CN101226214A - 一种地基微波辐射计自然变温智能定标系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地基微波辐射计自然变温智能定标系统，由微波辐射计、自然变温定标源、铂电阻温度计、测温仪、电压采集卡和计算机组成。定标源包括金属盒、泡沫箱、液氮、金属板、吸收体、保角罩；泡沫箱位于金属盒内，吸收体位于泡沫箱的底部，吸收体底部安装有保角罩，吸收体上部安装有带孔金属板。本发明系统创新的将微波辐射计置于定标源下部，通过对定标源从液氮温度自然变化到室温的测量对微波辐射计进行定标，并且由于采用了自动测量控制技术，可实现自动测量微波辐射计的灵敏度、线性度、稳定度、精度、积分时间等主要指标，使用方便，提高效率。

Description

一种地基微波辐射计自然变温智能定标系统

技术领域

本发明属于微波遥感、微波制导及精密测量领域，具体涉及一种地基微波辐射计自然变温智能定标系统。

背景技术

微波辐射计是一种可以测量物体微波辐射能量的高灵敏度接收机，具有全天候全天时的工作能力，而且设备简单、易于集成、隐蔽性好，所以在遥感、制导、精密测量等领域中的应用日益广泛。但是微波辐射计在实际工作中存在的一个主要问题是缺乏有效的定标设备和定标方法。

微波辐射计的定标是指建立辐射计输出参数(通常为电压)与输入信号(通常指天线功率或天线温度)之间的关系，以及对辐射计特性参数的测量。它实际上包括定标理论、方法、设备(包括材料)和精度分析这四大问题。

大多数微波辐射计的用户都需要对被测对象进行长期连续的观测。而受器件和工艺的限制，即使是最理想的零平衡微波辐射计，也无法保证长期稳定的工作，最好的解决方案是采用周期定标技术。目前采用的以下几种定标技术，都还有一些需要解决的问题。

①接收机和天线分开定标法

第一步：接收机定标：建立辐射计接收机的输出指示V_out与接收机输入端噪声温度T_in的关系。如果不考虑定标噪声源与接收机之间的阻抗失配和损耗，则接收机输入端噪声温度T_in等于噪声源的噪声温度T_G。如果接收机是线性的，则可设V_out＝a(T_in+b)。采用两点定标的办法，将辐射计接收机的天线用输出噪声温度精确已知的高低温定标噪声源代替，即可确定a和b，从而可确定定标方程。如果考虑失配和损耗，则Ulaby给出了T_in和T_G严格计算方法(参考文献：F.T.Ulaby，R.K.Moore，A.K.Fung.MicrowaveRemote Sensing.Vol.1：Addison-Wesley Publishing Company，1981.)。

第二步：天线定标：建立起天线输出噪声温度T_A与天线接收的物体辐射功率即天线温度T_A之间的关系T_A＝f(T_A)。

这种接收机和天线分开的定标方法，存在以下问题：首先，在接收机定标过程中，若不考虑失配，则定标精度不高。若考虑失配，则计算十分复杂，精度分析也很困难。其次，在天线效率η₁的天线斗测量技术中，不仅需要大型设备和良好的测试环境，还要求知道当时的天空温度T_sky，这也是十分困难的。

②辐射计整机定标法

1973年，美国学者哈迪首先提出了一种辐射计整机的定标方法，他的具体方案如下(参考文献：Walter N.Hardy，Kenneth W.Gray，A.W.Love.AnS-Band Radiometer Design with High Absolute Precision.IEEE Trans.MTT-22，Apr.1974；Walter N.Hardy.Precision Temperature Reference for MicrowaveRadiometry.IEEE Trans.MTT-21，Mar.1973：149～150.)：将辐射计的天线置于定标负载的上面，该定标负载为一个装有吸收材料(黑体)的金属盒，金属盒外包一层聚苯乙烯泡沫绝热层，吸收体上装有聚苯酯泡沫材料做成的保护罩。当定标负载处于室温T₀下时，可近似认为此时的天线温度T_A＝T₀，读辐射计输出为V_out ^h；当定标负载处于液氮浸泡下，液氮温度为T_N时，可近似认为此时的天线温度T_A＝T_N，读辐射计输出为V_out ^c。如果仍然认为辐射计是线性的，则有如下方程：

