專利名稱：數(shù)字自動補償微波輻射計的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
數(shù)字自動補償微波輻射計，涉及高靈敏度接收機，具體涉及等效系統(tǒng)增益不變的高穩(wěn)定的微波輻射計。
微波輻射計是用來接收目標或背影的微波輻射強度的極靈敏的接收機。二十世紀三十年代發(fā)展起來的射電天文學就是利用微波輻射計接收宇宙中某一星座或銀河系中的微波輻射，從而觀察、研究天體的演變。七十年代隨著航天技術(shù)的發(fā)展，微波輻射技術(shù)又成為對陸地、海洋、大氣遙感的重要的微波遙感器。
應用中要求微波輻射計能從系統(tǒng)噪聲中提取出10-4-10-5的目標的變化信號，這就必須使微波輻射計具有極高的穩(wěn)定性和靈敏度。自從微波輻射計誕生起，人們就不斷為提高其性能而努力，產(chǎn)生了多種類型的高性能的微波輻射計，其中比較先進的有負反饋零平衡Dicke型、雙參考型微波輻射計。其原理如下微波輻射計最小可檢測信號由系統(tǒng)噪聲的不確定性(靈敏度)和系統(tǒng)增益的不確定性(穩(wěn)定性)共同決定。靈敏度由下式表示ΔTrms=aTeffBHF·τ......(1)]]>其中BHF——高頻噪聲帶寬，由中放帶寬決定；τ——低頻噪聲帶寬的等效積分常數(shù)；a——輻射計常數(shù)，全功率型a＝1；Teff——有效噪聲溫度，包括天線接收目標噪聲，溫度和接收機本身噪聲折合到天線上的噪聲溫度。穩(wěn)定度由下式表示ΔTst=Teff·ΔGG......(2)]]>其中G——檢波器前系統(tǒng)的總增益；ΔG——增益的變化量。系統(tǒng)的最小可檢測信號為ΔTmin=ΔTrms2+ΔTst2.....(3)]]>對一臺微波接收機，即全功率接收機來說，穩(wěn)定度ΔTst比靈敏度ΔTrms要大兩個數(shù)量級以上，即穩(wěn)定度ΔTst限制著輻射計的最小可檢測信號ΔTmin。為了克服這一弊病，1946年Dicke采用單刀雙擲微波開關(guān)，使接收機交替接收天線信號TA和參考源信號TR，在平方律檢波后進行相關(guān)檢波和相減處理，使穩(wěn)定度為ΔTst=(TA-TR)·ΔGG.....(4)]]>|TA-TR|可比Teff小一到兩個數(shù)量級，大大提高了穩(wěn)定度。這就是Dicke型微波輻射計，使微波輻射計向?qū)嵱没~進了一大步。然而因為工作中一半時間接收有用信號，所以式(1)中的輻射計常數(shù)a＝2，使靈敏度下降，利用一個反饋環(huán)，TR隨TA變動，使TR＝TA，則使(4)式變?yōu)榱?，消除了增益不穩(wěn)定的影響，這就是零平衡Dicke型接收機，用兩個固定差值的參考源代替Dicke接收機的參考源，用一刀三擲微波開關(guān)依次接通天線→高溫參考源→低溫參考源→天線→……，并相繼循環(huán)下去。通過接收系統(tǒng)后，檢出高溫源和低溫源的差值與標準比較，從差值變化量判定增益的變化，用此變化量控制天線信號通過的后置放大器的增益，從而補償了系統(tǒng)的增益變化，這就是系統(tǒng)增益不變的ΔG＝0的雙參考型微波輻射計。
然而在負反饋零平衡Dicke型微波輻射計中采用了大反饋環(huán)，在雙參考型微波輻射計中采用了高、低溫微波參考源和后置反饋、控制環(huán)等技術(shù)，這些技術(shù)要求很高，難于實現(xiàn)和掌握，并使儀器的體積增大、重量加重、功耗提高。
本發(fā)明的目的是利用數(shù)字信號處理技術(shù)使系統(tǒng)等效增益不變，具有最小可檢測信號小、體積小、重量輕、功耗低、易于制作、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點，適於苛刻條件下使用的航天遙感的要求。


