CN101782610B - 用于测量噪声插入的毫米波的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于检测微波和毫米波范围中的电磁信号的辐射计。该辐射计包括：天线，用于接收电磁信号；内部噪声信号发生器，用于接收控制信号并且根据该控制信号生成和输出校准噪声信号；以及耦合器，用于将接收的电磁信号和校准噪声信号耦合并且输出耦合电磁信号。此外，基于该控制信号激活内部噪声信号发生器。

Description

用于测量噪声插入的毫米波的方法和系统

技术领域

毫米波被动成像系统(也称为辐射计)的稳定化是本文献的焦点并且有助于优化衣服下的或处于不能被眼睛看见的情形的隐藏障碍物的检测。因此，该系统优选地是在例如机场、公交站或公共建筑物的安全测量的一部分。

该系统还可以用于物质的光谱分析或用于在医学或生物学方面进行探测以例如区分肿瘤和健康组织。天文学可以认为是本发明的另一领域，由此地球的表面辐射、像例如星体或陨石的空间物体的辐射或宇宙背景辐射可以被测量。

背景技术

克鲁克斯辐射计是早期型号的红外辐射和光检测器。该辐射计的变形类型是尼科尔斯辐射计，其按不同原理操作并且比克鲁克斯类型更敏感。这两种型号是毫米波辐射计的非常早期的版本。

为了获得高质量的毫米波辐射测量图，需要非常稳定的毫米波成像系统。存在一些公知的在二十世纪六十年代为无线电天文学所开发的稳定化方法。一种解决方案是通过添加公知的噪声信号来稳定化毫米波成像系统(如例如噪声插入辐射计)。

噪声插入辐射计由迪克辐射计组成，其中开关在毫米波天线信号和内部噪声信号之间切换。

发明内容

本发明描述一种用于检测微波和毫米波范围中的电磁信号的辐射计，其包括：天线，用于接收电磁信号；内部噪声信号发生器，用于接收控制信号并且根据该控制信号生成和输出校准噪声信号；以及耦合器，用于将接收的电磁信号和校准噪声信号耦合并且输出耦合电磁信号。由此，基于该控制信号激活内部噪声信号发生器。

有利地，辐射计包括检测器，其用于接收并处理耦合电磁信号并且基于该耦合电磁信号输出温度值。

有利地，该辐射计包括逻辑电路，其用于接收、处理和发送来自和去往检测器的数据并且将控制信号发送到内部噪声信号发生器。

有利地，该控制信号是方波信号。

有利地，该控制信号是脉宽调制信号。

有利地，该辐射计包括天线噪声信号发生器，其用于产生并输出天线噪声信号，该天线噪声信号在将校准噪声信号耦合到接收的电磁信号之前被耦合到接收的电磁信号。

有利地，该控制信号包括用于校准辐射计的信号电平和用于测量接收的电磁信号的信号电平，其中用于测量接收的电磁信号的信号电平的时间长度比用于校准辐射计的信号电平的时间长度要长。

本发明还涉及一种用于检测微波和毫米波范围中的电磁信号的方法，包括以下步骤：经由天线接收电磁信号；根据控制信号产生校准噪声信号；以及将该电磁信号与该校准噪声信号耦合。由此基于该控制信号激活校准噪声信号的生成。

有利地，该方法包括在将该电磁信号与校准噪声信号耦合之后输出耦合电磁信号的步骤。

有利地，该方法包括通过检测器接收和处理耦合电磁信号并且基于耦合电磁信号输出温度值的步骤。

有利地，该方法包括接收、处理和发送来自和去往检测器的数据并且将控制信号发送到噪声信号发生器以控制校准噪声信号的生成的步骤。

有利地，该控制信号是方波信号。

有利地，该控制信号是脉宽调制信号。

有利地，该方法包括通过天线噪声信号发生器生成和输出天线噪声信号的步骤，由此在将校准噪声信号耦合到接收的电磁信号之前将所述天线噪声信号耦合到接收的电磁信号。

有利地，该控制信号包括用于校准辐射计的信号电平和用于测量接收的电磁信号的信号电平，其中用于测量接收的电磁信号的信号电平的时间长度比用于校准辐射计的信号电平的时间长度要长。