V_out＝a(T_A+b) $b=\frac{{V_{\mathrm{out}}}^c{T}_0-{V_{\mathrm{out}}}^h{T}_N}{{V_{\mathrm{out}}}^h-{V_{\mathrm{out}}}^c}$ $a=\frac{{V_{\mathrm{out}}}^h-{V_{\mathrm{out}}}^c}{T_0-T_N}$

式中，T₀可用温度计测量，液氮温度T_N＝77.36+0.011(P-760)，P为大气压强，以毫米汞柱表示。

这种定标方法存在以下三个问题：a)哈迪所设计的冷定标源原型，由于辐射计喇叭天线罩在致冷定标负载的上部，液氮会从聚氨脂泡沫材料上开的孔洞中挥发出来，导致喇叭天线结霜。同时液氮液面对辐射计逆向传输噪声还存在着反射作用。这些都会会对定标精度有影响。b)定标时天线温度低，使用时天线温度高，定标精度的修正较困难；c)定标源输出的亮温未见严格的理论分析。

另外据调研，目前国内大多数微波辐射计的地面定标实验都是手工进行。地面定标实验的特点是：实验时间长；数据测试量大；要求足够精确和稳定。例如微波辐射计的稳定度指标测试时，一般一做就是一天，每隔几分钟采集记录一次数据，手工进行该项实验既耗费大量时间也不够精确。再如，测试微波辐射计的积分时间指标的时候要求数据采集速度足够快，一般每隔几个毫秒要求记录一次辐射计电输出数据，靠手工进行是不可能的。以往该项指标的测试是借助数据记录仪来完成数据记录，事后再进行人工测算，既不够精确也不能实时完成。这也是现有的微波辐射计定标技术中存在的一个主要问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种地基微波辐射计自然变温智能定标系统，该系统结构简单，操作方便，成本低，并且效率高，精度高。

本发明提供的地基微波辐射计自然变温智能定标系统，其特征在于：该系统包括微波辐射计、自然变温定标源、铂电阻温度计、测温仪、电压采集卡和计算机；

定标源包括金属盒、泡沫箱、液氮、金属板、吸收体、保角罩；泡沫箱位于金属盒内，吸收体位于泡沫箱的底部，吸收体底部安装有保角罩，吸收体上部安装有带孔金属板；

微波辐射计的天线置于定标源的下方，铂电阻温度计安装在吸收体内，测温仪与铂电阻温度计相连；电压采集卡的输入端接微波辐射计的输出，其输出端与计算机相连，测温仪的输出亦与计算机相连；工作时向定标源的泡沫箱内注入液氮。

本发明与已有技术相比，具有以下优点：

(1)本发明系统结构简单，操作方便，成本低，由于创新的采用将微波辐射计置于定标源下部的定标方式，不会出现天线凝霜现象，可满足工程实用要求，可测定微波辐射计的非线性的影响。

(2)本发明系统由于实现了所有测量数据由计算机智能定标软件自动采集、自动分析，因此能自动测量微波辐射计的灵敏度、线性度、稳定度、精度、积分时间等主要指标，使用方便，提高效率。

总之，本发明系统解决了接收机与天线分开定标法精度不高、分析复杂以及哈迪整机定标法天线口面凝霜、缺乏对定标源亮温严格理论分析的问题，同时还解决了现有辐射计定标系统主要依靠手工进行，耗时多、效率低、精度差的问题。

附图说明

图1为本发明地基微波辐射计自然变温智能定标系统的结构示意图；

图2为自然变温定标源的示意图；

图3为智能定标软件系统的流程图；

图4为输入为阶跃信号时辐射计的输出示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明系统包括微波辐射计1、自然变温定标源2、铂电阻温度计3、测温仪4、电压采集卡5和计算机6。

微波辐射计是本发明系统的定标对象。本发明系统采用的微波辐射计为8毫米狄克式辐射计，工作频率为36.5GHz，其指标如下：前端噪声系数NF＝7.0dB，前端带宽B＝500MHz，积分时间1秒。

在系统工作过程中，自然变温定标源为微波辐射计提供从液氮温度到室温的标准亮温热辐射信号。本发明系统采用的自然变温定标源是一套脱胎于哈迪原型的改进型地基小口径天线毫米波辐射计整体定标设备，其结构如图2所示，该定标源由金属盒21、泡沫箱22、液氮23、金属板24、吸收体25、保角罩26组成。

