CN105049071A - 用于目标辐射特性测量的毫米波辐射计接收机及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于目标辐射特性测量的毫米波辐射计接收机及测量方法，接收机包括天线、电控衰减器、定向耦合器、噪声源、噪声源调制器、隔离器、本振源、混频器、中频前置放大器、带通滤波器、主中频放大器、平方律检波器、视频放大器、积分器、信号采集与处理单元及温度计；测量时，分别控制电控衰减器处于不衰减、衰减最大状态对辐射计接收机输出信号进行采集处理，实现目标的毫米波辐射特性测量。本发明解决了噪声相加型毫米波目标辐射特性测量存在的接收机性能受射频开关制约较大、视频信号处理电路复杂、调试困难、灵活性差等问题，提高接收机可靠性的同时降低了接收机复杂度与成本。

Description

用于目标辐射特性测量的毫米波辐射计接收机及测量方法

技术领域

本发明属于精密测量技术领域，特别是一种用于目标辐射特性测量的毫米波辐射计接收机及测量方法。

背景技术

毫米波辐射测量作为一种被动测量方式，它接收的是绝对零度以上的物体自然辐射的毫米波波段电磁波。由于不同物体的介电常数、表面粗糙度和形状等性能参数不同，其辐射特性具有较大的差异。正是基于不同目标之间的毫米波辐射特性差异，使得作为目标毫米波辐射特性测量设备的毫米波辐射计，被广泛应用于目标探测与定位、隐匿违禁物品成像等领域。

在众多用于辐射特性测量的辐射计接收机体制中，全功率辐射计是应用最早、结构最简单的一种，但受系统增益变化影响其测量精度较差。为减小系统增益起伏对辐射计测量精度的影响，研究人员提出了迪克式及其改进型等辐射计接收机，其基本原理是对两个参考负载进行循环测量以消除增益起伏影响。如文献(彭树生等，"AReceiverinaMillimeterWaveRadiometerforAtmosphereRemoteSensing."JournalofInfrared,Millimeter,andTerahertzWaves30.3(2009):259-269)提出了一种改进噪声相加型辐射计接收机，其通过注入周期性方波噪声消除了增益变化影响。但该接收机视频信号处理电路包括视频公共通道放大器，直流通道放大、积分电路，隔直电容，同步解调电路及交流通道放大、积分电路等，存在电路复杂、体积较大、调试困难、灵活性较差等缺点。另外，该接收机需采用为测量过程提供参考标准的常温匹配负载及实现负载之间循环切换的射频开关以实现短周期定标技术，从而消除系统噪声温度漂移带来的测量精度的影响。但在毫米波波段，毫米波射频开关存在可靠性差、成本高等问题，极大影响了毫米波辐射特性测量接收机的性能并限制了其应用范围。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于目标辐射特性测量的毫米波辐射计接收机及测量方法，解决现有的改进噪声相加型毫米波辐射计接收机性能受射频开关制约较大，视频信号处理电路复杂、调试困难、灵活性差等问题。

实现本发明目的的技术方案为：一种用于目标辐射特性测量的毫米波辐射计接收机，包括天线、电控衰减器、定向耦合器、隔离器、混频器、本振源、前置中频放大器、带通滤波器、主中频放大器、平方律检波器、视频放大器、积分器、温度计、信号采集与处理单元、噪声源和噪声源调制器；

所述天线与电控衰减器的输入端相连，电控衰减器的输出端与定向耦合器的输入端相连；噪声源的输出端与定向耦合器的耦合端相连，定向耦合器的输出端与隔离器的输入端相连；隔离器的输出端与混频器的射频输入端相连，混频器的本振输入端与本振源相连，混频器的中频输出端与前置中频放大器相连；前置中频放大器放大的中频信号经带通滤波器进行滤波后输入至主中频放大器，主中频放大器的输出端与平方律检波器相连，对信号进行平方律检波，检波信号经视频放大器放大、积分器积分后输入到信号采集与处理单元进行辐射计输出信号的采集处理；信号采集与处理单元通过噪声源调制器与噪声源的输入端相连，控制噪声源输出的通断；温度计用于检测电控衰减器的物理温度。

一种毫米波目标辐射特性测量方法，包括以下步骤：

步骤1、信号采集与处理单元中的单片机控制D/A转换器输出一电压将电控衰减器衰减最大，单片机控制A/D转换器以整数倍噪声源调制信号频率的采样频率f_s对目标辐射特性测量接收机的输出信号进行采样；

步骤2、读取温度计测量数据，得到电控衰减器的物理温度为T_c；

步骤3、当电控衰减器衰减最大时，确定连续N_C个周期内的平均压比系数k_c；

步骤4、信号采集处理单元中的单片机控制D/A转换器输出零电压，使得电控衰减器衰减最小，信号采集处理单元进行采样，采样频率为f_s；

步骤5、当电控衰减器衰减最小时，确定连续N_C个周期内的平均压比系数k_x；

步骤6、确定目标的测量辐射亮度温度T_x：

T_x＝T_c+C(k_x-k_c)

