一種高精度變溫微波赫體定標源的綜合設計方法
2023-09-18 19:53:40 1
一種高精度變溫微波赫體定標源的綜合設計方法
【專利摘要】本發明公開一種高精度變溫微波赫體定標源的綜合設計方法，該方法對微波赫體定標源電磁學特性和熱力學特性聯合進行優化設計，先對黑體發射率指標進行電磁學特性優化，按照黑體尖劈尺寸比例、尖劈陣列形式、吸波材料塗覆厚度、吸波材料電磁參數先後次序進行優化設計，確保黑體定標源發射率達到0.999以上。再對熱力學特性進行優化，主要優化黑體尖劈尺寸比例、尖劈陣列形式、吸波材料塗覆厚度先後次序進行優化設計，最終給出微波赫體定標源測溫位置，以確保輸出微波亮溫不確定度小於0.05K。本發明可有效提高變溫微波赫體定標源輸出高精度微波亮溫標準的設計效率，便於實際應用。
【專利說明】一種高精度變溫微波赫體定標源的綜合設計方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及黑體定標源綜合設計方法，特別是涉及一種高精度變溫微波赫體定標源綜合設計方法，適用於微波頻毫米波段綜合熱力學特性和電磁學特性。
【背景技術】
[0002]任何溫度T處於絕對溫度為OK以上的物體均向外輻射能量即微波亮溫TB，在遙感領域，特別是對地球氣象觀測領域中，就是利用搭載在衛星上的輻射計來讀取地球向外空間輻射出的微波亮溫來判定地球表面溫度分布情況進而實現天氣預報。要確保準確地實現對地球表面溫度分布的判定就需要一種裝置能將物體的物理溫度以發射率為I的比率向外輻射微波亮溫，進而產生標準的微波亮溫對微波輻射計等遙感設備進行標定，這種裝置就是微波赫體定標源。理想的微波赫體定標源可以以發射率為I的比率向外輻射微波亮溫，然而自然界中並沒有理想的黑體定標源，實際的微波赫體定標源發射率均小於I。需要研製發射率非常接近於I的微波赫體定標源是產生標準微波亮溫的關鍵。微波赫體定標源輻射出的微波亮溫Tb與微波赫體的物理溫度T及微波赫體的發射率之間的關係是:
[0003]Tb=T.e
[0004]則前面所說的理想黑體發射率e為I時，黑體輻射出的微波亮溫Tb在數值上與T相等。
[0005]目前世界上普遍採用尖劈陣列的形式作為微波赫體定標源的基體。在微波赫體定標源的設計方面，當前主要方法是基於基爾霍夫定律，利用吸收率越高則發射率越高的原理進行優化，主要採用電磁學仿真設計和反射率實驗測試的方式通過優化黑體的吸收率來優化設計高發射率的。然而由於微波赫體定標源需要在不同物理溫度下輸出不同的微波亮溫，以用於標定微波輻射計在不同溫度情況下的工作狀態，這種微波赫體定標源被成為變溫微波赫體定標源。在實驗室定標條件下和熱真空條件定標下變溫微波赫體定標源尖劈表面的溫度分布變化較大，存在熱傳導、熱對流和熱輻射等傳熱現象，對輸出微波亮溫的精度影響較大。此外，由於工作在微波，特別是毫米波頻段的黑體定標源尖劈陣列尺寸較小，採用測溫電阻進行接觸式測量空間難以保證，並且容易引入較大測量誤差，而採用紅外熱像儀等設備進行非接觸式測量目前測量精度又難以保證黑體定標源尖劈表面物理溫度測量的準確性，因此需要在設計微波赫體定標源尖劈陣列基體的同時綜合考慮多種傳熱條件下微波赫體定標源尖劈表面的溫度分布情況及其準確可靠的分析設計方法，儘量確保微波赫體定標源尖劈表面溫度分布值T較為集中，這樣才能確保T與高發射率e的微波基體在設計上共同結合以實現接近理想的變溫微波赫體定標源。
[0006]多年以來，一直沒有出現綜合微波赫體發射率和微波赫體表面物理溫度分布優化設計的變溫微波赫體定標源系統化設計方法，難以確保變溫微波赫體定標源能夠輸出標準的微波亮溫。因此，需要有一種方法能夠較為系統完善地實現變溫微波赫體定標源的優化設計，以利於工程化快速設計，確保變溫微波赫體定標源輸出微波亮溫不確定度小於