圖1示出增益波動數(shù)字自動補償微波輻射計原理方框圖。微波開關(guān)(2)在數(shù)字自動補償系統(tǒng)(5)的控制下接通天線(1)(TA)或參考源(3)(TR)，經(jīng)全功率微波輻射計接收機(4)的混頻、中放、平方律檢波和積分后，進入數(shù)字自動補償處理系統(tǒng)。經(jīng)自動補償處理后輸出接收目標的精確強度信號。圖2給出了數(shù)字自動補償系統(tǒng)(5)的方框圖。如圖所示，其特征是數(shù)字自動補償系統(tǒng)(5)是以單片機(7)為核心，由受單片機(7)控制的A/D轉(zhuǎn)換器(6)、EPROM程序存儲器(8)、RAM數(shù)據(jù)存儲器(9)、D/A轉(zhuǎn)換器(10)、LED輸出顯示器(11)和PC機(13)等部件組成，單片機(7)的一端與將全功率微波輻射計接機(4)輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的A/D轉(zhuǎn)換器(6)相聯(lián)接，其它端又分別與存入支配“數(shù)字補償微波輻射計”的全部程序的EPROM程序存儲器(8)、存入標準信號的RAM數(shù)據(jù)存儲器(9)、將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號的D/A轉(zhuǎn)換器(10)、顯示檢測信號值的LED輸出顯示器(11)、后接PC機(13)的通信接口(12)相聯(lián)接，為控制數(shù)字補償系統(tǒng)(5)與參考源(3)、天線(1)的通斷時間，單片機(7)的一個輸出端與微波開關(guān)(2)的控制端相聯(lián)接、工作時序如圖3所示，所有的工作都按存儲在EPROM程序存儲器(8)中的程序進行。t＝0時，開機，ts是儀器穩(wěn)定時間和采取標準值時間，一般穩(wěn)定時間在20分鐘左右。
tR—微波開關(guān)接通參考電源時間；tA—微波開關(guān)接通天線時間；tR+tA＝tC—增益補償周期。
一般tR為3-5個輻射計的積分時間常數(shù)。tA為30秒到1分鐘，根據(jù)具體輻射計系統(tǒng)穩(wěn)定性而定。
工作過程微波輻射計開機后，經(jīng)15-30分鐘，儀器達到穩(wěn)定狀態(tài)。數(shù)字補償系統(tǒng)(5)控制微波開關(guān)(2)接通參考源(3)、A/D轉(zhuǎn)換器(6)采集輻射計接收機(4)的輸出電壓，經(jīng)單片機(7)進行平均處理，獲得VTR值，存入PAM數(shù)據(jù)存儲器(9)中，這是建立標準VTR。如果經(jīng)過長期測量得到穩(wěn)定不變的標準，可將此標準永遠存于EPROM程序存儲器(8)中。此時就是將EPROM程序存儲器(8)中的標準VTR轉(zhuǎn)存到RAM數(shù)據(jù)存儲器(9)中。數(shù)字自動補償系統(tǒng)(5)控制微波開關(guān)(2)在tR時間內(nèi)接通參考源(3)，A/D轉(zhuǎn)換器(6)獲得V′TR值，存入RAM數(shù)據(jù)存儲器(9)中；進入tA時間內(nèi)接通天線(1)，A/D轉(zhuǎn)換獲得V′TA值，存入RAM數(shù)據(jù)存儲(9)中。從RAM數(shù)據(jù)存儲器(9)中分別取出VTR、V′TR、V′TA的值，進行如下運算VTA=VTRVTR′·VTA′......(5)]]>VTA即是增益補償后輻射計接收目標信號的準確值，V′TR/VTR為補償系數(shù)。準確信號經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器(10)轉(zhuǎn)換成模擬信號輸出，LED顯示器(11)上顯示出VTA的碼數(shù)值或絕對溫度值。經(jīng)RS-232通訊接口(12)，可將VTA輸出到PC機(13)以存盤。
按補償周期tC重復進行上述動作，程序流程如圖4所示。圖5是電路聯(lián)接圖。
