肖亮翻譯-水瓶座L波段微波輻射計

1、電氣與電子工程學院畢業(yè)設計外文翻譯資料 學號1210200819 姓名 肖亮 班級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：三年輻射性能和系統(tǒng)性能的影響摘要：水瓶座L波段微波輻射計是一個用來設計測量海平面鹽度的三波束推掃式儀器。結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)維護嚴格的溫度穩(wěn)定性來提升良好的增益穩(wěn)定性。增益頻譜展示出預期的軌道變化在較長一個時間段出現(xiàn)1 / f的噪聲。飛行器上的探測和集成方案同校準算法相耦合產(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(CSC)數(shù)據(jù)所證實的。最后，長期漂移被發(fā)現(xiàn)在所有擁有1K振幅和100天的時間常數(shù)的頻道。盡管如此，但它還是很熟練地使用一個指數(shù)模型來進行修正。索引詞 校準，微波輻射計。 目錄 1. 引言42. 輻射計熱穩(wěn)定性53. 隨機噪聲和增益穩(wěn)定性94. 系統(tǒng)效應11A. 非線性12B. 校準漂移135. 討論176. 附錄171. 引言水瓶座輻射計星載應用計劃（SAC）是NASA和阿根廷的國家空間活動委員會（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點的升交點且與太陽同步的極軌道上。提供第一次從太空主

4、動和被動相結合的L波段微波測量，水瓶座儀器被專門設計用來測量公開海域的季節(jié)和年際的SSS變化。水瓶座輻射計是一個在頻率為1413MHz帶寬為25-MHz上測量前三個斯托克斯參數(shù)的三光束推掃式被動微波傳感器。這樣的設計使它能運行在1400-1427MHz主要獨家分配給被動遙感來避免嚴重的射頻干擾(RFI)的頻率范圍之內(nèi)并且仍然保持對海洋表面鹽度的敏感度。熱穩(wěn)定輻射計通過參考負荷和在測量海域的前三個斯托克斯參數(shù)后的多個噪聲二極管進行內(nèi)部校準，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)。在更長的一段時間中，測量會使用全球平均的預期天線溫度或者海洋替代冷點的亮度溫度來進行外部

5、校準，去支持海域海面鹽度在不確定性小于0.2psu時的恢復。這篇論文描述了強調(diào)穩(wěn)定性、線性和可觀察的系統(tǒng)影響的水瓶座輻射計的在軌性能表現(xiàn)。2. 輻射計熱穩(wěn)定性輻射計的硬件設計為熱穩(wěn)定來提升校準穩(wěn)定性使之小于 0.13 K rms / 7天。一個儀器框圖見圖1 。熱控制器保持嚴格的對輻射計前端（RFE）和輻射計后端（RBE）的熱量控制使之在一個軌道期間，峰值差距小于0.1C。RFE包含的組件：相關噪聲二極管(CND)，耦合器，雙工器，同軸電纜，內(nèi)部校準源(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、測設備，電壓-頻率轉換器（VFCs）。前端有損組件包括直接式收發(fā)轉換器（OMT），外部CND的定向耦合器，頻率雙工器和可連接的同軸電纜，它進行內(nèi)部校準循環(huán)也是一個校準不穩(wěn)定的潛在來源。RFE溫度被一打鉑電阻溫度計（PRTs）監(jiān)控。每一個在前端組件上的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。迪克負載和內(nèi)部噪聲二極管溫度以雙極方式被測量來避免長期的電路漂移。圖1 簡化的方框圖(從右到左)顯示每個輻射計的前端有損組件,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上的偵測器溫度如圖2（c）和3（c）所示,分別為每個軌道期間的變化為0.05 C ，每年度的變化為0.1 C。 圖 2 圖 3二級處理算法能產(chǎn)生部分校準天線溫度來補償輻射計硬件的物理溫度。已證明了的熱穩(wěn)定性對校準穩(wěn)定性很重要。然而，地面校準算法能修正因前端的損耗的天線溫度校準算法。熱穩(wěn)定性確保時變系統(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的技術來被測量。結果如表1所示?？偟膿p耗系數(shù)是1.3 1%，并且如果保持不補償?shù)臓顟B(tài)

