Методы и средства обеспечения достоверности и точности измерений параметров собственного излучения тел в СВЧ радиометрии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ФЙЗИКО-ТЕХНЙЧЕСКЙЙ ИНСТИТУТ

Пп

621.317.029.6:535.233.21

и о о -гл, „

-- ......"^Дй

Ум вАк

е от" ¿ф „ ' - - ^

^ШЖШ,. Светлана

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДОСТОШЖТИ И ТОЧНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ ПАРАМЕТРОВ СОБСТВЕННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ТЕЛ В СВЧ РАДИОМЕТРИИ.

01.04.01 - Техника Физического эксперимента, Физика приборов, автоматизация Физических исследований.

ММ С СЕР ТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Научный консультант - доктор физико- математических наук, профессор В.Ф. Кравченко

Москва - 1997 год.

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ........................5

Глава 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ...............18

1.1. Постановка задачи. Особенности СВЧ радиометрии ............18

1.2. Об измерениях с помощью СВЧ радиометра..........21

1.3. Черное тело в СВЧ диапазоне.................29

1.3.1. Свойства АЧТ по законам Планка и Рэлея-Джинеа. Взаимодействие излучения с веществом .... ............29

1.3.2. Теории, снимающие требование больших

размеров моделей АЧТ......................................32

1.3.3. Статистические свойства излучения АЧТ..........35

1.3.4. Единицы измерения в СВЧ радиометрии,

связь с измерением температуры.............39

1.4. Теория апертурных шумовых СВЧ излучателей.........40

1.4.1. Открытый конец волновода как элемент модели

черного тела......................40

1.4.2. Диаграмма направленности элемента черного тела на СВЧ. . 44

1.4.3. Вибратор Герца, запитанный шумовым сигналом.......45

1.4.4. Черные тела в классической радиометрии. Аналогия полостных микроволновых моделей АЧТ и безэховых камер. . 49

1.4.5. Микроволновые модели черного тела в виде нефазированной антенной решетки СНФАР).........57

1.5. Уравнение радиометрических измерений...........61

1.6. Параметры апертурных излучателей СВЧ шума.........69

ВЫВОДЫ к главе 1.....................70

Глава 2. ТИПЫ АПЕРТУРНЫХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ ШУМА В СВЧ РАДИОМЕТРИИ. . 73

2.1. Тепловые излучатели....................73

2.1.1. Многогранная полость с зеркально отражающими стенками. Эталонный тепловой излучатель..............73

2.1.2. Многокамерные тепловые СВЧ излучатели..........79

2.2. Газоразрядные излучатели.................85

2.2.1. Плазма как источник микроволнового шума.

Излучатели с полым катодом...............85

2.2.2. Эталонные газоразрядные излучатели...............93

2.2.3. Излучатель "Солнце"..................102

2.2.4. Излучатели в виде полости с трубками ГШ........109

2.3. Полупроводниковые излучатели...............116

2.3.1. Эталонный полупроводниковый излучатель в виде НФАР. . . 116

2.3.2. Излучатели с управляемыми шумовой температурой, поляризацией и размером апертуры................120

В Ы В 0 Л Ы к главе 2....................129

Глава 3. КАЛИБРОВКА РАДИОМЕТРИЧЕСКОГО ТРАКТА.........131

3.1. Национальные системы обеспечения единства и точности измерений в области СВЧ радиометрии...........131

3.2. Калибровка радиометра как абсолютного

энергетического измерителя................132

3.2.1. Об измерении радиационных температур

некалиброванным радиометром..............133

3.2.2. Градуировка шкалы СВЧ радиометра............135

3.2.3. Чувствительность радиометра для измерения температуры живой ткани и криогенных температур..........140

3.3. Аттестация первичного источника сравнения........143

3.3.1. Непосредственное измерение коэффициента черноты. . . . 144

3.3.2. Методы аттестации, основанные на "подсветке"......147

3.3.3. Измерение температуры и коэффициента отражения

через полупрозрачную среду...............151

3.3.4. Методы, в которых используется реверберационная камера. 156

3.4. Калибровка радиометра с антенной по неизотермическому черному телу.......................159

3.5. Сличение с излучателями, прошедшими

метрологическую аттестацию................162

3.5.1. Измерение высоких радиояркостных температур при помощи низкотемпературной модели АЧТ.............162

