CN101285862A - 一种全数字补偿微波辐射计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全数字补偿微波辐射计，包括天线、匹配负载、微波开关、全功率辐射计、数控单元以及通信单元和显示单元。根据周期检测匹配负载和天线的输入电压，以及匹配负载的实际温度，通过数控单元的数字补偿算子来抵消辐射计系统增益的不确定性和本机噪声的波动对辐射计性能的影响。该辐射计不仅大大提高了灵敏度和长期稳定度，同时结构简单、体积小，辐射计初始定标后便能长期工作，避免了辐射计在地基、空基以及星基周期定标的麻烦，大大提高了目标观测时间和范围。

Description

一种全数字补偿微波辐射计

技术领域

本发明属于微波遥感、制导和精密测量技术领域，具体涉及一种全数字补偿微波辐射计。

背景技术

微波辐射计是无源微波遥感的核心设备，是进行地物背景和目标的微波辐射特性探测、成像和判断的唯一工具。

微波辐射计的发展趋势是从图形到成像辐射计，从低分辨率辐射计到高度分辨率辐射计。通常微波辐射计输出波动由本机噪声不确定性ΔT_N ²和系统增益不确定性ΔT_G ²决定，为减少系统增益不稳定和本机噪声波动对辐射计输出的影响，人们采用了各种办法，研制出了不同类型的辐射计。首先，在全功率辐射计的基础上，1946年Dicke研制出Dicke辐射计，采用单刀双掷微波开关，大大减少了增益波动的影响，使微波辐射计走向实用化。但这种方法只有在天线温度同参考源温度相等时，才能全部消除接收机增益波动的影响。1967年Goggins研制出负反馈零平衡微波辐射计，但PIN二极管会或多或少地引入散弹噪声，同时增加了负反馈回路和几个微波有源、无源器件，使系统复杂化，技术难度大。1968年Hach研制出双参考温度自动增益补偿微波辐射计，是通过两个已知参考源的差值变化来调整后置信号放大器增益，以补偿系统增益变化。该辐射计要求很高的后置反馈控制环，同时增加了一个参考源，成本较高。在上述方案的基础上，1990华中科技大学的张祖荫同志提出了“脉冲调制恒流源噪声注入零平衡型辐射计”方案，并先后研制成功以8毫米、2厘米及21厘米波段为代表的高精度微波辐射计系列。该方法可消除由于前端损耗和反射引起的测量误差，进一步提高系统的绝对精度；且由于整机电路和器件工作于恒温环境中，可保证系统工作性能稳定可靠，但其硬件系统较为复杂，使用很不方便。

为了适应机载、星载条件，中科院长春地理研究所研制出了数字增益补偿和实时定标两种新型微波辐射计(参考文献：李靖，张俊荣，邹彤.数字增益补偿及实时定标微波辐射计.电子学报，1999，27(3)：49～51)。其数字增益补偿型微波辐射计，是将一个基准微波源信号通过微波辐射计系统，在输出端检测出系统增益的波动量，再用单片机按此波动量去修正所接收目标的辐射，便可得到真值。本推导过程中假设接收机噪声T_REC是稳定不变的，但实际使用过程中，由于系统存在噪声波动以及参考源也会发生变化，这种补偿方法势必会引起测量误差，从而影响测量的准确度。而实时定标微波辐射计采用了两个射频开关和两个微波基准源，增加了装置的复杂程度，因而会引入额外误差。

以上这些辐射计在减小或消除系统增益波动和本机噪声影响上都收到了一定的效果，但它们要么采用双参考源，要么采用同步解调和负反馈回路，同时通过AGC去调整系统增益或使用双参考源来消除系统增益和本机噪声波动，这些都给辐射计测量的精确度和系统稳定性带来较大影响；同时电路结构复杂，给辐射计的长期使用带来困难；在推导中进行的多个假设均会给测量带来不小的误差。因此系统增益和本机噪声波动影响的消除、参考噪声源的选取、辐射亮温的计算和温度检测等问题均是辐射计研制未能很好解决的问题。同时这些辐射计均需进行周期定标，不仅定标结构复杂，还会带来较大的测量误差，给辐射计的长期使用带来困难。

