[發明專利]一種喇叭天線測試天空亮溫的方法

在審

• 申請號: 202110478562.7
• 申請日: 2021-04-30
• 公開（公告）號: CN113175997A
• 公開（公告）日: 2021-07-27
• 發明（設計）人: 王凱;曹亮;陳卯蒸;寧云煒;閆浩;段雪峰;馬軍;項斌斌;張華;李健;裴鑫;托乎提努爾;楊文軍;劉烽;王洋
• 申請（專利權）人: 中國科學院新疆天文臺
• 主分類號: G01J5/46
• 分類號: G01J5/46;G01J5/52
• 代理公司: 烏魯木齊中科新興專利事務所(普通合伙) 65106
• 代理人: 張莉

本發明涉及一種喇叭天線測試天空亮溫的方法，該方法首先結合常溫高溫負載法獲取接收機功率及溫度響應比率，利用理論計算方式獲取接收機噪聲溫度，通過測試常溫負載覆蓋至喇叭天線口面時接收機的功率輸出，結合功率及溫度響應比率和接收機理論噪聲溫度，獲取當前仰角下接收機的地面噪聲溫度，再通過測試當前仰角下天空輻射對應的接收機功率輸出，結合獲取的功率及溫度響應比率、接收機理論噪聲溫度，以及測試到的地面噪聲溫度，精確計算出當前仰角下的天空亮溫。該方法無需依賴不易操作的低溫負載便獲取接收機功率及溫度響應比率，并測試喇叭天線主波束在0到90度仰角內天線旁瓣及后瓣產生的地面噪聲，以便將天空亮溫從系統溫度中精確分離，直接應用于接收機強度校準及大氣不透明度測量等研究工作。

技術領域

本發明涉及一種喇叭天線測試天空亮溫的方法，專門用于射電天文領域接收機強度校準及大氣不透明度測量等研究工作。

背景技術

在射電天文領域有多種接收機的強度校準方法，其中斬波輪校準方法是通過在接收機饋源喇叭頂部交替引入和移除一個常溫黑體，使接收機交替測試常溫黑體和天空的輻射，以此測試接收機噪聲溫度的方法。其原理與傳統的冷熱負載法相同，只是將該方法中不易使用的液氮中浸泡的黑體負載(冷負載)用天空代替，測試時僅需在饋源喇叭口面交替引入或者移除常溫負載便可對接收機進行校準。公式1為斬波輪法計算接收機噪聲溫度T_rec的公式，V_amb為常溫黑體負載覆蓋至饋源喇叭口面接收機的功率輸出，T_amb為常溫黑體負載溫度，V_sky為接收機饋源喇叭波束在當前仰角下對向天空時的功率輸出，T_sky為當前仰角下對應的天空亮溫值，其中前三項都可以通過功率計及溫度計進行精確測試。

斬波輪法優勢在于可以在觀測中、天線處于任意仰角下進行實時校準。鑒于斬波輪校準簡單易行，僅需在接收機饋源口面設置一個具備斬波功能的常溫黑體，便可進行強度校準，因此該方法在毫米波強度校準中被廣泛應用。該方法的關鍵是在校準時需要知道對應波段在不同仰角下的天空亮溫值。

除了應用于接收機強度校準，天空亮溫還可用于大氣不透明度測量研究。大氣不透明度是大氣衰減的一個度量，主要與氧氣和水蒸氣含量有關，其次還與它們的時空變異性有關，大氣不透明度是大氣對射電信號吸收效應最直接的參數表現。任何一個毫米波觀測站都需要在特定頻率處測定大氣不透明度及其隨時間的變化，從大氣不透明度的測量數據出發，借助于大氣模型，決定其水汽含量，由此外推其它毫米波波段大氣的不透明度，研究各個波段大氣對毫米波與亞毫米波觀測的影響。大氣不透明度也可用來作為定量評價觀測站點是否可以作為毫米波與亞毫米波觀測臺址的參數指標。國際上較多工作在毫米波及亞毫米波段的單天線和綜合孔徑干涉陣地面設備，例如在夏威夷國際天文臺的JCMT望遠鏡、CSO望遠鏡和SMA亞毫米波干涉陣，另有在智利Atacama高原建設的64*12米的ALMA亞毫米波干涉陣等，上述觀測臺站均在前期對臺址的大氣不透明度進行了長時間測量，用于評估臺址是否符合觀測需求。

大氣不透明度一般表示為_τ，即為光學深度，實際衰減可表示為e^-τ。大氣傳輸與吸收的關系是相反的，故大氣傳輸表示為1-e^-τ。假設地球大氣是平行分層的，這個吸收在一個任意的天頂角以“sec z”項被給出，所以信號被大氣的衰減可以表示為公式2。其中_τ0是天頂方向上的光學深度，A是大氣質量(＝sec(z))，z是天頂角(90°減去俯仰角度el)。