其中，C为辐射计接收机定标因子。

本发明与现有技术相比，其显著效果为：

(1)本发明的辐射测量接收机采用数字信号处理技术对输出视频信号进行处理，减少了视频信号处理硬件电路模块，大幅减小了视频信号处理电路体积；

(2)本发明的辐射测量接收机通过采用电控衰减器替代传统接收机中的射频开关与匹配负载，实现辐射计接收机内部定标，提高接收机可靠性的同时并降低了接收机复杂度与成本。

附图说明

图1为本发明毫米波辐射计接收机的系统框图。

图2为本发明的接收机信号采集处理单元结构框图。

图3为本发明的噪声源调制器原理框图。

图4为实施例中的电控衰减器衰减最大时，辐射计接收机输出信号示意图。

图5为实施例中的电控衰减器衰减最小时，辐射计接收机输出信号示意图。

具体实施方式

结合图1，一种毫米波目标辐射特性测量接收机，包括天线1、电控衰减器2、定向耦合器3、噪声源15、噪声源调制器16、隔离器4、混频器5、本振源6、前置中频放大器7、带通滤波器8、主中频放大器9、平方律检波器10、视频放大器11、积分器12、信号采集与处理单元14及温度计13，其中：

天线1与电控衰减器2的输入端相连，电控衰减器2的输出端连接到定向耦合器3的输入端；噪声源15的输出端与定向耦合器3的耦合端相连，定向耦合器3的输出端与隔离器4的输入端相连；隔离器4的输出端连接到混频器5的射频输入端，混频器5的本振输入端与本振源6相连，混频器5的中频输出端与前置中频放大器7相连。噪声源调制器16的输入与信号采集处理单元14相连，并在信号采集处理单元14控制下产生一固定频率的方波信号，与固态噪声源调制16输入端相连以控制噪声源输出的通断。

前置中频放大器7放大的中频信号经带通滤波器8进行滤波后连接到主中频放大器9的输入端，主中频放大器9的输出端与平方律检波器10相连实现信号的平方律检波；检波信号经视频放大器11放大、积分器12积分后输入到信号采集与处理单元14进行辐射计输出信号的采集处理。温度计13放置于电控衰减器2旁，用于测量其物理温度。

如图2所示，接收机信号采集处理单元14包括单片机9.1、A/D转换器9.2、D/A转换器9.3、NANDFLASH数据存储器9.6、RS232通信接口9.5及液晶显示屏9.4，A/D转换器9.2、D/A转换器9.3、液晶显示屏9.4、RS232通信接口9.5和NANDFLASH数据存储器9.6均与单片机9.1相连，其中单片机9.1是接收机信号采集处理单元的核心，负责接收机输出信号模数转换、测量数据处理、数据存储、与外部通信及信息显示等功能；液晶显示屏9.4显示接收机当前状态、过程数据及测量结果等信息；A/D转换器9.2、D/A转换器9.3分别用于输出信号模数转换和数模转换，RS232通信接口9.5用于与外部通信，NANDFLASH数据存储器9.6用于数据存储。

如图3所示，噪声源调制器16包括LM317A三端可调稳压器、可调电阻R1、第一电阻R2、TS5A3159单刀双掷模拟开关、第二电阻R3、第一电容C1和第二电容C2；LM317A三端可调稳压器的输入端和输出端分别与第一电容C1和第二电容C2相连，第一电容C1和第二电容C2接地；LM317A三端可调稳压器的输出端还与TS5A3159单刀双掷模拟开关的输入端相连，同时通过第一电阻R2与可调电阻R1的调整端相连，可调电阻R1的另一端接地；LM317A三端可调稳压器、第一电容C1、第二电容C2、可调电阻R1和第一电阻R2构成恒流源，用于驱动噪声源，驱动电流的大小通过调节可调电阻阻值调整；

TS5A3159单刀双掷模拟开关的一个输出端与噪声源输入端相连，另一个输出端通过第二电阻R3连接到地；TS5A3159单刀双掷模拟开关的控制端与单片机9.1的I/O口相连，并通过单机片输出方波信号，控制噪声源调制器的输出分别在噪声源和负载之间切换。

基于该接收机的毫米波目标辐射特性测量方法包括下述步骤：

步骤1、接收机信号采集处理单元中的单片机控制D/A转换器输出一电压将电控衰减器衰减最大，使得天线接收的外部目标辐射信号无法通过衰减器，因而定向耦合器输入端的输入信号只有电控衰减器自身产生的噪声信号；单片机控制A/D转换器以整数倍噪声源调制信号频率的采样频率f_s，对目标辐射特性测量接收机的输出信号进行采样；

