便携式L波段微波辐射计的设计与特性

携便式Lk线徽波计的结构设计与的特点（转译自Portable L-Band radiometer (PoLRa): Design and Characterization；Derek Houtz , Reza Naderpour an散发d Mike Schwank） 

引言：介绍了一种适用于地面遥感或无人机测绘的轻质量、小体积双偏振L波段辐射计。在ESA土壤湿度和海洋盐度(SMOS)和NASA土壤湿度上有突出的应用主被动(SMAP)卫星的L波段辐射测量可用于反演环(huan)境参(can)数，包括土壤湿(shi)度(du)(du)(du)、海(hai)水盐度(du)(du)(du)、雪中液态(tai)水含量、雪密度(du)(du)(du)、植被光(guang)学(xue)深度(du)(du)(du)等。介(jie)绍(shao)了(le)气隙贴片阵列天线的设计和测(ce)试，并显(xian)示可提供37°的3db全(quan)功(gong)率(lv)波束宽(kuan)度(du)(du)(du)。我们提出了(le)射频(RF)前端设计，它采(cai)用直(zhi)接检(jian)测(ce)架构(gou)和平方律功(gong)率(lv)检(jian)测(ce)器。使用两个内(nei)部参(can)考校准，包括在环(huan)境温(wen)(wen)度(du)(du)(du)下的匹配电阻源(yuan)(RS)和主动冷源(yuan)(ACS)。射频(RF)前端不需(xu)要温(wen)(wen)度(du)(du)(du)稳定，因为通过(guo)天空测(ce)量表(biao)(biao)征(zheng)ACS噪声温(wen)(wen)度(du)(du)(du)。介(jie)绍(shao)了(le)ACS的表(biao)(biao)征(zheng)过(guo)程。在1 s积(ji)分(fen)时(shi)，辐射计的噪声等效Δ (Δ)温(wen)(wen)度(du)(du)(du)(NEΔT)为~0.14 K。天线总温(wen)(wen)度(du)(du)(du)不确定度(du)(du)(du)范围为0.6 ~ 1.5 K。

1. 讲述

星载Lk线(1 – 2GHz)微波射频加热福射能计的意式社会起源于欧洲各国航天部科技局(ESA) 206年土壞生活环境有机质结构湿球温度表和浮游生物海水海水盐度北斗小行星(SMOS)[1]。紧随随后的是美guo家飞防航天部科技局(NASA)的Aquarius北斗小行星[2]和土壞生活环境有机质结构湿球温度表相互式被动技能北斗小行星(SMAP)[3]。Lk线福射能测量方法一般说来进行在1400-1427 MHz的受保护措施频段。体系结构该k线的双偏振微波射频加热色彩饱和度温度表，现在已经表明了土壞生活环境有机质结构湿球温度表[4,5]、湖面海水海水盐度[6]、植被状况光电的厚度[7,8]、雪液水[9]、雪硬度[10-12]、土壞生活环境有机质结构冻结资金/解封[13,14]和海冰的厚度[15]等生活环境情况下规格的反演。

近地表L波段辐射测量，如便携式L波段辐射计(PoLRa)，允许来自多个平台的高空间分辨率的L波段辐射测量。紧凑和轻质量的设计允许在无人驾驶飞行器(UAV)或无人驾驶飞机，轮式车辆或固定在塔，杆子或建筑物上使用。无人机安装的PoLRa能够提供几米(<10米)的地面分辨率。

源于无人化机的L股票波段辅射计就已在事先的论文资料[16,17]中的灵魂存在。这多种整体都没有能提供双极化离zui低些无线温差，而一种温差对於已形成的数据检索百度算法(如Tau-Omega (TO)[18,19]或Two-Stream (2S)使用)当今社会是对模型(EMs)[5]。

PoLRa是一种直接探测辐射计，提供校准的双极化L波段天线温度，在1 s积分时分辨率为~0.14 K，根据积分时间和输入天线温度的不同，总不确定度在0.6-1.5 K之间。PoLRa采用双2 × 2贴片阵列天线，带有气隙衬底，具有高增益和(he)低(di)欧(ou)姆损耗(hao)。天(tian)线(xian)温(wen)(wen)度校正方案允许校正相对(dui)较宽(kuan)的(de)(de)天(tian)线(xian)功(gong)率37°全(quan)波束宽(kuan)度−3db灵敏(min)度。该校正将天(tian)线(xian)方向图与模拟的(de)(de)角度相关的(de)(de)面亮度温(wen)(wen)度进行卷积，同(tong)时还考虑了(le)(le)几何(he)性(xing)质在偏(pian)离轴视角处引入的(de)(de)偏(pian)振混合(参见(jian)附录[20])。PoLRa是一个研究型的(de)(de)辐射计系统，本文(wen)演示(shi)了(le)(le)它的(de)(de)特(te)性(xing)。

底下几节介紹辅射计来源于机器、性能、总体毕竟和结语。来源于机器包含辅射计、电子器材机器和wifi无线天线。定量分析包含辅射计的甄别率和安稳性、校对和不肯定度。总体毕竟包含特征提取无人化机的wifi无线天线体温估测和泥土水分侵入搜素。 

