肖亮翻譯-水瓶座L波段微波輻射計(jì)

1、電氣與電子工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)外文翻譯資料 學(xué)號(hào)1210200819 姓名 肖亮 班級(jí)12電信2班IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN APPLIED EARTH OBSERVATIONS AND REMOTE SENSING, VOL. 8, NO. 12, DECEMBER 2015Aquarius L-Band Microwave Radiometer: 3 Yearsof Radiometric Performance and Systematic EffectsJeffrey R. Piepmeier, Senior Member, IEEE, Liang

2、 Hong, Member,IEEE，and Fernando A. Pellerano, Senior Member, IEEE水瓶座L波段微波輻射計(jì)：三年輻射性能和系統(tǒng)性能的影響摘要：水瓶座L波段微波輻射計(jì)是一個(gè)用來設(shè)計(jì)測(cè)量海平面鹽度的三波束推掃式儀器。結(jié)果分析了三年多的操作中性能和系統(tǒng)的影響。熱量控制系統(tǒng)維護(hù)嚴(yán)格的溫度穩(wěn)定性來提升良好的增益穩(wěn)定性。增益頻譜展示出預(yù)期的軌道變化在較長一個(gè)時(shí)間段出現(xiàn)1 / f的噪聲。飛行器上的探測(cè)和集成方案同校準(zhǔn)算法相耦合產(chǎn)生使天線溫度（antenna temperatures）的噪聲等效溫差（NEDT）在1.44 s/次的采樣中小于0.16 K。在發(fā)射前就

3、具有非線性的特征并且推算出的修正是被冷空校準(zhǔn)(CSC)數(shù)據(jù)所證實(shí)的。最后，長期漂移被發(fā)現(xiàn)在所有擁有1K振幅和100天的時(shí)間常數(shù)的頻道。盡管如此，但它還是很熟練地使用一個(gè)指數(shù)模型來進(jìn)行修正。索引詞 校準(zhǔn)，微波輻射計(jì)。 目錄 1. 引言42. 輻射計(jì)熱穩(wěn)定性53. 隨機(jī)噪聲和增益穩(wěn)定性94. 系統(tǒng)效應(yīng)11A. 非線性12B. 校準(zhǔn)漂移135. 討論176. 附錄171. 引言水瓶座輻射計(jì)星載應(yīng)用計(jì)劃（SAC）是NASA和阿根廷的國家空間活動(dòng)委員會(huì)（CONAE）之間的合作，衛(wèi)星于2011年6月10日在美國加州范登堡被發(fā)射到了657公里的高度,下午6點(diǎn)的升交點(diǎn)且與太陽同步的極軌道上。提供第一次從太空主

4、動(dòng)和被動(dòng)相結(jié)合的L波段微波測(cè)量，水瓶座儀器被專門設(shè)計(jì)用來測(cè)量公開海域的季節(jié)和年際的SSS變化。水瓶座輻射計(jì)是一個(gè)在頻率為1413MHz帶寬為25-MHz上測(cè)量前三個(gè)斯托克斯參數(shù)的三光束推掃式被動(dòng)微波傳感器。這樣的設(shè)計(jì)使它能運(yùn)行在1400-1427MHz主要獨(dú)家分配給被動(dòng)遙感來避免嚴(yán)重的射頻干擾(RFI)的頻率范圍之內(nèi)并且仍然保持對(duì)海洋表面鹽度的敏感度。熱穩(wěn)定輻射計(jì)通過參考負(fù)荷和在測(cè)量海域的前三個(gè)斯托克斯參數(shù)后的多個(gè)噪聲二極管進(jìn)行內(nèi)部校準(zhǔn)，并且在7天的軌道周期中保持精確的放射穩(wěn)定性( 0.13 K rms)。在更長的一段時(shí)間中，測(cè)量會(huì)使用全球平均的預(yù)期天線溫度或者海洋替代冷點(diǎn)的亮度溫度來進(jìn)行外部