0.05K,滿足目前國際上對微波亮溫標準的應用需求。
【發明內容】
[0007]針對以上現有技術的不足，本發明提供一種高精度變溫微波赫體定標源的綜合設計方法。本發明涉及的高精度變溫微波赫體定標源綜合設計方法用於優化設計發射率可達到0.999以上，輸出微波亮溫不確定度小於0.05K的高精度黑體定標源。該方法對微波赫體定標源電磁學特性和熱力學特性聯合進行優化設計，先對黑體發射率指標進行電磁學特性優化，按照黑體尖劈尺寸比例、尖劈陣列形式、吸波材料塗覆厚度、吸波材料電磁參數先後次序進行優化設計，確保黑體定標源發射率達到0.999以上。再對熱力學特性進行優化，主要優化黑體尖劈尺寸比例、尖劈陣列形式、吸波材料塗覆厚度先後次序進行優化設計，最終給出微波赫體定標源測溫位置，以確保輸出微波亮溫不確定度小於0.05K。本發明可有效提高變溫微波赫體定標源輸出高精度微波亮溫標準的設計效率，便於實際應用。
[0008]本發明採用下述技術方案:
[0009]一種高精度變溫微波赫體定標源的綜合設計方法，該設計方法包括如下步驟:
[0010]S1:確定變溫微波赫體定標源的工作頻段、變溫範圍和工作環境；
[0011]S2:對黑體定標源進行電磁學特性優化設計；
[0012]S3:對黑體定標源進行熱力學特性優化設計，並進行仿真分析；
[0013]S4:根據仿真分析結果，對黑體定標源電磁學特性優化設計進行反饋並重新設計，直至黑體定標源電磁學與熱力學協同的優化結果符合要求；
[0014]S5:根據所述優化結果，加工黑體定標源並進行實驗測試，並用測試結果反饋修正仿真分析。
[0015]所述S2中對黑體定標源進行電磁學特性優化設計包括:
[0016]S201:對黑體定標源尺寸進行優化，確定黑體定標源的椎體高度和椎底邊長或半徑;
[0017]S202:對黑體定標源的尖劈陣列形式進行優化；
[0018]S203:對黑體定標源的尖劈表面吸波材料塗覆方式進行優化。
[0019]所述S201黑體定標源錐底邊長或半徑與黑體定標源工作頻段低頻點Π所對應的波長相近，黑體定標源錐體高度為錐底邊長或半徑的2?6倍。
[0020]所述S202黑體定標源尖劈陣列形式包括方錐、圓錐或六稜錐陣列。
[0021]所述S203對黑體定標源的尖劈表面吸波材料塗覆方式採用吸波材料單層均勻厚度塗敷、吸波材料單層漸變厚度塗敷、多種吸波材料多層均勻塗敷或多種吸波材料多層漸變塗敷。
[0022]所述S3對黑體定標源進行熱力學特性優化設計包括:採用熱力學數值分析方法對在實驗室條件下和熱真空條件下，確定變溫微波赫體定標源尖劈表面物理溫度分布。
[0023]所述S4對黑體定標源電磁學特性優化設計進行反饋並重新設計是指重新設計黑體定標源尖劈陣列尺寸，陣列形式，吸波材料塗覆方式。
[0024]本發明的有益效果如下:
[0025]1.提供了變溫微波赫體定標源系統化的優化設計方法，明確了先進行電磁學特性優化設計(按照黑體定標源尖劈陣列尺寸、陣列形式、吸波材料塗敷方式次序優化)、後進行熱力學特性優化設計(按照實驗室條件及熱真空條件進行優化)及反饋設計的框架，以提高優化設計效率。
[0026]2.提供了提高變溫微波赫體定標源輻射微波亮溫值精度的方法，通過典型的熱力學仿真計算確定黑體定標源尖劈表面物理溫度平均值，在該物理溫度平均值位置處設置微波赫體定標源測溫電阻，可以使變溫微波赫體定標源向外輻射的微波亮溫值不確定度(0.05K。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0027]圖1為本發明一種用於高精度變溫微波赫體定標源的綜合設計方法的基本原理主框圖。
