专利名称：一种数字自动补偿微波辐射计的制作方法
技术领域：
本发明属于微波遥感微波辐射计的技术范畴，特别是涉及一种数字自动补偿微波辐射计。
背景技术：
一台理想的微波辐射计的输出电压可表示成Vout = Gs - (T' A+TEEC) (1)其中，T' A为微波天线输出的信号温度；Tkec为接收机本身的等效噪声温度；GS为系统总增益；V-代表微波天线输出的信号温度的辐射计输出电压。由公式⑴看到，要想保证v。ut能够准确反映T ‘ A，确保微波辐射计的测量准确度，必须使( 和TKE。始终保持恒定。从微波辐射计诞生起，为了消除系统增益( 波动的影响，人们提出了多种技术方案。特别是在当今计算机广泛应用的情况下，为使微波辐射计具有体积小、重量轻、易于制作，以及功耗和价格低等优点，中国科学院长春地理研究所1996年申请了 “数字自动补偿微波辐射计”实用新型专利(中国专利号为ZL96220486.2)。图5为已有的数字自动补偿微波辐射计的结构的方框示意图。其中包括天线09)、微波开关(30)、全功率辐射计接收机(31)、数字自动补偿系统(32)和恒温参考源(33)等。其中数字自动补偿系统完成系统增益补偿运算进程(34)。数字自动补偿微波辐射计的工作原理首先，在室温环境下由数字补偿系统(32) 控制微波开关(30)接通恒温参考源(33)，再由数字补偿系统的A/D采集全功率微波辐射计接收机(31)的输出电压V。ut，此时输出电压V。ut = Vte = Gs (TE+TEEC)。将Vtk做为反映微波辐射计系统增益( 的标准电压值存入到数字补偿系统的EPROM中；其次，当微波辐射计的增益变为G' s时，由数字补偿系统(3 控制微波开关(30)，使微波辐射计接收机(31)在补偿周期内交替接通恒温参考源(3 和天线(四)，再由数字补偿系统的A/D分别采集微波接收机的输出电压 V。ut = V' TR = G' S(TK+TKEC)和 V。ut = V' ta = G' s(T' A+TKEC)，并分别存入到数字补偿系统的RAM存储器中；最后，假设在这个补偿周期内微波辐射计的增益G' s 没有发生改变，那么数字自动补偿系统进行下列补偿运算Vta= (Vte/V te) 'V' TA = Gs - (T' A+TEEC) (2)由此得到系统增益为( 的能够表达天线输出端信号T' A的并由D/A输出的电压值Vta，从而消除了系统增益( 波动对系统测量精确度带来的影响。这里的补偿周期是指系统增益在不发生变化情况下的微波开关接通参考源和天线所用的时间总和；Vtk是系统增益波动前的接收机输出的参考源电压值，V' ^是系统增益波动后的参考源电压值，V' 是系统增益波动后的天线输出的电压值，Gs和G' s分别为波动前和波动后的系统增益值，Te 和T' A分别为参考源和天线输出的目标的噪声温度值。通常情况下，微波辐射计系统可以等效成一台由微波器件组成的热噪声系统。显然，“数字自动补偿微波辐射计”的技术方案中没有考虑到整机噪声温度Tkk的波动以及天、馈线损耗给辐射计测量精确度带来的影响；另外，数字自动补偿微波辐射计技术方案中还使用了恒温参考源(33)，这就限制了辐射计的整机体积、重量和功耗的减小程度。同时，数字自动补偿微波辐射计还存在着开机稳定时间过长等缺点。

发明内容