3.5.2. Сличение излучателей с разными размерами апертур

методом замещения в ближней зоне............165

3.5.3. Непосредственное сличение апертурных излучателей

СВЧ шума....................... . 173

3.5.4. Автоматизация измерения затухания поляризационных аттенюаторов. .....................178

3.5.5. Оценка нестабильности излучателей между поверками. . . 184

3.6. Измерение поляризационных характеристик

апертурных излучателей..................186

3.7. Погрешности измерения радиошума апертурных излучателей. . 189

ВЫВОДЫ к главе 3....................192

Глава 4. СВЧ РАДИОМЕТРИЯ И АНТЕННАЯ ТЕХНИКА..........196

4.1. Взаимосвязь СВЧ радиометрии и антенной техники......196

4.2. Измерение с помощью модуляционного радиометра

внешних энергетических параметров антенн.........200

4.2.1. Применение "горячих" источников в традиционных приложениях радиометрического метода..........201

4.2.2. Измерение омических потерь и коэффициента

полезного действия антенны................205

4.2.3. Измерение коэффициентов усиления и рассеяния......210

4.3. Корреляционный метод антенных измерений.........213

4.3.1. Измерение диаграммы направленности. . ..................213

4.3.2. Измерение амплитудно-фазового распределения поля. . . . 219

4.4. Антенна-аппликатор для локального объема.........224

4.5. Контроль формы параболического зеркала

с помощью шумового пилот-сигнала.............227

4.6. Интерференционные волноводные устройства

в радиометрическом тракте.......................235

ВЫВОДЫ к главе 4................... . 243

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................-.....246

Список литературы. . ..... ,................................249

ПРИЛОЖЕНИЯ.

1. Метод расчета СВЧ разветвлений путем синтеза матрицы рассеяния и строгого решения ключевой задачи Со волнах

на стыке прямоугольных волноводов с Нэо волнами).......266

Дополнительная литература (к приложению 1)..........284

2. Акты внедрения и другие документы. Перечень........285

(Ксерокопии - см. в отдельной брошюре).

ВВЕДЕНИЕ

Измерение Физическим величин, характеризующий энергию электромагнитного излучения во всем спектре частот, называют радиометрией. На частотах от 10-100 кГц до 100 -1000 ГГц энергия излучения определяется волновым характером электромагнитного поля, описываемого уравнениями Максвелла, и измеряется методами классической радиометрии. На частотах выше 1018 -1019 Гц энергия излучения характеризуется количеством Фотонов в единицу времени и измеряется методами квантовой радиометрии. В переходной области используют измерительные приемы классической и квантовой радиометрии [1].

Энергия излучения тел на частотах ниже 1 ТГц с температурами от »80 К до 105 К и стационарное излучение от «60 К до « 2-3 К, неизменное в течение длительных промежутков времени, исследуются методами сверхвысокочастотной (СВЧ) радиометрии [2]. Измеряемые уровни сигналов могут быть заметно ниже уровня собственных шумов самого радиоприемника - СВЧ радиометра.

"СВЧ радиометрия", "микроволновая радиометрия", "радиометрия микроволнового диапазона"- термины-синонимы, достаточно устоявшиеся. Свидетельством тому является включение их в рубрикаторы литературы. С См., например, рубрикаторы в реферативном журнале ВИНИТИ России "Исследование Земли из космоса".)

СВЧ радиометрия широко применяется для изучения среды обитания человека и природных ресурсов [3-5], медико-биологических исследований, в том числе для диагностики и лечения онкологических заболеваний человека и животных [8-8], диагностики плазмы [9, 10], изучения космического пространства [11], радионавигации по Солнцу и звездам [12], обнаружения объектов по их радиотепловому излучению (радиовидения) [13], измерения параметров антенн. В Узбекистане проводились работы по контролю самопроизвольного разогрева хлопка- сырца в бунтах с помощью радиометра с антенной в интервале длин волн 2, 5- 100 см с погрешностью 0. 5 °С? радиометрический метод контроля существенно уменьшал трудоемкость и затраты времени по сравнению с альтернативным методом - протягиванием малоинерционного терморезистора по каналу внутри бунта [14]. Во французском центре СВЧ и полупроводников совместно с Лилльским институтом науки и техники определяли корреляционным радиометром шумовую температуру и местоположение неоднородности в СВЧ фидере [15], контролировали температуру текстильного полотна из натуральных и искусственных волокон, измеряя СВЧ радиометром излучение образца на частоте 9 ГГц в полосе 1.1 ГГц [16].