綜上所述，新型的數(shù)字自動補償微波輻射計是一種等效輻射計系統(tǒng)增益不變的微波輻射計。其靈敏度優(yōu)于Dicke型和雙參考型，與全功率型相同；穩(wěn)定性與負反饋零平衡Dicke型、雙參考型相同。因為去掉了零平衡中的大反饋環(huán)，從而省掉了幾個微波部件，避開了反饋調(diào)整難于掌握的技術(shù)。與雙參考型相比省掉了高、低溫微波參考源和要求很高的后置反饋控制環(huán)。因此具有最小檢測信號小、體積小、重量輕、功耗低、易于制作、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點，便于在各種航天遙感中應用。
圖1為數(shù)字自動補償微波輻射計原理方框圖；圖2為數(shù)字補償系統(tǒng)方框圖；圖3為儀器工作時序；圖4為儀器工作流程圖；圖5為電路聯(lián)接圖；圖6A-D為工作頻率分別為1.4GHZ、3.0GHZ、5.4GHZ和10.0GHZ四臺微波輻射計不加和加數(shù)字補償?shù)墓ぷ鲗Ρ惹€。
表I-VII為軟件程序其中(1)天線、(2)微波開關(guān)、(3)參考源、(4)全功率微波輻射計接收機、(5)數(shù)字自動補償系統(tǒng)、(6)A/D轉(zhuǎn)換器、(7)單片機、(8)EPROM程序存儲器、(9)PAM數(shù)據(jù)存儲器、(10)D/A轉(zhuǎn)換器、(11)LED輸出顯示器、(12)通訊接口、(13)PC機。
實施例 制作了四臺不同工作頻段的數(shù)字自動補償微波輻射計。數(shù)字自動補償系統(tǒng)中主要采用了如下部件1、微波開關(guān)(2)選用電子工業(yè)部55所產(chǎn)的WKB系列的單刀雙擲PIN微波開關(guān)，在1-12GHZ頻率內(nèi)插入損耗小于1dB，隔離度大于40dB，開關(guān)時間小于50ns，由TTL電平驅(qū)動；2、單片機(7)是增益波動數(shù)字自動補償型微波輻射計的核心組件，控制微波開關(guān)(2)接通天線(1)或參考源(3)；控制A/D轉(zhuǎn)換器(6)的整個過程，包括起動A/D轉(zhuǎn)換、檢測A/D轉(zhuǎn)換是否完成，A/D轉(zhuǎn)換完成后鎖定數(shù)據(jù)、讀取數(shù)據(jù)；完成觀測值的補償計算，將計算結(jié)果輸出，D/A轉(zhuǎn)換等。選用型號為Intel8031；3、A/D轉(zhuǎn)換器(6)，完成將平方律檢波后的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，它影響到補償精度和最小可檢測信號，需選取大于10位的高性能組件，即選取大于10位的轉(zhuǎn)換器。選用型號為內(nèi)部有高穩(wěn)定基準源的ICL7109；4、EPROM程序存儲器(8)控制工作程序固化在其中，須有足夠的存儲量和讀取速度。選用了2764；5、RAM數(shù)據(jù)存儲器(9)，暫存標準值、觀測值，補償計算結(jié)果。根據(jù)所需容量，選取6264。6、輸出部分，將經(jīng)過補償后的正確結(jié)果向外輸出1)顯示輸出LED輸出顯示器(11)選用74LS138譯碼器，七段LED高亮度數(shù)碼管顯示出來數(shù)碼；(2)經(jīng)通訊接口(RS-232)(12)接PC機(13)上，存盤；(3)D/A轉(zhuǎn)換器(10)，通過DAC1210輸出模擬量。