[0028]圖2為本發明專利黑體定標源基體結構及測溫位置結構圖。
【具體實施方式】
[0029]為更好地理解本發明，下面將通過具體的實施例進一步說明本發明的方案，本發明的保護範圍應包括權利要求的全部內容，但不限於此。
[0030]如圖1所示為一種用於高精度變溫微波赫體定標源的綜合設計方法基本原理框圖，包括如下步驟。
[0031]S1、首先對變溫微波赫體定標源工作頻段、變溫範圍和工作環境條件總體指標進行定義。其中工作頻段的範圍為?f2，f2值的範圍應不超過頻段的倍頻範圍，即f2 ( 2f1；以確保黑體定標源基體尖劈尺寸、表面塗敷系統材料參數和尖劈陣列形式與工作頻段相適應，黑體定標源基體尖劈尺寸、表面塗敷系統材料參數和尖劈陣列形式與黑體定標源電磁學特性直接相關。變溫範圍為T1?T2,為微波赫體定標源基體尖劈陣列表面溫度範圍。工作環境條件為變溫微波赫體定標源工作時所處環境，典型條件為實驗室條件和熱真空條件，實驗室條件指變溫黑體定標源處於有空氣對流條件下，此時黑體定標源尖劈向外輻射微波亮溫時存在熱傳導、熱對流和熱輻射三種方式；熱真空條件指變溫黑體定標源處於絕對溫度OK以上真空環境下，此時黑體定標源尖劈向外輻射微波亮溫時僅存在熱傳導和熱輻射兩種方式。工作環境條件與黑體定標源基體尖劈熱力學特性直接相關。一般工作頻段可選80KHz-330KHz,工作環境下的工作頻段可選為3GHz_220GHz。
[0032]S2、在SI的基礎上，對黑體定標源電磁學特性優化設計，具體包括:
[0033]S201:首先對黑體定標源尺寸進行優化，包括:確定黑體定標源錐體的高度和錐底邊長或半徑。黑體定標源錐底邊長或半徑與其工作頻段低頻點所對應的波長相近，黑體定標源錐體高度為錐底邊長或半徑的2?6倍。
[0034]S202:在S201的基礎上，繼續進行黑體定標源電磁學特性優化設計，對黑體定標源尖劈陣列的形式進行優化，包括S8:可採用方錐、圓錐及六稜錐陣列。其中方錐陣列形式可基於鑄造工藝進行陣列整體加工，成本較低，圓錐及六稜錐陣列需要對每個尖劈進行單獨加工然後再拼接，工藝較為複雜，成本較高，圓錐及六稜錐陣列適用於對微波亮溫極化均勻度要求較高的應用。
[0035]S203:在S202的基礎上，繼續進行黑體定標源電磁學特性優化設計，對黑體定標源尖劈表面吸波材料塗敷方式進行優化，可採取S9:—種吸波材料單層均勻厚度塗敷、一種吸波材料單層漸變厚度塗敷、多種吸波材料多層均勻塗敷、多種吸波材料多層漸變塗敷等不同塗敷方式。
[0036]S3、在完成黑體定標源電磁學特性優化設計S2的基礎上，對黑體定標源的熱力學特性進行優化仿真設計，採用熱力學數值分析方法對實驗室條件下(同時存在熱傳導、熱對流和熱輻射三種傳熱方式)和熱真空條件下(同時存在熱傳導和熱輻射兩種傳熱方式)進行優化設計，得出變溫微波赫體定標源尖劈表面物理溫度分布，並將熱力學特性的仿真分析結果反饋給電磁學優化設計。
[0037]S4、在完成首次黑體定標源熱力學特性優化設計S3的基礎上，根據變溫微波赫體定標源尖劈表面物理溫度分布情況是否滿足溫度分布集中度要求，需要重新設計黑體定標源尖劈陣列尺寸、陣列形式、吸波材料塗敷方式，進而反饋進行黑體定標源電磁學特性優化設計，直到變溫微波赫體定標源電磁學與熱力學協同優化結果符合設計要求，也即黑體定標源發射率e > 0.999)。
[0038]S5、在以上仿真設計的基礎上，加工變溫微波赫體定標源並進行實驗測試，並用測試結果反饋修正仿真，確保黑體定標源發射率e > 0.999。最終獲得符合設計指標的變溫微波赫體定標源基體。
