星载微波辐射计在轨定标测温电路不确定度分析

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""" "" "" "" "" " " ### ## ## ## ## # # $$$ $$ $$ $$ $$ $ $ %%% %% %% %% %% % % 　　电　子　测　量　技　术 　　ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ ＭＥＡＳＵＲＥＭＥＮＴ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ 第３４卷 第３期 ２００９年３月　 星载微波辐射计在轨定标测温电路不确定度分析 赵　瑾１，２ （１．中国科学院空间科学与应用研究中心　北京　１００１９０；２．中国科学院研究生院　北京　１０００４９） 摘　要：星载微波辐射计为了校正天馈系统噪声温度对观测目标亮温的贡献，在轨运行时，需要对天线、波导和开关 的温度进行实时监测。本文介绍并分析了一种微波辐射计的在轨定标测温电路。该电路测温范围在－１００℃～５０℃， 测温精度可以达到０．１℃。测温电路主要由铂电阻温度传感器、惠斯通电桥、电压放大电路和Ａ／Ｄ转换电路构成。为 了保证测温电路的稳定性，该电路选用两个 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 电阻对放大电路进行标定。本文还建立了测温电路的测温模型，分析 了测温方程中各个电阻对测温结果的影响，确定了电路中的电阻选取标准，进一步指导了测温电路的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 。 关键词：辐射计定标；温度测量；不确定度分析 中图分类号：ＴＭ９３０．１　　文献标识码：Ａ 犝狀犮犲狉狋犪犻狀狋狔犪狀犪犾狔狊犻狊狅犳狋犲犿狆犲狉犪狋狌狉犲犿犲犪狊狌狉犻狀犵犮犻狉犮狌犻狋 犳狅狉狋犺犲狉犪犱犻狅犿犲狋犲狉犮犪犾犻犫狉犪狋犻狅狀狅狀狋犺犲狋狉犪犮犽 ＺｈａｏＪｉｎ１，２ （１．ＣｅｎｔｅｒｆｏｒＳｐａｃｅＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＡｐｐｌｉｅｄＲｅｓｅａｒｃｈ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００１９０； ２．ＧｒａｄｕａｔｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００４９） 犃犫狊狋狉犪犮狋：Ｔｏｒｅｖｉｓｅｔｈｅｃｏｎｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｔｈｅｔｈｅｒｍａｌｎｏｉｓｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｏｆｔｈｅａｎｔｅｎｎａｆｅｅｄｓｙｓｔｅｍｓｔｏｔｈｅｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆｔｈｅ“ｏｂｓｅｒｖｅｄｓｃｅｎｅ”，ｉｔ’ｓｎｅｃｅｓｓａｒｙｔｏｍｏｎｉｔｏｒｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆｔｈｅａｎｔｅｎｎａ、ｔｈｅｗａｖｅｇｕｉｄｅａｎｄｔｈｅ ｓｗｉｔｃｈｏｎｔｈｅｔｒａｃｋ．Ａｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｍｅａｓｕｒｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔｆｏｒｔｈｅｒａｄｉｏｍｅｔｅｒｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎｏｎｔｈｅｔｒａｃｋｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．Ｔｈｅｍｅａｓｕｒｉｎｇｒａｎｇｅｉｓ１００℃～５０℃，ａｎｄｔｈｅｍｅａｓｕｒｉｎｇａｃｃｕｒａｃｙｉｓ０．１℃．Ｔｈｅｃｉｒｃｕｉｔｉｓ ｃｏｍｐｏｓｅｄｏｆＰｔｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ、ｗｈｅａｔｓｔｏｎｅｂｒｉｄｇｅ、ｖｏｌｔａｇｅａｍｐｌｉｆｙｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔａｎｄＡ／Ｄｔｒａｎｓｆｅｒｒｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔ．Ｔｏｅｎｓｕｒｅｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｃｉｒｃｕｉｔ，ｔｗｏｓｔａｎｄａｒｄｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｓａｒｅｓｅｌｅｃｔｅｄｔｏｃａｌｉｂｒａｔｅｔｈｅａｍｐｌｉｆｙｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔ．Ｔｈｅｎ，ｗｅｆｏｕｎｄｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｍｅａｓｕｒｉｎｇｍｏｄｅｌ，ａｎａｌｙｚｅｈｏｗｔｈｅｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｓｉｎｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｍｅａｓｕｒｉｎｇｅｑｕａｔｉｏｎｉｍｐａｃｔｔｈｅｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｒｅｓｕｌｔ，ｅｓｔａｂｌｉｓｈｔｈｅｓｔａｎｄａｒｄｏｆｔｈｅｃｈｏｉｃｅｏｆｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｓ，ｇｕｉｄｅｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｃｉｒｃｕｉｔｆｕｒｔｈｅｒｌｙ． 犓犲狔狑狅狉犱狊：ｒａｄｉｏｍｅｔｅｒｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ；ｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｙａｎａｌｙｓｉｓ ０　引　　言 微波辐射计是用于测量物体微波辐射能量的被动遥感仪 器，为了实现定量测量，要对微波辐射计进行定标。星载微波 辐射计作为一种以卫星为平台的辐射计，采用指向冷空的喇 叭天线和高温定标负载是一种常见的定标结构。它通过开关 使接收机交替地接收匹配负载、冷空背景辐射信号和观测信 号以实现定标和观测。像美国海洋卫星１号搭载的多通道扫 描微波辐射计ＳＭＭＲ［１］，美国ＴＯＰＥＸ／Ｐｏｓｅｉｄｏｎ卫星上搭载 的微波辐射计ＴＭＲ［２］，欧空局ＥＮＶＩＳＡＴ１卫星上的微波辐 射计ＭＷＲ［３］均采用这种定标结构。这种定标系统结构简单， 但是观测信号和定标信号是通过不同的路径进入接收机的， 定标方程对各支路器件的温度变化都很敏感。而且由于太空 环境的影响，微波辐射计在轨运行时各支路器件的温度会发 生变化。