星载微波辐射计在轨定标测温电路不确定度分析

　　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。

　　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/℃,测温范围-200℃~850℃。在实际应用中,根据Pt100温度分度表[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。

　　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。

　　电桥电路中测温电阻Rt对应的输出电压:

　　式中:Rt为温度传感器。当Rt=Rb时,电桥输出电压为零。-100℃~50℃的测温范围对应的Rt的阻值为60~120Ω,Rb要不大于测温电阻的最小阻值60Ω,选定Rb=60Ω。电阻R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1 mA时,温升为0.05℃;当测试电流为5 mA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,R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,R的取值要满足: