Пассивный бортовой широкоапертурный излучатель
для калибровки спутникового радиометра МИРС

В докладе представлены результаты оценки метрологических и технических характе-ристик бортового широкоапертурного излучателя (БШИ), предназначенного для калибровки создаваемого в ИКИ РАН спутникового радиометра дистанционного зондирования МИРС.
1. Технические и метрологические характеристики БШИ МИРС заданные в ТЗ на работу:
• Рабочий диапазон частот шумового электромагнитного излучения БШИ от 6,5 до 200 ГГц. Калибровка БШИ выполняется в диапазоне яркостных температур от 230 до 340 К на следующих частотах (полосах частот по уровню -3 дБ) и поляризациях.
6,8 ГГц (350 МГц, Г, В); 10,6 ГГц (100 МГц, Г, В, ±45°);
18,7 ГГц (200 МГц, Г, В, ±45°); 22,0 ГГц (4000 МГц, Г);
36 ГГц (2000 МГц, Г, В, ±45°); 85,0 ГГц (4000 МГц, Г, В);
118,75 ГГц (8000 МГц, Г); 150,0 ГГц (4000 МГц); 183,3 ГГц (24000 МГц, Г)
Коэффициент излучения БШИ в рабочем диапазоне частот изменяется от 0,997 до 0,999. Коэффициент отражения, определяющий уровень отражённого от БШИ излучения приёмной системы радиометра (ПСР) обратно в ПСР, не должен превышать величину 3·10-4.
Стандартная неопределённость калибровки БШИ по величине яркостной температуры не должна превышать 1 К.
Масса БШИ – не более 3 кг.
Практика создания бортовых широкоапертурных излучателей показала, что дополнительно должны выполняться следующие требования к конструкции и материалам БШИ МИРС.
• Коэффициент излучения εf не должен изменяться в рабочем диапазоне температур от 230 до 340 К (Δε(Т)≤2·10-4).
• Коэффициент отражения Rf, определяющий уровень отражённого излучения обратно в приёмную систему (ПС) радиометра должен быть как можно меньше (Rf≤3·10-4).
• Конструкция и материалы БШИ, теплоизоляция и место размещения на КА должны обеспечить равномерность термодинамической температуры по объёму излучателя БШИ (ΔТ=(Тmax –Tmin) ≤0,5К).
• Поперечный размер БШИ относительно траектории перемещения облучателя должен быть больше (или равен) апертуре Добл самого большого облучателя ПС калибруемого радиометра, а продольный размер вдоль траектории движения облучателя относительно БШИ должен быть больше апертуры облучателя ПС радиометра на величину, обеспечивающую время прохождения облучателя по БШИ в n раз большее чем постоянная времени радиометра ПС. Здесь n выбирается из условия надёжной регистрации уровня излучения БШИ.
• Диапазон температур излучателя БШИ и скорость её изменения на борту КА при переходе от теневой к освещённой областям орбиты КА желательно иметь как можно меньше (ΔТ = (Тmax -Tmin) ≤ 0,4 – 0,5 К).
• БШИ МИРС должен удовлетворять требованиям механических, термовакуумных и других испытаний, предъявляемых к спутниковой аппаратуре научного назначения.
Кроме того, для обеспечения прослеживаемости метрологических характеристик БШИ МИРС к государственным эталонам и обеспечения единства и правильности измерений яркостных температур должны быть разработаны и аттестованы методика калибровки БШИ МИРС и методика измерений яркостных температур, включающая методику калибровки МИРС по БШИ и «холодному» космосу.
2. Конструктивные особенности БШИ МИРС, позволяющие реализовать заданные технические и метрологические характеристики.
Обычно бортовые излучатели БШИ МИРС, характеристики которых приближаются к характеристикам «чёрного тела», представляют собой шиповидные радиопоглощающие структуры, собранные из конических стержней, изготовленных из того или иного радиопоглощающего материала. Ограниченная масса БШИ, необходимость обеспечения равномерности термодинамической температуры по объёму излучателя БШИ требуют использования для изготовления излучателей БШИ радиопоглощающих материалов(РПМ) с малым удельным весом и высокой теплопроводностью. Для высокочастотного диапазона, выше 85 ГГц, нами разработаны излучающие элементы БШИ из монокристаллического кремния, имеющие приемлемую массу (~2 кг) и габариты (апертура Ø 150 мм, высота кремниевых стержней ~60 мм). Коэффициент излучения такого БШИ в рабочем диапазоне частот от 85 до 220 ГГц не менее 0,999. Созданные БШИ с кремниевыми излучателями выдержали механические и термовакуумные испытания и успешно используются для калибровки китайских радиометров дистанционного зондирования MWHS-03 (три запуска). Испытания в условиях космического полёта показали, что изменение температуры БШИ при переходе от теневой части орбиты к освещённой не превосходят 0,4 К, а неравномерность температуры по объёму излучателя, измеренная семью платиновыми термометрами сопротивления, расположенными равномерно по объёму излу-чателя БШИ, изменяется для разных излучателей от 0 до 0,5 К.
Исследования показали, что с уменьшением частоты и температуры поглощательная способность кремния уменьшается, поэтому требуются дополнительные исследования материалов и конструкции излучателей БШИ удовлетворяющих требованиям ТЗ во всём частотном и температурном диапазонах БШИ МИРС.
В докладе рассмотрены пути решения проблемы создания БШИ МИРС, методы и средства измерений их характеристик.