CN2271717Y - 数字自动补偿微波辐射计 - Google Patents

Abstract

一种由天线(1)、微波开关(2)、全功率微波辐射计接收机(4)和数字自动补偿系统(5)构成的增益波动数字自动补偿微波辐射计，其特征是数字自动补偿系统(5)以单片机(7)为核心，由受单片机(7)控制的A/D转换器(6)、单片机(7)、EPROM程序存储器(8)、PAM数据存储器(9)、D/A转换器(10)、LED输出显示器(11)等部件及运行软件构成。这种新型的微波辐射计具有最小检测信号小、体积小、重量轻、功耗低、易于制作、稳定可靠等优点，便于在各种航天遥感中应用。

Description

数字自动补偿微波辐射计

数字自动补偿微波辐射计，涉及高灵敏度接收机，具体涉及等效系统增益不变的高稳定的微波辐射计。

微波辐射计是用来接收目标或背影的微波辐射强度的极灵敏的接收机。二十世纪三十年代发展起来的射电天文学就是利用微波辐射计接收宇宙中某一星座或银河系中的微波辐射，从而观察、研究天体的演变。七十年代随着航天技术的发展，微波辐射技术又成为对陆地、海洋、大气遥感的重要的微波遥感器。

应用中要求微波辐射计能从系统噪声中提取出10^-4-10^-5的目标的变化信号，这就必须使微波辐射计具有极高的稳定性和灵敏度。自从微波辐射计诞生起，人们就不断为提高其性能而努力，产生了多种类型的高性能的微波辐射计，其中比较先进的有负反馈零平衡Dicke型、双参考型微波辐射计。其原理如下：

微波辐射计最小可检测信号由系统噪声的不确定性(灵敏度)和系统增益的不确定性(稳定性)共同决定。灵敏度由下式表示： ${\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{rms}}=a\frac{T_{\mathrm{eff}}}{\sqrt{\mathrm{BHF}\·\mathrm{\τ}}}......\left(1\right)$ 其中：BHF——高频噪声带宽，由中放带宽决定；

τ——低频噪声带宽的等效积分常数；

a——辐射计常数，全功率型a＝1；

T_eff——有效噪声温度，包括天线接收目标噪声，温度和接收机本身噪声折

        合到天线上的噪声温度。稳定度由下式表示： $\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{st}}=T_{\mathrm{eff}}\·\frac{\mathrm{\ΔG}}{G}......\left(2\right)$ 其中：G——检波器前系统的总增益；

ΔG——增益的变化量。系统的最小可检测信号为： ${\mathrm{\ΔT}}_{\min }=\sqrt{{\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{rms}}^2+{\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{st}}^2}.....\left(3\right)$ 对一台微波接收机，即全功率接收机来说，稳定度ΔT_st比灵敏度ΔT_rms要大两个数量级以上，即稳定度ΔT_st限制着辐射计的最小可检测信号ΔT_min。为了克服这一弊病，1946年Dicke采用单刀双掷微波开关，使接收机交替接收天线信号T_A和参考源信号T_R，在平方律检波后进行相关检波和相减处理，使稳定度为： ${\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{st}}=(T_A-T_R)\·\frac{\mathrm{\ΔG}}{G}.....\left(4\right)$ |T_A-T_R|可比T_eff小一到两个数量级，大大提高了稳定度。这就是Dicke型微波辐射计，使微波辐射计向实用化迈进了一大步。然而因为工作中一半时间接收有用信号，所以式(1)中的辐射计常数a＝2，使灵敏度下降，利用一个反馈环，T_R随T_A变动，使T_R＝T_A，则使(4)式变为零，消除了增益不稳定的影响，这就是零平衡Dicke型接收机，用两个固定差值的参考源代替Dicke接收机的参考源，用一刀三掷微波开关依次接通天线→高温参考源→低温参考源→天线→……，并相继循环下去。通过接收系统后，检出高温源和低温源的差值与标准比较，从差值变化量判定增益的变化，用此变化量控制天线信号通过的后置放大器的增益，从而补偿了系统的增益变化，这就是系统增益不变的ΔG＝0的双参考型微波辐射计。

