CN116203322A - 一种噪声相加dick式微波辐射计及其定标方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及微波辐射计技术领域，公开了一种噪声相加DICK式微波辐射计，包括测量开关、定向耦合器、dicke开关、平方率检波器、低频放大器、同步积分器、同步检波器、积分器以及方波发生器；所述测量开关设置在定向耦合器的信号输入端，用于控制是否向定向耦合器输入附加噪声；所述定向耦合器的信号输出端连接于dicke开关；所述平方率检波器设在经过dicke开关的信号输出端，且平方律检波器用于输出电压。本发明提出的噪声相加比较式辐射计这种新体制，使得辐射计的测量结果既有不受系统增益变化的影响，同时还有不受系统内部等效噪声温度影响的优点，如需保持TN和TREF的稳定，可采用TN和TREF局部恒温措施来保证，其较系统整体恒温设计更加容易，并且功耗也更小。

Description

一种噪声相加DICK式微波辐射计及其定标方法
技术领域
本发明涉及微波辐射计技术领域，尤其涉及一种噪声相加DICK式微波辐射计及其定标方法。
背景技术
微波辐射计的定标精度不仅反映了仪器研制水平的高低,而且也影响徽波辐射图像解译和判读的准确度,定标是实现定量化微波遥感的前提。微波辐射计的定标是标定微波辐射计输出(电压或电压数码)与输入噪声温度之间的定量关系的过程，微波辐射计的定标大体上可分为两种方法:分步定标法,即分别完成接收机的定标和天线的定标；整体定标法,即从天线到最后输出的整机+起定标。
由于微波辐射计是被动接收物体微波辐射信号的接收机，但系统噪声波动和增益起伏的存在会影响接收机的灵敏度和测量精度，因此自从毫米波辐射计问世以来，人们就致力于研究提高系统灵敏度和长期稳定性的方法。辐射计系统的噪声不确定性和增益不稳定性决定了微波辐射计的最小可检测信号，而增益的不稳定性起主要作用，因此，在辐射计的研究中一个很重要的方面就是用什么样的理论和技术来减少或消除系统增益的波动及其带来的影响。辐射计从出现到现在获得了很大的发展，先后研制成功了全功率辐射计、Dicke型辐射计、负反馈零平衡Dicke型辐射计、噪声相加型辐射计等多种类型的辐射计，目的就是降低辐射计的系统噪声和增益起伏，提高辐射计的灵敏度和测量精度。
现阶段，系统设计中，由于Dicke式体制辐射计可方便地采用机内固态噪声源进行替代定标，所以从系统定标的方便性考虑辐射计体制选定为Dicke式体制，并使辐射计接收机工作在恒温状态下以保证系统工作的稳定性。
Dicke式微波辐射计的基本原理框图如图1所示。它与全功率辐射计最大的不同在于接收机的输入端加入了Dicke开关和参考负载，用以调制接收机输入信号。
辐射计的输入端以重复频率交替地与天线或参考负载接通，因此接收机在某个半周期内接收来自参考负载的热噪声信号，而在另外的半周期内接收来自天线的场景热噪声信号。输入信号经频率变换、放大、检波和同步解调，产生一个正比于参考源与天线输入信号功率之差的输出电压，从而计算出场景温度。为了保证一个开关周期内系统的增益基本不变以完成一次比较测量，开关频率应高于增益起伏谱中能起作用的最高次频谱分量。
工作原理：在两个半周期内，平方率检波器输出的直流电压分别为
Figure BDA0004025713190000021
Figure BDA0004025713190000022
其中，k为玻尔兹曼常数；B为高频前端等效噪声带宽；γ为平方律检波器的功率灵敏度常数；G为平方率检波器前功率增益；T'A为天线输出端的噪声温度；T'REC为接收机等效噪声温度；TREF为参考负载的噪声温度；τs为开关周期，等于1/fs。
平方律检波器输出端接同步检波器，它根据同步基准电压对输入信号进行检波，然后在τs时间内对信号进行积分。若GF为检波输出与积分器输出之间的电压增益，可得到积分器输出电压为：
Figure BDA0004025713190000031
把式(1)和式(2代入式(3)，可化简为如下形式
Figure BDA0004025713190000032
式中：GS为系统增益
GS＝GFkBγ (5)