2. 网(wang)络设(she)备

下类各小节将推荐PoLRa的硬件设备构成，有rf射频最前端、后面和无线。 

2.1 微(wei)波射频web前端(duan)

PoLRa是一种直接探测辐射计，具有三个模拟滤波级(ji)，其中一个在第(di)1个放(fang)大(da)(da)器之前(qian)。前(qian)端滤波器对于防止射频推断(RFI)信(xin)号使(shi)低噪(zao)声放(fang)大(da)(da)器(LNA)饱和至关(guan)重要[21]。辐射计使(shi)用两个内(nei)部校准噪(zao)声源作为参(can)(can)考，包(bao)括(kuo)环(huan)境温(wen)度下的(de)(de)匹配电阻源(RS)和主(zhu)动冷源(ACS)。一个四端口低损(sun)耗射频开关(guan)在两个校准源和两个(垂直和水平)极化天线之间切换。温(wen)度传感器监测(ce)(ce)参(can)(can)考噪(zao)声源以及(ji)天线和电缆的(de)(de)物(wu)理温(wen)度。经过多次滤波放(fang)大(da)(da)后，射频信(xin)号由线性平方律功率检(jian)测(ce)(ce)器检(jian)测(ce)(ce)。

射频前端框图如图1所示。滤波器是陶瓷谐振器滤波器，两个LNA 级提供了~70 dB的总增益。射频组件目前通过同轴电缆线路和SMA型连接器连接。RF组件可以与微带或共面波导连接，从而允许在单个印刷电路板(PCB)上实现整个RF前端。单个带通滤波器的实(shi)测响应如图(tu)2所示。

前端损耗或噪声系数(NF)由第1个LNA之前的组件驱动，并决定辐射计系统噪声温度，从而决定辐射分辨率。由于PoLRa所要求的轻质量和小体积，使用大的低损耗谐振腔滤波器是不切实际的。四口射频开关、隔离器和陶瓷腔滤波器的插入损耗分(fen)别为1.3 dB、0.2 dB和2.1 dB。第(di)1个(ge)LNA的NF为0.6 dB，由于(yu)所有连(lian)接(jie)器和SMA部分(fen)约0.8 dB，存在额外的损(sun)耗。从交(jiao)换机到(dao)包(bao)括第(di)1个(ge)LNA的NF为5.0 dB。辐射计系统噪声温度Tsys由以dB为单位的NF计算[22]：

Tref是(shi)290k。这对应于Tsys为627 K。

图1图甲中，L中波段扩散计频射(RF)前端部位和后探测器电商集成电路芯片的框图。

图2，用矢量网络分析仪(VNA)测量滤波器响应:(a)宽带响应;(b)频率y轴在保护频带附近变焦。

2.2．后面及加工处理

Linux微控制器驱动开关，读取温度传感器，并对模数转换器(ADC)进行采样，读取功率检测器输出信号。开关的稳定时间小于1 ms，通常一个完整的校准周期需要~69 ms，其中积分每个开关位置花费16 ms，在四次 ~1 ms的开关位置稳定周期内对4个温度传感器进行采样。ADC的采样频率为~ 2kHz和22bit，低通滤波器的RC时(shi)间常数为τ≈1ms。由(you)于电(dian)池电(dian)源(yuan)的稳定电(dian)压调(diao)节(jie)，该ADC能够检测＜0.01 mV分辨率。

散发计程序运行在5V DC上，工作电压测试约0.7 A，总工作电压测试如果低于4W。散发计都没有主动权平均体温有效控制，这被证明格式是没有重要的，其高达必需的可靠性强，精密度，可与星载L中波段散发计相类似。反着的，当我们依附于于ACS的电学平均体温依附于性的表现。第4.1节详解解绍了一些特质。再次节还解绍了散发计背景噪声平均体温的标定进程。 

2.3. 全向天线(xian)设计(ji)制作(zuo)与(yu)定性(xing)分析(xi)