На базе СВЧ радиометрии разработаны крупные национальные программы, например, мониторинга земной поверхности со спутников -украинских ("С1ч-3") [17] и российских [18].

Существует массовый вид измерений шума в радиоприемниках, телевизорах, усилителях, транзисторах, интегральных схемах.

Основным инструментом дистанционных измерений в СВЧ радиометрии является радиоприемник шумоподобных сигналов ССВЧ радиометр) с антенной, которые перед измерениями вместе калибруют в свободном пространстве по источнику с известными параметрами излучения.

Такими источниками являются расчетные излучатели. Закон излучения абсолютно черного тела САЧТ), открытый в начале 20-го века, стал основой для разработки расчетных излучателей - источников излучения, интенсивность которого вычисляют с необходимой точностью с помощью фундаментального соотношения Планка с физическими величинами (температурой и частотой), измеряемыми независимыми методами. Модели АЧТ, выполненные по закону Планка, используют в оптическом - инфракрасном СИЮ диапазоне.

В радиодиапазоне и при высоких температурах тел действует приближение закона Планка - закон Рэлея-Джинса. Закон Рэлея-Джин-са описывает интенсивность излучения, переносимого электромагнитной волной, возникающей в изотермической полости. Число таких волн - собственных распространяющихся волн полости и эффективность излучения из отверстия полости зависят от свойств материала, размеров и формы полости и отверстия. Для численной характеристики энергии излучения измеряют значения спектральной плотности мощности шума ССПМШ) в единицах [натт/герц] или эквивалентной шумовой С радиошумовой, радиояркостной) температуры СЗШТ) в единицах [кельвин], причем 1 [Вт/Гц] / к = 1 [К],

где к =1,3806*10-23 Дж/К - постоянная Больцмана. Температура Т, до которой нагрета изотермическая полость черного тела, равна величине ЭШТ.

С момента рождения микроволновой радиометрии - изобретения радиометра Дайка в 1946 году [19] - до сегодняшних дней на основе закона Рэлея-Джинса разрабатывают все новые излучатели - модели черного тела СВЧ диапазона, удовлетворяющие изменяющимся технологическим и эксплуатационным требованиям, и соответственно уточняют методики калибровки радиометра с антенной.

Все это свидетельствует об актуальности и важности темы. Проследим развитие вопроса в историческом и научно-техническом плане.

В конце 40-х и в 50-х годах радиометр использовался в первую очередь для изучения небесных тел - в радиоастрономии. Для повышения точности измерений возникла необходимость в абсолютной калибровке радиометра вместе с антенной по СВЧ модели черного тела. В качестве такой модели лист радиопоглощающего материала СРПЮ, "черный диск", устанавливали в дальней зоне или зоне Френеля испытуемой антенны- радиотелескопа на фоне "холодного" неба и сравнивали сигналы от неба и диска, принятые антенной [20].

Радиоизлучение окружающей среды имеет шумовую температуру одного порядка с термодинамической температурой тел С ~300 И) и может явиться источником погрешности измерения радиошумовык температур при сличении излучателей между собой и калибровке радиометра с антенной. Погрешность становится меньше при увеличении радиоконтраста излучателя на Фоне окружающих предметов, например, при понижении или повышении радиошумовой температуры излучателя. Величина погрешности сличения может быть уменьшена за счет уменьшения разности шумовых температур сличаемых излучателей. Поэтому для калибровки радиометра с антенной необходимы СВЧ модели черного тела с различной шумовой температурой. Назовем излучатели с радиошумовой температурой ниже 300 К "холодными", с радиошумовой температурой немного больше 300 К -"теплыми", с радиошумовой температурой 104 К и выше - "горячими".

В 60-х годах были испытаны охлаждаемые апертурные излучатели. Криогенный излучатель НИРФИ [21] (Нижний Новгород) представлял собой лист РПМ, погруженный в жидкий азот, залитый в пенопластовый контейнер. Использование жидкости удобно для выравнивания градиентов температуры излучающей структуры (т.е. листа радиопоглотителя). Однако для практического использования составляли неудобство, во-первых, малое время, в течение которого излучатель сохранял свои метрологические характеристики, так как криогенная жидкость быстро испаряется, во-вторых, водяной конденсат на крышке пенопластового ящика, уменьшающий точность калибровки СВЧ радиометра.