由(4.4)式可见，Dicke式辐射计输出直流电压与接收机等效噪声温度无关，只与(TR'EF-TA')成比例。
而现阶段，进行系统定标时：
系统定标设计，实验样机初样设计是在天线和Dicke开关之间接入一个定向耦合器和固态噪声源，由图2所示；
具体地，控制固态噪声源加电与不加电，利用固态噪声源加电与不加电时的输出噪声温度不同，就可以对辐射计进行两点替代定标，这样就可方便地随时对辐射计定标。定标步骤如下：
(1)系统定标
辐射计天线分别指向晴空天顶和常温黑体，固态噪声源不加电，晴空天顶辐射亮温为TSKY(可由气象探空仪测得的温度、湿度和压力参数计算或由地面气象参数采用经验回归模式计算)，常温黑体温度为T0，辐射计相对应的输出电压分别为VSKY和V0，根据(4)式可以得到：
Figure BDA0004025713190000041
Figure BDA0004025713190000042
由于辐射计输入和输出被设计成线性系统，输入辐射亮温和输出电压又可写成：
TSKY＝a1+b1VSKY (8)
T0＝a1+b1V0 (9)
由(4.8)和(4.9)式就可以得到定标系数a1和b1分别为：
Figure BDA0004025713190000043
Figure BDA0004025713190000044
(2)替代定标
辐射计天线指向常温黑体，常温黑体温度为T0。
a)固态噪声源不加电，接收机输入辐射亮温为T0，输出电压为V0；
b)固态噪声源加电，输出噪声温度为TN'N，这种情况下接收机输入噪声温度为(T0+TN'N)，输出电压为V0N；
同上又可以得到：
T0＝a2+b2V0 (12)
T0+TN'N＝a2+b2V0N (13)
由(4.12)和(4.13)式又可以得到：
Figure BDA0004025713190000051
Figure BDA0004025713190000052
然后，确定系统定标和替代定标的比例系数
Figure BDA0004025713190000053
Figure BDA0004025713190000054
a1＝k1a2 (18)
b1＝k2b2 (19)
由(18)和19)式可见，在没有条件进行系统定标时，采用替代定标得到定标参数a2,b2，再乘上定标比例系数k1,k2，就可以得到系统定标参数a1,b1。可见具有定标方便的优点。
由(4)式可见，Dicke式体制具有辐射计输出直流电压与接收机等效噪声温度T'REC无关，只与(TR'EF-TA')成比例，并且在一个开关周期内可保证系统增益基本不变的优点。但在一次定标后辐射计长期工作，系统增益的长期稳定性仍然会产生测量误差，为保证系统增益的长期稳定性，设计中采用了辐射计接收机整体恒温措施。由于辐射计接收机部分在室外，要适应春、夏、秋、冬，南方和北方的各种气候条件，即包括夏天的高温、高湿，也包括冬天的低温、冰冻天气，有时一天内中午强烈的日晒和夜间的温差可达20°C以上，这给辐射计接收机依靠整体恒温设计来保证系统增益的长期稳定性带来了困难，为了克服上述出现的问题，这就提出了在辐射计后续设计时需要对初样进行改进。
发明内容
为解决背景技术中所提出的技术问题，本发明提供一种噪声相加DICK式微波辐射计及其定标方法。
本发明采用以下技术方案实现：一种噪声相加DICK式微波辐射计，包括测量开关、定向耦合器、dicke开关、平方率检波器、低频放大器、同步积分器、同步检波器、积分器以及方波发生器；
所述测量开关设置在定向耦合器的信号输入端，用于控制是否向定向耦合器输入附加噪声；
所述定向耦合器的信号输出端连接于dicke开关；
所述平方率检波器设在经过dicke开关的信号输出端，且平方律检波器用于输出电压；
所述低频放大器用于放大电压；
所述同步积分器用于降噪；
所述同步检波器用于整流、相减和滤波；
所述积分器用于输出直流电压；
所述方波发生器用于周期性地控制dicke开关与天线或匹配负载相连接；
方波发生器还用于使得测量开关在数控单元的时序控制下周期地在dicke开关的接收机前端加入附加噪声。
本发明还提出了上述噪声相加DICK式微波辐射计的定标方法，其包括如下步骤：
步骤一、断开测量开关，得到dick开关连接天线支路时的VA、dick开关连接参照负载时的VREF；
