微波辐射计技术手册.docx

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微波辐射计技术手册

地基多频段微波辐射计

技术手册

（HSMR）

长春市海思电子信息技术有限责任公司

2011年10月

目录

1技术概况1

2接收机的原理与设计4

3.1技术要求和试验方法6

3.2接收机通道的测试7

3.2.1噪声系数（A）7

3.2.2接收机线性度测量（A）7

3.2.3接收机灵敏度测量（A）8

3.2.4接收机中频带宽测试（A）9

3.2.5接收机工作频率测试9

3.2.6系统抽样进行环境试验10

3.3设备检验10

3.3.1常规检验10

3.3.2交收检验10

4标志、保管和运输10

5软件技术条件11

5.1软件平台11

5.2软件功能11

6微波辐射计电缆连接标识12

7系统电磁兼容13

8系统的可靠性设计13

9系统接地要求14

10探测环境条件要求14

10.1探测环境条件的要求14

10.2探测场地的要求15

10.3工作室要求及设备安置15

1技术概况

微波辐射计是宽频带、高增益、高灵敏度的被动微波遥感仪器，能够在很强的背景噪声中提取微弱的信号变化量。

通过接收被测目标自身的微波辐射获取相应的物理特性，经过有效的数据反演进行定量分析。

本套产品的微波辐射计主要包括7个频率的仪器，在微波频率划分上分别是L、S、C、X、Ku、K和Ka，具体设计对应频率为1.4GHz，2.65GHz，6.6GHz，10.65GHz，13.9GHz，18.7GHz，37GHz。

其中1.4GHz和2.65GHz为双极化天线，6.6GHz，10.65GHz，13.9GHz，18.7GHz，37GHz为喇叭天线，可以旋转机身转换极化测量，以求对岩石加载过程中微波多个频率点有深入细致的了解。

单极化接收各波段微波辐射计的原理框图如图1所示。

图1微波辐射计接收通道原理框图

双极化微波辐射计利用双极化接收天线同时接收目标的微波辐射信息，由线性极化分离器分别获取水平极化和垂直极化信息，经两路接收通道进行处理。

数字控制单元完成射频开关的控制，并将测量得到的原始数据通过串行通讯送到主计算机。

L、S波段属于微波遥感应用频率的低端，极易受到其它电磁辐射源的影响，因此需要在通道中增加高精度滤波器。

L波段采用了7阶契比雪夫带通介质滤波器，工作频带为1400MHz～1427MHz，过渡带宽15MHz,带内损耗为1dB，过渡带损耗大于60dB；S波段采用了5阶契比雪夫腔体滤波器，工作频带为2.65GHz～2.85GHz，过渡带宽20MHz,带内损耗为2dB，过渡带损耗大于60dB。