泡沫箱(如聚苯乙烯材料)22位于金属盒21内，吸收体25(黑体)位于泡沫箱22的底部，吸收体25底部安装有保角罩26(如聚氨酯泡沫材料)，吸收体25上部安装有带孔金属板24。

微波辐射计1的天线置于定标源的下方，铂电阻温度计3安装在吸收体25内，测温仪4与铂电阻温度计3相连。电压采集卡5的输入端接微波辐射计1的输出，其输出端与计算机6相连，测温仪4的输出亦与计算机6相连。

工作时向定标源的泡沫箱22内注入液氮23，这样在液氮的挥发过程中，吸收体25的温度将从液氮沸点温度自然变化到室温温度。由于吸收体25的发射率近似为1，其辐射亮温可以认为与其物理温度相等。这样即可准确知道微波辐射计所测量的吸收体25热辐射信号的亮温值。

本发明系统的一个创新是工作时将微波辐射计的天线置于定标源的下方，由于微波辐射计天线与吸收体之间的隔热层聚苯乙烯泡沫材料对微波是“透明”的，因此不会影响微波辐射计接收吸收体的辐射信号。这样的好处一是可以避免液氮从聚氨酯泡沫保角罩上开的孔洞中挥发出来导致喇叭天线结霜，二是可以避免液氮液面对辐射计逆向传输噪声的反射作用，有助于提高精度。

铂电阻温度计3是用于精确测量定标源中吸收体物理温度的传感器，它可以将其温度的变化映射为其电阻值的变化。定标过程中定标负载的物理温度是从液氮沸点温度(77.36K)到室温物理温度，温度变化范围大，因此采用了陶瓷型工业铂电阻温度计，温度分区为52K～300K，准确度为0.01K。使用四引线电位法测量，测量电流1mA。为提高测量精度，本发明系统可以使用三个铂电阻温度计，通过金属板24上的孔洞插入到吸收体中，并由金属板24上的卡口固定。在定标源的吸收体中央角锥放置2个铂电阻温度计，一个插在角锥顶端，另一个插在角锥的根部，用来检测垂直方向上的温度不均匀性；在吸收体边上的一个角锥顶部上放置第三个铂电阻温度计，检测水平方向上的温度不均匀性。

测温仪4是用于精确测量铂电阻温度计的温度值，它可以直接把铂电阻的电阻值测量转换为温度值并通过串口送入到计算机中。为了能够精确和稳定的测量定标源的物理温度，本发明系统采用的测温仪是fluke公司生产的HART1529。它是四通道高精度测温仪，能同时测量四路铂电阻温度计的温度值，最高温度精度为±0.006°，最高温度分辨率为0.001°。

电压采集卡5在工作中将微波辐射计输出的电压信号采集转换为数字电压信号，再通过电压采集卡上的USB接口送入到计算机中。本发明系统的电压采集卡为自主研发，核心是一块MSP430单片机，电压采集依靠MSP430内自带的10bit AD转换器完成。

计算机负责控制定标过程中的测量数据采集、数据存储与处理以及结果显示。而这些工作都是靠计算机上的智能定标软件系统完成。智能定标软件在工作过程中实现对电压采集卡和测温仪测量数据采集的控制以及测量数据的存储，并可以同时对数据进行计算处理。该系统一次实验便可以自动测试出微波辐射计的线性度、灵敏度、稳定度、动态范围、积分时间、定标方程、天线温度的不确定度等各项指标，大大提高了定标实验的效率和精确度。智能定标软件系统可运行在Windows98/2000/XP操作平台上，开发平台采用Microsoft Visual C++6.0。软件系统界面模拟了数字示波器的面板，整个界面划分成四个区域：左上部是波形显示区，左下部是相关知识介绍区，右上部是操作面板，右下部是数据结果显示区。智能定标软件系统控制接在计算机USB接口上的MSP430电压采集卡进行辐射计输出电压数据的采集，同时，直接控制接在计算机串口上的HART1529测温仪进行各个铂电阻温度计的温度数据采集。智能定标系统的一个重要特点是它可以完全取代数据记录仪，定标过程的各个重要波形可以直接显示在屏幕上。由于定标系统要求能采集和显示极为微小的变化情况，所以系统在图形显示上设置了二级控制，一级是整体波形的放大显示，二级是小数点后几位数的细微变化放大显示。最终，所有重要测试数据与计算出来的辐射计特性参数和定标方程都存入了Microsoft Access数据库。该数据库是微软Office软件的一部分，可以很方便地进行事后的分析与核对。智能定标软件的流程图如图3所示。

