肖亮翻译水瓶座L波段微波辐射计.docx

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肖亮翻译水瓶座L波段微波辐射计

电气与电子工程学院

毕业设计外文翻译资料

学号1210200819

姓名肖亮

班级12电信2班

IEEEJOURNALOFSELECTEDTOPICSINAPPLIEDEARTHOBSERVATIONSANDREMOTESENSING,VOL.8,NO.12,DECEMBER2015

AquariusL-BandMicrowaveRadiometer:

3Years

ofRadiometricPerformanceandSystematicEffects

JeffreyR.Piepmeier,SeniorMember,IEEE,LiangHong,Member,IEEE，andFernandoA.Pellerano,SeniorMember,IEEE

水瓶座L波段微波辐射计：

三年辐射性能和系统性能的影响

摘要：

水瓶座L波段微波辐射计是一个用来设计测量海平面盐度的三波束推扫式仪器。

结果分析了三年多的操作中性能和系统的影响。

热量控制系统维护严格的温度稳定性来提升良好的增益稳定性。

增益频谱展示出预期的轨道变化在较长一个时间段出现1/f的噪声。

飞行器上的探测和集成方案同校准算法相耦合产生使天线温度（antennatemperatures）的噪声等效温差（NEDT）在1.44s/次的采样中小于0.16K。

在发射前就具有非线性的特征并且推算出的修正是被冷空校准（CSC）数据所证实的。

最后，长期漂移被发现在所有拥有1K振幅和100天的时间常数的频道。

尽管如此，但它还是很熟练地使用一个指数模型来进行修正。

索引词校准，微波辐射计。

目录

1.引言4

2.辐射计热稳定性5

3.随机噪声和增益稳定性9

4.系统效应11

A.非线性12

B.校准漂移13

5.讨论17

6.附录17

1.引言

水瓶座辐射计星载应用计划（SAC）是NASA和阿根廷的国家空间活动委员会（CONAE）之间的合作，卫星于2011年6月10日在美国加州范登堡被发射到了657公里的高度,下午6点的升交点且与太阳同步的极轨道上。

