微波辐射计中心频点和上下限频点进行多次测量，获得热定标源工作频率范围。按式（8）计算热定标源的微波发射率。e=1-R2bbC2g（8）式中：Rbb为某频点下的后向电压反射系数；Cg为散射修正因子，一般在12之间。当辐射源体角锥周期小于测量频率的自由空间电波场（低频）时，Cg=1；当角锥周期大于自由空间电波场（高频）时，Cg1。4测试结果及分析4.1测温精度及测温范围以风云三号卫星微波成像仪热定标源为例，环境温度 263318 K 时，测温范围为 249.15320.15 K，测温精度优于0.03 K。7路测温通道Pt1Pt7如图3所示，测试结果如表1所列。表1微波成像仪热定标源测温精度及测温范围测试结果Tab.1Test result of temperature measurement accuracy and range of MWRI hot calibration target设定温度/K249.15298.15308.15320.15测温通道Pt1Pt2Pt3Pt4Pt5Pt6Pt7Pt1Pt2Pt3Pt4Pt5Pt6Pt7Pt1Pt2Pt3Pt4Pt5Pt6Pt7Pt1Pt2Pt3Pt4Pt5Pt6Pt7实测温度/K263 K环境249.14249.15249.16249.12249.14249.13249.12298.16298.16298.17298.15298.15298.15298.16308.16308.17308.18308.16308.16308.16308.17320.16320.16320.17320.15320.16320.16320.17293 K环境249.18249.15249.16249.16249.15249.16249.15298.17298.14298.15298.13298.15298.14298.14308.16308.14308.15308.13308.15308.14308.14320.15320.12320.14320.12320.14320.13320.13318 K环境249.14249.16249.16249.14249.14249.14249.14298.14298.16298.15298.14298.14298.15298.15308.14308.16308.15308.15308.14308.15308.16320.13320.15320.15320.14320.14320.14320.15实测误差/K263 K环境-0.0100.01-0.03-0.01-0.02-0.030.010.010.020000.010.010.020.030.010.010.010.020.010.010.0200.010.010.02293 K环境0.0300.010.0100.0100.02-0.010-0.020-0.01-0.010.01-0.010-0.020-0.01-0.010-0.03-0.01-0.03-0.01-0.02-0.02318 K环境-0.010.010.01-0.01-0.01-0.01-0.01-0.010.010-0.01-0.0100-0.010.0100-0.0100.01-0.0200-0.01-0.01-0.010高青松等：星载微波辐射计热定标源计量测试技术研究1074.2控温精度和温度稳定度以风云三号卫星微波温度计热定标源为例，在地面热真空环境下测试时，以在轨定标温度293 K 为控温目标，控温精度优于 0.02 K，温度稳定度0.01 K/1 h。实测的辐射面平均温度曲线如图5所示。图5微波温度计热定标源热真空环境下辐射面平均温度曲线Fig.5Average temperature curve of hot calibration target of MWTS in vacuum environment4.3辐射面温度不均匀度以风云三号卫星微波温度计热定标源为例，4路测温通道Pt1Pt4温度不均匀度0.08 K，在轨运行时温度不均匀度测试数据如图6所示。图6微波温度计热定标源在轨温度不均匀度曲线Fig.6Temperature unevenness curve of hot calibrationtarget of MWTS in orbit test4.4微波频率范围及发射率以风云三号卫星微波成像仪热定标源为例，在国防科技工业第二计量测试研究中心进行了测试，频率范围为18.7191.31 GHz，发射率优于0.999 3，测量不确定度为0.001 0。实测结果如表2所列。根据地面与在轨测试结果，热定标源性能满足气象及海洋观测卫星微波辐射计的应用要求，以及长寿命、高可靠性要求。采用标准电阻箱代替测温传感器测试方法，评价了热定标源电子学测温计量属性。由于辐射源角锥尺寸较小，测温传感器只能安装在角锥内部不同深度的埋孔中，无法到达角锥及吸波涂层表面。因此，测温传感器的最佳埋孔深度、基于非接触式的高精度温度测量方法与等效校准技术12，以及地面热真空环境模拟测试条件与星上实际环境差异性带来的误差量化校准均有待进一步研究，也是后续提高热定标源表面物理温度测量准确度的技术途径。表2微波成像仪热定标源频率范围及发射率测试结果Tab.2Test result of microwave frequency rangeand emissivity of MWRI hot calibration target频率范围/GHz18.70023.80036.50050.30052.61053.24053.75089.000117.350165.425183.310191.310发射率0.999 30.999 80.999 60.999 70.999 80.999 70.999 80.999 90.999 80.999 90.999 90.999 95应用现状与技术发展趋势5.1应用现状兰州空间物理技术研究所经过多年技术攻关，突破了高微波发射率辐射黑体设计、热控和制造技术，解决了高稳定性和高精度温度测量与控制等关键技术，研制出国内首台应用于空间的微波辐射定真空与低温第 29 卷第 2 期108标设备，产品成功应用于风云三号微波温度计、风云三号微波成像仪、海洋二号微波辐射计、全极化微波辐射计等多个微波探测有效载荷中，在轨工作性能良好。