本发明系统在自然变温定标源内注入液氮并达到温度平衡后，通过高精度铂电阻测量吸收体物理温度T_N；根据吸收体实测的发射率算出吸收体辐射的亮度温度T_B；根据多层媒质传输理论和天线接收原理算出天线接收到的温度T_A；最后由辐射计的输出V_O建立V_O～T_A关系。随着液氮的不断挥发，T_N会缓慢的上升，故T_B、T_A、V_O均会发生缓慢变化，直到T_N等于室温T₀为止。因此我们可以得到一条从液氮温度到室温变化条件下的定标曲线V_O～T_A。其中T_N～T_B～T_A的反演算法在智能定标软件系统内实现。

本发明的具体工作流程如下：

(1)当定标负载处于室温条件时，将辐射计喇叭天线靠近定标负载，如图2所示。在要求的时间内(例如8小时或4小时等)，按要求的时间间隔(如5分钟、1分钟等，n个时间间隔为总测试时间)，一边自动采集记录定标负载的物理温度T_0，i(i＝1，2，…，n)，一边自动记录并计算出第i个采样时间点上辐射计的输出电压瞬时值V_o，ij(j＝1，2，...k，每个采样时间点上采样k个瞬时值)的均值V_o，i和标准差σ_o，i(i＝1，2，…，n)。每个采样时间点上的V_o，i和σ_o，i可以由每次采样k(例如100)个输出电压瞬时值V_o，ij(j＝1，2，…，k)求出。

$V_{o,i}=\frac{1}{k}\underset{j=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{o,\mathrm{ij}},$ ${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{oi}}=\sqrt{\frac{1}{k-1}\underset{j=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{(V_{o,\mathrm{ij}}-V_{o,i})}^2}$

可以得到如下数据序列，记为定标表一

时间(分钟)	t1	t2	.........	tn
					T0，i(K)	T0，1	T0，2	.........	T0，n
Vo，i(V)	Vo，1	Vo，2	.........	Vo，n
					σo，i(V)	σo，1	σo，2	.........	σo，n

可以由σ_o，i求出标准差均值σ_o和最大的标准差σ_o，imax。由定标表一，计算出输出电压V_o，i和定标源物理温度T_0，i(i＝1，2，…，n)在整个测量时间内的最大变化范围为：

ΔV_o＝V_o，imax-V_o，imin    ΔT₀＝T_0，imax-T_0，imin

(2)将辐射计天线对准天空，由于天空辐射温度低，辐射计输出电压高(对狄克辐射计而言)。再将辐射计天线对准定标负载，如图2所示。这样辐射计输出电压会发生突变，在软件中利用波形处理技术对采集到的辐射计输出电压随时间变化的波形进行处理便可以测定出该辐射计的积分时间。

(3)往定标负载内注入适当液氮，让定标源的吸收材料浸泡在液氮中，等待定标负载的物理温度达到液氮温度下的平衡状态。例如对狄克辐射计而言，此时辐射计的输出电压达到最大且不变化。

(4)随着液氮的挥发，定标源的物理温度上升，辐射计的输出电压将变化。系统软件允许设置预计起始采样温度、预计采样温度间隔和预计终止采样温度，于是当定标负载物理温度升高到了预计起始采样温度后便开始定标过程。定标负载的温度每变化一定温度间隔(如20K)便采集、记录一次，这样第i个采样间隔点上定标负载的实际物理温度T_i(i＝1，2，…，n)和辐射计的输出电压瞬时值V_o，ij(j＝1，2，…，k，每个采样间隔点上采样k个瞬时值)的均值V_o，i都被采集、记录下来了，共有n组数据(T，i，V_o，i)(i＝1，2，…，n)。数据采样过程一直进行到定标负载物理温度等于预计终止采样温度为止。当然也可以要求采集一直进行到定标负载最后平衡到环境温度而辐射计的输出电压保持不变化为止(在系统软件中设置预计终止采样温度等于环境温度，同时设置好预计起始采样温度、预计采样温度间隔，使满足：预计终止采样温度＝预计起始采样温度+n×预计采样温度间隔)。V_o，i可以在每个温度阶梯上每次采样k(例如100)个V_o，ij求出。由每次测得的物理温度T_i可以计算出定标负载辐射到辐射计天线口面的天线温度T_A，i(i＝1，2，…，n)，可以得到如下数据序列，记为定标表二：

Ti  (K)	T1	T2	.........	Tn
					TA，i(K)	TA，1	TA，2	.........	TA，n

Vo，i(V)

Vo，1

Vo，2

........