双贴片(pian)(pian)阵列同(tong)轴(zhou)电(dian)(dian)览设计(ji)紧身，克重轻，并供应(ying)至(zhi)少的(de)(de)(de)看(kan)向性，以有(you)合(he)情(qing)合(he)理(li)的(de)(de)(de)室内地面判别率(lv)，低后瓣荣誉奖(jiang)和(he)较(jiao)小(xiao)的(de)(de)(de)极(ji)化串(chuan)扰。彩印(yin)pcb板板(PCB)贴片(pian)(pian)阵列适(shi)用(yong)由(you)(you)气隙(xi)分隔开的(de)(de)(de)两(liang)位(wei)(wei)PCB层(ceng)(ceng)来(lai)有(you)高(gao)增(zeng)益控制和(he)高(gao)大范(fan)围地扩散质量。贴片(pian)(pian)由(you)(you)彩印(yin)在与贴片(pian)(pian)同(tong)一的(de)(de)(de)PCB上的(de)(de)(de)微(wei)带馈(kui)(kui)配输电(dian)(dian)络(luo)以平(ping)均(jun)的(de)(de)(de)艺术(shu)和(he)相位(wei)(wei)馈(kui)(kui)电(dian)(dian)。微(wei)带馈(kui)(kui)配输电(dian)(dian)络(luo)用(yong)同(tong)轴(zhou)温度(du)探(tan)头馈(kui)(kui)电(dian)(dian)，用(yong)1m的(de)(de)(de)SMA电(dian)(dian)览接(jie)(jie)入到最前端(duan)变换机。同(tong)轴(zhou)电(dian)(dian)览由(you)(you)两(liang)位(wei)(wei)尺寸大小(xiao)为1.5 mm的(de)(de)(de)FR4 PCB根据(ju)，之间(jian)接(jie)(jie)连有(you)6mm的(de)(de)(de)PTFE平(ping)垫。PCB接(jie)(jie)入适(shi)用(yong)而尼龙螺母采(cai)用(yong)平(ping)垫和(he)PCB层(ceng)(ceng)运作。同(tong)轴(zhou)电(dian)(dian)览总尺寸大小(xiao)为0.6 m × 0.3 m × 9mm。

监控定向wifi定向天线和馈电电线通信电缆的电学温差，如图是1已知。定向wifi定向天线的欧姆消耗的资金和同轴馈电电线通信电缆的消耗的资金是给出相关经验确定好的，是 第2节中讲述的ACS性能的有一部电影分。图3提示 了定向wifi定向天线在地表天穹检测和无人值守机检测的时候的相片。

图3，云彩检测时装置在塔上的贴片阵列无线(a);(b)在飞行器检测时装置在多旋翼没人机器上。

在设计的概念的阶段中，回收利用商业有限责任元电滋学APPANSYS electromagnetics Suite对定向同轴电缆回波消耗的资金做出了建模。SEO了馈配电网洛和补片规格尺寸，减小了好几圈仿真模拟回波亏损资金。在定向同轴电缆看向云彩的症状下，用失量网洛定性测试仪(VNA)检测回波消耗的资金。定向同轴电缆的谐振，或zui小回波消耗的资金，对FR4衬底的电滋相对导热系数极高刺激性。zui终呈的设计的概念的可以数次更替才能够准确的敲定指定PCB批发商商提供数据的FR4相对导热系数。

灵活运用ANSYS Electromagnetics Suite现有元app软件对外置定向无线的角相关内容瓦数迟钝度做出了逼真。因此，应用[23]中描写的早上的日光的光立交桥做法校正外置定向无线瓦数迟钝度路径位置图。外置定向无线的准确定位使径向偏向马上早上的日光的光zui高天顶角的路径位置角和仰角。用早上的日光的光立交桥法校正的比外置定向无线路径位置图将收获定量分析为早上的日光的光与外置定向无线径向相互的总维度α的方程。球体极角θ只能恰能相等于α时，早上的日光的光中按照头上，但对α的出错一般在平稳φ =｛0◦，90◦｝相互的切开。早上的日光的光立交桥法的信息只现示按照- 6 dB瓦数电平，这是由于在高维度地平线越变混乱的花草树木，和校正越变不安全。图4现示了(a)模仿和校正的外置定向无线回波损耗率，(b)模仿和校正的外置定向无线瓦数迟钝度图(归一化外置定向无线收获)。

图4，(a)受限的元模似和VNA检测的wifiwifi天线回波耗损率;(b)由受限的元模似和地球立交桥检测受到的归一化wifiwifi天线工作效率快速度图。

3. 大(da)范围地扩散计定性分(fen)析

下边的小节描术了PoLRa电磁电磁干扰计的试验优点。要，描术了分手后冷源(ACS)定性处理分析方式；接下来，计划方案了稳定性比较处理性和电磁电磁干扰辩认率；第二，明确了电磁电磁干扰计不断定度的考评。 

3.1．积极冷(leng)源分析方(fang)法(fa)

在非温度稳定的辐射计硬件上使用主动冷源(ACS)，需要确定ACS噪声温度对温度的依赖性。在没有星系背景辐射的情(qing)况下，根据天顶角的不同，天空的L波(bo)段亮(liang)(liang)温(wen)Tsky约为(wei)几个开尔文[24]。银(yin)河(he)系辐射已被证明对(dui)天空亮(liang)(liang)度(du)温(wen)度(du)的影响(xiang)高(gao)达(da)5K或更多(duo)[25]，但与[25]中(zhong)假设的10°天线相比，相对(dui)较大的37°天线波(bo)束(shu)宽度(du)将其减少(shao)到不到2K。

两个极化(hua)开关(guan)输入处的(de)噪(zao)声温度p={H，V｝,Tinp可(ke)以被(bei)以下式子表达(da)：

式中ap为天(tian)线(xian)/电缆(lan)平均物(wu)理温度Tphy(假设所(suo)有天(tian)线(xian)元件和电缆(lan)温度均匀)下总传输路(lu)径(TP)的吸收。请注(zhu)意，温度符号(hao)上的条形重音在接下来的讨论中指(zhi)的是物(wu)理温度。