步骤2、读取温度计测量数据，得到电控衰减器的物理温度为T_c；

步骤3、当电控衰减器衰减最大时，对辐射计接收机输出方波信号采样得到的数据进行处理：假设采集到的某一个周期内方波信号的顶部信号数据为Vt_i，其中i＝1～N_T,N_T为数据采样个数；底部信号数据为Vb_i(i＝1～N_T)，对采样信号分别进行平均：

$\stackrel{\‾}{Vt}=\frac{1}{N_T}\underset{1}{\overset{N_T}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{Vt}}_i$

$\stackrel{\‾}{Vb}=\frac{1}{N_T}\underset{1}{\overset{N_T}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{Vb}}_i$

定义压比系数k为某周期内方波信号底部电压平均值与方波信号顶部底部电压平均值差的比值：

$k=\stackrel{\‾}{Vb}/(\stackrel{\‾}{Vt}-\stackrel{\‾}{Vb})$

将连续N_C个周期内的压比系数k进行平均得到平均压比系数k_c：

$k_c=\frac{1}{N_C}\underset{j=1}{\overset{N_C}{\mathrm{\Σ}}}{k}_j$

其中，k_j为第j个周期内的压比系数，j＝1～N_C；

步骤4、接收机信号采集处理单元中的单片机控制D/A转换器输出零电压，使得电控衰减器衰减最小，天线接收目标的热辐射信号通过定向耦合器实现与受调制器调制的固态噪声源注入噪声的叠加；叠加后的信号与本振源信号经混频器混频后输出中频信号，再经中频放大、滤波、平方律检波、视频放大、积分处理后由信号采集处理单元进行采样，采样频率为f_s；

步骤5、对电控衰减器衰减最小时，辐射计接收机输出方波信号采样得到的数据进行处理，处理过程与步骤2相同，得到连续N_C个周期内的平均压比系数k_x。

步骤6、根据下述公式得到目标的测量辐射亮度温度T_x：

T_x＝T_c+C(k_x-k_c)

其中，T_c为电控衰减器的物理温度，C为辐射计接收机定标因子，可通过外部定标确定。

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例

本实施例辐射特性测量接收机的天线为卡塞格伦天线，口径为130mm，工作频率32～36GHz，主波束宽度3.9°，增益30dB；电控衰减器的工作频率为32～36GHz，其插入损耗为1.8dB，衰减最大时衰减系数为35dB；噪声源超噪比为14dB，定向耦合器的耦合系数为-13dB，插入损耗为1dB；隔离器工作频率为32～36GHz，插入损耗为0.6dB，隔离度为30dB；本振的中心频率为34GHz，输出功率为14dBm，频率稳定性为5MHz/℃。混频器的最大插入损耗为7dB，噪声系数为8dB，本振射频端口隔离度为20dB；混频器内集成前置中频放大器，其工作带宽为100-2500MHz，增益为20dB；由带通滤波器、主中频放大器组成的中频放大组件，其中心频率为1.5GHz，带宽2GHz，噪声系数1.5dB，增益28dB。由于噪声源调制器的调制频率为1KHz，当对固定场景观测时，平方律检波输出信号为频率为1KHz的方波信号；积分器由RC滤波器构成，其截止频率为10KHz，以保证检波输出方波信号能有效通过；温度计的测量精度为0.05度。

信号采集处理单元中的A/D转换器的转换精度为16bits，输入量程为0～10V，采样频率为50KHz。对某固定场景进行观测，控制电控衰减器衰减最大，信号采集处理单元采集到的接收机输出信号如图4所示。经处理后，得到1000个周期方波信号的平均压比系数k_c＝2.80。当电控衰减器衰减最小时，采集到的接收机输出信号如图5所示，处理后得到的1000个周期方波信号的平均压比系数k_x＝2.15，通过接收机定标方程反演得到的目标辐射亮度温度为200.1K。

Claims (5)

1.一种用于目标辐射特性测量的毫米波辐射计接收机，其特征在于，包括天线(1)、电控衰减器(2)、定向耦合器(3)、隔离器(4)、混频器(5)、本振源(6)、前置中频放大器(7)、带通滤波器(8)、主中频放大器(9)、平方律检波器(10)、视频放大器(11)、积分器(12)、温度计(13)、信号采集与处理单元(14)、噪声源(15)和噪声源调制器(16)；