系统原理框图如图2所示。

参考源H

射频开关（H）

带通滤波器

低噪声

放大器

极化分离器

接收天线

射频开关

（V）

带通滤波器

低噪声

放大器

参考源V

本振

低噪声

放大器

可变增益

放大器

低噪声前置

中频放大器

混频器

低噪声

放大器

可变增益

放大器

低噪声前置

中频放大器

混频器

本振

数字控制单元

平方律

检波器

A/D转换

视频放大器

A/D转换

视频放大器

平方律

检波器

图2双极化微波辐射计接收通道原理框图

为了提高L波段双极化微波辐射计的抗干扰性，采用了电源与接收机分离的技术方案，即二者为两个独立结构的箱体单元。

单极化微波辐射计采用了标准矩形喇叭天线接收目标的辐射，双极化微波辐射计采用前馈式抛面天线型式，馈源为高性能的波纹喇叭，在近场的情况下，可以进行独立测量。

矩形喇叭天线的3dB波束角为15，增益18dB；抛物面天线的3dB波束角为15（L波段）、7.5（S波段），增益为25dB。

天线表面结构如图3所示。

图3天线表面结构示意图

系统的主要技术指标如表1所示。

表1微波辐射计主要技术指标

工作频率（GHz）

1.413

2.6

6.6

10.0

13.9

18.7

37

中频带宽（MHz）

20

200

400

400

400

200

400

灵敏度（K，积分时间100毫秒）

0.10

0.10

0.10

0.1

0.1

0.15

0.15

灵敏度（K，积分时间1秒）

0.04

0.04

0.04

0.04

0.04

0.05

0.05

数据采集率

100点/秒

线性相关系数

0.9999

亮温测量范围（K）

150500

天线型式

对角低副瓣喇叭天线

接收机定标精度（K）

0.21.0

稳定度

0.15K/day,1.0K/（month）,2.0K/（year）

重量（kg）

5

5

6

6

6

6

6

体积

200mm200mm350mm

供电方式

交流220伏

接收机功耗（W）

50

50

55

55

55

60

60

数据终端

Windows’XP/人机对话界面，接收机与主计算机通讯方式为RS232/422

工作环境温度

－20C～＋55C

2接收机的原理与设计

根据Planck辐射定律，处于绝对零度以上的任何物体在所有的频率上均辐射电磁能。

一般认为，物体在微波波段向外辐射能量是由分子旋转和反转以及电子自转与磁场之间的相互作用产生的。

物体的微波辐射能量强弱首先与其本身性质有关，还与物体的温度和表面状态、频率、极化、传播方向等因素有关。

接收机采用数字增益自动补偿技术方案，系统框图如图4所示。

数字增益自动补偿微波辐射计是将一个基准参考源信号通过微波辐射计系统，在输出端检测出系统增益的变化量，用专门设计的数字单元控制系统，按此变化量去修正所接收目标的辐射量，达到系统增益不变的目的。

数字增益自动补偿微波辐射计由天线、射频开关，微波基准源，接收组件（射频放大器、中频放大器、平方律检波器、视频放大器及积分器）,A/D变换，数字控制单元及显示等电路组成。

数字控制单元给出输入开关的控制信号，数字控制单元按此信号同步地分别采集基准源和天线接通时辐射计的输出信号进行处理。

当系统增益稳定时，基准源T1及天线与接收机相连时所对应的微波辐射计输出电压分别为：

（1）

（2）

当系统增益变化时，基准源T1及天线与接收机相连接所对应的微波辐射计输出电压分别为：

（3）

（4）

利用基准源T1通过系统后的输出电压检测系统增益的变化，对系统增益变化时天线输入所对应的输出电压进行补偿，其补偿式为：

（5）

如果

，说明系统增益变大，

将小于1。

用它乘以因系统增益变大而升高的

，达到系统增益补偿的目的，反之亦然。

将

（1）、（3）及（4）代入（5），可得补偿后的电压值

为：

（6）

比较（6）式和

（2）式可知，无论系统增益如何变化，经过补偿后系统的增益始终保持不变，从而达到稳定系统增益的目的。

图4数字增益自动补偿微波辐射计系统框图

微波辐射计的最小可检测信号由系统噪声的不确定性和系统增益的不确定性共同决定，而系统增益起主要作用。

数字增益自动补偿微波辐射计能很好地实现增益补偿，使系统增益波动引起的不确定性趋于零，起到稳定系统增益的作用，从而达到提高微波辐射计灵敏度的目的。

在高灵敏度的需求下，为了避免控温装置电流切换引起的脉冲扰动，且在夏日太阳照射下机箱环境温度难以控制，数字增益自动补偿微波辐射计没有采用恒温源和控温方案，而采用与机箱具有相同温度的匹配负载作为参考源。

因此当辐射计长时间处于一个温度变化的环境中，当机箱温度随着环境温度发生变化时，辐射计参考源的噪声温度也会随着机箱温度的变化而改变，辐射计输出数据会随环境温度变化而变化，导致测量误差。

传统方法是采取环境温度变化修正方法对测量数据进行修正，从而保持系统的稳定。

在本系统的实施方案中采用计算机数字补偿技术。

该种型式的微波辐射计结构简单、工作稳定、调试方便，由于存储了多种原始数据便于进一步的数据处理，解决了其它型式微波辐射计存在的慢漂移问题，实现了高稳定、高灵敏度测量。

在辐射计输出的数据文件中，存储原始数据、修正后数据和辅助数据。

在接收机的设计中采用了温度补偿算法，确保了仪器的温度稳定性。

3技术条件

本技术条件适用于地基多频段微波辐射计（以下简称本整件）供承研制方检验和订购方验收之用。

在检验前本整件应按其调试细则进行调试。

本整件应在下列环境条件下正常工作：

工作温度：

-20C+55C

存储温度：

-40C+60C

相对湿度：

95±3%（25C时）

大气压力：

不低于74.6kPa

3.1技术要求和试验方法

（1）本套产品的微波辐射计主要包括7个频率的仪器，在微波频率划分上分别是L、S、C、X、Ku、K和Ka，具体设计对应频率为1.4GHz，2.65GHz，6.6GHz，10.65GHz，13.9GHz，18.7GHz，37GHz。