然而在负反馈零平衡Dicke型微波辐射计中采用了大反馈环，在双参考型微波辐射计中采用了高、低温微波参考源和后置反馈、控制环等技术，这些技术要求很高，难于实现和掌握，并使仪器的体积增大、重量加重、功耗提高。

本发明的目的是利用数字信号处理技术使系统等效增益不变，具有最小可检测信号小、体积小、重量轻、功耗低、易于制作、稳定可靠等优点，适於苛刻条件下使用的航天遥感的要求。

图1示出增益波动数字自动补偿微波辐射计原理方框图。微波开关(2)在数字自动补偿系统(5)的控制下接通天线(1)(T_A)或参考源(3)(T_R)，经全功率微波辐射计接收机(4)的混频、中放、平方律检波和积分后，进入数字自动补偿处理系统。经自动补偿处理后输出接收目标的精确强度信号。图2给出了数字自动补偿系统(5)的方框图。如图所示，其特征是数字自动补偿系统(5)是以单片机(7)为核心，由受单片机(7)控制的A/D转换器(6)、EPROM程序存储器(8)、RAM数据存储器(9)、D/A转换器(10)、LED输出显示器(11)和PC机(13)等部件组成，单片机(7)的一端与将全功率微波辐射计接机(4)输出的模拟信号转换成数字信号的A/D转换器(6)相联接，其它端又分别与存入支配“数字补偿微波辐射计”的全部程序的EPROM程序存储器(8)、存入标准信号的RAM数据存储器(9)、将数字信号转换成模拟信号的D/A转换器(10)、显示检测信号值的LED输出显示器(11)、后接PC机(13)的通信接口(12)相联接，为控制数字补偿系统(5)与参考源(3)、天线(1)的通断时间，单片机(7)的一个输出端与微波开关(2)的控制端相联接、工作时序如图3所示，所有的工作都按存储在EPROM程序存储器(8)中的程序进行。t＝0时，开机，ts是仪器稳定时间和采取标准值时间，一般稳定时间在20分钟左右。

t_R—微波开关接通参考电源时间；

t_A—微波开关接通天线时间；

t_R+t_A＝t_C—增益补偿周期。

一般t_R为3-5个辐射计的积分时间常数。t_A为30秒到1分钟，根据具体辐射计系统稳定性而定。

工作过程：微波辐射计开机后，经15-30分钟，仪器达到稳定状态。数字补偿系统(5)控制微波开关(2)接通参考源(3)、A/D转换器(6)采集辐射计接收机(4)的输出电压，经单片机(7)进行平均处理，获得V_TR值，存入PAM数据存储器(9)中，这是建立标准V_TR。如果经过长期测量得到稳定不变的标准，可将此标准永远存于EPROM程序存储器(8)中。此时就是将EPROM程序存储器(8)中的标准V_TR转存到RAM数据存储器(9)中。数字自动补偿系统(5)控制微波开关(2)在t_R时间内接通参考源(3)，A/D转换器(6)获得V′_TR值，存入RAM数据存储器(9)中；进入t_A时间内接通天线(1)，A/D转换获得V′_TA值，存入RAM数据存储(9)中。从RAM数据存储器(9)中分别取出V_TR、V′_TR、V′_TA的值，进行如下运算： $V_{\mathrm{TA}}=\frac{V_{\mathrm{TR}}}{V_{\mathrm{TR}}^{\′}}\·V_{\mathrm{TA}}^{\′}......\left(5\right)$ V_TA即是增益补偿后辐射计接收目标信号的准确值，V′_TR/V_TR为补偿系数。准确信号经D/A转换器(10)转换成模拟信号输出，LED显示器(11)上显示出V_TA的码数值或绝对温度值。经R_S-232通讯接口(12)，可将V_TA输出到PC机(13)以存盘。