为了解决已有技术存在的问题，本发明提供了一种数字自动补偿微波辐射计。它是在中国科学院长春地理研究所1996年申请的“数字自动补偿微波辐射计”技术方案的基础上(中国专利号为ZL96220486. 2)，增加了系统噪声温度补偿技术方案；去掉了原技术方案中的恒温参考源，改用实时测量物理温度的匹配负载作为参考源；并优化了系统增益( 波动的补偿运算方案。从而解决了 “数字自动补偿微波辐射计”技术方案中存在的系统噪声温度Tkk和天、馈线损耗引起的噪声温度不确定性给辐射计测量精确度带来的影响，并进一步减小了辐射计整机的体积、重量和功耗以及开机稳定时间长等技术缺陷。图1为本发明提供的一种数字自动补偿微波辐射计的结构的方框示意图。本发明提供的一种数字自动补偿微波辐射计包括天线、微波开关、全功率微波辐射计接收机和数字自动补偿系统，其中还包括高精度测温电路、微波前端组件的测温钼电阻、匹配负载测温钼电阻、天线物理温度测温钼电阻以及匹配负载；所述的微波前端组件由全功率微波辐射计、微波开关和微波匹配负载组成；所述的数字自动补偿系统除了有优化运算的系统增益补偿运算进程外，还有系统噪声温度补偿运算进程。图2为本发明提供的一种数字自动补偿微波辐射计的数字自动补偿系统的结构的方框示意图。所述的数字自动补偿系统包括单片机，与单片机连接的EPROM程序存储器、RAM数据存储器、D/A转换器、数字表、RS-232通讯接口和PC计算机；并且单片机还与四个通道的 A/D转换器以及微波开关连接；与已有技术方案中使用的单通道A/D转换器不同的是，本发明的技术方案使用了具有四个通道的A/D转换器；另外，在数字自动补偿系统的EPROM程序存储器中不仅存有系统增益补偿运算进程，还存有噪声温度补偿运算进程；噪声温度补偿运算的关键要求微波前端组件的等效输入噪声温度Tkec与其物理温度T1之间的关系曲线Tkec(T1)参数以及微波天线和馈线的总损耗、参数必须被准确测量得到，并把这些测取到的参数存储在数字自动补偿系统EPROM程序存储器内。图4为本发明提供的一种数字自动补偿微波辐射计的钼电阻测温电路图。所述的微波前端组件10、匹配负载9和天线1的物理温度1\、T2和T3的测温电路可以分别采用如图4所示的同一种电路；如图4所示，测温电路包括LM317A三端可调稳压器21、电阻队22、可调电阻&23、 PtlOO钼电阻1 口4以及单电源仪用高精度运算放大器AD62325、电阻RJ6、电容Q27和CJ8 元器件；电阻礼22与可调电阻连接；LM317A三端可调稳压器21与可调电阻&23、ptl00 钼电阻1 口4连接；高精度运算放大器AD62325的正负端分别与ptlOO钼电阻1 口4的两端连接，高精度运算放大器AD62325与电阻民沈的两端连接，高精度运算放大器AD62325还与电容Q27和CJ8元器件连接；测温电路的LM317A三端可调稳压器21和高精度运算放大器AD62325分别接Vee，精度运算放大器AD62325的一端接Vtl ；其中ptlOO采用四线制钼电阻。图3为本发明提供的一种数字自动补偿微波辐射计的工作流程图。微波辐射计开机后，在一个补偿周期内，其工作过程包括如下步骤步骤100，开始，数字自动补偿系统中的单片机开始工作；步骤101，由单片机控制四个通道的A/D转换器，分时采集由高精度测温电路、微波前端组件的测温钼电阻、匹配负载测温钼电阻、天线物理温度测温钼电阻、匹配负载和天线的物理温度1\、T2和T3值；步骤102，将1\、T2和T3三路物理温度值存入到RAM存储器中；步骤103，单片机从EPROM中提取Tkec(T1)曲线的参数，以及从RAM中提取T1值；步骤104，计算Tkec(T1)值，并把计算得到的Tkec(T1)值存入到RAM中；步骤105，在一个补偿周期内，单片机通过控制线控制微波开关接通匹配负载；步骤106，单片机控制四个通道的A/D转换器采集全功率微波辐射计接收机的输出电压V。ut值；步骤107，令Vout = Vte = Gs · [T2+TEEC (T1)]，并存入到RAM中，这里Gs为系统增益， Teec(T1)为微波前端组件的等效噪声温度，T1为组件物理温度，T2为匹配负载的物理温度；步骤108，在同一个补偿周期内，单片机通过控制线控制微波开关接通天线输出端；步骤109，单片机控制四个通道的A/D转换器采集全功率微波辐射计接收机的输出电压V。