8、，損失還會周期性的在60 mK中產(chǎn)生TA變量。然而，補償之后，由于對損耗系數(shù)的不確定性估計，在時變部分的不確定性的修正僅有周期性的5mK。因為硬件的熱穩(wěn)定，使得不確定性很低。表 1 前端組件損耗系數(shù)長的時間尺度下熱環(huán)境提升了校準穩(wěn)定性使之有低的偏移誤差和可替代的校準來補償刻度誤差。偏移誤差是可以忽略不計的由于一個前端近乎等溫的設計。根據(jù)號角形饋電器，這個典型的甚至是外部的校準輻射計，內(nèi)部參考負載和有損組件之間的溫差小于 2C，導致了參考溫度偏移小于0.2K。地面校準算法補償了傾斜度。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)整了輻射計增益,噪聲圖,校準噪聲源和非線性,所有這些在之前發(fā)射的特征。地面校準算法實現(xiàn)對依賴于內(nèi)部校準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)部校準源長期的穩(wěn)定被認為是困難的，由于有源或者無源元件會的自身老化或者其他的在軌道上的現(xiàn)象。在校準算法中增益和偏移的評估過程有充足的帶寬來通過軌道的熱驅動變化，同時仍能平均下來隨機噪聲。3. 隨機噪聲和增益穩(wěn)定性三波束輻射計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。這個距離匹配地面跟蹤速率6

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

11、數(shù)字計數(shù)器來提供等效于9-ms窗口期和1 ms重置期的時域平均積分（boxcar integration）來實現(xiàn)的。視頻放大器必須響應消隱脈沖，驅動電壓頻率轉換器（VFC）使之有足夠的轉換速率，并且實現(xiàn)14-kHz的截止頻率。視頻放大器的頻率響應曲線（標記為RBE）和時域平均積分器（標記為PRI）是在圖4最右邊的兩個軌跡。RBE電路響應在9-ms的積分期間有小于1%的衰減。然而9-ms采樣的進一步積累能夠執(zhí)行飛行器上天線的等效頻率響應，個別的采樣下行傳輸提供檢測和清除RFI（射頻干擾）。一些采用被集成成對來減少對存儲容量的要求，但是對RFI緩解的質(zhì)量沒有重大的影響。在科學處理軟件上的校準算法積

12、累多個樣本到1.44秒的運行時間來產(chǎn)生在二級數(shù)據(jù)產(chǎn)品上校準的天線溫度。由于天線軌跡在1.44秒的時間僅為10公里，故二級產(chǎn)品仍然是過采樣天線響應。然而采樣是空間相關的，但他們在噪聲上仍然是不相關的，而且在三級處理時被平均化.天線能量的9-ms采樣中散布了迪克負荷開關的校準和額外的噪聲源提供的周期性的增益和偏移校準。失去了天線積分時間的噪聲等效溫差(NEDT)減弱和改進的校準噪聲之間的平衡被打破。早期的原型輻射儀測試結果引導了了水瓶座輻射計的計劃：7 / 12的天線占空比和5 / 12的校準占空比。換句話說，在一個軌跡期間，交叉校準和天線轉換導致了一個理想全功率輻射計（忽略增益不穩(wěn)定性）NEDT

13、 30%的退化。這是一個很好的折衷，因為替代分組校準在保留的連續(xù)的時間內(nèi)像一個掃描輻射計，不然會導致觀測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是以圖4中的二級數(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責額外的NEDT。NEDT在發(fā)射前后以圖5中的結果為特征。在發(fā)射前，NEDT是在嚴厲的熱控制和緊盯著TA大約為120 K的cold-FETs（冷場效應管）下收集30分鐘的數(shù)據(jù)產(chǎn)生1250個L2等效采樣來估計的。長期的運行是必要的為了在標準估計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算數(shù)據(jù)來被測量。因為條件不受控制，僅僅只有幾百個采樣被獲取。盡管如此，所有的頻道都證明他們對以上必須要求的遵從。H-極化通道在海域之上有更低的NEDT因為相比用于地面測試的cold-FETs（冷場效應管）海洋有更低的亮度溫度。 圖 5因為校準是整個上時間分布的，增益和偏移系數(shù)的均值應用在該算法中來提供積分時間減少隨機噪聲的估值。高頻的校準也減少了1/f的噪聲影響。輻射計增益的歸一化功率譜如圖6所示。響應是由軌道熱波動控制的，被證實強峰在5872秒或者1個軌道周期和它的第二個諧波。1 / f噪聲有一個輕微的增加發(fā)生在200Hz低于100