由上分析可知，对微波辐射计而言，系统电路类型的突破性改进是很困难的，随着计算机技术的发展，如何充分发挥微处理技术速度快、体积小、精度高的优势来设计高性能微波辐射计，并简化其定标结构，将是新型微波辐射计研究的一个重要发展方向，这对于辐射计在星载平台的应用显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种全数字补偿微波辐射计，该微波辐射计不仅体积小、重量轻，而且其灵敏度、稳定度高。

本发明提供的全数字补偿微波辐射计，包括天线、匹配负载、微波开关、全功率辐射计、数据采集和控制单元、显示单元，微波开关的定端与全功率辐射计的输入端相连，两个触点分别与天线和匹配负载的固定端相连，数据采集和控制单元的输入端与全功率辐射计的输出端相连，匹配负载的测温电路输出端与数据采集和控制单元的输入端相连，数据采集和控制单元的输出端与显示单元的输入端相连，同时数据采集和控制单元的控制信号输出端与微波开关的控制端相连；

数据采集和控制单元分别采集微波开关接通匹配负载和接通天线时全功率辐射计的输出电压V_Rn和V_An，以及匹配负载的测温电路输出端温度T_Rn，其中n为周期序号；再利用下式计算出被测目标的亮温值R_An：

其中，G_S1为系统初始增益。

本发明在辐射计输出不确定性机理分析的基础上，采用数字补偿的方法来消除系统增益和本机噪声波动的影响，取消同步解调和负反馈回路，同时采用简单、易控制的参考源来设计全数字补偿微波辐射计。该类型辐射计不仅体积小、重量轻，同时辐射计的灵敏度、稳定度得到很大提高，辐射计的积分时间还可根据需求灵活设定；由于辐射计在进行初始定标后，便可自动进行噪声和增益的补偿，无需再次定标，因而避免了以往周期定标的麻烦，同时辐射计天线可对目标进行长时间、大范围的观测，提高了辐射计的效率。这些都给辐射计的使用(尤其是星载应用)带来巨大方便。

附图说明

图1为本发明全数字补偿微波辐射计的结构示意图；

图2为测控软件的程序流程框图；

图3为全数字补偿微波辐射计开关动作时序图。

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，本发明全数字补偿微波辐射计包括天线1、匹配负载2、微波开关3、全功率辐射计4、数据采集和控制单元5、通信接口6和显示单元7。

天线1用于接收所要测量的辐射信号，可根据需要选择角锥喇叭天线或卡氏天线，本发明中选择8mm角锥喇叭天线，天线口径：8cm*4cm；3dB波束宽度：8度；主波束宽度：20；天线增益＞25dB。

匹配负载2给全功率辐射计一个参考噪声，本发明直接采用匹配负载作为参考源，并对其物理温度直接进行实时测量，避免采用恒温和控温装置，简化了装置的结构，要求匹配负载驻波比＜1.1。

微波开关3是一个工作在8mm波段的单刀双掷开关，其定端与全功率辐射计4输入端相连，两个触点分别天线1和匹配负载2的固定端相连。

全功率辐射计4用来对天线1接收的辐射信号和匹配负载2输入的噪声信号进行混频、检波和放大处理，并以相应电压信号输出。全功率辐射计4由高频前端、平方律检波器和低频放大电路组成。高频前端对微波开关3定端输出信号进行混频和功率放大，平方律检波器用于检出高频前端输出的中频波形包络，低频放大电路对检波后的电压进行放大和滤波。

数据采集和控制单元5用来对全功率辐射计4输出的电压进行采集计算、微波开关3动作时序控制、匹配负载2温度测量、系统增益和本机噪声补偿。并将相关信息(测量电压、被测目标亮温等)送通信接口6通信、被测目标亮温送显示单元7显示。

数据采集和控制单元5内安装有测控软件，它包括如下几个部分：电压、温度采集计算；增益和噪声补偿计算；测量目标亮温显示；定标温度设置；通信等组成。其程序流程框图如图2所示。工作过程如下：

系统上电或复位后首先完成上电初始化和串行口初始化，串行口初始化部分完成波特率的设定、使本机处于侦听地址状态等功能。完成所有初始化工作后，打开中断等待中断产生。判断有无定标温度设置请求，有就在定标温度设置完成后求取系统初始增益，否则从外部ROM中读取储存的系统增益值。然后开始电压采集和系统补偿计算，计算出被测目标的天线温度，并完成数据组帧、天线温度显示功能以及是否结束主程序。所有功能完成后又返回数据采集，循环直至程序结束。在循环过程中，若有串行中断产生，则进入串行中断的接收发送；若查键得到“定标温度设置”命令，则进行定标温度设置，然后复位单片机。