按补偿周期t_C重复进行上述动作，程序流程如图4所示。图5是电路联接图。

综上所述，新型的数字自动补偿微波辐射计是一种等效辐射计系统增益不变的微波辐射计。其灵敏度优于Dicke型和双参考型，与全功率型相同；稳定性与负反馈零平衡Dicke型、双参考型相同。因为去掉了零平衡中的大反馈环，从而省掉了几个微波部件，避开了反馈调整难于掌握的技术。与双参考型相比省掉了高、低温微波参考源和要求很高的后置反馈控制环。因此具有最小检测信号小、体积小、重量轻、功耗低、易于制作、稳定可靠等优点，便于在各种航天遥感中应用。

图1为数字自动补偿微波辐射计原理方框图；

图2为数字补偿系统方框图；

图3为仪器工作时序；

图4为仪器工作流程图；

图5为电路联接图；

图6_A-D为工作频率分别为1.4GHZ、3.0GHZ、5.4GHZ和10.0GHZ四台微波辐射计不加和加数字补偿的工作对比曲线。

表I-VII为软件程序

其中(1)天线、(2)微波开关、(3)参考源、(4)全功率微波辐射计接收机、(5)数字自动补偿系统、(6)A/D转换器、(7)单片机、(8)EPROM程序存储器、(9)PAM数据存储器、(10)D/A转换器、(11)LED输出显示器、(12)通讯接口、(13)PC机。

实施例  制作了四台不同工作频段的数字自动补偿微波辐射计。数字自动补偿系统中主要采用了如下部件：1、微波开关(2)选用电子工业部55所产的WKB系列的单刀双掷PIN微波开关，在1-12GHZ频率内插入损耗小于1dB，隔离度大于40dB，开关时间小于50ns，由TTL电平驱动；2、单片机(7)是增益波动数字自动补偿型微波辐射计的核心组件，控制微波开关(2)接通天线(1)或参考源(3)；控制A/D转换器(6)的整个过程，包括起动A/D转换、检测A/D转换是否完成，A/D转换完成后锁定数据、读取数据；完成观测值的补偿计算，将计算结果输出，D/A转换等。选用型号为Intel8031；3、A/D转换器(6)，完成将平方律检波后的模拟信号转换成数字信号，它影响到补偿精度和最小可检测信号，需选取大于10位的高性能组件，即选取大于10位的转换器。选用型号为内部有高稳定基准源的ICL7109；4、EPROM程序存储器(8)控制工作程序固化在其中，须有足够的存储量和读取速度。选用了2764；5、RAM数据存储器(9)，暂存标准值、观测值，补偿计算结果。根据所需容量，选取6264。6、输出部分，将经过补偿后的正确结果向外输出：