Для удаления пленки конденсата в американской спутниковой радиометрической системе к приемной рупорной антенне пристыкована модель черного тела [22]. Последняя выполнена в виде металлического контейнера, заполненного пористым РПМ с пирамидальными выступами на поверхности, обращенной в сторону апертуры рупора. Поглотитель заключен в оболочку из непористой пластмассовой пены. Через специальное отверстие в контейнере его внутренний объем вместе с поглотителем и пенистой оболочкой заполняется жидким азотом или аргоном. Затем на частоте 2 ГГц производится калибровка радиометра, подстыкованного к рупорной антенне. Погрешность установки температуры в описанной антенной насадке типа "черное тело" не превышала 0.1 К.

Стремление к повышению точности абсолютной калибровки радиометра с антенной привело в 70-х годах к созданию "теплых" апертур-ных излучателей с температурой, немного превышающей 300 К. Такой излучатель был выполнен в Хельсинкском технологическом университете [23]. Излучатель представлял собой лист радиопоглотителя, заключенный в пенопластовый контейнер, внутри которого помещались также нагреватель и вентилятор, обеспечивающие равномерный нагрев излучающей структуры из РПМ.

В 80-е годы и по настоящее время охлаждаемые и нагреваемые СВЧ модели черного тела широко применяются в различных областях народного хозяйства. При зондировании Земли с помощью СВЧ радиометров, установленных на спутниках, погрешность измерений радиоконтрастов заметно зависит от вида апертурного излучателя, по которому калибруется радиометр. Погрешность калибровки по эталонным участкам Земли составляет 10%. С привлечением дополнительных данный о восходящих потоках излучения, спектральной толщине атмосферы, индикатрисе рассеяния атмосферы, о профильном зондировании атмосферы погрешность снижается до 3-5%. При использовании специальных. тепловых эталонов можно получить 2%-ную погрешность [24].

Для измерений космического микроволнового Фона на южном полюсе и в горах Калифорнии на волнах 2,5-24 см используют радиометр с антенной, который калибруют по охлаждаемому гелием апертурному излучателю. Диаметр апертуры излучателя равен 78 см, коэффициент отражения менее 0,035%. Расход гелия составляет 4.4 л/час. [25].

Бортовой широкоапертурный излучатель БШИ с температурой 300 К ±30 К для частот 22, 35, 94 ГГц использован в российском модуле интегрального влажностного зондирования атмосферы (МИВЗА) [26,27]. Излучатель представляет собой прямоугольную матрицу 165x135 мм, собранную из кремниевых штырей длиной 90 мм с квадратным сечением 15x15 мм. С одного конца штыри сошлифованы на конус с углом 20°. Другой конец каждого штыря приклеен к соседнему и вся кремниевая матрица БШИ заключена в корпус из алюминиевого сплава. Для уменьшения градиентов температуры в состав клея введен порошок нитрида бора Сили алмазный порошок). Коэффициент черноты излучателя не менее 0. 993. Аналогично выполнена конструкция излучающей структуры охлаждаемого азотом излучателя с диаметром апертуры 105 мм, длина стержней 75 мм. Излучатель предназначен для наземной калибровки и измерения характеристик радиометров.

При исследовании параметров ряби в лабораторных условиях на длинах волн 2-30 см при различных поляризациях применены излучатели типа "лист радиопоглотителя" и отражатель с размерами 100x90x20 и 150x100x30 см, которыми последовательно закрывали лотки с испытуемой жидкостью для калибровки радиометра с антенной [28].

Аналогичная калибровка производилась при изучении рассеяния и поглощения излучения элементами растений на длинах волн 2,25; 18; 30 см в полосе частот 120 МГц. Погрешность измерений не превышала 25-30% [29].

Абсолютная калибровка модуляционного радиометра в диапазонах 75-110 и 110-170 ГГц позволила определять электронную температуру плазмы на термоядерной установке Tokamak Fusion Test Reactor независимо от других диагностических методов. Использован излучатель из материала Eccosorb CV, погруженный в жидкий азот. При калибров-

ке по двум источникам с шумовой температурой 300 К и 78 К обеспечивалась точность 5-10% [30].

При измерении ослабления мм волн в дожде осуществлена калибровка радиометра, исключающая влияние боковых и задних лепестков диаграммы направленности приемной антенны [31]. Применялось черное тело при температуре окружающей среды и жидкого азота, выполненное в виде антенной насадки - кюветы из пенопласта диаметром 0.8 м, внутри которой над алюминиевой Фольгой находился поглотитель из древесно-стружечной плиты толщиной 15 м