О возможности построения радиометра полной мощности для задач радиоастрономии, радиовидения и дистанционного зондирования

Абстракт. Приведена концепция и обоснованы принципы построения радиометра полной мощности (РПМ) с пониженной частотой подъема аномального спектра плотности мощности fkn. Приводятся результаты реализации РПМ диапазона 8 мм и 1.35 см для задач радиоастрономии, радиовидения и дистанционного зондирования атмосферы. Рассмотрен вопрос реализации РПМ для задач дистанционного зондирования поверхности и атмосферы Земли из космоса (проект “Конвергенция” ).

РПМ сегодня остро необходим для задач радиоастрономии, радиовидения, дистанционного зондирования атмосферы и поверхности Земли. С использованием внешней калибровки РПМ позволяет построить простую одноканальную радиометрическую схему и реализовать предельную чувствительность радиометра на характерных временах измерений tm<1/fkn. Современные МШУ, низкобарьерные обращенные тунельные диоды и детекторные диоды Шоттки на базе гетероструктур, высокостабильные УПТ позволяют сегодня добиться fkn РПМ не хуже 1 Гц, что было недостижимо несколько десятилетий тому назад. Cкачок на 1-2 порядка произошел при смене комплектующей базы радиометров и технологий их изготовления, переходе на монолитные интегральные чипы МШУ, низкобарьерные чип-детекторы с нулевым смещением, ОУ нового поколения. Уменьшение fkn еще на один порядок также сегодня возможно, но требует оптимизации схемы и режима работы РПМ, подбора всех узлов и компонентов с низким 1/f шумом.
Рассмотрены основные источники 1/f шума и пути его минимизации в РПМ.

Наиболее важные составляющие концепции построения РПМ с пониженной fkn - это высококачественные МШУ c хорошим терморежимом и эффективным равномерным отводом тепла от МШУ чипа без скачков и градиентов с использованием высокоточного реверсивного термостата, работа на минимально возможных КУ [3] до детектора, применение низкобарьерных импедансно-согласованных детекторных диодов Шоттки с высокой Вольт-Ваттной чувствительностью и низким собственным шумом (NEP) [1,2], применение в ПУНЧе и ФНЧ высокостабильных ОУ типа “auto-zero” с непрерывной калибровкой нуля и низким КУ[4], использование высокоточных измерительных систем сбора данных (ССД). Для достижения высокой Вольт-Ваттной чувствительности γ необходимо чтобы вблизи нулевого смещения детекторный диод обладал сильной нелинейностью ВАХ и его дифференциальное Rj сопротивление при нулевом напряжении находилось в пределах 10^3-10^6 Ом [1] что в свою очередь требует его импедансного согласования с полосковой линией и МШУ [2] и работы РПМ в режиме малых токов смещения детекторного диода. Если тепловой шум диода (NEP) для всех высокочувствительных низкобарьерных диодов обратно пропорционален γ и прямо пропорционален квадратному корню из Rj*Td (температура диода) то параметры аномального шума (коэффициент пропорциональности в формуле спектра мощности b и показатель степени α) у каждого диода свои и в общем виде такой шум описывается через коэффициенты, определяющие спектр шума при наличии смещения на диоде, а значит фактически экспериментально. Как следствие для снижения fkn РПМ нужен подбор хорошего детекторного диода по 1/f шуму.

Перечисленные особенности позволяют сегодня построить РПМ с пониженным 1/f шумом. Однако если для снижения белого шума радиометра доминирующим является низкий шум первого каскада МШУ, для снижения 1/f шума РПМ все звенья радиометра одинаково важны и любое плохое звено разрывает всю цепь.
Выбор минимального КУmin РПМ достигается с помощью встроенного в волноводный МШУ аттенюатора, который устанавливается на уровне потерь, при котором выходной шум радиометра перестает падать [5]. Тем же встроенным аттенюатором находится уровень КУmax, при котором нарушается квадратичный режим работы детекторного диода и линейность радиометра. Это определяет динамический диапазон радиометра ДД=КУmax- КУmin обычно не менее 20 дБ.
Изложенные принципы позволяют реализовать РПМ для задач радиоастрономии, радиовидения и дистанционного зондирования атмосферы. Приводятся примеры построения приемников для этих задач и их характеристики, включая измеренные спектры плотности мощности флуктуаций выходного шума (СПМ). Наилучшие результаты по снижению 1/f шума РПМ сегодня достигнуты на радиотелескопе РАТАН-600 САО РАН, где большинство радиометров переведены в режим работы РПМ [5].
Вопрос реализации РПМ для задач дистанционного зондирования поверхности и атмосферы Земли из космоса (проект “Конвергенция” [6]) вызывает большой интерес, но требует дальнейшего изучения в силу специфики самих задач. Характерное время измерения или накопления сигнала в них в одном измерительном скане Земли с калибровкой по холодному космосу составляет не менее 10 секунд. Это на грани достижимого по лучшим СПМ 1/f шума, достигнутым на радиотелескопе РАТАН-600[5], а высокая радиояркостная температура Земли может повышать величину токов смещения и 1/f шум на детекторном диоде.

Однако поскольку калибровка по теплой нагрузке и холодному космосу будет производится каждые 1.29 с в начале и конце скана, то откалиброванные сканы вполне можно складывать что снижает требования к работе РПМ без 1/f шума до 2-3 с. При этом очень высокие требования предъявляются к точности самой абсолютной калибровки по БШИ - нужна воспроизводимость шумовой температуры на борту в условиях космоса лучше 1 К при Тш=350 К т е 0.3%!.

В ближайшее время в рамках подготовки проекта “Конвергенция” планируется построить макет РПМ 8 мм диапазона из СВЧ узлов очень высокого качества и измерить СПМ флуктуаций его выходного шума.