一種用于狄克型輻射計的零平衡數(shù)字組合積分器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及遙感測量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種用于狄克型輻射計的零平衡數(shù)字組合積 分器。
【背景技術(shù)】
[0002] 輻射計是一種靈敏度較高的被動遙感器，用于測量物質(zhì)的熱電磁輻射。根據(jù)普朗 克量子理論，任何溫度高于絕對零度的物質(zhì)都將輻射電磁能。被觀測目標(biāo)的電磁輻射被輻 射計天線接收并被傳遞到高靈敏度的接收機(jī)中進(jìn)行放大處理，再運用一些反演方法即可獲 取被觀測目標(biāo)的信息。根據(jù)輻射傳遞理論，饋入天線的溫度IV與經(jīng)由天線送到接收機(jī)的功 率Pa'存在Pa'=ΚΤ Α'Β的關(guān)系，其中Κ為波爾茲曼常數(shù)，Β為接收機(jī)有效帶寬，ΤΑ'即輻射計要 測量的物理量，IV代表了由天線傳遞到接收機(jī)的輻射功率，這個測量結(jié)果由兩個重要屬性 來表征，即準(zhǔn)確度和精密度，其中，精密度也稱作輻射計的輻射測量靈敏度或分辨率，它是 表征輻射計的關(guān)鍵參數(shù)。
[0003] 目前常用的輻射計分為全功率型輻射計和狄克型輻射計。
[0004] 全功率型輻射計原理圖如圖1所示。在全功率輻射計中，與天線相連的是有效帶寬 為Β，總功率增益為G的超外差接收機(jī)（圖1中虛線框內(nèi)的部分），超外差接收機(jī)依次連接檢波 器、低通濾波器，低通濾波器輸出電壓為V QUt。
[0005] 全功率型輻射計的等效原理圖如圖2所示。圖2中天線部分被一輸出功率為PA'= KTA' B的噪聲源替代;接收機(jī)(包含傳輸線）由一無噪接收機(jī)和輸出功率為PREC ' = KTREC ' B的 輸入噪聲源組合所代替，其中，TREC'是傳輸線-接收機(jī)組合的等效輸入噪聲溫度。系統(tǒng)的總 輸入噪聲功率為Psys = Pa'+Prec' =KTsysB,式中，Tsys = Ta'+Trec'。
[0006] 根據(jù)理論分析，全功率型輻射計的輻射測量靈敏度Δ T可表示為
的功率增益變化的有效值。在實際的遙感觀測中，輻射測量靈敏度主要決定于系統(tǒng)增益的 變化。例如，對于常用的L波段接收機(jī)，設(shè)計參數(shù)如下：TSYS = 600Κ，Β = 1 ΟΟΜΗζ，τ = 〇. 〇 1 s，Δ GS/GS = 0 · 01，若天線溫度ΤΑ'在300Κ附近，則可得到如下結(jié)果：Δ ΤΝ = 0 · 9Κ，Δ TG = 9Κ，Δ Τ = 9.05Κ。也就是說，輻射測量靈敏度實際上主要決定于增益的變化。在遙感觀測中所要求的 靈敏度通常是1K或更小量級，這就要求必須改善增益變化因子（AGs/Gs)。對于工作頻率較 低的輻射計，可采用控制電源電壓和環(huán)境溫度的方法，使增益變化降低一個量級或更好一 些;但對于較高的頻段，要制造出滿足使用要求的A Gs/Gs^HT4的高穩(wěn)定性接收機(jī)是非常 困難的。為解決這一難題，又設(shè)計出狄克型輻射計，狄克型輻射計的原理框圖如圖3所示。
[0007]由狄克型輻射計組成框圖可以看出，相比全功率型輻射計，具有兩個附加特點： (1)有一個狄克開關(guān)，與接收機(jī)輸入端連接(在盡可能靠近天線的地方），用于調(diào)制接收機(jī)輸 入信號；（2)有一個同步檢波器，與狄克開關(guān)配合使用。調(diào)制是使接收機(jī)輸入端周期性的在 天線Τα'與參考源T REF之間切換，采用的開關(guān)速率要高于接收機(jī)增益變化譜上最高的有影響 的譜分量。也就是說，在接收機(jī)與天線連接的半周期內(nèi)，以及在與參考噪聲源連接的半周期 內(nèi)，Gs是相同的。對于接通天線的前半周期與接通參考源的后半周期，檢波器直流輸出表示 為：