）、天线、中低频处理单元、单片机主控单元。

试验方法：

对照设计任务书查对符合性。

并用能保证达到设计文件规定的测量精度的仪器进行测量。

（2）本整件装配过程中所采用之成套产品，外购器材及元器件，应符合其相应的技术标准或技术条件，并附有入库检验合格证和印鉴。

半导体器件应按全机可靠性要求规定的筛选项目进行老化筛选。

试验方法：

按规定核对证件，用外观法检查。

本整件内所有的零、部、整件均应有技术检验合格证。

（3）测试等级分四级：

A级，为必测项，有较严格的指标要求，反映了分系统的技术性能；B级，为检查项，一般作为抽测项，主要原因

，是该指标不是本系统技术要点，

，是测试较烦琐；C级，为数据分析项；D级，为系统内部模块测试数据，是本套辐射计接收机系统关键部分的技术状态，是分系统维修的重要参数，不作为交验指标；交验时一般测A项。

3.2接收机通道的测试

3.2.1噪声系数（A）

测试方法：

系统噪声系数测试采用噪声测试仪，测试框图见图5：

中频输出

HP8970噪声系数测试仪

微波接收前端组件

固态噪声源

图5噪声系数测试框图

测试步骤：

开机工作正常后，按图5首先将固态噪声源直接与噪声系数测试仪连接，进行系统校准；然后将微波接收前端组件连入测试系统，在工作中频带宽内以10MHz步进扫频测量。

说明事项：

测噪声系数时，全机信号应全部连接。

测试结果如表2所示。

表2多频段微波辐射计接收机噪声系数（dB）

频率GHz

1.413

2.65

6.6

10.0

13.9

18.7

37

噪声系数

1.8

1.8

2.0

2.0

2.2

2.2

3.2

3.2.2接收机线性度测量（A）

本系统的接收机采用了低势垒肖特基平方律检波二极管组成高线性度检波器，线性相关系数为：

0.9999。

测试框图见图6所示

低温冷源由液氮制冷，输出噪声温度为80.3K。

微波辐射计接收机

精密可变衰减器L

低温冷源

图6接收机线性度测试框图

测试步骤：

a.记录环境温度；

b.改变精密可变衰减器的衰减量L,按照式

（1）得到不同的噪声温度，在每一噪声温度点测量N个输出电压值（N20）；

（7）

c.将各点的噪声温度作为因变量，输出的电压平均值作为自变量，进行线性回归，即可得到线性相关系数。

微波辐射计的检波灵敏度为-55dBm。

3.2.3接收机灵敏度测量（A）

测试框图与线性度的测试框图一致，如图6所示。

测试步骤：

a.记录环境温度；

b.改变精密可变衰减器的衰减量L,按照式

（1）得到不同的噪声温度，在每一噪声温度点测量N个输出电压值（N20）；

d.计算各点输入噪声温度对应的输出电压均值和方差，从中选取任意两个温度点的数据，按照式（8）计算灵敏度

。

（8）

灵敏度测试结果如表3所示。

表3多频段微波辐射计接收机灵敏度（K）

频率GHz

1.413

2.65

6.6

10.0

13.9

18.7

37

灵敏度

0.08

0.10

0.11

0.12

0.11

0.12

0.13

3.2.4接收机中频带宽测试（A）

测试框图见图7。

HP8592B频谱仪

主中频放大器

接收机前端

匹配负载

图7接收机中频带宽测试框图

测试方法：

将匹配负载接入接收机前端，利用HP8592B频谱仪测量主中频放大器输出的中频信号频谱，设置频率测量范围1MHz500MHz。

记录中频频谱低频端低于最大值3dB处的频率

和高频端低于最大值3dB处的频率

，接收机带宽为

—

。

3.2.5接收机工作频率测试

测试框图见图8。

主中频放大器

60dB衰减器

接收机前端

HP8350扫频源

HP8592B频谱仪

图8接收机工作频率测试框图

测试方法：

设置HP8350扫频源输出功率20dBm，用HP8592B频谱仪测量主中频放大器的输出频谱，调节扫频源的频率，记录频谱仪上峰值信号的频率，直至峰值信号移至零频率点，记录此刻扫频源的输出频率，即为辐射计的输出频率。