5、校準(zhǔn)，去支持海域海面鹽度在不確定性小于0.2psu時(shí)的恢復(fù)。這篇論文描述了強(qiáng)調(diào)穩(wěn)定性、線性和可觀察的系統(tǒng)影響的水瓶座輻射計(jì)的在軌性能表現(xiàn)。2. 輻射計(jì)熱穩(wěn)定性輻射計(jì)的硬件設(shè)計(jì)為熱穩(wěn)定來提升校準(zhǔn)穩(wěn)定性使之小于 0.13 K rms / 7天。一個(gè)儀器框圖見圖1 。熱控制器保持嚴(yán)格的對(duì)輻射計(jì)前端（RFE）和輻射計(jì)后端（RBE）的熱量控制使之在一個(gè)軌道期間，峰值差距小于0.1C。RFE包含的組件：相關(guān)噪聲二極管(CND)，耦合器，雙工器，同軸電纜，內(nèi)部校準(zhǔn)源(Dicke load DL and noise diode ND), 還有一階低噪聲放大器（LNAs）。RBE包含剩余的放大器，帶通濾波器，偵

6、測(cè)設(shè)備，電壓-頻率轉(zhuǎn)換器（VFCs）。前端有損組件包括直接式收發(fā)轉(zhuǎn)換器（OMT），外部CND的定向耦合器，頻率雙工器和可連接的同軸電纜，它進(jìn)行內(nèi)部校準(zhǔn)循環(huán)也是一個(gè)校準(zhǔn)不穩(wěn)定的潛在來源。RFE溫度被一打鉑電阻溫度計(jì)（PRTs）監(jiān)控。每一個(gè)在前端組件上的PRT每5.76秒被讀一次，并且有小于0.01C的分辨率，精度為0.5C。迪克負(fù)載和內(nèi)部噪聲二極管溫度以雙極方式被測(cè)量來避免長期的電路漂移。圖1 簡化的方框圖(從右到左)顯示每個(gè)輻射計(jì)的前端有損組件,RFE和RBE儀器的溫度歷史如圖2和圖3所示。前端有損組件的溫度被觀察到在每個(gè)軌道期間的變化小于0.1 C，并且周期性的小于0.2 C，分別如圖2（a

7、）和3（a）所示。迪克負(fù)載和內(nèi)部噪聲二極管溫度如圖2（b）和3（b）所示，并且每個(gè)軌道期間的變化小于0.05 C ，年度的變化小于0.1 C。同樣的，在RBE上的偵測(cè)器溫度如圖2（c）和3（c）所示,分別為每個(gè)軌道期間的變化為0.05 C ，每年度的變化為0.1 C。 圖 2 圖 3二級(jí)處理算法能產(chǎn)生部分校準(zhǔn)天線溫度來補(bǔ)償輻射計(jì)硬件的物理溫度。已證明了的熱穩(wěn)定性對(duì)校準(zhǔn)穩(wěn)定性很重要。然而，地面校準(zhǔn)算法能修正因前端的損耗的天線溫度校準(zhǔn)算法。熱穩(wěn)定性確保時(shí)變系統(tǒng)誤差的校正是微不足道的。前端的損耗系數(shù)在發(fā)射前采用類似7的技術(shù)來被測(cè)量。結(jié)果如表1所示?？偟膿p耗系數(shù)是1.3 1%，并且如果保持不補(bǔ)償?shù)臓顟B(tài)

8、，損失還會(huì)周期性的在60 mK中產(chǎn)生TA變量。然而，補(bǔ)償之后，由于對(duì)損耗系數(shù)的不確定性估計(jì)，在時(shí)變部分的不確定性的修正僅有周期性的5mK。因?yàn)橛布臒岱€(wěn)定，使得不確定性很低。表 1 前端組件損耗系數(shù)長的時(shí)間尺度下熱環(huán)境提升了校準(zhǔn)穩(wěn)定性使之有低的偏移誤差和可替代的校準(zhǔn)來補(bǔ)償刻度誤差。偏移誤差是可以忽略不計(jì)的由于一個(gè)前端近乎等溫的設(shè)計(jì)。根據(jù)號(hào)角形饋電器，這個(gè)典型的甚至是外部的校準(zhǔn)輻射計(jì)，內(nèi)部參考負(fù)載和有損組件之間的溫差小于 2C，導(dǎo)致了參考溫度偏移小于0.2K。地面校準(zhǔn)算法補(bǔ)償了傾斜度。雖然如此，但偏移誤差的長期變化由于長期的溫度穩(wěn)定，如圖3所示，并不是一個(gè)問題。在RFE和RBE上活躍的元件也要經(jīng)

