Войти на сайт
МЕЖДУНАРОДНЫЕ ЕЖЕГОДНЫЕ КОНФЕРЕНЦИИ
"СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ДИСТАНЦИОННОГО
ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА"
(Физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, природных и антропогенных объектов)

Пятнадцатая Всероссийская открытая конференция "Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса"

XV.CO.145

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

Хайкин В.Б. (1)
(1) САО РАН, Санкт-Петербург, Россия
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.

Ключевые слова: радиоастрономия, радиовидение, дистанционное зондирование, радиометр полной мощности, спектр полной мощности
Литература:
  1. Шашкин В. И., Дрягин Ю. А., Закамов В. Р., Кривов С. В., Кукин Л. М., Мурель А. В., Чеченин Ю. И. Планарные детекторы для многоэлементных систем радиовидения миллиметрового диапазона длин волн // Изв. вузов. Радиофизика. 2007. Т. 50. № 12. С. 1077-1086.
  2. Радзиховский В. Н., Кузьмин С. Е., Хайкин В. Б., Шлензин С. В., Закамов В. Р., Шашкин В. И. Применение низкобарьерных детекторных диодов Шоттки в широкополосном радиометре 3 мм диапазона // Труды конф. «Повышение эффективности и модернизация радиотелескопов». Нижний Архыз. САО РАН. 2008.
  3. Khaikin V.B., Radzikhovsky V.N., Kuzmin S.E., Zakamov V.R. Wideband receiver-module for 3 mm wave focal plane image array // In Proc. COMCAS 2009. Tel-Aviv. 2009.
  4. P. G. Tsybulev, Astrophysical Bulletin 66, 109 (2011).
  5. П.Г.Цыбулев и др., Астрофизический бюллетень 2014, том 69, № 2, с. 256–26.
  6. Шарков Е.А, Кузьмин А.В., Клюшников М.В., Саворский В.П. Проект космического эксперимента «Конвергенция» на российском сегменте МКС. В трудах XI Всероссийская открытая конференция "Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса", 11-15 ноября 2013, Москва, Россия , ФГБУН ИКИ РАН.

Космическое приборостроение и развитие целевой аппаратуры наблюдений и технологий: состояние и перспективы развития

469