[0039]如圖2為本發明專利黑體定標源基體結構及測溫位置結構圖，微波赫體定標源基體I的表面塗覆有吸波材料2，黑體定標源向外輻射微波亮溫3，為提高變溫微波赫體定標源輻射微波亮溫值的精度，需要在溫度漸變分布的變溫微波赫體定標源尖劈表面確定物理溫度平均值，在該物理溫度平均值所處的尖劈表面相應位置設置微波赫體定標源測溫電阻4，以確保測溫電阻測得的溫度和尖劈表面的等效溫度接近一致，也使變溫微波赫體定標源向外輻射的微波亮溫值不確定度< 0.05K。
[0040]顯然，本發明的上述實施例僅僅是為清楚地說明本發明所作的舉例，而並非是對本發明的實施方式的限定，對於所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動，這裡無法對所有的實施方式予以窮舉，凡是屬於本發明的技術方案所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處於本發明的保護範圍之列。
【權利要求】
1.一種高精度變溫微波赫體定標源的綜合設計方法，其特徵在於，該設計方法包括如下步驟: S1:確定變溫微波赫體定標源的工作頻段、變溫範圍和工作環境； 52:對黑體定標源進行電磁學特性優化設計； 53:對黑體定標源進行熱力學特性優化設計，並進行仿真分析； S4:根據仿真分析結果，對黑體定標源電磁學特性優化設計進行反饋並重新設計，直至黑體定標源電磁學與熱力學協同的優化結果符合要求； S5:根據所述優化結果，加工黑體定標源並進行實驗測試，並用測試結果反饋修正仿真分析。
2.根據權利要求1所述的一種高精度變溫微波赫體定標源的綜合設計方法，其特徵在於，所述S2中對黑體定標源進行電磁學特性優化設計包括: 5201:對黑體定標源尺寸進行優化，確定黑體定標源的椎體高度和椎底邊長或半徑； 5202:對黑體定標源的尖劈陣列形式進行優化； 5203:對黑體定標源的尖劈表面吸波材料塗覆方式進行優化。
3.根據權利要求2所述的一種高精度變溫微波赫體定標源的綜合設計方法，其特徵在於，所述S201黑體定標源錐底邊長或半徑與黑體定標源工作頻段低頻點所對應的波長相近，黑體定標源錐體高度為錐底邊長或半徑的2?6倍。
4.根據權利要求2所述的一種高精度變溫微波赫體定標源的綜合設計方法，其特徵在於，所述S202黑體定標源尖劈陣列形式包括方錐、圓錐或六稜錐陣列。
5.根據權利要求2所述的一種高精度變溫微波赫體定標源的綜合設計方法，其特徵在於，所述S203對黑體定標源的尖劈表面吸波材料塗覆方式採用吸波材料單層均勻厚度塗敷、吸波材料單層漸變厚度塗敷、多種吸波材料多層均勻塗敷或多種吸波材料多層漸變塗敷。
6.根據權利要求1所述的一種高精度變溫微波赫體定標源的綜合設計方法，其特徵在於，所述S3對黑體定標源進行熱力學特性優化設計包括:採用熱力學數值分析方法對在實驗室條件下和熱真空條件下，確定變溫微波赫體定標源尖劈表面物理溫度分布。
7.根據權利要求1所述的一種高精度變溫微波赫體定標源的綜合設計方法，其特徵在於，所述S4對黑體定標源電磁學特性優化設計進行反饋並重新設計是指重新設計黑體定標源尖劈陣列尺寸，陣列形式，吸波材料塗覆方式。
【文檔編號】G01J5/00GK103616079SQ201310706534
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2013年12月19日 優先權日:2013年12月19日
【發明者】年豐, 程春悅, 何巍, 翟宏, 楊於傑 申請人:北京無線電計量測試研究所