微波黑体定标源发射率及其辐射传输特性研究

The data calibration is the critical procedure in the quantitative remote sensing observation. The blackbody calibration load is the vital instrument in the calibration system of the microwave radiometers (MWR), which calibrates the MWR by radiating reference brightness temperature. As a specially manufactured device, the calibration loads are generally shaped in an array formation consisting of periodically deployed sharp cones coated with absorbing materials, and are designed to bear high emissivity approaching to 1 and with uniform surface temperature distribution. To precisely determine the emissivity and the thermal radiation characteristics of the calibration load are the key issues in improving the calibration precision for the MWRs. Researches on the calibration load have been and are being launched internationally. However, several theoretical and application problems still remain to be solved and improved. In this proposal, researches will be launched on the following aspects: The theoretical models for evaluating the radiated power and the emissivity of the calibration load will be setup and analyzed; the issues in the emissivity determination routine by evaluating the reflectivity will be extensively investigated, both by calculations and measurements, especially for size-limited calibration load. And new prototypes of the calibration load will be designed and tested. The calibration processes of the microwave radiometers will be modeled, and the thermal radiation transmission through the calibration antenna system will be further evaluated and analyzed. The contents of this proposal stay the forefront and focus the key aspects in the field of microwave radiometer technology, and are expected to benefit to the related research and eventually improve the development of the microwave remote sensing.

微波遥感定标是遥感信息定量分析的关键。微波黑体定标源作为微波辐射计定标系统中的关键器件，以辐射标准亮温的方式标定微波辐射的测量，一般采用周期尖锥吸波阵列结构，该结构具有接近理想黑体的发射率和均匀的表面温度分布，是一种特殊的微波测量功能器件。黑体定标源发射率的精确标定及其辐射传输特性的描述，是提高微波辐射计定标精度的关键问题和难题。目前，国际上针对微波黑体定标源相关问题的研究正在逐步进展中，若干理论和应用问题尚待解决。本课题拟对几个方面的内容开展研究：辐射定标过程中微波辐射在天线系统中的传输理论研究；分析定标源在宽频带的发射率特性和电磁材料吸波特性，研究其发射率随结构参数、角度及极化的变化机理；对有限尺寸定标源角发射率和标定方法进行建模计算和实验研究；尝试新型高发射率定标源结构的设计。本课题立足于解决目前微波辐射计定标科学中的前沿理论和实践难题，对推进微波遥感定标的技术进步具有重要意义。

微波遥感定标是遥感信息定量分析的关键，微波辐射定标源以辐射标准亮温的方式标定微波辐射，一般采用采用表面涂敷吸波材料的周期排布尖锥阵列结构，具有接近理想黑体的发射率和均匀的表面温度分布，为几GHz至几百GHz范围内的微波测量提供参考辐射信号。高精度的微波辐射亮温测量依赖于高辐射率的黑体辐射定标源的发射率的精确测定，及其辐射传输特性的准确分析，是目前国内外面临的前沿理论和实践问题。在基金的资助下，本课题针对微波黑体定标源发射率及其辐射传输特性顺利开展了系统研究,并取得了一系列重要的成果。.在开拓微波辐射定标物理过程的热辐射传输特性的新方法方面，研究建立的非相干辐射特性的正向直接计算方法，能够给出丰富准确的辐射近场信息，揭示辐射接收过程的电磁变化，形成实现定标链路高精度建模分析的重要基础。基于吸波材料的电磁参数及其损耗机理研究，建立了描述黑体宽频带跨度的电磁特性的色散响应模型；采用时频分析方法得到了宽带范围内，定标体结构、吸波涂敷、不同单锥参数、测量方式等与获得宽带发射率之间的定量关系。通过与国内相关单位的合作，基于散射测量框架的高精度发射率测量系统实际需求，建立了一整套包括理论、仿真和实测方法的体系和架构。在此架构下实现的单站和双站测量方式的研究结果形成了互相印证和互相补充支撑的关系。课题组基于对辐射机理的深入理解，在周期单元层面关键吸波位置的结构及涂敷形式变化，设计出一种增强发射率的涂层渐变新型黑体结构。课题还通过与材料专业的交叉学科研究，探索树脂基碳纤维材料实现优良的电磁吸波和屏蔽性能。此外，在课题相关的电磁仿真算法开发以及测量实用技术开发上也取得了很好的成果。.总之，课题围绕微波定标源理论与实践问题取得的系统性进展，有利于我国后续航空航天辐射计的定标源的建设和应用，对国内外进行中的辐射定标理论体系构建，高精度定标技术应用以及微波遥感定标的技术进步起到推动作用。