本发明的目的是减小毫米波成像系统的成本，这是通过减少部件造成MMI C芯片尺寸减小，或减少外部波导部件而实现的。

利用本发明，不再需要极高频率的RF开关。这通过减小芯片尺寸或通过减小外部波导部件而减小了MMI C的成本。

本发明的主要优势在于由于减少的部件(芯片尺寸的减小或外部部件的减少)而引起的系统成本减小并且不会由于移除的RF开关导致出现阻抗失配。

附图说明

本发明所描述的本发明的实施例根据附图将变得更加清楚，附图中：

图1示出了作为本发明示例的辐射计的框图；

图2示出了作为本发明实施例的另一辐射计的框图；

图3示出了描述用于内部噪声信号发生器的控制信号的信号图；

图4示出了描述辐射计的漂移曲线的增益相对于时间的图；

图5示出了耦合到内部噪声源的天线的框图；

图6示出了作为本发明的第一替换实施例的另一辐射计的框图；以及

图7示出了作为本发明的第二替换实施例的另一辐射计的框图。

具体实施方式

本发明涉及波长成像系统的新颖设计并且在红外到微波辐射之间的范围内工作；优选地在大约3THz到300GHz的太赫辐射范围内工作，因而在大约100μm到1000μm的波长范围内工作。在下文中，该系统可以称为微波或毫米波辐射计或辐射测量传感器或就称为“辐射计”。

辐射测量传感器是用于检测和测量电磁能量的器件，所述电磁能量在性质上类似于噪声，所述器件优选地包括天线、接收器和输出指示器。该电磁能量可以源自自然或人工源，其在频域中可以是宽带的或谐振线类型的。

辐射测量传感器经常被称为温度测量器件，因为输出指示器以绝对温度来校准。更高的温度可能与更多的入射辐射功率相关。一般而言，术语“辐射计”表示红外辐射检测器，然而其还包括工作在任何电磁波长的检测器，例如辐射谱仪。

图1示出了辐射计10的框图，辐射计10包括天线1、耦合器2、放大器3、检测器4、逻辑电路5、开关6和噪声源7。

天线1用于接收依照上述范围的电磁信号并且将这些信号发送到耦合器2。天线1可以是喇叭天线。

耦合器2用于从天线1接收信号并且经由开关6从噪声源7接收噪声信号，并且输出它们的组合信号。耦合器2可以是定向耦合器。这些信号的组合通过例如将这两个信号的幅度相加来执行。组合信号可以由天线信号组成或者由天线信号和噪声信号两者组成。

放大器3用于接收和放大来自耦合器2的组合信号并且输出其放大信号。可以人工指示所述放大、预先确定所述放大或者基于接收的组合信号自动设置所述放大。

检测器4用于接收和处理来自放大器3的放大信号，基于放大信号检测接收的电磁波并且在监视器上输出和显示对应的结果和数据。检测器4可以是检测器二极管，其呈现出反映特定波长的接收强度的特定值。

逻辑电路5用于接收来自检测器4的放大信号、数据和/或值并且根据检测器4的放大信号、数据和/或值来调整和输出控制信号到开关6。逻辑电路5还确保检测器和开关是同步的，使得检测器实际上仅测量特定信号；即天线信号或天线信号和噪声信号的组合信号。在另一示例中，逻辑电路5仅向检测器4指示当前测量哪个信号。

开关6用于接收控制信号并且基于控制信号阻挡或允许来自噪声源7的噪声信号通过到达耦合器2。因而，在“导通”状态，开关6将噪声源7与耦合器2连接，并且在“断开”状态开关6优选地断开噪声源7或者将耦合器2与地连接。开关优选地是RF开关，如PIN二极管。

噪声源7用于产生噪声信号并且输出噪声信号到开关。由此噪声源7连续地产生噪声信号而不在接收电磁信号的接收、处理和/或测量期间被断开。

辐射计10内的如上所述的彼此连接的所有器件优选是阻抗匹配的，使得不会发生由于反射的信号衰减。在例如当信号太强而希望衰减的情况下，可以相应地调整阻抗。该事实适用于在本发明的各相应附图中描述的所有器件。

图2示出了另一辐射计20的框图，辐射计20包括天线1、耦合器22、放大器23、检测器24、逻辑电路25和噪声源27。

天线1用于接收依照上述范围的电磁信号并且将这些信号发送到耦合器22。天线1可以是喇叭天线。

耦合器22用于同时从天线1接收信号并且从噪声源27接收噪声信号，并且输出它们的组合信号。耦合器22可以是定向耦合器或混合器或能够以特定方式组合这两个信号的任何其他种类的处理器件。信号的组合通过例如将这两个信号的幅度相加来执行。