Vo，n

(5)智能定标软件系统可以按下述方法直接计算出辐射计的各项特性指标和定标方程。

①辐射计线性度：

线性度可以用样本相关系数ρ(由定标表二计算)计算，计算公式见式(1)

②辐射计定标方程：

当ρ≥0.999时，则认为辐射计是线性的，可由(T_A，imax，V_o，imax)和(T_A，imin，V_o，imin)由两点法求出直线定标方程。

$T_A=\frac{T_{A,i\max }-T_{A,i\min }}{V_{o,\mathrm{iman}}-V_{o,i\min }}(V_o-V_{o,i\min })+T_{A,i\min }$

当ρ＜0.999时，则认为辐射计是非线性的，可由(T_A，i，V_o，i)(i＝1，2，…，n)按最小二乘法得出非线性定标方程。将这n个数据点进行最小二乘拟合，可以求出m-1次最小二乘拟合多项式： $T_A=a_0+a_1{V}_o+a_2{V}_o^2+\·\·\·+a_{m-1}{V}_o^{m-1}\·$

在系统软件里，m取为3。

③辐射计灵敏度：

如果辐射计是线性的，则由其线性定标方程得到定标直线的斜率为dV_o/dT_A。然后由(2)中测出的定标表一的σ_o，imax得出辐射计最差的灵敏度为ΔT_min＝σ_o，imax/(dV_o/dT_A)。如果辐射计是非线性的，则可能对应不同的ΔT_min，i＝σ_o，i/(V_o，i+1-V_o，i/T_A，i+1-T_A，i)，i＝1，2，…，n-1，有不同的ΔT_min，i，考虑最坏的情况，辐射计的灵敏度ΔT_min＝max(ΔT_min，i)。

④辐射计稳定度：

由定标表一中的T_0，i(或V_o，i)数据求出其最大变化范围ΔT₀(或ΔV_o)，求出ΔT_A＝ΔV_o/(dV_o/dT_A)。如果辐射计是线性的，dV_o/dT_A就是定标直线的斜率。如果辐射计是非线性的，由于辐射计稳定度指标是在室温下测得的，dV_o/dT_A取最接近室温的两个定标点所连直线的斜率值，即

$\frac{{\mathrm{dv}}_o}{{\mathrm{dT}}_A}=\frac{V_{o,n}-V_{o,n-1}}{T_{A,n}-T_{A,n-1}}$

从ΔT_A中扣除定标负载温度的变化ΔT₀，可得辐射计在规定时间内的稳定度ΔT＝ΔT_A-ΔT₀。

由于是基于智能定标系统，整个测试过程除积分时间的测量和向定标负载灌注液氮需要人工干预外，其余均可由系统软件自动控制完成。

Claims (2)

1.一种地基微波辐射计自然变温智能定标系统，其特征在于：该系统包括微波辐射计(1)、自然变温定标源(2)、铂电阻温度计(3)、测温仪(4)、电压采集卡(5)和计算机(6)；

定标源(2)包括金属盒(21)、泡沫箱(22)、液氮(23)、金属板(24)、吸收体(25)、保角罩(26)；泡沫箱(22)位于金属盒(21)内，吸收体(25)位于泡沫箱(22)的底部，吸收体(25)底部安装有保角罩(26)，吸收体(25)上部安装有带孔金属板(24)；

微波辐射计(1)的天线置于定标源的下方，铂电阻温度计(3)安装在吸收体(25)内，测温仪(4)与铂电阻温度计(3)相连；电压采集卡(5)的输入端接微波辐射计(1)的输出，其输出端与计算机(6)相连，测温仪(4)的输出亦与计算机(6)相连；工作时向定标源的泡沫箱(22)内注入液氮(23)。

2.根据权利要求1所述的定标系统，其特征在于：在吸收体(25)的中央角锥放置两个铂电阻温度计，一个插在角锥顶端，另一个插在角锥的根部，在吸收体边上的一个角锥顶部上放置第三个铂电阻温度计。

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