9、歷軌道期和周期性的溫度變化如圖2(b)，2(c)和3(b)，3(c)所示。這些變化調(diào)整了輻射計(jì)增益,噪聲圖,校準(zhǔn)噪聲源和非線性,所有這些在之前發(fā)射的特征。地面校準(zhǔn)算法實(shí)現(xiàn)對(duì)依賴于內(nèi)部校準(zhǔn)噪聲源和非線性的溫度的修正。噪聲源大約擁有二兆分之一的溫度系數(shù)使它們至少在短期里比全黑軀殼更加的熱穩(wěn)定。內(nèi)部校準(zhǔn)源長期的穩(wěn)定被認(rèn)為是困難的，由于有源或者無源元件會(huì)的自身老化或者其他的在軌道上的現(xiàn)象。在校準(zhǔn)算法中增益和偏移的評(píng)估過程有充足的帶寬來通過軌道的熱驅(qū)動(dòng)變化，同時(shí)仍能平均下來隨機(jī)噪聲。3. 隨機(jī)噪聲和增益穩(wěn)定性三波束輻射計(jì)其中的一束在地面上的最小投影波束寬度有76公里的循跡距離。這個(gè)距離匹配地面跟蹤速率6

10、.8 km s1,結(jié)果上等效成一個(gè)截止頻率為41 mHz的低通濾波器。這樣，從地球自然產(chǎn)生的熱散射的波動(dòng)強(qiáng)度將會(huì)出現(xiàn)在天線端成為一個(gè)時(shí)間常數(shù)為3.9秒的低通信號(hào)包絡(luò),如在圖4最左邊的軌跡所示。其他的兩個(gè)波束分別擁有的循跡寬度為84和96公里且等效時(shí)間常數(shù)分別為4.4秒和5.1秒。輻射計(jì)的硬件，運(yùn)行策略和校準(zhǔn)算法都是為了減小在該時(shí)間尺度上的噪音。圖4輻射計(jì)通過探測(cè)器讀取傳輸脈沖時(shí)的電路空白來和散射儀進(jìn)行同步運(yùn)行，并在雷達(dá)回波期間進(jìn)行集成整合。這種集成和復(fù)位操作反復(fù)在每個(gè)雷達(dá)脈沖重復(fù)間隔（PRI）發(fā)生。需要注意的是射頻過濾以確保雷達(dá)回波不被輻射計(jì)探測(cè)到。集分是通過使用一個(gè)電壓頻率變換器（VFC）和

11、數(shù)字計(jì)數(shù)器來提供等效于9-ms窗口期和1 ms重置期的時(shí)域平均積分（boxcar integration）來實(shí)現(xiàn)的。視頻放大器必須響應(yīng)消隱脈沖，驅(qū)動(dòng)電壓頻率轉(zhuǎn)換器（VFC）使之有足夠的轉(zhuǎn)換速率，并且實(shí)現(xiàn)14-kHz的截止頻率。視頻放大器的頻率響應(yīng)曲線（標(biāo)記為RBE）和時(shí)域平均積分器（標(biāo)記為PRI）是在圖4最右邊的兩個(gè)軌跡。RBE電路響應(yīng)在9-ms的積分期間有小于1%的衰減。然而9-ms采樣的進(jìn)一步積累能夠執(zhí)行飛行器上天線的等效頻率響應(yīng)，個(gè)別的采樣下行傳輸提供檢測(cè)和清除RFI（射頻干擾）。一些采用被集成成對(duì)來減少對(duì)存儲(chǔ)容量的要求，但是對(duì)RFI緩解的質(zhì)量沒有重大的影響。在科學(xué)處理軟件上的校準(zhǔn)算法積