放大器23用于接收和放大来自耦合器22的组合信号并且输出其放大信号。可以人工指示所述放大、预先确定所述放大或者基于接收的组合信号自动设置所述放大。

检测器24用于接收和处理来自放大器23的放大信号，基于放大信号检测接收的电磁波并且在监视器上输出和显示对应的结果和数据。检测器24可以是检测器二极管，其呈现出反映特定波长的接收强度的特定值。该检测器优选是温度计，其对接收的放大信号的第一和第二电平之间的差做出响应。第一电平基于测量天线信号并且第二电平基于天线信号和噪声信号的组合。根据图5，第一电平可以基于天线信号和天线噪声信号的组合。

逻辑电路25用于接收来自检测器24的放大信号、数据和/或值并且根据检测器24的放大信号、数据和/或值来调整和输出控制信号到噪声源27。逻辑电路25优选是观察、处理辐射计的所有器件并且与所述所有器件交互的控制电路。逻辑电路25优选地确保检测器和开关是同步的，使得检测器实际上仅测量特定信号；即天线信号或天线信号和噪声信号的组合信号。在另一示例中，逻辑电路25仅向检测器24指示当前测量哪个信号。

噪声源27用于从逻辑电路25接收控制信号、基于控制信号产生噪声信号并且输出噪声信号。控制信号可以开启以及关闭噪声源27的噪声信号的生成。噪声源27可以是噪声二极管，其优选地集成在耦合器22中，由此噪声二极管的功率由控制信号控制。优选地，噪声源27可以在冷噪声源和暖噪声源之间切换并且因此提供对应于大约40到300K温度范围的噪声源范围。噪声源27的温度由控制信号控制并且取决于由天线1测量的或待由天线1测量的温度。

最后，图2中的所有器件类似于图1中的器件，除了噪声二极管直接连接到定向耦合器的信号路径中而不是互连RF开关。噪声二极管对插入噪声功率的调节不再通过接通和切断RF开关来控制。该调节是通过给噪声二极管供应方波信号或脉宽调制信号来完成的，所述方波信号或脉宽调制信号由辐射计的控制逻辑提供。

要强调的是代替放大器23和检测器24，可以使用任何其他种类的无线电接收器，如图6所示的调谐无线电频率接收器、具有以及没有输入信号放大器的超外差接收器。此外，任何迪克辐射计可以配备有所述噪声源27以替换通常称为迪克开关的开关。

使用这种设计，可以通过减少所用的部件数量从而导致芯片尺寸的减小或外部波导部件的减少来实现成本减小。

本发明的其中一个关键特征是因此使用噪声二极管控制毫米波成像系统中插入噪声信号的强度。

图3示出了描述由逻辑电路5或25产生的用于开关6或内部噪声信号发生器27的两个不同控制信号S1和S2的信号图。

控制信号S1和S2都是包括周期时间长度T_P1和T_P2的周期方波信号，由此这两个周期T_P1和T_P2在长度上有利地是相等的。信号S1和S2分别包括具有U1伏特的上限和具有零伏特的下限，由此U1大于零伏特。当然，S1和S2分别包括如T_P1的多个周期。

信号S1在其周期T_P1和T_P2内分别包括校准时间T_Cal 1，1和测量时间T_M 1，1以及校准时间T_Cal 1，2和测量时间T_M 1，2。在图3中，校准时间T_Cal 1，1等于测量时间T_M 1，1以及校准时间T_Cal 1，2等于测量时间T_M 1，2。

信号S2在其周期T_P1和T_P2内分别包括校准时间T_Cal 2，1和测量时间T_M 2，1以及校准时间T_Cal 2，2和测量时间T_M 2，2。在图3中，校准时间T_Cal 2，1短于测量时间T_M 2，1以及校准时间T_Cal 2，2短于测量时间T_M 2，2。

在校准时间期间，噪声信号与天线信号组合，如图1或2所述，而在测量时间期间噪声信号不与天线信号组合并且在辐射计中仅接收和处理天线信号。切换优选不是恒定的，意味着测量时间的长度应当长于校准时间的长度。以此方式，结果更好、更稳定化并且更可靠，并且用于校准的时间更少。因此，优选地信号S2而不是信号S1被用作控制信号。

漂移曲线的梯度一高，就需要更多的校准时间；在漂移曲线的梯度低的情况下，需要较少的校准时间。根据图4中的增益相对于时间的图，该描述更清楚，其中漂移曲线函数在时间t₁的第一导数g(t₁)比在时间t₂的第一导数g(t₂)更陡峭。该函数的第一导数越陡峭，漂移越大并且需要越多的校准时间。

