[发明专利]一种高精度变温微波黑体定标源的综合设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及黑体定标源综合设计方法，特别是涉及一种高精度变温微波黑体定标源综合设计方法，适用于微波频毫米波段综合热力学特性和电磁学特性。

背景技术

任何温度T处于绝对温度为0K以上的物体均向外辐射能量即微波亮温T_B，在遥感领域，特别是对地球气象观测领域中，就是利用搭载在卫星上的辐射计来读取地球向外空间辐射出的微波亮温来判定地球表面温度分布情况进而实现天气预报。要确保准确地实现对地球表面温度分布的判定就需要一种装置能将物体的物理温度以发射率为1的比率向外辐射微波亮温，进而产生标准的微波亮温对微波辐射计等遥感设备进行标定，这种装置就是微波黑体定标源。理想的微波黑体定标源可以以发射率为1的比率向外辐射微波亮温，然而自然界中并没有理想的黑体定标源，实际的微波黑体定标源发射率均小于1。需要研制发射率非常接近于1的微波黑体定标源是产生标准微波亮温的关键。微波黑体定标源辐射出的微波亮温T_B与微波黑体的物理温度T及微波黑体的发射率之间的关系是：

T_B=T·e

则前面所说的理想黑体发射率e为1时，黑体辐射出的微波亮温T_B在数值上与T相等。

目前世界上普遍采用尖劈阵列的形式作为微波黑体定标源的基体。在微波黑体定标源的设计方面，当前主要方法是基于基尔霍夫定律，利用吸收率越高则发射率越高的原理进行优化，主要采用电磁学仿真设计和反射率实验测试的方式通过优化黑体的吸收率来优化设计高发射率的。然而由于微波黑体定标源需要在不同物理温度下输出不同的微波亮温，以用于标定微波辐射计在不同温度情况下的工作状态，这种微波黑体定标源被成为变温微波黑体定标源。在实验室定标条件下和热真空条件定标下变温微波黑体定标源尖劈表面的温度分布变化较大，存在热传导、热对流和热辐射等传热现象，对输出微波亮温的精度影响较大。此外，由于工作在微波，特别是毫米波频段的黑体定标源尖劈阵列尺寸较小，采用测温电阻进行接触式测量空间难以保证，并且容易引入较大测量误差，而采用红外热像仪等设备进行非接触式测量目前测量精度又难以保证黑体定标源尖劈表面物理温度测量的准确性，因此需要在设计微波黑体定标源尖劈阵列基体的同时综合考虑多种传热条件下微波黑体定标源尖劈表面的温度分布情况及其准确可靠的分析设计方法，尽量确保微波黑体定标源尖劈表面温度分布值T较为集中，这样才能确保T与高发射率e的微波基体在设计上共同结合以实现接近理想的变温微波黑体定标源。

多年以来，一直没有出现综合微波黑体发射率和微波黑体表面物理温度分布优化设计的变温微波黑体定标源系统化设计方法，难以确保变温微波黑体定标源能够输出标准的微波亮温。因此，需要有一种方法能够较为系统完善地实现变温微波黑体定标源的优化设计，以利于工程化快速设计，确保变温微波黑体定标源输出微波亮温不确定度小于0.05K，满足目前国际上对微波亮温标准的应用需求。

发明内容

针对以上现有技术的不足，本发明提供一种高精度变温微波黑体定标源的综合设计方法。本发明涉及的高精度变温微波黑体定标源综合设计方法用于优化设计发射率可达到0.999以上，输出微波亮温不确定度小于0.05K的高精度黑体定标源。该方法对微波黑体定标源电磁学特性和热力学特性联合进行优化设计，先对黑体发射率指标进行电磁学特性优化，按照黑体尖劈尺寸比例、尖劈阵列形式、吸波材料涂覆厚度、吸波材料电磁参数先后次序进行优化设计，确保黑体定标源发射率达到0.999以上。再对热力学特性进行优化，主要优化黑体尖劈尺寸比例、尖劈阵列形式、吸波材料涂覆厚度先后次序进行优化设计，最终给出微波黑体定标源测温位置，以确保输出微波亮温不确定度小于0.05K。本发明可有效提高变温微波黑体定标源输出高精度微波亮温标准的设计效率，便于实际应用。

本发明采用下述技术方案：

一种高精度变温微波黑体定标源的综合设计方法，该设计方法包括如下步骤：

S1：确定变温微波黑体定标源的工作频段、变温范围和工作环境；

S2：对黑体定标源进行电磁学特性优化设计；

S3：对黑体定标源进行热力学特性优化设计，并进行仿真分析；

S4：根据仿真分析结果，对黑体定标源电磁学特性优化设计进行反馈并重新设计，直至黑体定标源电磁学与热力学协同的优化结果符合要求；

S5：根据所述优化结果，加工黑体定标源并进行实验测试，并用测试结果反馈修正仿真分析。

所述S2中对黑体定标源进行电磁学特性优化设计包括：