提供第一次从太空主动和被动相结合的L波段微波测量，水瓶座仪器被专门设计用来测量公开海域的季节和年际的SSS变化。

水瓶座辐射计是一个在频率为1413MHz带宽为25-MHz上测量前三个斯托克斯参数的三光束推扫式被动微波传感器。

这样的设计使它能运行在1400-1427MHz主要独家分配给被动遥感来避免严重的射频干扰（RFI）的频率范围之内并且仍然保持对海洋表面盐度的敏感度。

热稳定辐射计通过参考负荷和在测量海域的前三个斯托克斯参数后的多个噪声二极管进行内部校准，并且在7天的轨道周期中保持精确的放射稳定性（<0.13Krms）。

在更长的一段时间中，测量会使用全球平均的预期天线温度或者海洋替代冷点的亮度温度来进行外部校准，去支持海域海面盐度在不确定性小于0.2psu时的恢复。

这篇论文描述了强调稳定性、线性和可观察的系统影响的水瓶座辐射计的在轨性能表现。

2.辐射计热稳定性

辐射计的硬件设计为热稳定来提升校准稳定性使之小于0.13Krms/7天。

一个仪器框图见图1。

热控制器保持严格的对辐射计前端（RFE）和辐射计后端（RBE）的热量控制使之在一个轨道期间，峰值差距小于0.1◦C。

RFE包含的组件：

相关噪声二极管（CND），耦合器，双工器，同轴电缆，内部校准源（DickeloadDLandnoisediodeND）,还有一阶低噪声放大器（LNAs）。

RBE包含剩余的放大器，带通滤波器，侦测设备，电压-频率转换器（VFCs）。

前端有损组件包括直接式收发转换器（OMT），外部CND的定向耦合器，频率双工器和可连接的同轴电缆，它进行内部校准循环也是一个校准不稳定的潜在来源。

RFE温度被一打铂电阻温度计（PRTs）监控。

每一个在前端组件上的PRT每5.76秒被读一次，并且有小于0.01◦C的分辨率，精度为±0.5◦C。

迪克负载和内部噪声二极管温度以双极方式被测量来避免长期的电路漂移。

图1简化的方框图（从右到左）显示每个辐射计的前端有损组件,RFE和RBE

仪器的温度历史如图2和图3所示。

前端有损组件的温度被观察到在每个轨道期间的变化小于0.1◦C，并且周期性的小于0.2◦C，分别如图2（a）和3（a）所示。

迪克负载和内部噪声二极管温度如图2（b）和3（b）所示，并且每个轨道期间的变化小于0.05◦C，年度的变化小于0.1◦C。

同样的，在RBE上的侦测器温度如图2（c）和3（c）所示,分别为每个轨道期间的变化为0.05◦C，每年度的变化为0.1◦C。

图2图3

二级处理算法能产生部分校准天线温度来补偿辐射计硬件的物理温度。

已证明了的热稳定性对校准稳定性很重要。

然而，地面校准算法能修正因前端的损耗的天线温度校准算法。

热稳定性确保时变系统误差的校正是微不足道的。

前端的损耗系数在发射前采用类似[7]的技术来被测量。

结果如表1所示。

总的损耗系数是1.3±1%，并且如果保持不补偿的状态，损失还会周期性的在60mK中产生TA变量。

然而，补偿之后，由于对损耗系数的不确定性估计，在时变部分的不确定性的修正仅有周期性的5mK。

因为硬件的热稳定，使得不确定性很低。

表1前端组件损耗系数

长的时间尺度下热环境提升了校准稳定性使之有低的偏移误差和可替代的校准来补偿刻度误差。

偏移误差是可以忽略不计的由于一个前端近乎等温的设计。

根据号角形馈电器，这个典型的甚至是外部的校准辐射计，内部参考负载和有损组件之间的温差小于2◦C，导致了参考温度偏移小于0.2K。

地面校准算法　　补偿了倾斜度。

虽然如此，但偏移误差的长期变化由于长期的温度稳定，如图3所示，并不是一个问题。

在RFE和RBE上活跃的元件也要经历轨道期和周期性的温度变化如图2（b），2（c）和3（b），3（c）所示。

这些变化调整了辐射计增益,噪声图,校准噪声源和非线性,所有这些在之前发射的特征。

地面校准算法实现对依赖于内部校准噪声源和非线性的温度的修正。

噪声源大约拥有二兆分之一的温度系数使它们至少在短期里比全黑躯壳更加的热稳定。

内部校准源长期的稳定被认为是困难的，由于有源或者无源元件会的自身老化或者其他的在轨道上的现象。

在校准算法中增益和偏移的评估过程有充足的带宽来通过轨道的热驱动变化，同时仍能平均下来随机噪声。

3.随机噪声和增益稳定性

三波束辐射计其中的一束在地面上的最小投影波束宽度有76公里的循迹距离。

这个距离匹配地面跟踪速率6.8kms−1,结果上等效成一个截止频率为41mHz的低通滤波器。

这样，从地球自然产生的热散射的波动强度将会出现在天线端成为一个时间常数为3.9秒的低通信号包络,如在图4最左边的轨迹所示。

其他的两个波束分别拥有的循迹宽度为84和96公里且等效时间常数分别为4.4秒和5.1秒。

辐射计的硬件，运行策略和校准算法都是为了减小在该时间尺度上的噪音。

图4

辐射计通过探测器读取传输脉冲时的电路空白来和散射仪进行同步运行，并在雷达回波期间进行集成整合。

这种集成和复位操作反复在每个雷达脉冲重复间隔（PRI）发生。

需要注意的是射频过滤以确保雷达回波不被辐射计探测到。

集分是通过使用一个电压频率变换器（VFC）和数字计数器来提供等效于9-ms窗口期和1ms重置期的时域平均积分（boxcarintegration）来实现的。

视频放大器必须响应消隐脉冲，驱动电压频率转换器（VFC）使之有足够的转换速率，并且实现14-kHz的截止频率。

视频放大器的频率响应曲线（标记为RBE）和时域平均积分器（标记为PRI）是在图4最右边的两个轨迹。

RBE电路响应在9-ms的积分期间有小于1%的衰减。

然而9-ms采样的进一步积累能够执行飞行器上天线的等效频率响应，个别的采样下行传输提供检测和清除RFI（射频干扰）。

一些采用被集成成对来减少对存储容量的要求，但是对RFI缓解的质量没有重大的影响。

在科学处理软件　　上的校准算法积累多个样本到1.44秒的运行时间来产生在二级数据产品上校准的天线温度。

由于天线轨迹在1.44秒的时间仅为10公里，故二级产品仍然是过采样天线响应。

然而采样是空间相关的，但他们在噪声上仍然是不相关的，而且在三级处理时被平均化.