通信接口6采用标准RS485通信接口，便于辐射计的远程监控和组网。当本发明装置只用于本地显示时，可以不设置通信接口6。

显示单元7对数据采集和控制单元5输出的被测目标亮温就地显示。

全数字补偿微波辐射计的开关动作时序可认为如图3所示。假设在周期T₁、T₂、T₃、T₄内，系统的增益分别为G_S1、G_S2、G_S3、G_S4；在T₁的前半周期T₁₀内系统的噪声为T_REC1；T₁的后半周期T₁₁及T₂的前半周期T₂₀内系统的噪声为T_REC2；T₂₁、T₃₀和T₃₁、T₄₀内系统的噪声分别为T_REC3和T_REC4；被测场景亮温和匹配负载的温度认为是实时变化的，分别表示为T_A1～T_A7和T_R1～T_R7(其中T_R2＝T_R3，T_R4＝T_R5，T_R6＝T_R7，即每个T_REC变化周期测量一次)。在T₁₀、T₁₁内，开关打到匹配负载和天线时，辐射计的输出值分别为：

V_R1＝G_S1(T_R1+T_REC1)；          V_A1＝G_S1(T_A1+T_REC1)

V_R2＝G_S1(T_R2+T_REC2)；          V_A2＝G_S1(T_A2+T_REC2)

则得：

ΔV₁＝V_R1-V_A1＝G_S1(T_R1-T_A1)；  ΔV₂＝V_R2-V_A2＝G_S1(T_R2-T_A2)

化简得：T_A1＝T_R1-ΔV₁/G_S1；    T_A2＝T_R2-ΔV₂/G_S1

同理可得：

T_A3＝T_R3-ΔV₃/G_S2；      T_A4＝T_R4-ΔV₄/G_S2

T_A5＝T_R5-ΔV₅/G_S3；      T_A6＝T_R6-ΔV₆/G_S3

又因为

则上式可化为：

T_A3＝T_R3-ΔV₃/(k₃·G_S1)

T_A5＝T_R5-ΔV₅/(k₅·G_S2)＝T_R5-ΔV₅/(k₅·k₃·G_S1)

依此类推，得：

ΔV_n＝V_Rn-V_An

$k_{2i+1}=k_{2i+2}=\frac{V_{R(2i+1)}}{V_{R2i}};$ 其中i＝1，……，n

令k₁＝k₂＝1，可得：

由该式可知，无论系统增益和本机噪声如何变化，通过软件补偿处理后，可认为系统的增益和本机噪声始终保持不变，从测得的辐射计输出ΔV_n＝V_Rn-V_An以及系统最初增益G_S1(通过系统的初始定标得到)，便可求得天线温度T_An。而G_S1可通过辐射计的初始定标获得。

由上分析可知，用软件来补偿系统增益和本机噪声后。通过开关动作时序的控制，经初始定标和数字补偿算子补偿后，辐射计可一直对准目标进行测量，无需再次定标。

该辐射计所有的补偿工作均由软件来实现，与以往的微波辐射计相比可以省去自动增益控制(AGC)部分，避免了增加硬件带来的不便。因此其设计方案如下：使用一个匹配负载作为参考源，避免以往使用两个参考源带来的麻烦；对参考源进行实时温度检测，而不采用恒温控制的办法；经补偿后，测得的目标亮温，可就地显示，还可同地面计算机(上位机)进行通信，在地面便可完成对辐射计开关动作频率、数据采样间隔、积分时间等参数的设置，以及绘出所测目标的亮温曲线或辐射图像。因此所设计的全数字补偿微波辐射计原理图如图1所示。

首先按图1搭建全数字补偿微波辐射计硬件系统，并按图2所示的软件流程来编写数据采集和控制单元的软件。其中选择指令周期短的单片机及相应的A/D芯片来设计电路，同时补偿算法程序的指令周期数要进行精确计算，严格控制在一个开关周期内系统增益和本机噪声的稳定。实例：