ut值；步骤110，令V。ut = Vta = Q .[T' A+T厭(T1)],并存入到RAM中，这里T' A为天线输出端输出的噪声温度；步骤111，单片机提取EPROM和RAM中的参数，直接计算VTA/VTK = m,并存入到RAM 中，消除增益( 波动的影响；计算TA =、· [m.T2+(m-l) -Teec (T1)]+ (I-Ln) ·Τ3，存入到 RAM中，消除系统噪声温度波动的影响，其中，T3为天、馈线的物理温度，Ln为天、馈线的总损耗；最终得到直接反映微波辐射计天线接收目标信号Ta的准确亮度温度值；步骤112，单片机控制数字表直接显示Ta值；步骤113，通过RS-232通讯接口，将Ta值送入到PC机显示；步骤114，单片机控制D/A输出模拟Ta值；步骤115，是否执行下一个补偿周期？继续执行，再次执行步骤101 114，否则执行步骤116 ；步骤116，结束。上述步骤中的控制、采集、存储、计算、显示和通讯等步骤可在单片机内使用机器语言编制的程序来完成，而其中的存储、计算、显示和通讯等步骤也可在PC机内采用高级语言编制的程序来部分或全部完成。另外，其中的补偿周期与“数字自动补偿微波辐射计” 实用新型专利(中国专利号为ZL96220486. 2)技术方案中的概念和大小相同。有益效果本发明提供的一种数字自动补偿微波辐射计通过利用高精度钼电阻测温传感器实时测量微波前端组件、微波天线和微波匹配负载的物理温度，并利用计算机实现系统增益补偿和噪声温度补偿两个运算进程，不仅消除了增益( 波动对微波辐射计测量精确度带来的影响，而且还消除了系统噪声温度TKE。以及天、馈线损耗、引起的噪声不确定性给测量精确度带来的影响，并最终给出了直接反映微波辐射计天线接收目标信号Ta的准确亮度温度值。由于本发明提供的一种数字自动补偿微波辐射计的术方案中没有使用恒温参考源，因此，进一步降低了微波辐射计整机的体积、功耗和重量，缩短了辐射计开机的等待时间，极大地方便了用户的使用和野外运输。


图1为本发明提供的一种数字自动补偿微波辐射计的结构的方框示意图。图2为本发明提供的一种数字自动补偿微波辐射计的数字自动补偿系统的结构的方框。图3为本发明提供的一种数字自动补偿微波辐射计的工作流程图.图4为本发明提供的一种数字自动补偿微波辐射计的钼电阻测温电路图。图5为已有的数字自动补偿微波辐射计的结构的方框示意图。
具体实施例方式实施例1 本发明提供了一种数字自动补偿微波辐射计，它是在中国科学院长春地理研究所1996年申请的“数字自动补偿微波辐射计”技术方案的基础上(中国专利号为 ZL96220486. 2)，本发明增加了系统噪声温度补偿技术方案；去掉了原技术方案中的恒温参考源，改用实时测量物理温度的匹配负载作为参考源；并优化了系统增益波动的补偿运
算方案。图1为本发明提供的一种数字自动补偿微波辐射计的结构的方框示意图。本发明提供的一种数字自动补偿微波辐射计包括天线1、微波开关2、全功率微波辐射计接收机3和数字自动补偿系统4，其中还包括高精度测温电路5、微波前端组件10的测温钼电阻6、匹配负载测温钼电阻7、天线物理温度测温钼电阻8以及匹配负载9 ；所述的微波前端组件10由全功率微波辐射计3、微波开关2和微波匹配负载9组成；所述的数字自动补偿系统除了有优化运算的系统增益补偿运算进程11外，还有系统噪声温度补偿运算进程12。图2为本发明提供的一种数字自动补偿微波辐射计的数字自动补偿系统的结构的方框示意图。所述的数字自动补偿系统包括单片机14，与单片机14连接的EPROM程序存储器 15、RAM数据存储器16、D/A转换器17、数字表18、RS_232通讯接口 19和PC计算机20 ；并且单片机14还与四个通道的A/D转换器13以及微波开关连接；与已有技术方案中使用的单通道A/D转换器不同的是，本发明的技术方案使用了具有四个通道的A/D转换器(13)；另外，在数字自动补偿系统的EPROM程序存储器15中不仅存有系统增益补偿运算进程11，还存有噪声温度补偿运算进程12 ；噪声温度补偿运算的关键要求微波前端组件10 的等效输入噪声温度Tkk与其物理温度T1之间的关系曲线Tkk(T1)参数以及微波天线和馈线的总损耗、参数必须被准确测量得到，并把这些测取到的参数存储在数字自动补偿系统EPROM程序存储器15内。
