高灵敏度实时定标微波辐射计

　　1　引　　言

　　自从1946年Dicke型微波辐射计诞生以来,随着实际需要和微波、电子元器件的发展,微波辐射计的性能也在不断地提高,当今微波辐射计从射电天文的应用已发展成对地观测的重要微波遥感器。

　　微波辐射计发展至今,可总结为以下五种基本类型:全功率型微波辐射计,Dicke型微波辐射计[1],负反馈零平衡Dicke型微波辐射计[2],双参考温度自动增益补偿型微波辐射计[3],数字增益自动补偿型微波辐射计[4]。本文提出的实时定标微波辐射计[5]完全消除系统增益波动和系统噪声波动的影响,技术难度低,是一种新体制的微波辐射计。

　　2　实时定标微波辐射计

　　图1为实时定标微波辐射计原理框图。主要由两个射频开关,两个恒温源,射频放大器,本振,混频器,中频放大器,平方律检波器,直流放大器和低通滤波器,A/D变换器,单片机及输出显示等电路组成。两个射频开关完成接收机输入信号在两个参考源和天线之间的转换,两个恒温源提供实时定标的标准温度信号,射频放大、本振、混频、中放完成对信号的放大作用,平方律检波使输入噪声温度与输出电压呈线性关系,直流放大和滤波对低频信号进行放大和积分,A/D变换及单片机对信号进行数据采集、运算及控制开关工作程序。输入开关,它或者把天线端口,或者把参考端口与接收机相连;参考开关,它把输入开关与具有恒定温度为T1和T2的两个参考源之一相连。在很短时间内,接收机的增益及本机噪声认为基本保持不变,当接收机的输入噪声温度分别为T1、T2和T′A时其输出电压分别为:

　　每进行一次测量,新采集一次V1和V2,进行一次定标,这样即使在下一个周期内系统的增益G及本机噪声TREC发生变化,它的定标方程也跟着变化,即对接收机系统进行实时定标,达到对信号的准确测量。由方程(4)可以看出实时定标微波辐射计利用天线、高温参考源和低温参考源的输出电压之差,消除本机噪声TREC的影响,又利用电压差的线性组合相除,消除增益G波动的影响,使整机具有良好的稳定性和较高的灵敏度。这种工作过程,实际上是在系统增益和系统噪声慢变化之上进行目标信号测量。

　　3　样机研制及整机指标测试

　　本文作者研制了一台C波段实时定标微波辐射计,并对其灵敏度等各项指标进行了测试。灵敏度的测试过程为先将接收机定标后,整个装置置于恒温环境中,给实时定标微波辐射计一个固定输入,测量并自动记录24小时的输出波动情况。图2为其中一次实验结果,其均方根为RMS=0.19(1σ),即其灵敏度ΔΤ=RMS≈0.2K。辐射计的积分时间是低通滤波器的积分时间常数的二倍,即τ=2τRC=0.6s[6]。它的灵敏度完全能够满足遥感的要求。