因此，需要采用测温电路对各器件的温度进行实时 测量以提供定标方程所需的温度测量值。而且为了提高微波 辐射计的定标精度，测温电路也要具备高精度，高稳定性的要 求。本文介绍的测温电路测温范围为－１００℃～５０℃，测温精 度可以达到０．１℃。 １　测温电路分析 测温电路原理图如图１所示。 图１　测温电路原理图 １．１　铂电阻传感器 铂电阻温度传感器精度高，稳定性好，应用温度范围 广。因此测温电路选用分度号为１００的铂电阻温度传感 器。它在０℃的阻值为１００Ω，电阻变化率为０．３８５１Ω／℃， ·２４· 更多技术文章，论文请登录www.srvee.com 内容版权归作者所有 　　　　　　　　赵瑾 等：星载微波辐射计在轨定标测温电路不确定度分析 第３期 测温范围－２００℃～８５０℃。在实际应用中，根据Ｐｔ１００温 度分度 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf ［４］进行分段线性拟合，使得测温电路的误差范围 在±０．１℃以内。铂电阻在－１００℃～５０℃的ＲＴ线性拟 合结果下：在［－１００，－５０］、［－５０，０］和［０，５０］３个温度范 围内进行线性拟合如表１所示。 表１　－１００℃～５０℃的犚犜线性拟合结果 拟合方程 拟合误差 最大值 拟合误 差方差 －１００℃～ －５０℃ 狋＝２．４９４６犚狋－２５０．４０９５ ０．１０１ ０．０３４ －５０℃～０℃狋＝２．５３９４犚狋－２５４．００２６ ０．０６４ ０．０２５ ０℃～５０℃ ｔ＝２．５７７３犚狋－２５７．７８８７ ０．０５８ ０．０２ １．２　惠斯通电桥 为了实现温度测量，首先要精确测量铂电阻的阻值。 测量电阻的方法一般有两种：电流法和电压法［５］。本文采 用恒压分压方法测量铂电阻的阻值，测温电路采用的是传 统的惠斯通电桥电路［６］，如图２所示。 图２　惠斯通电桥 电桥电路中测温电阻犚狋对应的输出电压： 犞狋＝犞狉犲犳 犚狋 犚狋＋犚－ 犚犫 犚犫＋（ ）犚 （１） 式中：犚狋为温度传感器。当犚狋＝犚犫时，电桥输出电压为零。 －１００℃～５０℃的测温范围对应的犚狋的阻值为６０～１２０Ω， 犚犫要不大于测温电阻的最小阻值６０Ω，选定犚犫＝６０Ω。 电阻犚阻值的选择需要考虑以下两个方面：１）Ｐｔ１００ 铂电阻温度传感器常规产品的测试电流为１ｍＡ时，温升 为０．０５℃；当测试电流为５ｍＡ时，温升为２．２℃［４］。为了 减少电阻自热对测温结果产生的影响，犚要起到对电路进 行限流的作用；２）测温电路有分辨率电压。根据０．１℃的 测温精度，测温电阻的变化为０．０３８５Ω，这个电阻所带来 的电压变化要大于运算放大器的输入噪声电压［７］。根据 条件１，犚的取值要满足： 犞狉犲犳 犚＋犚狋（ ）ｍｉｎ ＜ １ｍＡ （２） 式中：犚狋ｍｉｎ和分别对应着铂电阻温度传感器的最小阻值６０ Ω和最大阻值１２０Ω。选定基准电压犞狉犲犳 为２．５Ｖ，则犚的 阻值要大于２４４０Ω，则选定的犚阻值为３０００Ω。根据 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 ： Δ犞狋＝ 犞狉犲犳犚（犚狋＋犚）２Δ 犚狋 （３） 当铂电阻阻值犚狋为１２０Ω，Δ犚狋为０．０３８５Ω时，引起的电 压变化Δ犞狋为２．９７×１０－５Ｖ，大于放大电路的输入噪声电 压０．２８×１０－６Ｖ。则放大器指标满足测温精度为０．１℃的 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 。选用Ａ／Ｄ转换器的输出量程为０～１０Ｖ，则放大器 增益Ｇ可选为２００。则０．１℃引起的电压变化则到达Ａ／Ｄ 转换器时为５．９４ｍＶ，则可选择１２位的Ａ／Ｄ转换器，转换 精度２．４４ｍＶ＜５．９４ｍＶ，满足要求。 １．３　电压放大电路 电桥输出的电压信号要经过信号调理电路进行放大、 滤波以满足Ａ／Ｄ转换的要求。放大电路的放大倍数取决 于电路中元器件的参数。电源电压的不稳，电路温度及负 载的变化等都将使放大电路的放大倍数发生变化。虽然 利用负反馈的自动调节原理可以抑制放大倍数的变化，但 是在轨工作的环境温度变化大，电路中元器件长时间工作 后可能会有一定的损耗，使得放大电路的放大倍数发生变 化。因此，要对放大电路进行实时监测。 在－１００℃～５０℃的测温范围内，电桥电路产生的信 号在放大电路的线性放大范围内，因此该电路选用两个标 准电阻犚１和犚２来标定放大电路。它们的选择要覆盖测温 范围所对应的测温电阻的阻值范围。在惠斯通电桥中，犚１ 和犚２输出的电压分别为： 犞１＝犞狉犲犳 犚１ 犚１＋犚－ 犚犫 犚犫＋（ ）犚 （４） 犞２＝犞狉犲犳 犚２ 犚２＋犚－ 犚犫 犚犫＋（ ）犚 （５） 再经放大电路后的电压输出犞′１、犞′２和犞′狋可以表示为： 犞′犖 ＝犌（犞犖＋犪） （６） 式中：犖＝１，２，狋。 由此得到电桥电路中测温电阻的输出电压： 犞狋＝犞 ′ 狋－犞′１ 犞′１－犞′２ （犞１－犞２）＋犞１ （７） 测温电阻的阻值： 犚狋＝ （犚１－犚２）犚犞′狋－（犚２＋犚）犚１犞′２＋（犚１＋犚）犚２犞′１ －（犚１－犚２）犞′狋＋（犚１＋犚）犞′１－（犚２＋犚）犞′２ （８） 可见，测温电阻的阻值只与电阻犚、犚１、犚２和其对应的电 压有关，与恒压源电压犞狉犲犳、电阻犚犫和放大电路的增益犌 无关，电路不但减少了电源电压不稳对测温的影响。同 时，也消除了放大电路增益变化对测温的影响，增强了测 温电路的稳定性。 两个定标电阻犚１、犚２的阻值选取和温度测量范围有 关。根据Ｐｔ１００温度分度表［４］，－１００℃～５０℃的温度范 围，温度传感器的阻值范围为６０～１２０Ω，这里犚１、犚２可 分别取值为６０Ω和１２０Ω。 ·３４· 更多技术文章，论文请登录www.srvee.com 内容版权归作者所有 　第３４卷 电　子　测　量　技　术 ２　测温不确定度分析 ２．１　测温不确定度合成 从式（９）可以看出，铂电阻阻值测量不确定度有以下 几个方面的贡献：１）量化不确定度；２）电阻犚１、犚２和犚的 不确定度。测温电阻的测量不确定度Δ犚狋可由式中各个 参数的不确定度合成得到［８］，即： Δ犚２狋 ＝Δ犞２  犚狋 犞′（ ）狋 ２ ＋ 犚狋犞′（ ）１ ２ ＋ 犚狋犞′（ ）２（ ） ２ ＋ Δ犚２１  犚狋 犚（ ）１ ２ ＋Δ犚２２  犚狋 犚（ ）２ ２ ＋Δ犚２ 犚狋（ ）犚 ２ （９） 为简单表示。令Δ犞２、Δ犚２１、Δ犚２２和Δ犚２前的系数分别为 犪１、犪２、犪３和犪４，则 Δ犚２狋 ＝犪１Δ犞２＋犪２Δ犚２１＋犪３Δ犚２２＋犪４Δ犚２ （１０） 总的测温不确定度为： Δ狋２＝Δ犚２狋 狋犚（ ）狋 ２ ＋Δ狋２狀 （１１） 式中：Δ狋狀为铂电阻拟合引起的测温不确定度。 ２．２　电路中电阻阻值精度的选取 选定的电压输出的范围选在０～１０Ｖ，根据选取的电 路参数犚１、犚２对应的输出电压分别为０Ｖ、９．４２７Ｖ，则铂 电阻对应得输出电压的范围应在０～９．４２７Ｖ，测温不确定 度灵敏系数和测温电阻输出电压的关系如图３所示。 图３　不确定度灵敏系数绝对值和测温电阻输出电压的关系 量化不确定度灵敏系数在测温电阻输出电压最大时 有最大值为９．５１，电阻犚１不确定度灵敏系数在测温电阻 输出电压最小时有最大值为１，电阻犚２不确定度系数在测 温电阻输出电压最大时有最大值为１，电阻犚不确定度灵 敏系数很小，在测温电阻输出电压为４．７６１Ｖ时有最大值 ９．４３×１０－５。为了满足０．１℃的测温精度要求，根据上述 数据选择各个电阻值的精度。其中犚１和犚２选择精度为 ０．１‰的精密电阻，犚的精度可以相对低些，精度为１％。 