12、累多個(gè)樣本到1.44秒的運(yùn)行時(shí)間來產(chǎn)生在二級(jí)數(shù)據(jù)產(chǎn)品上校準(zhǔn)的天線溫度。由于天線軌跡在1.44秒的時(shí)間僅為10公里，故二級(jí)產(chǎn)品仍然是過采樣天線響應(yīng)。然而采樣是空間相關(guān)的，但他們?cè)谠肼暽先匀皇遣幌嚓P(guān)的，而且在三級(jí)處理時(shí)被平均化.天線能量的9-ms采樣中散布了迪克負(fù)荷開關(guān)的校準(zhǔn)和額外的噪聲源提供的周期性的增益和偏移校準(zhǔn)。失去了天線積分時(shí)間的噪聲等效溫差(NEDT)減弱和改進(jìn)的校準(zhǔn)噪聲之間的平衡被打破。早期的原型輻射儀測(cè)試結(jié)果引導(dǎo)了了水瓶座輻射計(jì)的計(jì)劃：7 / 12的天線占空比和5 / 12的校準(zhǔn)占空比。換句話說，在一個(gè)軌跡期間，交叉校準(zhǔn)和天線轉(zhuǎn)換導(dǎo)致了一個(gè)理想全功率輻射計(jì)（忽略增益不穩(wěn)定性）NEDT

13、 30%的退化。這是一個(gè)很好的折衷，因?yàn)樘娲纸M校準(zhǔn)在保留的連續(xù)的時(shí)間內(nèi)像一個(gè)掃描輻射計(jì)，不然會(huì)導(dǎo)致觀測(cè)的海洋的空間欠采樣。小于 100%占空比的積分算法的頻率響應(yīng)是以圖4中的二級(jí)數(shù)據(jù)處理“L2”為特征的。在8.3Hz的頻譜旁瓣通過混疊熱噪聲負(fù)責(zé)額外的NEDT。NEDT在發(fā)射前后以圖5中的結(jié)果為特征。在發(fā)射前，NEDT是在嚴(yán)厲的熱控制和緊盯著TA大約為120 K的cold-FETs（冷場(chǎng)效應(yīng)管）下收集30分鐘的數(shù)據(jù)產(chǎn)生1250個(gè)L2等效采樣來估計(jì)的。長期的運(yùn)行是必要的為了在標(biāo)準(zhǔn)估計(jì)差中得到更低的不確定性。所有的頻道都分別的遵從所必需的0.16的NEDT和0.22K的V和H極化以及第三斯托克斯參

14、數(shù)。發(fā)射后，NEDT使用在公開海域上收集到的雙樣本艾倫偏差計(jì)算數(shù)據(jù)來被測(cè)量。因?yàn)闂l件不受控制，僅僅只有幾百個(gè)采樣被獲取。盡管如此，所有的頻道都證明他們對(duì)以上必須要求的遵從。H-極化通道在海域之上有更低的NEDT因?yàn)橄啾扔糜诘孛鏈y(cè)試的cold-FETs（冷場(chǎng)效應(yīng)管）海洋有更低的亮度溫度。 圖 5因?yàn)樾?zhǔn)是整個(gè)上時(shí)間分布的，增益和偏移系數(shù)的均值應(yīng)用在該算法中來提供積分時(shí)間減少隨機(jī)噪聲的估值。高頻的校準(zhǔn)也減少了1/f的噪聲影響。輻射計(jì)增益的歸一化功率譜如圖6所示。響應(yīng)是由軌道熱波動(dòng)控制的，被證實(shí)強(qiáng)峰在5872秒或者1個(gè)軌道周期和它的第二個(gè)諧波。1 / f噪聲有一個(gè)輕微的增加發(fā)生在200Hz低于100