表IORG0000HLJMP 0030HORG0030HMOV7CH，#00HMOV7DH，#00HMOV7EH，#00HMOV7FH，#00HMOV76H，#30HMOV77H，#0B3HLCALL 0500HST SETB P1.4CLRP1.5SRTR P1.6CLRP1.7LCALL 0400HMOVR4，#30HA0 LCALL 0300HDJNZ R4，A0LCALL 0100HMOV75H，3FHMOV74H，3EHCLRP1.4MOV51H，#05HA1 LCALL 0100HLCALL 1000HLCALL 0160HLCALL 0200HMOVR4，#20HA5 LCALL 0300HDJNZ R4，A5DJNZ 51H，A1MOV50H，#02HA2 CLRP1.5CLRP1.6CLRP1.7MOVR4，#20HA3 LCALL 0300HDJNZ R4，A3LCALL 0100HLCALL 0600HLCALL 0160HLCALL 0250HMOV7FH，#01HMOVR4，#30HD1 LCALL 0300HDJNZ H4，D1CLRP1.7CLRP1.6SETB P1.5MOVR4，#20HA4 ICALL 0300HDJNZ R4，A4LCALL 0100HLCALL 0600HLCALL 0160HLCALL 0250HMOV7FH，#02HMOVR4，#30HD2 LCALL 0300HDJNZ R4，D2DJNZ 50H，A2LJMP ST
表IIORG0100HMOVR1，#30HMOVR4，#08HSTARTJNBP1.2，L1LCALL 0300HLJMP STARTL1 MOVDPTR，#1FFFHMOVX A，@DPTRMOV24H，AMOVDPTR，#3FFFHMOVX A，@DPTRANLA，#OFHMOV25H，ASTOP JB P1.2，L2LCALL 0300HLJMP STOPL2 MOV@R1，24HINCR1MOV@R1，25HINCR1DJNZ R4，STARTMOVR0，#30HMOVR2，#07HAV MOVA，@R0INCR0INCR0ADDA，@R0MOV@R0，ADECR0MOVA，R0INCR0INCR0ADDC A，@R0MOV@R0，ADECR0DJNZ R2，AVMOVR2，#03HL3 CLRCMOVA，3FHRRCAMOV3FH，AMOVA，3EHRRCAMOV3EH，ADJNZ R2，L3RETORG0160HBINBCD MOVR1，#21HMOVR5，#03HCLRALOOP1MOV@R1，AINCR1DJNZ R5，LOOP1MOVR7，#10HLOOP4MOVR0，#3EHMOVR6，#02HCLRCLOOP2MOVA，@R0RLCAMOV@R0，A
表IIIINCR0DJNZ R6，LOOP2MOVR1，#21HMOVR5，#03HNOPLOOP3 MOVA，@R1ADDC A，@R1DA AMOVR1，AINCR1DJNZ R5，LOOP3DJNZ R7，LOOP4RETORG 0200HMOVA，21HANLA，#0FHMOV7CH，AMOVA，21HANLA，#0F0HSWAP AMOV7DH，AMOVA，22HANLA，#0FHMOV7EH，AMOVA，22HANLA，#0F0HSWAP AMOV7FH，ARETORG 0250HMOVA，21HANLA，#0FHMOV7CH，AMOVA，21HANLA，#0F0HSWAP AMOV7DH，ARETORG 0300HMOVR0，#7CHMOVR2，#01HMOVA，R2S MOVDPTR，#0DFFFHMOVX @DPTR，AMOVA，@R0MOVDPTR，#DSEGMOVC A，@A+DPTRMOVDPTR，#0BFFFHMOVX @DPTR，ALCAL 0380HINCR0MOVA，R2JB ACC.3，OUTRL AMOVR2，ASJMP SOUT RET