研制了一台全数字补偿8mm辐射计，该辐射计主要采用了如下部件：

1、天线1选用8mm角锥喇叭天线，天线口径：8cm*4cm；

2、微波开关3选用航天二院生产的结型锁式波导开关。该开关相当于一个单刀双掷微波开关，开关稳定性好、正向插入损耗低。

3、匹配负载2采用北京大华公司生产的匹配负载，驻波比为1.05；

4、全功率辐射计4采用前俄罗斯土星公司生产的一体化结构型式，工作频率f＝35GHz，中频带宽Δf≈1GHz；前端增益G＝65dB；双边带噪声系数F＝6dB。

5、数据采集和控制单元5是全数字补偿微波辐射计的核心组件，控制微波开关3接通天线1或匹配负载2；完成辐射计的定标和初始增益计算；控制数据的采集、处理，完成目标亮温的补偿计算，并将计算结果输出到显示单元7显示和通信。考虑到补偿周期和补偿计算对时间的要求，单片机选用高速处理芯片C8051F120来完成；同时选用2K串行CSI24WC02作为外部存储，保存初始增益、采集电压和目标亮温。

6、通信接口6采用收发控制芯片(MAX1487)经RS485总线来完成辐射计与上位机的通信。

7、显示单元7采用四位液晶显示器(LCD)连接，用来显示天线温度值和定标温度值，与单片机通过数据(DATA)和时钟(CLK)两根口线相连。

定标过程如下：

开机后，让辐射计工作稳定(工作30分钟以上)，在辐射计工作的环境温度下进行定标。

1、让一个温度已知的噪声源(此噪声源输出的温度应与参考源的输出温度有一定温度间隔)对准天线的端口，求出此时的天线输出温度T_A′；实验中采用了一个固态噪声源(MSC生产的)作为辐射计的输入，同时采用一个可变衰减器对辐射计的输入噪声进行控制，进行高温定标。再将定标温度T_A′存入EEPROM；对于星载辐射计可利用冷空进行初始定标。

2、给单片机发出一定标指令(通过数据采集和控制单元5中设置的按钮或远程通信来进行控制)，单片机给微波开关3发控制脉冲，控制开关在天线1和匹配负载2间的切换；通过开关不同指向时，单片机记录下的相应电压值便可计算出系统初始增益G_S1，并存入EEPROM；

接着单片机按推导中时序进行T₁₁、T₂₀、T₂₁的步骤，经补偿和计算，按周期(T₁₀的间隔)来实时刷新显示的被测对象的天线温度T_An，T_An不会随系统增益和本机噪声而变化。

按以上步骤定标后，辐射计便可一直工作下去，无需再次定标。

综上所述，本发明消除辐射计系统增益的不确定性和本机噪声的波动对辐射计性能的影响，大大提高了辐射计的灵敏度和长期稳定度，同时结构简单、体积小，辐射计初始定标后便能对目标进行长期观测，避免了辐射计在地基、空基以及星基周期定标的麻烦，提高了目标观测时间和范围。

Claims (2)

1、一种全数字补偿微波辐射计，其特征在于：它包括天线(1)、匹配负载(2)、微波开关(3)、全功率辐射计(4)、数据采集和控制单元(5)和显示单元(7)，微波开关(3)的定端与全功率辐射计(4)的输入端相连，两个触点分别与天线(1)和匹配负载(2)的固定端相连，数据采集和控制单元(5)的输入端与全功率辐射计(4)的输出端相连，匹配负载(2)的测温电路输出端与数据采集和控制单元(5)的输入端相连，数据采集和控制单元(5)的输出端与显示单元(7)的输入端相连，同时数据采集和控制单元(5)的控制信号输出端与微波开关(3)的控制端相连；

数据采集和控制单元(5)分别采集微波开关(3)接通匹配负载(2)和接通天线(1)时全功率辐射计(4)的输出电压V_Rn和V_An，以及匹配负载(2)的测温电路输出端温度T_Rn，其中n为周期序号；再利用下式计算出被测目标的亮温值T_An：

其中，G_S1为系统初始增益。

2、根据权利要求1所述的全数字补偿微波辐射计，其特征在于：它还包括通信单元(6)，其输入端与数据采集和控制单元(5)的输出端相连，用于辐射计的远程监控和组网。

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