Прототип СИЭХА испытывался в условиях реальной эксплуатации начиная
с декабря 2009 г. по настоящий момент. В июле 2011 года аппаратура СИЭХА была
установлена на опорно-поворотное устройство (ОПУ) с этого момента система
приобрела законченный вид. ОПУ позволяет позиционировать ДН по азимутальной
координате с точностью ±11', при этом скорость перемещения составляет от 0 до 1.2 уг.гр./сек. Скорость ограничивает наличие в конструкции привода ОПУ редуктора с коэффициентом редукции 1:6000.
Анализ поведения аппаратуры СИЭХА в условиях реальных наблюдений
показал несколько основных источников ошибок измерения яркостной температуры
неба. Ошибки можно разделить на два вида: ошибки, обусловленные аппаратурой
СИЭХА и ошибки, обусловленные конечной точностью калибровочных методов.
Рассмотрим подробнее ошибки, обусловленные аппаратурой СИЭХА.
Точность наведения после калибровки составляет величину порядка ±0.5°. Полученные данные носят предварительный характер и требуют уточнения.
Для получения полноценной картины поведения ДН на различных углах места и оценки ширины ДН требуется проведение большого ряда наблюдений в режиме сопровождения источника. Такие работы планируется провести в апреле - июле 2012 года.
Ошибки, обусловленные неточностью измерения температуры
датчиками, установленными на ГШ.
Применяемые измерители температуры ADT7301 ANALOG DEVICES производителем
не калибруются и имеют ошибку измерения в используемом нами диапазоне
температур (20÷80°С) в пределах ±2°С (согласно информации
приводящейся производителем).
В мае в компании
«Тест-СПб» была проведена
калибровка двух измерителей температуры на основе ADT7301.
 |
| Результаты калибровки измерителей температуры в фирме "Тест-СПб".
По оси ординат — величина отклонения показаний датчика от истинной температуры
по оси абсцисс — показания датчика.
|
Далее два откалиброванных датчика использовались как местные
хранители шкалы темпратур и по ним в условиях лаборатории калибровались
остальные измерители температуры. Калибровка измерителей температуры позволила
уменьшить доверительный интервал показаний датчиков до величины ≈ ±30 мК
в диапазоне измеряемых температур от 20 до 80°С.
Ошибки, обусловленные отклонением температуры поглотителя от измеряемой датчиком температуры.
Так как из-за конструктивных особенностей ГШ прямое измерение температуры поглотителя не представляется возможным распределение температур оценивалось следующим образом. На нижнюю медную обкладку ГШ устанавливался откалиброванный измеритель температуры и измерялась разница между верхней гранью, температура которой термостатируется и нижней гранью.
Измерения проводились при двух температурах 40°С и 65°С,
соответствующих температурам эталонных нагрузок в радиометре СИЭХА,
при температуре окружающей среды 22°С. Измерения показали, что разница
температур между гранями при приведенных условиях не превышает 0.2°C
при термостатировании на уровне 40°C и 0.5°C для 65°C.
Полагая линейный характер градиента температуры считаем, что температура
поглощающего слоя отличается от температуры измеряемой датчиком на
величину -0.1°C для 40°C и -0.25°C для 65°C. Для
обоих случаев коэффициент отклонения температуры поглощающего слоя
от показаний измерителя температуры в зависимости от разницы температуры
нагрузки и температуры окружающей среды составляет К ≈ -0.006.
K=(Т
п - T
и)/( T
и - T
о), где
Т
п - температура поглотителя, T
и - показания измерителя
температур, установленного на верхней обкладке ГШ, T
о - температура
окружающей среды.
Так как коэффициенты К для обоих температур ГШ оказались близки, можно предположить, что и при изменении температуры окружающей среды (Tо) коэффициент К сохранит свое значение, тогда получим:
при T
о =35°C соответствует температуре в радиометрическом блоке и
температуре в кожухе СИЭХА
Тп-Tи = -0.06°C для Tи=45°C
и
Т
п - T
и) = -0.18°C для T
и)=65°C
Эти величины являются верхними оценочными значениями и могут быть снижены
при тщательной теплоизоляции эталонных нагрузок.