天线能量的9-ms采样中散布了迪克负荷开关的校准和额外的噪声源提供的周期性的增益和偏移校准。

失去了天线积分时间的噪声等效温差（NEDT）减弱和改进的校准噪声之间的平衡被打破。

早期的原型辐射仪测试结果引导了了水瓶座辐射计的计划：

7/12的天线占空比和5/12的校准占空比。

换句话说，在一个轨迹期间，交叉校准和天线转换导致了一个理想全功率辐射计（忽略增益不稳定性）NEDT30%的退化。

这是一个很好的折衷，因为替代分组校准在保留的连续的时间内像一个扫描辐射计，不然会导致观测的海洋的空间欠采样。

小于100%占空比的积分算法的频率响应是以图4中的二级数据处理“L2”为特征的。

在8.3Hz的频谱旁瓣通过混叠热噪声负责额外的NEDT。

NEDT在发射前后以图5中的结果为特征。

在发射前，NEDT是在严厉的热控制和紧盯着TA大约为120K的cold-FETs（冷场效应管）下收集30分钟的数据产生1250个L2等效采样来估计的。

长期的运行是必要的为了在标准估计差中得到更低的不确定性。

所有的频道都分别的遵从所必需的0.16的NEDT和0.22K的V和H极化以及第三斯托克斯参数。

发射后，NEDT使用在公开海域上收集到的双样本艾伦偏差计算数据来被测量。

因为条件不受控制，仅仅只有几百个采样被获取。

尽管如此，所有的频道都证明他们对以上必须要求的遵从。

H-极化通道在海域之上有更低的NEDT因为相比用于地面测试的cold-FETs（冷场效应管）海洋有更低的亮度温度。

图5

因为校准是整个上时间分布的，增益和偏移系数的均值应用在该算法中来提供积分时间减少随机噪声的估值。

高频的校准也减少了1/f的噪声影响。

辐射计增益的归一化功率谱如图6所示。

响应是由轨道热波动控制的，被证实强峰在5872秒或者1个轨道周期和它的第二个谐波。

1/f噪声有一个轻微的增加发生在200µHz低于100µHz。

为了测量下降到10µHz的功率谱，使用600000个噪声二极管挠度每隔1.44s间隔采样跨越近10天。

仪器和算法每1.44秒提供增益和偏移估计量，随后被平均为额外的噪声降低。

偏移平均为5分钟，增益平均为1分钟，这些都是由于使用在地面测试的硬件原型而预先决定的。

Boxcar滤波器的频率响应如图6所示。

正如所看到的，增益和偏移量平均滤波器响应通过热驱动和1/f增益变化，所以算法可以产生校准天线温度。

图6辐射计获得的功率谱密度和频率响应校准系数平均滤波器

4.系统效应

当已知或被预期到，系统效应在发射前的特征以及发射后设计到科学运作中的规定补偿。

特别是非线性和噪声源漂移被发现是地面测试时误差的来源。

非线性修正来源于地面测试数据和包含于校准算法中的修正。

拥有指数特征的噪声源缓慢漂移发现在早期的原型测试中并且postlaunch校准被用于纠正在轨道上发现的漂移。

一个意想不到的系统效应是拥有周期性误差校准变量的非单调摆动。

A.非线性

辐射计电子本质上是非线性的由于微波放大器、功率检测器以及VFCs（电压频率转换器）的作用。

一个物理上温度依赖的的校正被推导出来用于原始计数来促使辐射计的增益在所有数值的天线温度计算时保持恒定。

在地面测试期间，噪声温度在100到3000K之间来作为辐射计的RBE不同物理温度的输入，在那里有最后一阶微波放大器和平方律检波器。

图7展示出了其中一个测试的天线数量与对应的时间关系。

在测试期间，内部噪声源被触发来使辐射计在天线和天线+噪声之间切换。

辐射计输出的变化被称为噪声二极管偏移，其本应该保持为一个线性的辐射计。

推导出的适用于校准算法中的原始计数的校正促使噪声二极管偏转保持几乎不变。

图7用于描述辐射计非线性特征的典型天线数的数值

噪声二极管偏转很便利地被描述为一个被在一次测试中最小的天线温度偏差标准化的偏差率（DR）。

对于一个线性的辐射计，DR是一致的。

图8展示了波束一的水平极化（通道1H）偏差率（DR），作为一个在使用地面测试数据非线性校正之前和之后的天线计数的函数。

在这里,我们显示通道1H因为它有超过1V的非线性特征。

其他的水瓶座通道也表现为类似的方式。

DR可以被解读为为了预测非线性引起的最大误差的增益比：

δTmax

这些地面测量表明该算法达到了1K错误纠正。

为了验证发射后的非线性修正，DR在一个冷空校准（CSC）轨道期间被绘制。

