[发明专利]一种喇叭天线测试天空亮温的方法

说明书

本发明涉及一种喇叭天线测试天空亮温的方法，该方法首先结合常温高温负载法获取接收机功率及温度响应比率，利用理论计算方式获取接收机噪声温度，通过测试常温负载覆盖至喇叭天线口面时接收机的功率输出，结合功率及温度响应比率和接收机理论噪声温度，获取当前仰角下接收机的地面噪声温度，再通过测试当前仰角下天空辐射对应的接收机功率输出，结合获取的功率及温度响应比率、接收机理论噪声温度，以及测试到的地面噪声温度，精确计算出当前仰角下的天空亮温。该方法无需依赖不易操作的低温负载便获取接收机功率及温度响应比率，并测试喇叭天线主波束在0到90度仰角内天线旁瓣及后瓣产生的地面噪声，以便将天空亮温从系统温度中精确分离，直接应用于接收机强度校准及大气不透明度测量等研究工作。

技术领域

本发明涉及一种喇叭天线测试天空亮温的方法，专门用于射电天文领域接收机强度校准及大气不透明度测量等研究工作。

背景技术

在射电天文领域有多种接收机的强度校准方法，其中斩波轮校准方法是通过在接收机馈源喇叭顶部交替引入和移除一个常温黑体，使接收机交替测试常温黑体和天空的辐射，以此测试接收机噪声温度的方法。其原理与传统的冷热负载法相同，只是将该方法中不易使用的液氮中浸泡的黑体负载(冷负载)用天空代替，测试时仅需在馈源喇叭口面交替引入或者移除常温负载便可对接收机进行校准。公式1为斩波轮法计算接收机噪声温度T_rec的公式，V_amb为常温黑体负载覆盖至馈源喇叭口面接收机的功率输出，T_amb为常温黑体负载温度，V_sky为接收机馈源喇叭波束在当前仰角下对向天空时的功率输出，T_sky为当前仰角下对应的天空亮温值，其中前三项都可以通过功率计及温度计进行精确测试。

斩波轮法优势在于可以在观测中、天线处于任意仰角下进行实时校准。鉴于斩波轮校准简单易行，仅需在接收机馈源口面设置一个具备斩波功能的常温黑体，便可进行强度校准，因此该方法在毫米波强度校准中被广泛应用。该方法的关键是在校准时需要知道对应波段在不同仰角下的天空亮温值。

除了应用于接收机强度校准，天空亮温还可用于大气不透明度测量研究。大气不透明度是大气衰减的一个度量，主要与氧气和水蒸气含量有关，其次还与它们的时空变异性有关，大气不透明度是大气对射电信号吸收效应最直接的参数表现。任何一个毫米波观测站都需要在特定频率处测定大气不透明度及其随时间的变化，从大气不透明度的测量数据出发，借助于大气模型，决定其水汽含量，由此外推其它毫米波波段大气的不透明度，研究各个波段大气对毫米波与亚毫米波观测的影响。大气不透明度也可用来作为定量评价观测站点是否可以作为毫米波与亚毫米波观测台址的参数指标。国际上较多工作在毫米波及亚毫米波段的单天线和综合孔径干涉阵地面设备，例如在夏威夷国际天文台的JCMT望远镜、CSO望远镜和SMA亚毫米波干涉阵，另有在智利Atacama高原建设的64*12米的ALMA亚毫米波干涉阵等，上述观测台站均在前期对台址的大气不透明度进行了长时间测量，用于评估台址是否符合观测需求。

大气不透明度一般表示为_τ，即为光学深度，实际衰减可表示为e^-τ。大气传输与吸收的关系是相反的，故大气传输表示为1-e^-τ。假设地球大气是平行分层的，这个吸收在一个任意的天顶角以“sec z”项被给出，所以信号被大气的衰减可以表示为公式2。其中_τ0是天顶方向上的光学深度，A是大气质量(＝sec(z))，z是天顶角(90°减去俯仰角度el)。