3.2.6系统抽样进行环境试验

环境试验主要进行以下几项：

a.低温试验

b.高温试验

c.温度冲击试验

d.振动试验

说明事项：

环境试验主要测试辐射计的输出亮度温度。

温度实验在可控温度的小型微波暗室内进行，振动试验通过车载震动完成。

3.3设备检验

3.3.1常规检验

在调试之前，全部整件均应进行常规检验，检验合格者都应挂合格证，不合格者应退回生产车间返工修复。

3.3.2交收检验

由承制方质量检验机构和定货方代表按技术条件进行验收。

4标志、保管和运输

（1）凡经装配检验、交收检验合格之整件，均因挂有合格证和调试记录卡。

经环境适应性

试验后合格的整件，应有合格证和环境适应性试验报告。

（2）合格整件应放在干燥、常温、通风并无有害气体和强辐射的库房内。

（3）合格整件在运输时，应采取有效的防震及保护措施，不应有碰撞、冲击、跌落等损伤现象。

5软件技术条件

5.1软件平台

地基多频段微波辐射计主控程序由VB6.0语言编制，采用多线程工作方式完成各项功能。

从提高软件可靠性和容错能力的角度，系统使主控机与下位机的串口设置保持一致、通信波特率保持相同。

考虑了超时差错及通信中断和参数修正等处理，并采用了数据累加和校验、关键字重发等措施。

由于接收机工作的状态不同，分别编制了三种操作软件。

L和S波段分别是独立型式的控制程序，C、X、Ku、K和Ka具有相同型式的控制程序（单极化微波辐射计控制程序）。

5.2软件功能

◆实时显示微波辐射计测量的数据：

电压数码值、亮度温度值

◆设备标定系数存储在“.txt”文件中，可以读取和修改；

◆提供大气目标特征描述记录文件，辅助分析测量数据；

◆根据操做者的指令，动态显示测量曲线，可以选取纵坐标显示的最大值和最小值；

◆通过主界面的命令按钮可以选择需要显示的物理量；

◆以十六进制的形式显示原始测量数据代码，便于判断设备是否处于正常工作状态，标准的字头位“OKTC”，如字头错误说明仪器有故障；

◆图形的横坐标是时间序列，纵坐标是探测数据；

◆实时指示鼠标位置对应的测量数值；

◆根据数据通讯串口的连接选择串行通讯端口，软件自动判断微波辐射计两个通道输出的数据；

◆辅助测量数据包括机箱内温度探测数据和系统增益调整数据，供生产厂家维修设备使用，用户不需要使用该数据。

6微波辐射计电缆连接标识

在本系统中采用了统一的供电电缆，为HJ－14型3芯，其中针孔1为地信号，针孔2、3为交流输入。

数据通讯接插件为5芯接插件，其中L波段采用了HJ-23型，其它频段的辐射计采用了HJ－14型，接线表如表4所示。

表4数据通讯电缆接线表

针孔序号

标识

说明

1

R（＋）

接收信号的正电平端

2

R（－）

接收信号的负电平端

3

GND

地

4

T（－）

发送信号的负电平端

5

T（＋）

发送信号的正电平端

与主控计算机连接的接插件为标准的9芯D型阴头，接线表如表5所示。

表5数据通讯电缆接线表

针孔序号

标识

说明

1

R（＋）

接收信号的正电平端

2

R（－）

接收信号的负电平端

3

GND

地

4

T（－）

发送信号的负电平端

5

T（＋）

发送信号的正电平端

6

N

空

7

与8短接

8

与7短接

9

N

空

7系统电磁兼容

地基多频段微波辐射计系统覆盖频率广泛，从低频到毫米波，容易受电磁干扰，因此电磁兼容的设计是系统可靠工作的保障。

系统的供电电缆由双铰屏蔽线组成，进入接收机后进行滤波。

数据通讯与供电电缆独立分开，通过高抗干扰的RS-485串行通讯方式进行数据链接。

在高频单元，采用铜箔多点接地和金属屏蔽。

对数字控制单元也采取适当的屏蔽。

在中频通道，采用非零点中频的方式工作（30MHz），消除低频噪声的干扰。

L波段微波辐射计与全球定位系统（GPS）同处于一个电磁波段，根据国际无线电委员会的频率使用规定，用于被动微波遥感的频率范围为141312.5MHz。

利用HP8592B频谱仪和角锥喇叭天线在室外可以探测到在1350MHz～1395MHz，1430MHz～1460MHz频带内有-60dBm左右的干扰信号，信号频率在该范围内随机移动。