以分贝(dB)为单位的(de)(de)(de)(de)Lp是天(tian)线(xian)和(he)辐(fu)射计(ji)输(shu)(shu)入之(zhi)间的(de)(de)(de)(de)累积损(sun)(sun)耗(hao)(上面提到的(de)(de)(de)(de)TP)，它(ta)考虑(lv)(lv)了(le)由于非理想天(tian)线(xian)效率、电缆(lan)损(sun)(sun)耗(hao)、适配(pei)器和(he)连接(jie)器损(sun)(sun)耗(hao)以及不匹(pi)配(pei)误差造成的(de)(de)(de)(de)损(sun)(sun)耗(hao)。由于两种传(chuan)输(shu)(shu)路径(TPs)的(de)(de)(de)(de)电缆(lan)和(he)天(tian)线(xian)损(sun)(sun)耗(hao)各自(zi)的(de)(de)(de)(de)可变性，我(wo)们考虑(lv)(lv)在每(mei)个(ge)极化(hua)p = {H, V}中不同的(de)(de)(de)(de)损(sun)(sun)耗(hao)Lp。

我们(men)使用(yong)天空和环(huan)境匹配(pei)电阻源(RS)测量(liang)，以开(kai)关输入作为参考平面对(dui)辐(fu)射计(ji)进行两点校准。辐(fu)射计(ji)增益Gp和辐(fu)射计(ji)固有偏(pian)置(off)噪声(sheng)温度(du)Toffp由下(xia)式给出(chu):

式中TRS = TRS为(wei)RS的噪声(sheng)温度，如果RS匹配，则等(deng)于RS的物(wu)理温度TRS。uRS为(wei)RS开(kai)关位置测得的探(tan)(tan)测器电(dian)压，uskyp为(wei)天(tian)线极化p = {H, V}处开(kai)关位置测得的探(tan)(tan)测器电(dian)压，天(tian)线朝向天(tian)空。开(kai)关输(shu)入端(duan)ACS的校(xiao)准噪声(sheng)温度TACSp为(wei):

如(ru)文献(xian)[26,27]所(suo)示，ACS参(can)考文献(xian)的(de)噪声温(wen)(wen)度TACSp随其(qi)物理温(wen)(wen)度呈(cheng)线性(xing)增(zeng)加。因(yin)此(ci)，以(yi)下线性(xing)模(mo)型(xing)适(shi)用(yong)于表示ACS噪声温(wen)(wen)度TACS,modp作为其(qi)测量物理温(wen)(wen)度TACS的(de)函数(shu)，

其中mp和bp分别是线(xian)性(xing)zui小(xiao)二乘回归的斜率(单位为(wei)K/K)和偏移(yi)量(单位为(wei)K)。给定(ding)一(yi)个理想的开(kai)关，因为(wei)所有的值都(dou)参考开(kai)关输入(ru)，所以没(mei)有极(ji)化(hua)依赖于ACS噪声温(wen)度，这意味着TACSH = TACSV。我们将此与假定(ding)的ACS噪声与物理温(wen)度之间的线(xian)性(xing)关系一(yi)起使用(yong)，以制定(ding)成(cheng)本函数(CF)，通过zui小(xiao)二乘拟合(he)zui小(xiao)化(hua)并获得LH和LV的损失:

其(qi)中(zhong)TACSH,i和(he)TACSV,i是由式(shi)(5)导出的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)ACS噪(zao)声(sheng)(sheng)温(wen)(wen)(wen)度(du)(du)，并使(shi)用(yong)天(tian)空(kong)(kong)测(ce)量(liang)(liang)得(de)到(dao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)电压uACS ,i =。CF中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)第1项表(biao)示(shi)ACS噪(zao)声(sheng)(sheng)与其(qi)物(wu)(wu)理(li)(li)(li)温(wen)(wen)(wen)度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)线(xian)(xian)(xian)性(xing)(xing)关系(xi)，第2项表(biao)示(shi)TACSH = TACSV。利用(yong)数(shu)(shu)值全局zui小查找(zhao)器(qi)zui小化CF以获得(de)LH和(he)LV。对(dui)于(yu)理(li)(li)(li)想的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)测(ce)量(liang)(liang)系(xi)统(tong)，公(gong)式(shi)(6)中(zhong)使(shi)用(yong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)线(xian)(xian)(xian)性(xing)(xing)拟(ni)合(he)参数(shu)(shu)mp和(he)bp对(dui)于(yu)p = {H, V}是相同(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)，但(dan)在(zai)实(shi)践中(zhong)并非如此。为了(le)获得(de)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)与极化无关的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)ACS线(xian)(xian)(xian)性(xing)(xing)温(wen)(wen)(wen)度(du)(du)依(yi)赖关系(xi)，可(ke)以对(dui)m =＜mH, mV＞和(he)b =＜bH, bV＞进(jin)行两个(ge)极化的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)平(ping)均(jun)，这(zhei)(zhei)相当于(yu)所有(you)TACSp,i值与TACS的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)线(xian)(xian)(xian)性(xing)(xing)拟(ni)合(he)。图3a显示(shi)了(le)在(zai)达(da)沃斯-拉雷特(te)遥感野(ye)外(wai)实(shi)验室进(jin)行这(zhei)(zhei)些(xie)天(tian)空(kong)(kong)测(ce)量(liang)(liang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)设置[28]。天(tian)线(xian)(xian)(xian)以大约(yue)70°高度(du)(du)角(jiao)朝向南方。在(zai)2020年5月7日(ri)至8日(ri)约(yue)11小时的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)时间(jian)内(nei)，每隔5分钟进(jin)行一次天(tian)空(kong)(kong)测(ce)量(liang)(liang)。傍晚(wan)至夜(ye)(ye)间(jian)(当地(di)时间(jian)17:00-06:00)测(ce)量(liang)(liang)是为了(le)zui大化物(wu)(wu)理(li)(li)(li)温(wen)(wen)(wen)度(du)(du)范围，同(tong)时也避免太阳侵(qin)入天(tian)线(xian)(xian)(xian)。我(wo)们还使(shi)用(yong)夜(ye)(ye)空(kong)(kong)计算器(qi)调查了(le)潜在(zai)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)银河系(xi)噪(zao)声(sheng)(sheng)入侵(qin)，并从我(wo)们的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)赤道坐标估计其(qi)小于(yu)1 K[25]，zui坏的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)情况发生在(zai)测(ce)量(liang)(liang)周期的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)开始。图5显示(shi)了(le)物(wu)(wu)理(li)(li)(li)温(wen)(wen)(wen)度(du)(du)和(he)测(ce)量(liang)(liang)到(dao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)探测(ce)器(qi)电压。夜(ye)(ye)间(jian)冷却期提供了(le)~25 K的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)温(wen)(wen)(wen)度(du)(du)变化。请注意(yi)，PoLRa上(shang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)检测(ce)器(qi)是反斜率检测(ce)器(qi)，因(yin)此较(jiao)低的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)电压对(dui)应于(yu)较(jiao)高的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)绝对(dui)功率水平(ping)。图6提供了(le)校(xiao)准后的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)冷负荷亮度(du)(du)温(wen)(wen)(wen)度(du)(du)TACSp,i (TACS)与ACS物(wu)(wu)理(li)(li)(li)温(wen)(wen)(wen)度(du)(du)TACS，以及两个(ge)极化的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)线(xian)(xian)(xian)性(xing)(xing)拟(ni)合(he)线(xian)(xian)(xian)TACS,mod和(he)该拟(ni)合(he)线(xian)(xian)(xian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)95%置信区(qu)间(jian)。表(biao)1显示(shi)了(le)成本函数(shu)(shu)(CF)zui小化过程产生的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)参数(shu)(shu)值。

图5，(a)侧量到的工具气温，(b)在星空侧量前几天侧量到的探测系统器的原线电压与那天耗时的关心。

图6，主动冷(leng)源(ACS) TACS的(de)(de)测量(liang)物理温(wen)度与校(xiao)准的(de)(de)ACS噪声温(wen)度TACSp,i和线(xian)性拟合(he)TACS,mod，用(yong)于基于天(tian)空测量(liang)的(de)(de)ACS特征(zheng)。虚线(xian)表示线(xian)性模型的(de)(de)95%置信区间(jian)(jian)(CI)。颜色条表示在2020年5月7日至8日之间(jian)(jian)进行每次测量(liang)的(de)(de)当地时间(jian)(jian)。

表1，出自ACS性能特点的技术指标值。

3.2. 放(fang)射性物质计不稳定性

对(dui)于(yu)辐射(she)计(ji)的标称(cheng)使用(yong)，天线在水平和垂直极化时的温度使用(yong)两点校准，以内部(bu)匹(pi)配电阻源(yuan)(RS)和主动冷(leng)源(yuan)(ACS)为(wei)参(can)考。与式(3)(4)相似，辐射(she)计(ji)增益G和偏移Toff的计(ji)算(suan)公式为(wei):

在开关位置p = {V, H}处，在开关输入参(can)考平面处的(de)噪(zao)声温度Tinp为:

其中up为天线指(zhi)向目标(biao)场(chang)景时(shi)，开关在水平和垂(chui)直极化输(shu)入口测(ce)得的探测(ce)器电压。

根据在两头定向天线馈电电缆电线的下端增加阻值配备源来明确分析放射性物质危害计的稳明确高性。放射性物质危害计从冷开机开使维持衡量约二十分钟的日期，在两大外接阻值源上安全施用τ = 16 ms积分查询日期。在四位转换开关所在角度范围内切回对应着的总日期，在没个所在角度(ACS, RS和两大外接阻值源)对检测工具器抽样16ms，对四位湿度感知器抽样69 ms。在稳明确高性测量中，放射性物质危害计安全施用电板共电。