根据图３中的数据特性，选定３种情况分析测温电路的不 确定度。３种情况下测温的不确定度如表２所示。 表２　测温电路总的测温不确定度 拟合不确定度 Ａ／Ｄ量化不确定度 犚１不确定度 犚２不确定度 犚不确定度 总不确定度（Ｋ） 犞′狋＝０　　 ０．０３４ ０．０５４ ０．０１５ ０　　 ０　　 ０．０６６ 犞′狋＝４．７６１ ０．０２５ ０．０４８ ０．００８ ０．０１５ ０．００７ ０．０５７ 犞′狋＝９．４２７ ０．０２　 ０．０５８ ０　　 ０．０３１ ０　　 ０．０６９ 经过分析，在最坏的情况下，测温电路的测温不确定度为 ０．０６９Ｋ，满足测温精度０．１℃的要求。 ３　结　　论 本文采用恒压分压的方法测量铂电阻温度传感器的阻 值，进而实现温度的测量。采用两个标准电阻来标定放大 电路，提高了测温电路的稳定性。通过对测温不确定的分 析，得到了电路中各个元件对测温结果的影响，对各个元件 要达到的精度提出了明确的要求，为设计电路提供了指导。 参 考 文 献 ［１］　 ＳＷＡＮＳＯＮＰ，ＲＩＬＥＹ Ａ Ｌ．ＴｈｅＳｅａｓａｔＳｃａｎｎｉｎｇ ＭｕｌｔｉｃｈａｎｎｅｌＭｉｃｒｏｗａｖｅＲａｄｉｏｍｅｔｅｒ（ＳＭＭＲ）：Ｒａｄｉｏ ｍｅｔｒｉｃＣａｌｉｂｒａｔｉｏｎＡｌｇｏｒｉｔｈｍＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄＰｅｒｆｏ ｒｍａｎｃｅ［Ｊ］．ＩＥＥＥＪｏｕｒｎａｌｏｆＯｃｅａｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， １９８０，ＯＥ５（２）：１１６１２４． ［２］　 ＣＨＲＩＳＴＯＰＨＥＲＳＲ，ＳＴＥＰＨＥＮＪＫ，ＪＡＮＳＳＥＮＭ Ａ．ＴＯＰＥＸ／ＰｏｓｅｉｄｏｎＭｉｃｒｏｗａｖｅＲａｄｉｏｍｅｔｅｒ（ＴＭＲ）： Ｉ．ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＤｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎａｎｄＡｎｔｅｎｎａＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＧｅｏｓｃｉｅｎｃｅａｎｄ ＲｅｍｏｔｅＳｅｎｓｉｎｇ，１９９５，３３（１）：１２５１３７． ［３］　 ＡＴＫＩＮＳＯＮＮＣ，ＢＯＭＢＡＣＩＯ，ＡＢＢＡＴＥ Ｍ Ｌ，ｅｔ ａｌ．ＥＮＶＩＳＡＴ１ＭＷＲ：ＣａｌｉｂｒａｔｉｏｎＴａｒｇｅｔｓａｎｄＰｒｅ ｆｌｉｇｈｔＣａｌｉｂｒａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＳＰＩＥ，１９９８，３４９８：１４１１５２． ［４］　 ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｂｊｓａｉｌｉｎｇ．ｃｏｍ．ｃｎ／ｐｒｏｄｕｃｔ／ｉｍａｇｅｓ／ ｗｅｎｄｕ２．ｐｄｆ［Ｊ／ＯＬ］． ［５］　 刘希民．基于电流法的热电阻温度测量装置［Ｊ］．仪器 仪表学报，２００７，２８（４）：３１３４． ［６］　 张红润，傅瑾新．传感器应用电路２００例［Ｍ］．北京： 北京航空航天大学出版社，２００６． ［７］　 李言旭，张瑞，等．高精度高可靠性的在轨黑体测温电 路设计［Ｊ］．仪表技术与传感器，２００５（９）：３３３４． ［８］　 沙定国．误差分析与测量误差评定［Ｍ］．北京：中国计 量出版社，２００３． 作 者 简 介 赵瑾，女，１９８１年出生，博士研究生， 主要研究方向为星载微波辐射计定标。 Ｅｍａｉｌ：ｚｈａｏｊｉｎ１０３＠１６３．ｃｏｍ ·４４· 更多技术文章，论文请登录www.srvee.com 内容版权归作者所有