步骤二、将步骤一得到的VA和VREF再经过低频放大器、同步积分器、同步检波器和积分器处理，可以得到直流输出电压VdA和系统增益GS；
步骤三、接通测量开关，计算dick开关连接天线支路时的VAN、dick开关连接参照负载时的VREF；
步骤四、步骤三得到的VAN,VREF再经过低频放大器放大，同步积分器降噪、同步检波器整流、相减和滤波，在经过R-C积分器就得到直流输出电压VdAN；
步骤五、计算辐射计在测量开关通断两种状态下的输出电压比Y，得到附加噪声温度TN、天线输出温度TA以及参考负载噪声温度TREF的关系式，然后计算天线输出温度TA。
可选地，在所述步骤一中，测量开关处于断开状态；
当所述当测量输入开关处于断开状态时，没有附加噪声经定向耦合器输入到dicke开关输入端，这时接收机工作在Dicke式体制下，测量过程；
当接收机通过dicke开关与天线支路连接时，平方律检波器输出电压VA
VA＝kBGγ(TA+TREC) 0≤t≤τs/2 (20)
接收机通过dicke开关与参考负载连接时，平方律检波器输出电压为VREF
VREF＝kBGγ(TREF+TREC)τs/2≤t≤τs (21)
在所述步骤二中：
VA和VREF再经过低频放大器、同步积分器、同步检波器和积分器就可以得到直流输出电压VdA；
Figure BDA0004025713190000081
将(20)、(21)式代入(22)式就可以得到
Figure BDA0004025713190000082
上式中取：GS＝kBGCLγ(24)
式中：GS－系统增益；γ－为平方律建波器传输系数；G－检波前功率增益；CL－低频电路传输系数；B－接收机带宽；k－玻尔兹曼常数；TA－天线输出噪声温度；TREF－参考负载噪声温度；TREC－接收机内部等效噪声温度；τd－dicke开关周期。
可选地，在所述步骤三中，测量开关处于接通状态；
接收机与天线支路连接时，平方律检波器输出电压为VAN；
VAN＝kBGγ(TA+TN+TREC) 0≤t≤τs/2 (25)
接收机与参考负载连接时，平方律检波器输出电压为VREF；
VREF＝kBGγ(TREF+TREC) τs/2≤t≤τs (26)
在所述步骤四中；
VAN,VREF再经过低频放大器放大，同步积分器降噪、同步检波器整流、相减和滤波，在经过R-C积分器就得到直流输出电压VdAN；
Figure BDA0004025713190000091
将(25)、(26)式代入(27)式就可以得到；
Figure BDA0004025713190000092
式中：TN－附加噪声温度；
可选地，在步骤五中，计算辐射计输出电压比利用如下公式；
Figure BDA0004025713190000101
由(9)式可以得到
TA＝YTN+TREF (30)
(30)式中已知TN和TREF，即可由测得的直流输出电压VdA、VdAN，求出天线输出温度TA，且VdA、VdAN的测量又与系统噪声温度TREC无关，因此，从理论上来讲只要能保持测量TN和TREF稳定不变，测量结果又不受系统增益变化的影响；
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
本发明提出的噪声相加比较式辐射计这种新体制，使得辐射计的测量结果既有不受系统增益变化的影响，同时还有不受系统内部等效噪声温度影响的优点，如需保持TN和TREF的稳定，可采用TN和TREF局部恒温措施来保证，其较系统整体恒温设计更加容易，并且功耗也更小。
附图说明
图1为现有的Dicke式微波辐射计的原理框图；
图2为本发明提出的实验样机初样原理框图；
图3为本发明提出的噪声相加比较式辐射计组成原理框图；
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
实施例1：
参照图3
本实施例提出一种噪声相加DICK式微波辐射计，包括测量开关、定向耦合器、dicke开关、平方率检波器、低频放大器、同步积分器、同步检波器、积分器以及方波发生器；
所述测量开关设置在定向耦合器的信号输入端，用于控制是否向定向耦合器输入附加噪声；