风云四号微波星毫米波亚毫米波探测仪热定标源也正在进行技术攻关与产品研制。典型产品实物如图7和图8所示。图7风云三号（03批）卫星微波成像仪热定标源实物图Fig.7Hot calibration target real products of MWRIof FY-3（03 batch）图8风云三号（03批）卫星微波温度计热定标源实物图Fig.8Hot calibration target real products of MWTSof FY-3（03 batch）兰州空间技术物理研究所是目前国内唯一从事星载热定标源技术研究与产品研制的单位，近年来突破了高发射率、超宽带太赫兹18.7700 GHz热定标源、一体化及轻小型太赫兹热定标源的设计制造以及吸波材料国产化等技术难题。目前世界先进的欧洲第二代气象卫星MetOp-SG，包括MWS（微波辐射计）、MWRI（微波成像仪）和 ICI（冰云成像仪）的热定标源频带分别为 23.8229 GHz、18.7183.31 GHz、183664 GHz，发射率 0.999，温度梯度0.20 K13。可以看出，尽管存在计量测试方法的差异，但是我国星载热定标源技术与国际先进水平相当，技术差距主要表现在辐射亮温传递、误差溯源以及计量测试技术方面。5.2技术发展趋势为确保遥感数据的定量化应用，国际航天遥感大国始终围绕定标技术开展研究，不断提高定标精度。随着气象卫星有效载荷技术的快速发展，国内的研究重点也从星载微波辐射计及定标设备研制转向辐射亮温标准传递及计量误差溯源上。目前国内空间辐射测量基准研究主要集中在可见光和红外波段14，微波波段尚处于起步阶段。因此，亟需开展热定标源计量测试技术的深入研究。主要技术发展趋势如下：（1）热定标源角锥内部物理温度计量误差溯源研究。从角锥内部物理温度测量链路入手，分析测温传感器及其接触状态、引线设计、布局状态、温度测量电路、温度漂移误差、真空与大气环境差异等因素，建立计量误差溯源模型与量化标准，为减小测量不确定度和温度梯度提供理论依据。（2）基于非接触式的热定标源辐射面物理温度测量与校准技术研究。分析与量化大气衰减、环境反射辐射、测量距离等影响因素，建立测量与校准仪器装置，进行角锥内部和涂层表面温度对比验证，实现测量误差补偿与校准。（3）热定标源微波发射率计量误差溯源研究。开展应用环境影响、测试仪器误差以及距离和指向等误差的分析与量化，在充分调研和继承国内外现有标准基础上，研究适用于我国星载热定标源的发射率计量测试规范。（4）热定标源亮温基准传递和评定技术研究。针对目前微波亮温难以直接精确计量的现状，从微波发射率和物理温度的角度不断降低计量偏差，探索亮温直接计量和评定的技术实现途径，通过更高精度物理温度和微波发射率的测定，使微波亮温最终逼近于理想值，为构建微波亮温基准和传递标准提供支撑和推动作用，为实现微波亮温直接计量夯实基础。（5）高性能、宽频带、大口面、轻小型化等亚毫米波和太赫兹波新型热定标源技术研究。研发多样化热定标源产品，满足风云四号、风云五号卫星亚毫米波和太赫兹辐射计，集成微波温度计、湿度计与成像仪的一体化辐射计15，以及未来商业气象卫星、微波立方星等不同平台遥感载荷的应用需求。2022年5月，国务院发布气象高质量发展纲要（2022-2035年），未来将围绕国家“建设精密气象监测系统”战略目标，发展高精度气象探测装备及其定标设备，构建空间探测计量保障体系，提升载荷品质，提高数据质量，拓展空间资源认知能力，为“数据质量”强航天16做出积极和应有的贡献。高青松等：星载微波辐射计热定标源计量测试技术研究1096结论针对遥感卫星微波辐射计研制的星载热定标源，性能指标达到了频率范围6.6700 GHz，发射率0.999，温度稳定度0.01 K/1 h，温度不均匀度0.10 K，测温精度0.05 K，满足目前空间应用需求。通过对现有星载热定标源热特性和电磁特性计量测试方法的研究与分析，指出了技术的不足和发展趋势。后续将研究更加科学规范的热定标源计量测量方法，不断提高测量准确度，结合热定标源产品自身设计优化，满足未来不同平台微波遥感载荷的定量化、多样化应用需求。参考文献：1谷松岩，郭杨，窦芳丽，等.风云三号微波大气探测载荷辐射定标J.遥感技术与应用，2021，36（1）：141-154.2张润宁，王国良，梁健，等.空间微波遥感技术发展现状及趋势J.航天器工程，2021，30（6）：52-61.3高青松，景春妍，陶院，等.高精度星载微波定标源黑体温度测量控制系统的设计J.现代电子技术，2016，39（4）：37-40.4 陆登柏，邱家稳，蒋炳军.星载微波辐射计的应用与发展J.真空与低温，2009，15（2）：70-75.5陈文新，迟吉东，李延明，等.风云三号气象卫星微波温度计（MWTS）J.中国工程科学，2013，15（7）：88-91.6 陶院，高青松，陆登柏，等.FY-3 卫星微波辐射热定标源设计与性能分析J.微波学报，2018，34（4）：91-96.7 刘高峰，武胜利，陈卫英，等.FY-3 卫星微波成像仪定标系统及实现J.微波学报，2014，22（3）：576-579.8 陆登柏，蒋炳军，邱家稳.星载微波辐射计定标热源研究J.遥感技术与应用，2009，24（3）：391-394.9陶院，高青松，景春妍，等.星载微波辐射计热定标源热设计与应用J.微波学报，2016，32（6）：81-85.10 李彬，金铭，白明，等.微波黑体发射率计量标准装置的准光照射天线设计J.宇航计测技术，2018，38（6）：9-15.11蒋小勇，翟宏，陈晋龙.宽带微波辐射计真空定标系统C/2008计量与测试学术交流会，2008.12年丰，杨于杰，王伟.基于CFD技术的微波定标源亮温评定方法J.遥感学报，2011，15（4）：691-695.13 ARNE S，AXEL M，RICHARD W，et al.Development of calibration targets for MetOp-SG microwave instrumentsC/28th International 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