图3为本发明提供的一种数字自动补偿微波辐射计的工作流程图。微波辐射计开机后，在一个补偿周期内，其工作过程包括如下步骤步骤100，开始，数字自动补偿系统4中的单片机14开始工作；步骤101，由单片机控制四个通道的A/D转换器，分时采集由高精度测温电路5、微波前端组件的测温钼电阻6、匹配负载测温钼电阻7、天线物理温度测温钼电阻8、匹配负载 9和天线1的物理温度T1、T2和T3值；步骤102，将T1、T2和T3三路物理温度值存入到RAM存储器16中；步骤103，单片机从EPROM中提取Tkec(T1)曲线的参数，以及从RAM中提取T1值；步骤104，计算Tkec(T1)值，并把计算得到的Tkec(T1)值存入到RAM中；步骤105，在一个补偿周期内，单片机通过控制线控制微波开关接通匹配负载；步骤106，单片机控制四个通道的A/D转换器13采集全功率微波辐射计接收机的输出电压V。ut值；步骤107，令Vout = Vte = Gs · [T2+TEEC (T1)]，并存入到RAM中，这里Gs为系统增益， Teec(T1)为微波前端组件的等效噪声温度，T1为组件物理温度，T2为匹配负载的物理温度；步骤108，在同一个补偿周期内，单片机通过控制线控制微波开关接通天线输出端；步骤109，单片机控制四个通道的A/D转换器13采集全功率微波辐射计接收机的
输出电压V。ut值；步骤110，令V。ut = Vta = Q .[T' A+T厭(T1)],并存入到RAM中，这里T' A为天线输出端输出的噪声温度；步骤111，单片机提取EPROM和RAM中的参数，直接计算VTA/VTK = m,并存入到RAM 中，消除增益( 波动的影响；计算TA =、· [m.T2+(m-l) -Teec (T1)]+ (I-Ln) ·Τ3，存入到 RAM中，消除系统噪声温度波动的影响，其中，T3为天、馈线的物理温度，Ln为天、馈线的总损耗；最终得到直接反映微波辐射计天线接收目标信号Ta的准确亮度温度值；步骤112，单片机控制数字表直接显示Ta值；步骤113，通过RS-232通讯接口，将Ta值送入到PC机显示；步骤114，单片机控制D/A输出模拟Ta值；步骤115，是否执行下一个补偿周期？继续执行，再次执行步骤101 114，否则执行步骤116 ；步骤116，结束。上述步骤中的控制、采集、存储、计算、显示和通讯等步骤可在单片机内使用机器语言编制的程序来完成，而其中的存储、计算、显示和通讯等步骤也可在PC机内采用高级语言编制的程序来部分或全部完成。另外，其中的补偿周期与“数字自动补偿微波辐射计” 实用新型专利(中国专利号为ZL96220486. 2)技术方案中的概念和大小相同。本实施例中，微波前端组件的等效噪声温度Tkec(T1)曲线的参数是在-40 +50°C 环境温度范围内测量得到的，其中的四个波段的Tkk(T1)曲线参数是通过最小二乘法拟合得到6. 6GHz =Teec(T1) = T1 · (3. 3679 X 10-51\2_1· 5217 X 10^+2. 5021)；19. 35GHz =Teec(T1) = T1 · (-1. 1328 X IO-5T12+!. 3701 X 1(Γ2Τ「1· 5556)；