地面校准和在轨验证有两个主要的区别。

在地面，用于线性校准的最小天线温度是100K，然而CSC仅获得几开尔文。

另外，地面测试的范围达到了3000开尔文，然而在轨测量仅仅去到了300开尔文。

天线数和DR值被分别绘制在了图9和图10。

CSC数据和地面测试数据保持了一致。

优先于非线性校正,在辐射计的完整动态范围上的系统天线温度误差可以大到0.7开尔文。

图9

图10

B.校准漂移

两种时变系统效应在长期的全球平均海洋天线噪声温度的分析和一个由二级数据结果记录的天线温度模型是很明显的。

存在长期的1K振幅指数漂移和0.1K振幅的非单调摆动（见图11）。

在发布的版本2中的L2数据产品,其效应很大程度上分配到了辐射计硬件，漂移很可能是由在RFE或前端组件之内的变化所引起的。

那个时候，摆动的根源是不确定的；然而最近的研究表明它们是由VFC锁定引起的。

来确定影响的根源的主要的诊断技术是对噪声二极管DR时间序列的分析。

图11

所有六个辐射计通道的长期漂移以指数衰减为特征。

指数恰好适用于使用了2014年5月19日的数据来计算的校准模型异常，如图11所示。

它们的振幅和时间常数列在表二中并且范围分别为0.9到1.2K和90到110天。

通道之间的一致性表明了一些引起漂移的系统原因。

注意在海域1K的天线温度变化相当于大约0.5%的噪声源振幅变化。

表二

观察的校准漂移参数

如果噪声二极管额外的噪声温度被设置的高于它在校准算法中应该的温度，海域的天线温度校准将会变得太低。

换句话说，如果噪声二极管输出随着时间减少，同时在算法中校准系数TND保持不变，那么海域的校准误差将漂移的更消极。

正如图12中所示，这是一个简化了的校准等式的图形版本：

TA=TDL−TND（CDL−CA）/（CND−CDL）

其中Tx和Cx是天线和Dicke负载，噪声二极管申明温度并且分别在x=A，DL和ND时候计数。

该效应的一个诊断结论就是内部的天线数噪声二极管偏移（NDA）的比率高于外部的天线数CND偏移当观测海洋时。

六个辐射计通道的NDA/CND比率的时间序列初始化为一致绘制在图13中，并且它们的时间常数被列在了表二最右边的一列。

如果CND被假定为有与内部噪声二极管不同的时间常数，然后该时间常数的比率是1/τ=1/τND−1/τCND。

规定图11中所示的校准漂移为内部噪声二极管导致CND时间常数范围为55到65天。

这个结果　　与早期的尝试去使用CND而不是内部噪声二极管来校准辐射计增益保持一致。

漂移是被减少的但不能被消除。

图12

图13

5.讨论

水瓶座微波辐射计性能和系统效应在超过三年的运行中被阐述。

所有的6个辐射计通道被发现显示出一个长期的漂移，这些都被很好的使用一个拥有1k振幅和100天时间常数的指数衰减所建模。

由地面测试推导出的非线性修正使用在轨数据来验证。

此外，在轨测量的NEDT与发射前的测量是一致的，并且满足所需要的裕度。

使用10天的显示预期的轨道波动的数据作为辐射计增益稳定的特点。

它的1/f噪声足够低以允许校准算法平均。

辐射计的性能由通过自动温度控制器实现的优良的热稳定性来提供支持，该控制器限制轨道和季节变化小于0.2◦C。

因此,辐射计性能足以完成Aquarius/SAC-D的任务取到海洋表面盐度。

6.附录

校准算法包含一个非线性校正，其计数标准是在校准系数被计算和应用之前：

p（h（Tsys））=gTsys

其中Tsys是系统噪声温度,h（Tsys）是真实的（非线性的）辐射计的传递函数，p（）是线性化函数扮演多项式

对于水瓶座来说,使用一个三阶多项式，其与探测器的膨胀行为和微波放大器的压缩行为一致。

因此，辐射计的计数被线性化之后，合成系统的增益是恒定的。

因为辐射计有内部噪声二极管，其增加了一个恒定数量的功率，微分方程　　能够被近似为一个有限差分方程。

其中Cj为天线计数，CND,j为天线加上噪声二极管数量。

由打开噪声二极管所产生的计数上的不同称之为噪声二极管偏移。

噪声二极管温度的产物和线性的增益等于线性偏转并且上面的所有都可以被改写为DR。

为了方便起见，gTND在一些用下标0表示的参考值Tsys上被定义，其为最小的天线温度。

给定若干个观测到的j作为噪声二极管对不同的输入系统温度偏移,p的系数可以通过求解一个超定线性方程组得到。