在T_P1和T_P2不相等的情况下，校准时间T_Cal 1，1和校准时间T_Cal 1,2同样长或者测量时间T_M 1，1和测量时间T_M 1，2同样长，或者它们彼此都不相等。在T_P1和T_P2等长的情况下，校准时间T_Cal 1，1和校准时间T_Cal 1，2同样长并且同时测量时间T_M 1，1和测量时间T_M 1，2同样长。

在另一示例中，一个周期的上限U1和/或下限也可能不同于另一周期的上限U1和/或下限。下限也不限于零伏特。

在其他示例中，信号S1和S2可以是三角信号或锯齿发生器的具有不同或相等陡峭斜率的信号或脉宽调制信号。

图4示出了描述辐射计的漂移函数的增益相对于时间的图。x轴是时间轴，y轴是增益轴。该漂移函数的曲线图是夸张法，其中左手的边界去往y方向的正无穷，接近平行于y轴的线。右手的边界去往x方向的正无穷，接近平行于x轴的线。

辐射计的像关于最小可检测信号的灵敏度是由在不存在信号的情况下在输出指示器处存在的波动的幅度确定的。

波动的一个源位于噪声波形内。该波动可以通过减小检测后带宽或通过更长地积分观察到的天线信号而减小。

发生在接收器输出处的波动的另一源可归于接收器增益不稳定性。该波动可以通过减小RF输入温度不平衡而减小，减小RF输入温度不平衡可通过将噪声添加到辐射计的信号端口(如图5所示)、使用低温比较源、引入增益调制以及其他手段来实现。

根据该曲线图，辐射计测量天线信号的时间越长，第一导数的斜率越不陡峭，并且在辐射计中将发生越少的漂移；由此将需要越少的校准来重置辐射计。

图5示出了天线1a的框图，其包括经由耦合器52耦合到内部噪声源51的天线1。

在所示示例中，内部噪声源51的噪声信号从不被开关或控制信号切断，并且因此连续地通过耦合器52与天线1的信号相组合。天线1对应于图1中描述的天线1，并且耦合器52可以对应于图1的耦合器2或图2的耦合器22。噪声源51对应于图1的噪声源7，由此噪声信号可以是周期性地或连续地产生的预定信号。

为了特定目的，图1和2中的天线1可以由天线1a代替。特别地，在基于接收的天线信号的温度以不同方式计算的情况下。

图6示出了另一辐射计30的框图，其中辐射计30包括天线1a、耦合器62、放大器33、包络检测器34、视频放大器35、相位检测器36、积分器37、显示器38、逻辑电路65和噪声源67。

放大器33、包络检测器34和视频放大器是放大器装置63的一部分，所述放大器装置63类似于图1和2分别所示的放大器3或23。

相位检测器36、积分器37和显示器38是检测器装置64的一部分，检测器装置64类似于图1和2分别所示的检测器4或24。

如上所述，存在可以代替放大器装置63和检测器装置64使用的不同种类的无线电接收器。

天线1a对应于图5的天线1a，耦合器62对应于图2的耦合器22，逻辑电路65对应于图2的逻辑电路25并且噪声源67对应于图2的噪声源27。

放大器33类似于图1和2分别的放大器3或23。

包络检测器34是将高频信号作为输入(如放大信号)并且提供作为原始信号的轮廓或“包络”的输出的电子电路。简单设置的包络检测器34优选包括二极管、电容器和电阻器。该电路中的电容器在上升沿上存储电荷并且当信号下降时通过电阻器缓慢释放电荷。串联的二极管确保电流不会向后流到电路的输入。

视频放大器35处理视频信号、具有取决于接收的视频信号的变化带宽，并且最终放大包络检测器34的信号。

相位检测器36是混频器或模拟乘法器电路，其产生代表从视频放大器35和逻辑器件65接收的两个信号输入的相位差的电压信号。

积分器37对从相位检测器36接收的输入信号进行积分并且输出该信号到显示器38。

显示器38在图中示出积分器37、相位检测器36、包络检测器34的结果和/或仅从天线1a接收的电磁信号。或者可以示出接收的电磁信号的温度值。

图7示出另一辐射计40的框图，其中辐射计40包括天线1、耦合器72、放大器41、可单独连接的经过校准的衰减器42、检测器43、同步检测器44、反馈放大器45、脉宽调制器46、显示器47、逻辑电路75和噪声源77。