23. 8GHz =Teec(T1)) = T1 · (3. 1620 X IO^4T12"!- 7123 X 10^^+25. 694)；37GHz =Teec(T1) = T1 · (1. 3123 X 10-41\2_6· 3030 X 10^+10. 261)。由此看出，不同的微波前端组件其Tkk(T1)具有不同的曲线参数，因此本发明提供的一种数字自动补偿微波辐射计要求对具体的微波前端组件进行具体的温度测量，以获取准确的Tkec(T1)曲线参数。图4为本发明提供的一种数字自动补偿微波辐射计的钼电阻测温电路图。所述的微波前端组件10、匹配负载9和天线1的物理温度1\、T2和T3的测温电路可以分别采用如图4所示的同一种电路；如图4所示，测温电路包括LM317A三端可调稳压器21、电阻队22、可调电阻&23、 PtlOO钼电阻1 口4以及单电源仪用高精度运算放大器AD62325、电阻RJ6、电容Q27和CJ8 元器件；电阻礼22与可调电阻连接；LM317A三端可调稳压器21与可调电阻&23、ptl00 钼电阻1 口4连接；高精度运算放大器AD62325的正负端分别与ptlOO钼电阻1 口4的两端连接，高精度运算放大器AD62325与电阻民沈的两端连接，高精度运算放大器AD62325还与电容Q27和CJ8元器件连接；测温电路的LM317A三端可调稳压器21和高精度运算放大器 AD62325分别接Vee，精度运算放大器AD62325的一端接Vtl ；其中ptlOO采用四线制钼电阻。在-40 +50°C环境温度范围内，在保证测温精度士0. 1°C的基础上，为降低单片机运算的复杂程度，取PtlOO钼电阻的线性部分Rt = 100X (1+0. 00390802t)计算，其中t 为摄氏温度。其测温原理为由LM317A稳压器21、电阻礼22和电位器&23构成的恒流源给 PtlOO钼电阻供电。取民=1故0的标称电阻，利用电阻本身的离散误差，最终可使AD623 的放大倍数控制在7. 25左右。ptlOO钼电阻的工作电流小于5mA，调整&使流过ptlOO的电流为3. 53mA左右，由此最终可使AD623的输出电压V。= 2. 56+t/100。这为单片机处理数据提供了便利条件。当V。。取+5V时，R1可采用180 Ω的标称电阻，R2可采用200 Ω的精密电位器。为了保证测温精度，上述电阻需要采用温度稳定的金属膜电阻。电容(^和(2可分别采用0. 1 μ F的独石电容和10 μ F的电解电容，以有效消除杂波干扰。由于由微波辐射计接收机3、微波开关2和微波匹配负载9同组成的微波前端组件 10组件内部可填充有导热硅脂，整个组件具有良好的温度均勻性，因而接收机3和匹配负载9的物理温度基本保持一致T1 = T2,为此本发明提供的一种数字自动补偿微波辐射计技术方案中可以减少一路测温。图2中的单片机14可以使用通用的51系列单片机；四个通道的A/D转换器13可以采用AD7777四通道10-bit高速转换器。其它器件如EPR0M、RAM、 D/A转换器以及数字显示表等没有特殊的要求，可以使用市场上的通用器件。本发明提供的一种数字自动补偿微波辐射计的系统增益补偿VA/VK = m和系统噪声温度补偿Ta = Ln · [m · T2+(m-l) · Teec(T1) ] +(I-Ln) · T3的两个运算进程11和12，以及温度的转换V。= 2. 56+t/100运算进程，可以在单片机内直接使用机器语言来编制完成，也可以通过RS-232通讯接口把数据传输到PC计算机内再用高级语言编制来完成。
权利要求