Для уменьшения градиентов температур в конструкцию ГШ и сборку измерителя
температур были внесены следующие изменения. Было решено отказаться от
использования поликоровой печатной платы в качестве основания для установки
измерителя температуры, что позволило устранить необходимость применения
медного основания (служащего для закрепления сборки измерителя температуры
на медной обкладке ГШ), это приблизило измеритель температуры к поверхности
обкладки. Снижение теплопроводности сборки из-за замены материала платы с
поликора на FR-4 компенсируется небольшой толщиной платы (0.2мм) и наличием
металлизированных переходных отверстий.
На накладке в месте расположения измерителя температуры бал сделан паз, что
позволило закрыть датчик "крышкой" и уменьшить влияние температуры окружающей
среды.
Стабильность коэффициента передачи СВЧ тракта радиометра
и коэффициента передачи конвертора.
Вклад в шумовую температуру системы элементами волноводных конструкций определяется распределением физической температуры при которой находятся эти элементы. Эта температура определяется совокупностью работы термостатов радиометрического блока и термостата кожуха СИЭХА. По показаниям датчиков включенных в состав термостата радиометрического блока относительная ошибка поддержания заданной температуры основания, на котором размещаются элементы волноводного тракта, составляет следующие значения: для канала А (1.35см) ±25 мК и ± 20мК для канала Б (0.95см). Что при условии отсутствия теплового обмена между стенками радиометрического блока и элементами тракта и отсутствия теплового обмена между эталонными нагрузками и элементами трактата вызванного разницей температур нагрузок (40°C и 65°C ) и температурой основания, составляющей 35°C является приемлемой величиной с учетом температурной зависимости коэффициента передачи конвертора предоставленной производителем.
Теплообмен между стенками радиометрического блока и элементов тракта определяется температурой в кожухе СИЭХА которая должна быть по возможности ближе к температуре основания (35°C). Задача подержания температуры в кожухе с погрешностью не хуже ±(0.2 - 0.5)°C осложнена во первых большим диапазоном температур
окружающей среды (-30°C ÷ 40°C), во вторых из-за конструктивных особенностей размещения аппаратуры в кожухе СИЭХА. Второй пункт затрудняет равномерное распределение температуры по объему кожуха и приводит к тому, что разные стенки радиометрического блока находятся при разной температуре. Эту трудность частично удалось преодолеть, обеспечив режим плавной регулировки температуры воздушного потока теплового вентилятора. Разработанная аналоговая система термостатирования кожуха обеспечивает плавную фазовую регулировку мощности в нагревателе согласно пропорционально-интегрирующему алгоритму. В настоящий момент ведутся испытания новой системы термостабилизации.
Стабильность коэффициента передачи детектора.
Вопрос стабильности коэффициента передачи детектора еще не изучен. Однако существуют данные о том, что вид температурной зависимости коэффициента передачи детектора является функцией величины нагрузки детектора. С ростом сопротивления нагрузки влияние температуры снижается. На основании этих данных планируется исследовать поведение детектора при различных нагрузках.
Для проведения этих и других работ, связанных с исследованием тракта промежуточной частоты и низкочастотного тракта в лаборатории разработан выходной радиометрический блок.
Стабильность коэффициента передачи элементов тракта (ПУНЧ, ФНЧ, АЦП).
В ошибки измерения сигнала, обусловленные коэффициентом передачи аналогового тракта, вклад вносят следующие основные составляющие:
а) отклонение закона аналогового-цифрового преобразования в АЦП от линейного. По данным производителя для АЦП AD7894-3 эта величина составляет ±1.8 мВ (±0.072%),
б) изменение опорного напряжения АЦП под действием температуры. В качестве источника опорного напряжения для АЦП применяется микросхема AD584J. По данным производителя коэффициент температурного дрейфа выходного сигнала составляет 0.003% на градус,
в) изменение коэффициента передачи ПУНЧ вследствие влияния температуры на резистивный делитель, задающий усиление. Для используемых стандартных резисторов ТКС составляет величину порядка 200 ppm на градус, что при пересчете в коэффициент передачи дает ≈0.02% на градус.