所述定向耦合器的信号输出端连接于dicke开关；
所述平方率检波器设在经过dicke开关的信号输出端，且平方律检波器用于输出电压；
所述低频放大器用于放大电压；
所述同步积分器用于降噪；
所述同步检波器用于整流、相减和滤波；
所述积分器用于输出直流电压；
所述方波发生器用于周期性地控制dicke开关与天线或匹配负载相连接；
方波发生器还用于使得测量开关在数控单元的时序控制下周期地在dicke开关的接收机前端加入附加噪声。
本发明还提出了上述噪声相加DICK式微波辐射计的定标方法，其包括如下步骤：
步骤一、断开测量开关，得到dick开关连接天线支路时的VA、
dick开关连接参照负载时的VREF；
步骤二、将步骤一得到的VA和VREF再经过低频放大器、同步积分器、同步检波器和积分器处理，可以得到直流输出电压VdA和系统增益GS；
步骤三、接通测量开关，计算dick开关连接天线支路时的VAN、
dick开关连接参照负载时的VREF；
步骤四、步骤三得到的VAN,VREF再经过低频放大器放大，同步积分器降噪、同步检波器整流、相减和滤波，在经过R-C积分器就得到直流输出电压VdAN；
步骤五、计算辐射计在测量开关通断两种状态下的输出电压比Y，得到附加噪声温度TN、天线输出温度TA以及参考负载噪声温度TREF的关系式，然后计算天线输出温度TA。
作为本发明一可选地实施方式，在所述步骤一中，测量开关处于断开状态；
当所述当测量输入开关处于断开状态时，没有附加噪声经定向耦合器输入到dicke开关输入端，这时接收机工作在Dicke式体制下，测量过程；
当接收机通过dicke开关与天线支路连接时，平方律检波器输出电压VA
VA＝kBGγ(TA+TREC) 0≤t≤τs/2 (20)
接收机通过dicke开关与参考负载连接时，平方律检波器输出电压为VREF
VREF＝kBGγ(TREF+TREC)τs/2≤t≤τs (21)
在所述步骤二中：
VA和VREF再经过低频放大器、同步积分器、同步检波器和积分器就可以得到直流输出电压VdA；
Figure BDA0004025713190000131
将(20)、(21)式代入(22)式就可以得到
Figure BDA0004025713190000132
上式中取： GS＝kBGCLγ (24)
式中：GS－系统增益；γ－为平方律建波器传输系数；G－检波前功率增益；CL－低频电路传输系数；B－接收机带宽；k－玻尔兹曼常数；TA－天线输出噪声温度；TREF－参考负载噪声温度；TREC－接收机内部等效噪声温度；τd－dicke开关周期。
作为本发明一可选地实施方式，在所述步骤三中，测量开关处于接通状态；
接收机与天线支路连接时，平方律检波器输出电压为VAN；
VAN＝kBGγ(TA+TN+TREC) 0≤t≤τs/2 (25)
接收机与参考负载连接时，平方律检波器输出电压为VREF；
VREF＝kBGγ(TREF+TREC) τs/2≤t≤τs (26)
在所述步骤四中；
VAN,VREF再经过低频放大器放大，同步积分器降噪、同步检波器整流、相减和滤波，在经过R-C积分器就得到直流输出电压VdAN；
Figure BDA0004025713190000141
将(25)、(26)式代入(27)式就可以得到；
Figure BDA0004025713190000142
式中：TN－附加噪声温度；
作为本发明一可选地实施方式，在步骤五中，计算辐射计输
出电压比利用如下公式；
Figure BDA0004025713190000143
由(9)式可以得到
TA＝YTN+TREF (30)
式中已知TN和TREF，即可由测得的直流输出电压VdA、VdAN，求出天线输出温度TA，且VdA、VdAN的测量又与系统噪声温度TREC无关，因此，从理论上来讲只要能保持测量TN和TREF稳定不变，测量结果又不受系统增益变化的影响。
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (5)

1.一种噪声相加DICK式微波辐射计，其特征在于，包括测量开关、定向耦合器、dicke开关、平方率检波器、低频放大器、同步积分器、同步检波器、积分器以及方波发生器；