在不稳性做实验的时候中，外链适配的阻值源攻击地要保持在场景温下。假定各种的频射电揽和适配的阻值源出现问题和均衡的温。在软件测试流程中，将电偶温传红外感应器器相连到适配的阻值源上，以污染监测其生物学温。在量测前一天，检侧到适配的阻值源轻起热(~0.6 K)，将会是由贴近大范围地扩散计電子机械设备制造的含糖量引致的。

嘈音等效Δ (Δ)气温(NEΔT)由该相配阻值源比较稳定义试验装置研究操作统计受到。NEΔT在于于积份查询的时段间隔(τ)，在我门的系统中，它由最原创16 ms样例的尾随滑动均匀值标识。所能提供的NEΔT值是算作不低于1000个最原创备样的标定无线气温的原则误差统计的。积份查询的时段间隔被构建为与积份查询的时段间隔应对厚度的尾随滑动均匀值(多边形菜单栏)，因是16的因数。表2提供了有差异积份查询的时段间隔下的研究操作NEΔT值。图7提供了H极化电开关表层的測量最原创(在τ = 16 ms(淡蓝色)时取样)和集成式无线气温的举例，及相互最原创数值的直方图和高斯拟合曲线。图7中最原创样例的峰度为3.018，表示高斯占比。

表2，两种类型极化和差异积分查询时光下科学试验幅射计燥声等效Δ (Δ)温度表(NEΔTs)表。

图7，大范围地扩散计在连结阻值源当天检测的的噪音污染工作高温连结到大范围地扩散计的H端口设置，使用在数量化PoLRa的稳固性。(a)有差异 积分规则时τ的噪音污染工作高温时编码序列随源的生物学工作高温画制。(b) (a)如下图所示原来τ = 16 ms模本的直方图和划分的高斯线性拟合。

NEΔT也还可以在函数[29]展开基本原理测算:

其(qi)中(zhong)Tsys为(wei)2.1节(627 K)中(zhong)讨论(lun)的(de)(de)系(xi)统噪(zao)声温(wen)度，B为(wei)系(xi)统的(de)(de)RF带(dai)宽(kuan)(kuan)，τ为(wei)检测(ce)后(hou)积分时间。射(she)频(pin)带(dai)宽(kuan)(kuan)由FE滤波器决(jue)定(ding)，其(qi)在1400-1427 MHz范围内具(ju)有27 MHz的(de)(de)3db通频(pin)带(dai)。理论(lun)值NEΔT和实验(yan)值见表(biao)2。理论(lun)值可能略低(~20%)，因为(wei)在实验(yan)过程(cheng)中(zhong)辐(fu)射(she)计的(de)(de)温(wen)度不(bu)是(shi)全(quan)稳定(ding)的(de)(de)，并且式(11)中(zhong)假设的(de)(de)理想矩形(xing)滤波器的(de)(de)带(dai)宽(kuan)(kuan)高估了(le)实际滤波器的(de)(de)带(dai)宽(kuan)(kuan)。实验(yan)确定(ding)的(de)(de)NEΔT值确实与各自理论(lun)值的(de)(de)趋势密(mi)切相关(guan)，这(zhei)表(biao)明辐(fu)射(she)计确实是(shi)在测(ce)量高斯热噪(zao)声。

外阻源的均值水平嘈音工作气温与均值水平热学工作气温的差值在H极化口为0.02 K，在V极化口为0.26 K。立式极化串口的很大的差别可能是伴随电线高温不平均或工作气温调节器器与内阻源的热了解不理想化引致。铂热阻值调节器器的絕對精确技术参数仅为1K。采取到这1点，外面内阻源(附在H串口上)的估测嘈音工作气温与调节器器不认定度内的热学工作气温一直。 

3.3. 不肯定义特殊性

在字段不涉及到的的条件下，变换机网口符合水平面校验的噪音热度的装置不清楚好度就能够用方差关系式表达出来为[30]:

其中Δ前缀表示与前一(yi)个变量(liang)相关(guan)的(de)不(bu)确定性(xing)。测量(liang)电压uRS、uACS、up的(de)系统不(bu)确定度ΔuRS、ΔuACS、Δup均为0.01 mV。当通过增益G (~5 K/mV)的(de)乘(cheng)积转(zhuan)换为温(wen)度单位时，这些不(bu)确定性(xing)远小于TRS, TACS的(de)测量(liang)物(wu)理温(wen)度ΔTRS = ΔTACS≃1K。因此(ci)式(12)可化(hua)简为:

之中：

其中偏导数由式(8)和(he)式(9)代入(ru)式(10)计(ji)(ji)算(suan)。在(zai)3.1节给出的温(wen)(wen)度(du)传感器(qi)不(bu)确定度(du)ΔTRS = ΔTACS≃1K, ACS RMSE ΔTACS = 0.66 K的条件(jian)下(xia)，输(shu)入(ru)端口p = {H, V}处(chu)PoLRa噪声温(wen)(wen)度(du)测量的系统(tong)不(bu)确定度(du)ΔTinp可由式(13)计(ji)(ji)算(suan)。我们计(ji)(ji)算(suan)ΔTinp的范围为上，覆盖(gai)50 K≤Tp≤350 K的范围，用于地面场景的测量。总不(bu)确定度(du)ΔTin,totp的测量噪声温(wen)(wen)度(du)在(zai)辐射计(ji)(ji)端口p = {H, V}，然后(hou)计(ji)(ji)算(suan)为系统(tong)和(he)统(tong)计(ji)(ji)贡献的平方根和(he):