[0009] 式中，對應(yīng)天線半周期的直流檢波輸出；^^|對應(yīng)參考源半周期的直流檢波 輸出；k表示玻爾茲曼常數(shù)，其大小為1.38 X 1(T23J · IT1; Cd表示檢波器功率靈敏度常數(shù)(伏 特/瓦）;TREF是參考源的噪聲溫度，Ts( = l/fs)是一個開關(guān)周期的時間。接收機(jī)噪聲溫度TREC' 包含有輸入開關(guān)的噪聲貢獻(xiàn)，其典型值在7到75K之間。
[0010] 疊加在直流電壓上的是因噪聲和增益起伏而形成的交流分量。圖3中的同步解調(diào) 器由一個與狄克開關(guān)同步工作的開關(guān)，及其后的兩個單位增益放大器組成(并聯(lián))組成，兩 個放大器的極性相反，一個接收天線半周期的信號V dANT(t)，另一個接收參考源半周期的信 號VdREF(t)。兩單位增益放大器的輸出相加后送到積分器，于是，同步解調(diào)器的直流輸出為：
[0012]由于積分時間為τ，所以低通濾波器的輸出實際上等于：
[0014] 其中，gLF表示低通濾波器的電壓增益。
[0015] 由于積分去除了大部分交流起伏，于是，輸出電壓由一直流分量？_；、和一相對十分 小的均方根值為的交流成分所組成，由上述式子，可得到匕，為：
[0017]除了濾除Vsyn⑴的大部分起伏分量外，低通濾波器還濾除Tfs上的交流分量及其 高次諧波（由于方波調(diào)制而產(chǎn)生的）。即，開關(guān)速率fs與低通濾波器的帶寬Blf相比，必須大得 多。f s與Blf之間的關(guān)系也可以從采樣定理的觀點加以考慮。Blf代表在輸出電壓中保留有輸 入信號起伏分量的頻率范圍，而f s代表輸入信號的采樣頻率。為了滿足采樣定理，必須使fs > 2Blf〇
[0018] 根據(jù)式子(3)，直流輸出電壓正比于T%與TREF之差，并且與接收機(jī)噪聲溫度T\EC無 關(guān)。下面簡述狄克型輻射計的輻射測量分辨率AT的表示式。將(3)改寫如下：
[0020] V?t(t)的交流分量中包含三個組成部分：
[0021 ] a.增益變化，它引起的增益不確定性，表示為：
[0022] ATg=(T/a-Tref)( AGs/Gs)；
[0023] b. (T%+f REC)的噪聲變化，在τ/2期間積分時，它引起的噪聲不確定性為：
[0025] c. (IW+f REC)的噪聲變化，它引起的噪聲不確定性為：
[0027]假設(shè)這三種不確定度是統(tǒng)計獨立的，則總的輻射測量分辨力為
[0028] Δ Τ= [ ( Δ Tg)2+( Δ Τν-αντ)2+( Δ Tn-ref)2]1/2
[0029] 代入并化簡，得
[0031]當(dāng)滿足條件fAiTREF時，式子(4)方括號中的第二項為零，從而增益變化的影響完 全消除。當(dāng)f A= TREF時，輻射計稱作是平衡的，在此情況下，式子(4)簡化為
[0033] 也就是說，是理想全功率輻射計(無增益變化)理論上的靈敏度的兩倍。出現(xiàn)系數(shù)2 的原因是對f A觀測只用了一半時間。
[0034] 狄克福射計若滿足條件Ρ.*?ν.Γ-Κ?^=0_，稱之為平衡的狄克福射計，式中，是 接收機(jī)輸入開關(guān)接到天線時的半周期內(nèi)檢波電壓的直流分量;而也采用類似的定義。 在平衡條件下，匕y? =〇,因而。目前常用的一種脈沖噪聲注入狄克型輻射計。該類型 輻射計設(shè)備體積小，調(diào)節(jié)便捷，使用廣泛。脈沖噪聲注入狄克型輻射計原理如圖4所示。其原 理是在輸入開關(guān)之前，調(diào)節(jié)T〃 A等于TREF，實現(xiàn)平衡。
[0035] 二極管開關(guān)在其極端的通和斷狀態(tài)下是最穩(wěn)定的。在接通時，引起最小的裝減（* 2.OdB)，在斷開狀態(tài)時，引起最大的衰減（典型值為60dB)。在脈沖噪聲注入的平衡輻射計 中，利用了二極管的這種特性。反饋控制電路激勵起一個壓控振蕩器(VCO)，VC0又激勵脈沖 發(fā)生器。脈沖發(fā)生器的輸出是由窄的矩形脈沖組成，每個脈沖的寬度為τ Ρ，重復(fù)周期為tr = l/fR，fR為脈沖重復(fù)頻率。當(dāng)二極管開關(guān)處于斷開狀態(tài)時，得到最大的衰減，實際上掩蓋了噪 聲二極管