1.一种数字自动补偿微波辐射计，其特征在于包括天线(1)、微波开关O)、全功率微波辐射计接收机⑶和数字自动补偿系统G)，还包括钼电阻高精度测温电路(5)、微波前端组件(10)的测温钼电阻(6)、匹配负载(9)及其测温钼电阻(7)、天线⑴的物理温度测温钼电阻⑶；所述的微波开关(2)与天线(1)、全功率微波辐射计接收机(3)及匹配负载(9)连接， 微波开关⑵还与数字自动补偿系统⑷连接；钼电阻高精度测温电路(5)和数字自动补偿系统(4)、天线(1)的物理温度测温钼电阻(8)、微波前端组件(10)的测温钼电阻(6)、匹配负载(9)的测温钼电阻(7)连接；所述的全功率微波辐射计(3)、微波开关( 和微波匹配负载(9)组成微波前端组件 (10)；所述的数字自动补偿系统的构成包括单片机(14)，以及与单片机(14)连接的 EPROM程序存储器(15)、RAM数据存储器(16)、D/A转换器(17)、数字表(18)、RS_232通讯接口(19)、PC计算机(20)、四个通道的A/D转换器(13)和微波开关(2)；在数字自动补偿系统的EPROM程序存储器(15)中存有系统增益补偿VA/VK = m的运算进程(11)和系统噪声温度补偿Ta = Ln · [m.T2+(m-l) · Teec(T1) ] +(I-Ln) · T3的运算进程(1 ；在数字自动补偿系统EPROM程序存储器(1 内存储微波前端组件(10)的等效输入噪声温度TKE。与其物理温度T1之间的关系曲线Tkk(T1)以及微波天线和馈线的总损耗、 测量参数。
2.如权利要求1所述的一种数字自动补偿微波辐射计，其特征在于，所述的系统增益补偿VA/VK = m的运算进程(11)和系统噪声温度补偿Ta = Ln [!!! !^+(m-l) -Teec(T1) ] +(1-L n) -T3的运算进程(1 ，以及温度的转换V。= 2. 56+t/100运算进程，在单片机内直接使用机器语言来编制完成，或者，通过RS-232通讯接口把数据传输到PC计算机内再用高级语言编制来完成。
3.如权利要求1所述的一种数字自动补偿微波辐射计，其特征在于，所述的微波前端组件(10)、匹配负载(9)和天线⑴的物理温度1\、T2和T3的测温电路分别采用如下的同一种电路所述的测温电路包括LM317A三端可调稳压器、电阻队(22)、可调电阻、 PtlOO钼电阻以及单电源仪用高精度运算放大器AD623(25)、电阻R306)、(^ 07)和电容C208)；电阻与可调电阻连接；LM317A三端可调稳压器Ql)与可调电阻&03)、？1100钼电阻1 ^24)连接；高精度运算放大器AD623(25)的正负端分别与ptlOO 钼电阻& 04)的两端连接，高精度运算放大器AD623 (25)与电阻R3 06)的两端连接，高精度运算放大器AD623(2Q还与连接；测温电路的LM317A三端可调稳压器Ql)和高精度运算放大器AD623(25)分别接Vrc，精度运算放大器AD62325的一端接Vtl ；其中ptlOO钼电阻 Rt(24)采用四线制钼电阻。
全文摘要
本发明提供的一种数字自动补偿微波辐射计，包括天线、微波开关、全功率微波辐射计接收机和数字自动补偿系统，还包括铂电阻高精度测温电路、微波前端组件的测温铂电阻、匹配负载及其测温铂电阻、天线的物理温度测温铂电阻；利用高精度铂电阻测温传感器实时测量微波前端组件、微波天线和微波匹配负载的物理温度，利用计算机实现系统增益补偿和噪声温度补偿两个运算进程，消除了增益波动对测量精确度和系统噪声温度TREC和天、馈线损耗Lη引起的噪声不确定性给测量精确度带来的影响，给出了直接反映微波辐射计天线接收目标噪声信号TA的准确亮度温度值。整机体积小，重量轻，功耗低，缩短了开机的等待时间，极大地方便了用户的野外使用和运输。
文档编号G01R29/08GK102169142SQ20101057758
公开日2011年8月31日 申请日期2010年12月8日 优先权日2010年12月8日
发明者刘兆礼, 刘宝江, 董航 申请人:中国科学院东北地理与农业生态研究所