1)显示输出：LED输出显示器(11)选用74LS138译码器，七段LED高亮度数码管显示出来数码；

(2)经通讯接口(RS-232)(12)接PC机(13)上，存盘；

(3)D/A转换器(10)，通过DAC1210输出模拟量。

    表I

    ORG    0000H

               LJMP   0030H

    ORG    0030H

               MOV    7CH，#00H

               MOV    7DH，#00H

               MOV    7EH，#00H

               MOV    7FH，#00H

               MOV    76H，#30H

               MOV    77H，#0B3H

               LCALL  0500H

     ST：      SETB   P1.4

               CLR    P1.5

               SRTR   P1.6

               CLR    P1.7

               LCALL  0400H

               MOV    R4，#30H

     A0：      LCALL  0300H

               DJNZ   R4，A0

               LCALL  0100H

               MOV    75H，3FH

               MOV    74H，3EH

               CLR    P1.4

               MOV    51H，#05H

     A1：      LCALL  0100H

               LCALL  1000H

               LCALL  0160H

               LCALL  0200H

               MOV    R4，#20H

      A5：     LCALL  0300H

               DJNZ   R4，A5

               DJNZ   51H，A1

               MOV    50H，#02H

      A2：     CLR    P1.5

               CLR    P1.6

               CLR    P1.7

               MOV    R4，#20H

      A3：     LCALL  0300H

               DJNZ   R4，A3

               LCALL  0100H

               LCALL  0600H

               LCALL  0160H

               LCALL  0250H

               MOV    7FH，#01H

               MOV    R4，#30H

      D1：     LCALL  0300H

               DJNZ   H4，D1

               CLR    P1.7

               CLR    P1.6

               SETB   P1.5

               MOV    R4，#20H

      A4：     ICALL  0300H

               DJNZ   R4，A4

               LCALL  0100H

               LCALL  0600H

               LCALL  0160H

               LCALL  0250H

               MOV    7FH，#02H

               MOV    R4，#30H

      D2：     LCALL  0300H

               DJNZ   R4，D2

               DJNZ   50H，A2

               LJMP   ST

    表II

      ORG    0100H

                 MOV    R1，#30H

                 MOV    R4，#08H

      START：    JNB    P1.2，L1

                 LCALL  0300H

                 LJMP   START

        L1：     MOV    DPTR，#1FFFH

                 MOVX   A，@DPTR

                 MOV    24H，A

                 MOV    DPTR，#3FFFH

                 MOVX   A，@DPTR

                 ANL    A，#OFH

                 MOV    25H，A

      STOP：     JB     P1.2，L2

                 LCALL  0300H

                 LJMP   STOP

        L2：     MOV    @R1，24H

                 INC    R1

                 MOV    @R1，25H

                 INC    R1

                 DJNZ   R4，START

                 MOV    R0，#30H

                 MOV    R2，#07H

        AV：     MOV    A，@R0

                 INC    R0

                 INC    R0

                 ADD    A，@R0

                 MOV    @R0，A

                 DEC    R0

                 MOV    A，R0

                 INC    R0

                 INC    R0

                 ADDC   A，@R0

                 MOV    @R0，A

                 DEC    R0

                 DJNZ   R2，AV

                 MOV    R2，#03H

      L3：       CLR    C

                 MOV    A，3FH

                 RRC    A

                 MOV    3FH，A

                 MOV    A，3EH

                 RRC    A

                 MOV    3EH，A