所述测量开关设置在定向耦合器的信号输入端，用于控制是否向定向耦合器输入附加噪声；
所述定向耦合器的信号输出端连接于dicke开关；
所述平方率检波器设在经过dicke开关的信号输出端，且平方律检波器用于输出电压；
所述低频放大器用于放大电压；
所述同步积分器用于降噪；
所述同步检波器用于整流、相减和滤波；
所述积分器用于输出直流电压；
所述方波发生器用于周期性地控制dicke开关与天线或匹配负载相连接；
方波发生器还用于使得测量开关在数控单元的时序控制下周期地在dicke开关的接收机前端加入附加噪声。
2.如权利要求1所述的噪声相加DICK式微波辐射计的定标方法，其包括如下步骤：
步骤一、断开测量开关，得到dick开关连接天线支路时的VA、dick开关连接参照负载时的VREF；
步骤二、将步骤一得到的VA和VREF再经过低频放大器、同步积分器、同步检波器和积分器处理，可以得到直流输出电压VdA和系统增益GS；
步骤三、接通测量开关，计算dick开关连接天线支路时的VAN、dick开关连接参照负载时的VREF；
步骤四、步骤三得到的VAN,VREF再经过低频放大器放大，同步积分器降噪、同步检波器整流、相减和滤波，在经过R-C积分器就得到直流输出电压VdAN；
步骤五、计算辐射计在测量开关通断两种状态下的输出电压比Y，得到附加噪声温度TN、天线输出温度TA以及参考负载噪声温度TREF的关系式，然后计算天线输出温度TA。
3.如权利要求2所述的噪声相加DICK式微波辐射计的定标方法，其特征在于，
在所述步骤一中，测量开关处于断开状态；
当所述当测量输入开关处于断开状态时，没有附加噪声经定向耦合器输入到dicke开关输入端，这时接收机工作在Dicke式体制下，测量过程；
当接收机通过dicke开关与天线支路连接时，平方律检波器输出电压VA
VA＝kBGγ(TA+TREC) 0≤t≤τs/2 (20)
接收机通过dicke开关与参考负载连接时，平方律检波器输出电压为VREF
VREF＝kBGγ(TREF+TREC)τs/2≤t≤τs (21)
在所述步骤二中：
VA和VREF再经过低频放大器、同步积分器、同步检波器和积分器就可以得到直流输出电压VdA；
Figure QLYQS_1
将(20)、(21)式代入(22)式就可以得到
Figure QLYQS_2
上式中取： GS＝kBGCLγ (24)
式中：GS－系统增益；γ－为平方律建波器传输系数；G－检波前功率增益；CL－低频电路传输系数；B－接收机带宽；k－玻尔兹曼常数；TA－天线输出噪声温度；TREF－参考负载噪声温度；TREC－接收机内部等效噪声温度；τd－dicke开关周期。
4.如权利要求1所述的噪声相加DICK式微波辐射计的定标方法，其特征在于，
在所述步骤三中，测量开关处于接通状态；
接收机与天线支路连接时，平方律检波器输出电压为VAN；
VAN＝kBGγ(TA+TN+TREC) 0≤t≤τs/2 (25)
接收机与参考负载连接时，平方律检波器输出电压为VREF；
VREF＝kBGγ(TREF+TREC) τs/2≤t≤τs (26)
在所述步骤四中；
VAN,VREF再经过低频放大器放大，同步积分器降噪、同步检波器整流、相减和滤波，在经过R-C积分器就得到直流输出电压VdAN；
Figure QLYQS_3
将(25)、(26)式代入(27)式就可以得到；
Figure QLYQS_4
式中：TN－附加噪声温度。
5.如权利要求2所述的噪声相加DICK式微波辐射计的定标方法，其特征在于，
在步骤五中，计算辐射计输出电压比利用如下公式；
Figure QLYQS_5
由(9)式可以得到
TA＝YTN+TREF (30)
式中已知TN和TREF，即可由测得的直流输出电压VdA、VdAN，求出天线输出温度TA，且VdA、VdAN的测量又与系统噪声温度TREC无关，因此，从理论上来讲只要能保持测量TN和TREF稳定不变，测量结果又不受系统增益变化的影响。
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