系统不(bu)确(que)定度(du)(du)ΔTinp和总不(bu)确(que)定度(du)(du)ΔTin,totp在图8中为两个(ge)(ge)不(bu)同的(de)积分时间绘制。当测量的(de)噪(zao)(zao)声温度(du)(du)大(da)致处于两个(ge)(ge)校(xiao)(xiao)准参(can)考点(RS和ACS)之间时，不(bu)确(que)定度(du)(du)达到zui小，当测量的(de)噪(zao)(zao)声温度(du)(du)需要外推超出校(xiao)(xiao)准参(can)考点时，不(bu)确(que)定度(du)(du)增加(jia)。

额外的(de)(de)不(bu)(bu)(bu)确(que)(que)定(ding)(ding)性来(lai)源，如(ru)非线(xian)性、失配(pei)和(he)隔(ge)离[31]，在本分(fen)析中被忽(hu)略(lve)，因(yin)为与与温度(du)传感器(qi)相(xiang)关的(de)(de)不(bu)(bu)(bu)确(que)(que)定(ding)(ding)性相(xiang)比，它们被认为很(hen)小。检测(ce)器(qi)提供线(xian)性估计(ji)，元件和(he)开关端口之间的(de)(de)不(bu)(bu)(bu)匹配(pei)都测(ce)量在−20 dB以下(xia)。上述不(bu)(bu)(bu)确(que)(que)定(ding)(ding)度(du)分(fen)析只(zhi)考虑(lv)了影响开关输入端口p = {H, V}处测(ce)量噪声(sheng)温度(du)Tinp的(de)(de)内(nei)部不(bu)(bu)(bu)确(que)(que)定(ding)(ding)源。

同一天线在地面磁砖上观看自然环境脚印时，会产生了附加的不认定性分析源，涵盖未知的频射不干扰(RFI)。就算成千上万如今普及源计zui近便用高抽样率金额前web后台分离来减轻症状频域RFI，但那样方式方法还是会会促使残留物RFI，或者就不是wan无yi失的[32]。在时域对样表实行高斯拟合曲线也一种恰当的的RFI测量工具方式，如论文[28,33,34]图甲中。这段话研讨会的一体式式L波长普及源计(PoLRa)选用真接测量工具构架，更具平衡、容易和低显卡功耗的总效率测量工具。相近普及源计的金额前web后台分离已被證明最好消费19W[35]，这而你低于PoLRa便用的~ 4W。

图8。计算公式设计和总燥声源平均室内温度不确保性用作的两个区别积分系统时期τ的测定燥声源平均室内温度的涵数。

用于检索地球物理状态参数的从天线温度到足迹亮度温度的转换也可能需要进行校正，以考虑到天线的相对较大的视场。当以非zui低点入射角观察地(di)(di)面(mian)时，天线平面(mian)上(shang)的线极化只对应于(yu)天线轴线上(shang)相同的线极化。在(zai)非zui低点角度(du)(du)，来自地(di)(di)面(mian)的发射必须进(jin)(jin)行(xing)偏振混合(he)校正;该(gai)过程的详细(xi)描述见[20]的附录a。基于(yu)PoLRa的地(di)(di)球(qiu)物理参(can)数(如(ru)土(tu)壤湿(shi)度(du)(du))检索将在(zai)未来使用(yong)原位土(tu)壤湿(shi)度(du)(du)传感器网(wang)络进(jin)(jin)行(xing)验证(zheng)。

4. 研讨

发展历程了轻便式式L频谱电磁干扰计(PoLRa)的方案和性能指标。明确了仔细的技艺审议，以证明文件该电磁干扰计的硬件软件功能性适用预料，并打造了其燥声平均温度估测不来确定度的确定。

只不过安全使用与其它的覆盖计相仿的网络架构，但PoLRa的无线天线设计制作，手机设配非常简单，耗电量低，成本投入经济效益高，不用再主动的性摄氏度操控。因为选用了新颖别致的主动的性冷源(ACS)定量分析方法步骤，我也介绍一下的覆盖计不都要摄氏度平衡性。应用模仿的冷天光亮度摄氏度来定量分析ACS低频噪音摄氏度对期望值任务摄氏度时间范围内物理性摄氏度发生改变的加载。这个默认特质能后会对覆盖计去完正的内部组织校对，而不都要进一歩的半空在测量。

里面的标定嘈音源(RS和ACS)的检测物理上的温湿度的不判别度是PoLRa投入网络端口检测嘈音温湿度总不判别度的注意因素一种。进行上升温湿度传感测器器的重量，能够 上升电磁散发计的控制精度，但这也需要设计二阶不判别性项，如非线性网络和不连接。与来源于通讯卫星的无源l频谱检测不同之处，在生态踪迹上检测的嘈音温湿度条件的总不判别性值在0.6 K到1.4 K中间，确实很低。比如，SMOS的不判别度为3k或越来越高[36,37]，而NASA SMAP电磁散发计的不判别度为1.3 K[3]。