所述天线(1)与电控衰减器(2)的输入端相连，电控衰减器(2)的输出端与定向耦合器(3)的输入端相连；噪声源(15)的输出端与定向耦合器(3)的耦合端相连，定向耦合器(3)的输出端与隔离器(4)的输入端相连；隔离器(4)的输出端与混频器(5)的射频输入端相连，混频器(5)的本振输入端与本振源(6)相连，混频器(5)的中频输出端与前置中频放大器(7)相连；中频前置放大器(7)放大的中频信号经带通滤波器(8)进行滤波后输入至主中频放大器(9)，主中频放大器(9)的输出端与平方律检波器(10)相连，对信号进行平方律检波，检波信号经视频放大器(11)放大、积分器(12)积分后输入到信号采集与处理单元(14)进行辐射计输出信号的采集处理；信号采集与处理单元(14)通过噪声源调制器(16)与噪声源的输入端相连，控制噪声源输出的通断；温度计(13)用于检测电控衰减器(2)的物理温度。

2.根据权利要求1所述的毫米波目标辐射特性测量接收机，其特征在于，所述信号采集与处理单元(14)包括单片机(9.1)、A/D转换器(9.2)、D/A转换器(9.3)、液晶显示屏(9.4)、RS232通信接口(9.5)和NANDFLASH数据存储器(9.6)，其中A/D转换器(9.2)、D/A转换器(9.3)、液晶显示屏(9.4)、RS232通信接口(9.5)和NANDFLASH数据存储器(9.6)均与单片机(9.1)相连，所述A/D转换器(9.2)、D/A转换器(9.3)分别用于输出信号模数转换和数模转换，所述RS232通信接口(9.5)用于与外部通信，所述NANDFLASH数据存储器(9.6)用于数据存储。

3.根据权利要求2所述的毫米波目标辐射特性测量接收机，其特征在于，所述噪声源调制器(16)包括LM317A三端可调稳压器、可调电阻(R1)、第一电阻(R2)、第二电阻(R3)、TS5A3159单刀双掷模拟开关、第一电容(C1)和第二电容(C2)；LM317A三端可调稳压器的输入端和输出端分别与第一电容(C1)和第二电容(C2)相连，第一电容(C1)和第二电容(C2)接地；LM317A三端可调稳压器的输出端还与TS5A3159单刀双掷模拟开关的输入端相连，同时通过第一电阻(R2)与可调电阻(R1)的调整端相连，可调电阻(R1)的另一端接地；LM317A三端可调稳压器、第一电容(C1)、第二电容(C2)、可调电阻(R1)和第一电阻(R2)构成恒流源，用于驱动噪声源，驱动电流的大小通过调节可调电阻阻值调整；

TS5A3159单刀双掷模拟开关的一个输出端与噪声源输入端相连，另一个输出端通过第二电阻(R3)连接到地；TS5A3159单刀双掷模拟开关的控制端与单片机(9.1)的I/O口相连，并通过单机片输出方波信号，控制噪声源调制器的输出分别在噪声源和负载之间切换。

4.一种基于权利要求2所述毫米波目标辐射特性测量接收机的毫米波目标辐射特性测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、信号采集与处理单元中的单片机控制D/A转换器输出一电压将电控衰减器衰减最大，单片机控制A/D转换器以整数倍噪声源调制信号频率的采样频率f_s对目标辐射特性测量接收机的输出信号进行采样；

步骤2、读取温度计测量数据，得到电控衰减器的物理温度为T_c；

步骤3、当电控衰减器衰减最大时，确定连续N_C个周期内的平均压比系数k_c；

步骤4、信号采集与处理单元中的单片机控制D/A转换器输出零电压，使得电控衰减器衰减最小，信号采集处理单元进行采样，采样频率为f_s；

步骤5、当电控衰减器衰减最小时，确定连续N_C个周期内的平均压比系数k_x；

步骤6、确定目标的测量辐射亮度温度T_x：

T_x＝T_c+C(k_x-k_c)

其中，C为辐射计接收机定标因子。

5.根据权利要求4所述的毫米波目标辐射特性测量方法，其特征在于，步骤3具体为：

假设采集到的某个周期内方波信号的顶部信号数据为Vt_i，其中i＝1～N_T,N_T为数据采样个数；底部信号数据为Vb_i(i＝1～N_T)，对采样信号分别进行平均：

$\stackrel{\‾}{Vt}=\frac{1}{N_T}\underset{1}{\overset{N_T}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{Vt}}_i$

$\stackrel{\‾}{Vb}=\frac{1}{N_T}\underset{1}{\overset{N_T}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{Vb}}_i$

定义压比系数k为某个周期内方波信号底部电压平均值与方波信号顶部底部电压平均值差的比值：

$k=\stackrel{\‾}{Vb}/(\stackrel{\‾}{Vt}-\stackrel{\‾}{Vb})$

将连续N_C个周期内的压比系数进行平均得到平均压比系数k_c：

$k_c=\frac{1}{N_C}\underset{j=1}{\overset{N_C}{\mathrm{\Σ}}}{k}_j$

其中，k_j为第j个周期内的压比系数，j＝1～N_C。