微波辐射计是高灵敏度接收机，要求对带外的信号有高度的抑制衰减，为了抑制GPS信号的谐波对辐射计的干扰，在接收通道中加入五阶腔体带通滤波器，其导通频带内插入损耗3dB，带外抑制60dB。

双通道共用单一本振，防止本振频率漂移引起的通道间信号互耦。

为了消除混频后的低频噪声，本振频率选为1375MHz，本振功率5mW。

混频器为双平衡型式，变频损耗3dB。

S波段辐射计的干扰源主要来自于北斗导航卫星、3G通讯网络，在系统中采用高性能的腔体滤波，实现对杂波的抑制。

滤波器的带外抑制60dB。

仪器不能够在高强度电磁辐射的环境下工作。

按照国际无线电委员会的规定，辐射频率应小于-54dBm。

8系统的可靠性设计

为了保障系统可靠工作，选择通过国军标考核的单位进行合作研制微波部件，达到军品级标准。

数据处理和低频单元、供电单元选用工业级产品。

信号链接插件选用航空产品。

在毫米波波导连接处等间隔增加固定件，整机采用减震装置。

在接收机功能控制方面，采用单片机汇编语言设计，减少代码数量，保障控制的可靠性。

数据终端软件采用人机对话模式，多线程控制。

9系统接地要求

接地电阻小于5欧。

该接地线不能与避雷接地网联在一起。

室内部分的接地线应接在交流市电的地线上；或者接到打入地下1.5米深的紫铜棒上，接地电阻小于5欧。

10探测环境条件要求

10.1探测环境条件的要求

地基多频段微波辐射计是通过被动接收目标微波辐射量，经过反演得到目标参数的微波遥感器。

周围物体，特别是周围高于辐射计的物体会使得反演的结果受的影响。

为避免局部环境的微波辐射影响，对探测环境有如下要求：

（1）辐射计探测场地周围的建筑物、树木和其它遮挡物边缘与探测场地的距离，必须大于遮挡物高度的10倍以远。

（2）辐射计探测场地必须远离水库、江河湖海等大型水体，距离在3000米以上（对无法回避的特殊台站不受此限）。

（3）辐射计探测场地周围5米内不能有高过辐射计接收机的植物、堆放物或临时建筑。

（4）辐射计探测场地离铁路路基直线距离必须大于200米；离公路路基直线距离必须大于30米以远。

（5）辐射计探测场地周围50米范围内，不能有大型金属设备。

如：

化学反应塔、大型金属储罐、金属冶炼炉、停车场等。

（6）辐射计探测场地1000米范围内，不能有微波源。

如：

移动通信发射塔、无线电干扰台等。

10.2探测场地的要求

探测场地的面积应大于于9平方米。

场地应平整、均一，场地表面覆盖物可为草坪、裸露的地表、混凝土浇铸面、山石或瓷砖砌面。

探测场地应方便观测人员随时出入。

为保护场地内仪器设备安全和保证探测精度，探测场周围应建立隔离设施，以阻止0.5米高度以上生物的靠近。

10.3工作室要求及设备安置

工作室面积不小于12平方米，室内应明亮洁净、通风、防尘。

室温保持在5～28摄氏度，湿度不高于90%。

配备必要的工作台、椅，仪器放置整齐，微机操作方便。

仪器设备应采取相应防雷措施。

辐射计探测系统采用交流电源为220伏10%，50赫兹，并应从配电盘接专线供电，不得同其它电器混用。

必须接驳带有稳压功能的UPS电源，以防止电源非常规的波动对辐射计的影响。

必须有良好的接地线，以保证辐射计接收机的正常工作。

必须使用有跳闸保护的闸盒。

工作室内线路安装应符合供电部门的规定，确保用电安全，并做便于用电操作。