                 DJNZ   R2，L3

                 RET

      ORG    0160H

      BINBCD：   MOV    R1，#21H

                 MOV    R5，#03H

                 CLR    A

      LOOP1：    MOV    @R1，A

                 INC    R1

                 DJNZ   R5，LOOP1

                 MOV    R7，#10H

      LOOP4：    MOV    R0，#3EH

                 MOV    R6，#02H

                 CLR    C

      LOOP2：    MOV    A，@R0

                 RLC    A

                 MOV    @R0，A

表III

      INC    R0

      DJNZ   R6，LOOP2

      MOV    R1，#21H

      MOV    R5，#03H

      NOPLOOP3：   MOV    A，@R1

      ADDC   A，@R1

      DA     A

      MOV    R1，A

      INC    R1

      DJNZ   R5，LOOP3

      DJNZ   R7，LOOP4

      RETORG   0200H

      MOV    A，21H

      ANL    A，#0FH

      MOV    7CH，A

      MOV    A，21H

      ANL    A，#0F0H

      SWAP   A

      MOV    7DH，A

      MOV    A，22H

      ANL    A，#0FH

      MOV    7EH，A

      MOV    A，22H

      ANL    A，#0F0H

      SWAP   A

      MOV    7FH，A

      RETORG      0250H

      MOV    A，21H

      ANL    A，#0FH

      MOV    7CH，A

      MOV    A，21H

      ANL    A，#0F0H

      SWAP   A

      MOV    7DH，A

      RETORG   0300H

      MOV    R0，#7CH

      MOV    R2，#01H

      MOV    A，R2

S：   MOV    DPTR，#0DFFFH

      MOVX   @DPTR，A

      MOV    A，@R0

      MOV    DPTR，#DSEG

      MOVC   A，@A+DPTR

      MOV    DPTR，#0BFFFH

      MOVX   @DPTR，A

      LCAL   0380H

      INC    R0

      MOV    A，R2

      JB     ACC.3，OUT

      RL     A

      MOV    R2，A

      SJMP   SOUT：     RET

表IV

ORG 0350H

DSEG：  DB    OC0H

        DB    0F9H

        DB    0A4H

        DB    0B0H

        DB    99H

        DB    92H

        DB    82H

        DB    0F8H

        DB    80H

        DB    90H

        DB    0BFH

        DB    0FFH

        DB    88H

        DB    83H

        DB    0C6H

        DB    0A1H

        DB    40H

        DB    79H

        DB    24H

        DB    30H

        DB    19H

        DB    12H

        DB    02H

        DB    78H

        DB    00H

        DB    10HORG         0380HDL1ms：     MOV   R6，#0AHDL1：       MOV   R7，#19HDL2：       DJNZ  R7，DL2

        DJNZ  R6，DL1

        RETORG     0400HS1：        MOV   A，P1

        JNB   ACC.0，S3

        MOV   A，77H

        CJNE  A，#0FFH，S2

        RETS2：        MOV   A，76H

        ADD   A，#0A0H

        MOV   76H，A

        MOV   A，77H

        ADDC  A，#00H

        MOV   77H，A

        LCALL 0500H

        MOV   R5，#0FHDL3：       LCALL 0300H

        DJNZ  R5，DL3

        SJMP  S1S3：        MOY   A，P1

        JNB   ACC.1，S5

        MOV   A，77H

        CJNE  A，#00H，S4

        RETS4：        CLR   C

        MOV   A，76H

        SUBB  A，#0A0H

        MOV   76H，A

        MOV   A，77H

   表V

     SUBB   A，#00H

     MOV    77H，A

     LCALL  0500H

     MOV    R5，#0FHDL4：    LCALL  0300H

     DJNZ   R5，DL4

     SJMP   S3S5：     RETORG  0500H

     MOV    DPTR，#5FFFH

     MOV    A，77H

     MOVX   @DPTR，A

     MOV    DPTR，#5EFFH

     MOV    A，76H

     SWAP   A

     MOVX   @DPTR，A

     MOV    DPTR，#7FFFH

     MOVX   @DPTR，A

     RETORG  0600H

     MOV    R0，3EH

     MOV    R1，3FH

     MOV    R2，#0OH

     MOV    R3，#OAH

     MOV    R4，#00H

     MOV    R5，#00H

     MOV    R7，#10HCHU：    MOV    A，R0