При термостабилизации ПУНЧ, расположенного на термостатируемом основании радиометрического блока, с отклонением не более 30 мК, что реально достигнуто, отклонение коэффициента передачи ПУНЧ не превышает 0.0006 %.
Отклонение опорного напряжения АЦП при выполнении условия термостабилизации кожуха СИЭХА, согласно требованиям, на уровне не хуже ±0.5°C составляет величину около 0.0015%. Можно видеть, что основной вклад в ошибку измерения вносит нелинейность АЦП.
Если пересчитать полученные значения отклонений коэффициентов передачи в ошибки измерения температуры, получим:
В канале А температура системы составляет 150 ÷ 450 К, следовательно ошибка измерения равна 0.11 ÷ 0.33 К.
Аналогично для канала Б температура системы составляет 300 ÷ 600 К, следовательно ошибка измерения равна 0.22 ÷ 0.44 К.
Для минимизации описанных выше ошибок необходимо проводить калибровку АЦП во всем диапазоне входных сигналов. Подобная калибровка требует применения высокоточного вольтметра. В этом году в лабораторию был приобретен универсальный вольтметр Agillent-34401A. С помощью него планируется провести калибровку измерительного тракта.
Стабильность параметров, определяющих нулевое смещение.
В отличие от ошибок связанных с коэффициентом усиления ошибки, обусловленные нулевыми смещениями элементов измерительного тракта, носят аддитивный характер. Такие ошибки не оказывают влияния при работе в модуляционном режиме, однако при работе в режиме полной мощности их учет необходим. Ошибка нулевого смещения включает следующие компоненты:
Е=Е
ПУНЧ+Е*
ПУНЧ+ Е
ФНЧ+Е*
ФНЧ+ Е*
ФНЧ+ Е
АЦП,
где:
Е
ПУНЧ, Е
ФНЧ - смещения напряжения для ПУНЧ (AD8671) и ФНЧ(AD8512) соответственно; Е*
ПУНЧ, Е*
ФНЧ - смещения напряжения для ПУНЧ (AD8671) и ФНЧ (AD8512) соответственно, обусловленные токами утечки и токами смещения; Е
АЦП - ошибка измерения нулевого сигнала АЦП.
Ошибки нулевого смещения имеют относительно большую величину, однако она
легко оценивается для данных условий, путем измерения сигнала при отсутствии
СВЧ сигнала на детекторе. Для канала А эта величина равна 3.3 мВ, для канала
Б равна -1.5 мВ. Ошибка измерения антенной температуры, вызванная температурным
вкладом в изменение нулевого смещения, при условиях, приведенных в предыдущем
подразделе, не превышает величины 30 мК. В настоящий момент в лаборатории
ведутся работы по исследованию возможности применения в качестве ПУНЧ
усилителей с автоматической коррекцией нуля, в которых смещение нуля имеет
величину порядка 1 ÷ 2 мкВ, а температурный дрейф смещения нуля не превышает
20нВ/С. Кроме того у этих микросхем значительно более низкие токи утечки.
Помимо приведенных выше источников ошибки при анализе данных СИЭХА, были выявлены следующие:
- обратные потери в СВЧ-переключателях имеют следующие значения:
- в канале А не более 19 дБ,
- в канале Б не более 21 дБ.
- в канале А имеются небольшие кондуктивные наводки от системы термостатирования основания радиометрического блока.
Все выявленные источники внутренних ошибок аппаратуры СИЭХА дают общий вклад в ошибку измерения антенных температур не более 0.4 К для канала А и не более 0.5К для канала Б. Большая часть этих ошибок (систематические) может быть учтена, остальные ошибки (случайные) могут быть минимизированы.