15、Hz。為了測(cè)量下降到10Hz的功率譜，使用600000個(gè)噪聲二極管撓度每隔1.44 s間隔采樣跨越近10天。儀器和算法每1.44秒提供增益和偏移估計(jì)量，隨后被平均為額外的噪聲降低。偏移平均為5分鐘，增益平均為1分鐘，這些都是由于使用在地面測(cè)試的硬件原型而預(yù)先決定的。Boxcar濾波器的頻率響應(yīng)如圖6所示。正如所看到的，增益和偏移量平均濾波器響應(yīng)通過熱驅(qū)動(dòng)和1 / f增益變化，所以算法可以產(chǎn)生校準(zhǔn)天線溫度。圖6 輻射計(jì)獲得的功率譜密度和頻率響應(yīng)校準(zhǔn)系數(shù)平均濾波器4. 系統(tǒng)效應(yīng)當(dāng)已知或被預(yù)期到，系統(tǒng)效應(yīng)在發(fā)射前的特征以及發(fā)射后設(shè)計(jì)到科學(xué)運(yùn)作中的規(guī)定補(bǔ)償。特別是非線性和噪聲源漂移被發(fā)現(xiàn)是地面測(cè)試時(shí)誤

16、差的來源。非線性修正來源于地面測(cè)試數(shù)據(jù)和包含于校準(zhǔn)算法中的修正。擁有指數(shù)特征的噪聲源緩慢漂移發(fā)現(xiàn)在早期的原型測(cè)試中并且postlaunch校準(zhǔn)被用于糾正在軌道上發(fā)現(xiàn)的漂移。一個(gè)意想不到的系統(tǒng)效應(yīng)是擁有周期性誤差校準(zhǔn)變量的非單調(diào)擺動(dòng)。A. 非線性輻射計(jì)電子本質(zhì)上是非線性的由于微波放大器、功率檢測(cè)器以及VFCs（電壓頻率轉(zhuǎn)換器）的作用。一個(gè)物理上溫度依賴的的校正被推導(dǎo)出來用于原始計(jì)數(shù)來促使輻射計(jì)的增益在所有數(shù)值的天線溫度計(jì)算時(shí)保持恒定。在地面測(cè)試期間，噪聲溫度在100到3000K之間來作為輻射計(jì)的RBE不同物理溫度的輸入，在那里有最后一階微波放大器和平方律檢波器。圖7展示出了其中一個(gè)測(cè)試的天線數(shù)量

17、與對(duì)應(yīng)的時(shí)間關(guān)系。在測(cè)試期間，內(nèi)部噪聲源被觸發(fā)來使輻射計(jì)在天線和天線+噪聲之間切換。輻射計(jì)輸出的變化被稱為噪聲二極管偏移，其本應(yīng)該保持為一個(gè)線性的輻射計(jì)。推導(dǎo)出的適用于校準(zhǔn)算法中的原始計(jì)數(shù)的校正促使噪聲二極管偏轉(zhuǎn)保持幾乎不變。圖7 用于描述輻射計(jì)非線性特征的典型天線數(shù)的數(shù)值噪聲二極管偏轉(zhuǎn)很便利地被描述為一個(gè)被在一次測(cè)試中最小的天線溫度偏差標(biāo)準(zhǔn)化的偏差率（DR）。對(duì)于一個(gè)線性的輻射計(jì)，DR是一致的。圖8展示了波束一的水平極化(通道1H)偏差率（DR），作為一個(gè)在使用地面測(cè)試數(shù)據(jù)非線性校正之前和之后的天線計(jì)數(shù)的函數(shù)。在這里,我們顯示通道1H因?yàn)樗谐^1V的非線性特征。其他的水瓶座通道也表現(xiàn)為類似