     ADD    A，R0

     MOV    R0，A

     MOV    A，R1

     ADDC   A，R1

     MOV    R1，A

     MOV    A，R2

     ADDC   A，R2

     MOV    R2，A

     MOV    A，R4

     ADD    A，R4

     MOV    R4，A

     MOV    A，R5

     ADDC   A，R5

     MOV    R5，A

     CJNE   R2，#0AH，C1C1：     JC     C2

     MOV    A，R2

     SUBB   A，R3

     MOV    R2，A

     MOV    A，R4

     ADD    A，#01H

     MOV    R4，A

     MOV    A，R5

     ADDC   A，#00H

     MOV    R5，AC2：     DJNZ   R7，CHU

     CLR    C

     MOV    A，R4

     SUBB   A，#14H

     MOV    3EH，A

     MOV    A，R5

     SUBB   A，#01H

 表VI

     MOV    3FH，A

     MOV    7EH，#OBH

     JNC    END

     CLR    C

     MOV    A，#1 4H

     SUBB   A，R4

     MOV    3EH，A

     MOV    A，#01H

     SUBB   A，R5

     MOV    3FH，A

     MOV    7EH，#0AHEND：    RETORG  1000HB1：    MOV    A，#0B8H

     ADD    A，#00H

     MOV    R0，A

     MOV    A，#0EH

     ADDC   A，#00H

     MOV    R1，A

     MOV    A，3EH

     ADD    A，#00H

     MOV    R2，A

     MOV    A，3FH

     ADDC   A，#00H

     MOV    R3，A

     MOV    A，74H

     ADD    A，#00H

     MOV    78H，A

     MOV    A，75H

     ADDC   A，#00H

     MOV    79H，A

     CLR    A

     MOV    60H，A

     MOV    61H，A

     MOV    62H，A

     MOV    63H，A

     MOV    R7，#10HB2：     MOV    A，60H

     ADD    A，60H

     MOV    60H，A

     MOV    A，61H

     ADDC   A，61H

     MOV    61H，A

     MOV    A，62H

     ADDC   A，62H

     MOV    62H，A

     MOV    A，63H

     ADDC   A，63H

     MOV    63H，A

     MOV    A，R2

     ADD    A，R2

     MOV    R2，A

     MOV    A，R3

     ADDC   A，R3

     MOV    R3，A

     JNC    B3

     MOV    A，60H

     ADD    A，R0

     MOV    6 0H，A

     MOV    A，61H

     ADDC   A，R1

     MOV    61H，A

   表VII

     MOV    A，62H

     ADDC   A，#00H

     MOV    62H，A

     MOV    A，63H

     ADDC   A，#00H

     MOV    63H，AB3：     DJNZ   R7，B2

     MOV    R0，60H

     MOV    R1，61H

     MOV    R2，62H

     MOV    R3，63H

     MOV    R7，#10HB4：     CLR    C

     MOV    A，R0

     ADD    A，R0

     MOV    R0，A

     MOV    A，R1

     ADDC   A，R1

     MOV    R1，A

     MOV    A，R2

     ADDC   A，R2

     MOV    R2，A

     MOV    A，R3

     ADDC   A，R3

     MOV    R3，A

     JC     B5

     MOV    A，R2

     SUBB   A，78H

     MOV    R2，A

     MOV    A，R3

     SUBB   A，79H

     MOV    R3，A

     JNC    B6

     MOV    A，R2

     ADD    A，78H

     MOV    R2，A

     MOV    A，R3

     ADDC   A，79H

     MOV    R3，A

     DJNZ   R7，B4

     SJMP   B7B5：     CLR    C

     MOV    A，R2

     SUBB   A，78H

     MOV    R2，A

     MOV    A，R3

     SUBB   A，79H

     MOV    R3，AB6：     INC    R0

     DJNZ   R7，B4B7：     CLR    C

     MOV    A，R0

     SUBB   A，#00H

     MOV    3EH，A

     MOV    A，R1

     SUBB   A，#00H

     MOV    3FH，A

     RET

Claims (1)

1、一种增益波动数字自动补偿微波辐射计，由天线(1)、微波开关(2)、参考源(3)、全功率微波辐射计接收机(4)和数字自动补偿系统(5)组成，其特征是数字自动补偿系统(5)以单片机(7)为核心，由受单片机(7)控制的A/D转换器(6)、EPROM程序存储器(8)、RAM数据存储器(9)、D/A转换器(10)、LED输出显示器(11)和PC机(13)等部件组成，单片机(7)的一端与将全功率微波辐射计接收机(4)输出的模拟信号转换成数字信号的A/D转换器(6)相联接，其它端又分别与存入支配“数字补偿微波辐射计”全部程序的EPROM程序存储器(8)、存入标准信号的RAM数据存储器(9)、将数字信号转换成模拟信号的D/A转换器(10)、LED输出显示器(11)、后接PC机(13)的通讯接口(12)相联接，为控制数字自动补偿系统(5)与参考源(3)、天线(1)的通断时间，单片机(7)的一个输出端与微波开关(2)的控制端相联接。

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