天线1和耦合器72分别对应于上述图中的天线1和耦合器22。

逻辑电路75、噪声源77和显示器47分别类似于上述图中的逻辑电路25、噪声源27和显示器38。

放大器41用于放大耦合器72的组合信号并且输出该信号到调整器件。

经过校准的衰减器42是调整器件的一部分，所述调整器件包括所述经过校准的衰减器、与衰减器42并联的没有电阻器的导线以及作为调整器件的相应输入和输出的两个开关。这两个开关或者同时连接到经过校准的衰减器42或者替换地同时连接到所述导线；因而信号或者通过所述导线或者通过所述衰减器。当接入所述衰减器时，通过脉宽调制器46内的调零反馈电路，为零检测器输出而自动调整经过校准的噪声信号的量。当衰减的组合信号能量等于未衰减的噪声信号能量时，发生零平衡。优选地，当噪声源77被开启以用于例如校准时，该信号通过衰减器42。

检测器43用于接收调整器件的信号并且输出被输入到同步检测器44的误差信号。

同步检测器44用于输出信号到反馈放大器，所述信号稍后用作到脉宽调制器46的输入以控制其脉冲的宽度。

反馈放大器45用于放大同步检测器44的输出信号并且输出放大的反馈信号。

脉宽调制器46用于接收和处理放大的反馈信号并且输出作为其结果的脉冲到逻辑电路75和/或显示器47。调制器46的占空比与平衡电路所需要的噪声信号能量的量成比例，因而调制器得到平均DC电压。在没有校准的温度比较操作模式中该DC输出可以用作相对值。

显示器47优选是温度显示器并且用于以可视形式呈现脉宽调制器46的结果。

逻辑电路75同步地操作调整器件、同步检测器44和噪声源77的开关。此外，逻辑电路接收脉宽调制器46的信号并且将它们发送到噪声源77。

噪声源77由逻辑器件75根据接收的天线信号是否应当与噪声信号组合以便进行校准而开启或关闭。脉宽调制器46的信号能够基于平均DC电压设置噪声源77的温度。

Claims (15)

1.一种用于检测微波和毫米波范围中的电磁信号的辐射计(20)，其包括：

天线(1)，用于接收电磁信号；

内部噪声信号发生器(27)，用于接收控制信号并且根据该控制信号生成和输出校准噪声信号；以及

耦合器(22)，用于将接收的电磁信号和校准噪声信号耦合并且输出耦合电磁信号，

由此基于该控制信号激活内部噪声信号发生器(27)。

2.如权利要求1所述的辐射计，包括检测器(24)，其用于接收并处理该耦合电磁信号并且基于该耦合电磁信号输出温度值。

3.如权利要求2所述的辐射计，包括逻辑电路(25)，其用于接收、处理和发送来自和去往检测器(24)的数据并且将控制信号发送到内部噪声信号发生器(27)。

4.如权利要求1所述的辐射计，其中该控制信号是方波信号。

5.如权利要求1所述的辐射计，其中该控制信号是脉宽调制信号。

6.如权利要求1所述的辐射计，包括天线噪声信号发生器(51)，其用于产生并输出天线噪声信号，该天线噪声信号在将校准噪声信号耦合到接收的电磁信号之前被耦合到接收的电磁信号。

7.如权利要求1所述的辐射计，其中该控制信号包括用于校准辐射计(20)的信号电平和用于测量接收的电磁信号的信号电平，其中用于测量接收的电磁信号的信号电平的时间长度比用于校准辐射计的信号电平的时间长度要长。

8.一种用于检测微波和毫米波范围中的电磁信号的方法，包括以下步骤：

经由天线(1)接收电磁信号；

根据控制信号产生校准噪声信号；以及

将该电磁信号与该校准噪声信号耦合，

由此基于该控制信号激活校准噪声信号的生成。

9.如权利要求8所述的方法，包括在将该电磁信号与校准噪声信号耦合之后输出耦合电磁信号的步骤。

10.如权利要求9所述的方法，包括通过检测器(24)接收和处理耦合电磁信号并且基于耦合电磁信号输出温度值的步骤。

11.如权利要求10所述的方法，包括接收、处理和发送来自和去往检测器的数据并且将控制信号发送到噪声信号发生器以控制校准噪声信号的生成的步骤。

12.如权利要求8所述的方法，其中该控制信号是方波信号。

13.如权利要求8所述的方法，其中该控制信号是脉宽调制信号。

14.如权利要求8所述的方法，包括通过天线噪声信号发生器生成和输出天线噪声信号的步骤，由此在将校准噪声信号耦合到接收的电磁信号之前将所述天线噪声信号耦合到接收的电磁信号。

15.如权利要求8所述的方法，其中该控制信号包括用于校准辐射计的信号电平和用于测量接收的电磁信号的信号电平，其中用于测量接收的电磁信号的信号电平的时间长度比用于校准辐射计的信号电平的时间长度要长。

Images