PolRa的总的品质不低于4KG，涉及大多数的装有电脑硬件软件，也能否的装有在没人驾使着陆器(UAV)上，如多喷气式机票没电脑，还也能否当做塔架或简单化杆子上的房屋地面的砖测试仪器。这类电磁辐射危害计也也能否的装有在另一个机动车辆上，如农运拖拉机、机动车或机票上。系統的低额定功率不得选择宽敞型电板或小形太阳星能电板板和电板系統做好离网房屋地面的砖选择。这类兼具投入成效的制定不得制作许多那样的电磁辐射危害计，这将不得在范围广的网咯用得于北斗卫星房屋地面的砖安全验证原因，或大占比制作代替绿植基地和土木工装修程的电脑硬件软件。

农林因素的软件应用很有可能是立于没组队的土体湿气和树木含水流量绘制。土体空气湿度个人信息能作于智慧管灌系统性，节电冲水，少饲料园艺果树压，提高自己饲料园艺果树产量比。树木含水流量信息检索能作于估评饲料园艺果树营养健康情况和饲料园艺果树比较成熟度，如春小麦和五谷杂粮，以确定好收货方式。

凭借无组队机的PoLRa在土木匠程中的使用将比如察觉大堤和水坝的漏泄，相应为查看和施工规模监测土壤中对环境干湿度的。PoLRa素的任何潜在性使用比如滑塌危险 分析预测和可以缓解，相应凭借雪对环境干湿度的和密度计算的地方测量测绘来改善雪崩危险 。

本文献介紹了PoLRa辐射能计的硬件设备构思、性能、校对和不确保度进行分析。我只涉及冷天空6的人身自由范围预估方法，以定量分析相互冷源(ACS)校对可以参考。在这里介紹的其余预估方法都在實驗室中进行的。素的出版发行物将介紹食用PoLRa的地和无人问津机预估方法，各种涉及到的区域基本参数索引，举例说明，涉及土壤环境对环境湿度的和地被植物光电器件角度。

 

5. 理(li)论依据

大家价绍好几回种超小型、轻效率、成本分析低的Lk线反射计结构设计，并给出了分析方法结局来证明文件其使用性能。Lk线，的频率zui低的无源守护k线，从1400-1427 MHz，给出对肯定物料的固化，如土囊和植被状况。

根据在多旋翼没人问津机器上安裝一体式式低劣量光辅射计，能实现目标~6米或更小的像数宽度。PoLRa还能便地成为小行星手机验证网站的地面砖光辅射计，或某些饱和度水温时光回文序列估测，因此能安裝在简单的的重新气候站业务类型的基本知识基本设施上。本段介召了该光辅射计的系统配置结构设计、校正、表现和不判定度浅析。特征提取没人问津机的操作步骤和数据选择在一下出版商物。

给出(chu)了(le)直接(jie)检测总功率辐(fu)(fu)射(she)(she)计的(de)框(kuang)图和实(shi)测的(de)系统前端滤波器响应。根据(ju)前端和第(di)1LNA的(de)级联噪声系数，估计辐(fu)(fu)射(she)(she)计的(de)系统噪声温(wen)度(du)为Tsys = 627 K。给出(chu)了(le)气隙贴片天线阵设计，并(bing)给出(chu)了(le)仿真和实(shi)测的(de)回波损耗(hao)和增(zeng)益(yi)图。天线的(de)半功率全波束宽度(du)为37◦，并(bing)且与方(fang)位(wei)角几乎对称，从而(er)产生圆形zui低点(dian)观看像素。

第2节分享了主动地冷源(ACS)参考资料、的噪音等效Δ (Δ)摄氏度(NEΔT)和总普及不明确度的特点。ACS与电览和同轴电缆损耗率分子共同做出了分析方法，的噪音摄氏度均方根不确实度(RMSE)为0.66 K。在τ≈1的積分查询卡周期内，科学试验明确的NEΔT是0.14K, 这与由系统软件的噪音摄氏度、積分查询卡周期和速率明确的理论与实践值0.12 K异常符合。仍然效准视图和两极化视图，1秒的積分查询卡周期实际情况的上共计必须要约达4.4秒。对於未来的源于无人售货机的的操作，更实际情况的集合周期约为100ms，各自于总测量方法周期为480ms，NEΔT为0.4 K。

电磁电磁干扰计的总不明确度是模式不明确度和计算表格不明确度贡献者的总数。模式不明确度由校零分类不明确度的传播方式关键，而计算表格不明确度等效于NEΔT，因此是积分查询时候的指数函数。在气象观测时间范围内，总不明确性在0.6 K到1.4 K两者之間，16个预估自然环境透明度热度中的13个在50 K到350 K两者之間。这点值需小于ESA SMOS通讯卫星的电磁电磁干扰不明确度，与NASA的SMAP检测设备很大。

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