15、Hz。為了測量下降到10Hz的功率譜，使用600000個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試的硬件原型而預先決定的。Boxcar濾波器的頻率響應如圖6所示。正如所看到的，增益和偏移量平均濾波器響應通過熱驅動和1 / f增益變化，所以算法可以產(chǎn)生校準天線溫度。圖6 輻射計獲得的功率譜密度和頻率響應校準系數(shù)平均濾波器4. 系統(tǒng)效應當已知或被預期到，系統(tǒng)效應在發(fā)射前的特征以及發(fā)射后設計到科學運作中的規(guī)定補償。特別是非線性和噪聲源漂移被發(fā)現(xiàn)是地面測試時誤

16、差的來源。非線性修正來源于地面測試數(shù)據(jù)和包含于校準算法中的修正。擁有指數(shù)特征的噪聲源緩慢漂移發(fā)現(xiàn)在早期的原型測試中并且postlaunch校準被用于糾正在軌道上發(fā)現(xiàn)的漂移。一個意想不到的系統(tǒng)效應是擁有周期性誤差校準變量的非單調(diào)擺動。A. 非線性輻射計電子本質(zhì)上是非線性的由于微波放大器、功率檢測器以及VFCs（電壓頻率轉換器）的作用。一個物理上溫度依賴的的校正被推導出來用于原始計數(shù)來促使輻射計的增益在所有數(shù)值的天線溫度計算時保持恒定。在地面測試期間，噪聲溫度在100到3000K之間來作為輻射計的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展示出了其中一個測試的天線數(shù)量

17、與對應的時間關系。在測試期間，內(nèi)部噪聲源被觸發(fā)來使輻射計在天線和天線+噪聲之間切換。輻射計輸出的變化被稱為噪聲二極管偏移，其本應該保持為一個線性的輻射計。推導出的適用于校準算法中的原始計數(shù)的校正促使噪聲二極管偏轉保持幾乎不變。圖7 用于描述輻射計非線性特征的典型天線數(shù)的數(shù)值噪聲二極管偏轉很便利地被描述為一個被在一次測試中最小的天線溫度偏差標準化的偏差率（DR）。對于一個線性的輻射計，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），作為一個在使用地面測試數(shù)據(jù)非線性校正之前和之后的天線計數(shù)的函數(shù)。在這里,我們顯示通道1H因為它有超過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測非線性引起的最大誤差的增益比：Tmax max |DR 1| (TA,max TA,min)。這些地面測量表明該算法達到了1 K錯誤糾正。為了驗證發(fā)射后的非線性修正，DR在一個冷空校準(CSC)軌道期間被繪制。地面校準和在軌驗證有兩個主要的區(qū)別。在地面，用于線性校準的最小天線溫度是100K，然而CSC僅獲得幾開爾文。另外，地面測試的范圍達到了3000開爾文，然而在軌測量僅僅去到了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)和地面測試數(shù)據(jù)保持了一致。優(yōu)先于非線性校正,在輻射計的完整動態(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. 校準漂移兩種時變系統(tǒng)效應在長期的全球平均海洋天線噪聲溫度的分析和一個由二級數(shù)據(jù)結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（見圖11）。在發(fā)布的版本2中的L2數(shù)據(jù)產(chǎn)品,其效應很大程度上分配到了輻射計硬件，漂移很可能是由在RFE或前端組件之內(nèi)的變化所引起的。那個時候，擺動的根源是不確定的；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是對噪聲二極管DR時間序列的分析。 圖11所有六個輻射計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)來計算的校準模型異常，如圖11所示。它們的振幅和

20、時間常數(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于大約0.5%的噪聲源振幅變化。表二觀察的校準漂移參數(shù)如果噪聲二極管額外的噪聲溫度被設置的高于它在校準算法中應該的溫度，海域的天線溫度校準將會變得太低。換句話說，如果噪聲二極管輸出隨著時間減少，同時在算法中校準系數(shù)TN D保持不變，那么海域的校準誤差將漂移的更消極。正如圖12中所示，這是一個簡化了的校準等式的圖形版本：TA = TDL TND(CDL CA)/(CND CDL)其中Tx 和 Cx是天線和Dicke負載，噪聲二極管申明溫度并且分別在x

21、= A，DL和ND時候計數(shù)。該效應的一個診斷結論就是內(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偏移當觀測海洋時。六個輻射計通道的NDA / CND比率的時間序列初始化為一致繪制在圖13中，并且它們的時間常數(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間常數(shù)，然后該時間常數(shù)的比率是1/ = 1/ND 1/CND。規(guī)定圖11中所示的校準漂移為內(nèi)部噪聲二極管導致CND時間常數(shù)范圍為55到65天。這個結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輻射計增益保持一致。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性能和系統(tǒng)效應在超過三年的運行中被闡述。所有