18、的方式。DR可以被解讀為為了預(yù)測(cè)非線性引起的最大誤差的增益比：Tmax max |DR 1| (TA,max TA,min)。這些地面測(cè)量表明該算法達(dá)到了1 K錯(cuò)誤糾正。為了驗(yàn)證發(fā)射后的非線性修正，DR在一個(gè)冷空校準(zhǔn)(CSC)軌道期間被繪制。地面校準(zhǔn)和在軌驗(yàn)證有兩個(gè)主要的區(qū)別。在地面，用于線性校準(zhǔn)的最小天線溫度是100K，然而CSC僅獲得幾開爾文。另外，地面測(cè)試的范圍達(dá)到了3000開爾文，然而在軌測(cè)量僅僅去到了300開爾文。天線數(shù)和DR值被分別繪制在了圖9和圖10。CSC數(shù)據(jù)和地面測(cè)試數(shù)據(jù)保持了一致。優(yōu)先于非線性校正,在輻射計(jì)的完整動(dòng)態(tài)范圍上的系統(tǒng)天線溫度誤差可以大到0.7 開爾文。 圖9圖

19、10B. 校準(zhǔn)漂移兩種時(shí)變系統(tǒng)效應(yīng)在長期的全球平均海洋天線噪聲溫度的分析和一個(gè)由二級(jí)數(shù)據(jù)結(jié)果記錄的天線溫度模型是很明顯的。存在長期的1 K振幅指數(shù)漂移和0.1K振幅的非單調(diào)擺動(dòng)（見圖11）。在發(fā)布的版本2中的L2數(shù)據(jù)產(chǎn)品,其效應(yīng)很大程度上分配到了輻射計(jì)硬件，漂移很可能是由在RFE或前端組件之內(nèi)的變化所引起的。那個(gè)時(shí)候，擺動(dòng)的根源是不確定的；然而最近的研究表明它們是由VFC鎖定引起的。來確定影響的根源的主要的診斷技術(shù)是對(duì)噪聲二極管DR時(shí)間序列的分析。 圖11所有六個(gè)輻射計(jì)通道的長期漂移以指數(shù)衰減為特征。指數(shù)恰好適用于使用了2014年5月19日的數(shù)據(jù)來計(jì)算的校準(zhǔn)模型異常，如圖11所示。它們的振幅和

20、時(shí)間常數(shù)列在表二中并且范圍分別為0.9到1.2K和90到110天。通道之間的一致性表明了一些引起漂移的系統(tǒng)原因。注意在海域1 K的天線溫度變化相當(dāng)于大約0.5%的噪聲源振幅變化。表二觀察的校準(zhǔn)漂移參數(shù)如果噪聲二極管額外的噪聲溫度被設(shè)置的高于它在校準(zhǔn)算法中應(yīng)該的溫度，海域的天線溫度校準(zhǔn)將會(huì)變得太低。換句話說，如果噪聲二極管輸出隨著時(shí)間減少，同時(shí)在算法中校準(zhǔn)系數(shù)TN D保持不變，那么海域的校準(zhǔn)誤差將漂移的更消極。正如圖12中所示，這是一個(gè)簡化了的校準(zhǔn)等式的圖形版本：TA = TDL TND(CDL CA)/(CND CDL)其中Tx 和 Cx是天線和Dicke負(fù)載，噪聲二極管申明溫度并且分別在x

21、= A，DL和ND時(shí)候計(jì)數(shù)。該效應(yīng)的一個(gè)診斷結(jié)論就是內(nèi)部的天線數(shù)噪聲二極管偏移（NDA）的比率高于外部的天線數(shù)CND偏移當(dāng)觀測(cè)海洋時(shí)。六個(gè)輻射計(jì)通道的NDA / CND比率的時(shí)間序列初始化為一致繪制在圖13中，并且它們的時(shí)間常數(shù)被列在了表二最右邊的一列。如果CND被假定為有與內(nèi)部噪聲二極管不同的時(shí)間常數(shù)，然后該時(shí)間常數(shù)的比率是1/ = 1/ND 1/CND。規(guī)定圖11中所示的校準(zhǔn)漂移為內(nèi)部噪聲二極管導(dǎo)致CND時(shí)間常數(shù)范圍為55到65天。這個(gè)結(jié)果與早期的嘗試去使用CND而不是內(nèi)部噪聲二極管來校準(zhǔn)輻射計(jì)增益保持一致。漂移是被減少的但不能被消除。圖12圖 135. 討論水瓶座微波輻射計(jì)性能和系統(tǒng)效應(yīng)在超過三年的運(yùn)行中被闡述。所有