表IVORG 0350HDSEG DBOC0HDB0F9HDB0A4HDB0B0HDB99HDB92HDB82HDB0F8HDB80HDB90HDB0BFHDB0FFHDB88HDB83HDB0C6HDB0A1HDB40HDB79HDB24HDB30HDB19HDB12HDB02HDB78HDB00HDB10HORG 0380HDL1ms MOV R6，#0AHDL1 MOV R7，#19HDL2 DJNZ R7，DL2DJNZ R6，DL1RETORG 0400HS1MOV A，P1JNB ACC.0，S3MOV A，77HCJNE A，#0FFH，S2RETS2MOV A，76HADD A，#0A0HMOV 76H，AMOV A，77HADDC A，#00HMOV 77H，ALCALL 0500HMOV R5，#0FHDL3 LCALL 0300HDJNZ R5，DL3SJMP S1S3MOY A，P1JNB ACC.1，S5MOV A，77HCJNE A，#00H，S4RETS4CLR CMOV A，76HSUBB A，#0A0HMOV 76H，AMOV A，77H
表VSUBB A，#00HMOV77H，ALCALL 0500HMOVR5，#0FHDL4LCALL 0300HDJNZ R5，DL4SJMP S3S5 RETORG 0500HMOVDPTR，#5FFFHMOVA，77HMOVX @DPTR，AMOVDPTR，#5EFFHMOVA，76HSWAP AMOVX @DPTR，AMOVDPTR，#7FFFHMOVX @DPTR，ARETORG 0600HMOVR0，3EHMOVR1，3FHMOVR2，#0OHMOVR3，#OAHMOVR4，#00HMOVR5，#00HMOVR7，#10HCHUMOVA，R0ADDA，R0MOVR0，AMOVA，R1ADDC A，R1MOVR1，AMOVA，R2ADDC A，R2MOVR2，AMOVA，R4ADDA，R4MOVR4，AMOVA，R5ADDC A，R5MOVR5，ACJNE R2，#0AH，C1C1 JC C2MOVA，R2SUBB A，R3MOVR2，AMOVA，R4ADDA，#01HMOVR4，AMOVA，R5ADDC A，#00HMOVR5，AC2 DJNZ R7，CHUCLRCMOVA，R4SUBB A，#14HMOV3EH，AMOVA，R5SUBB A，#01H
表VIMOV3FH，AMOV7EH，#OBHJNCENDCLRCMOVA，#1 4HSUBB A，R4MOV3EH，AMOVA，#01HSUBB A，R5MOV3FH，AMOV7EH，#0AHENDRETORG 1000HB1MOVA，#0B8HADDA，#00HMOVR0，AMOVA，#0EHADDC A，#00HMOVR1，AMOVA，3EHADDA，#00HMOVR2，AMOVA，3FHADDC A，#00HMOVR3，AMOVA，74HADDA，#00HMOV78H，AMOVA，75HADDC A，#00HMOV79H，ACLRAMOV60H，AMOV61H，AMOV62H，AMOV63H，AMOVR7，#10HB2 MOVA，60HADDA，60HMOV60H，AMOVA，61HADDC A，61HMOV61H，AMOVA，62HADDC A，62HMOV62H，AMOVA，63HADDC A，63HMOV63H，AMOVA，R2ADDA，R2MOVR2，AMOVA，R3ADDC A，R3MOVR3，AJNCB3MOVA，60HADDA，R0MOV6 0H，AMOVA，61HADDC A，R1MOV61H，A
表VIIMOVA，62HADDC A，#00HMOV62H，AMOVA，63HADDC A，#00HMOV63H，AB3 DJNZ R7，B2MOVR0，60HMOVR1，61HMOVR2，62HMOVR3，63HMOVR7，#10HB4 CLRCMOVA，R0ADDA，R0MOVR0，AMOVA，R1ADDC A，R1MOVR1，AMOVA，R2ADDC A，R2MOVR2，AMOVA，R3ADDC A，R3MOVR3，AJC B5MOVA，R2SUBB A，78HMOVR2，AMOVA，R3SUBB A，79HMOVR3，AJNCB6MOVA，R2ADDA，78HMOVR2，AMOVA，R3ADDC A，79HMOVR3，ADJNZ R7，B4SJMP B7B5 CLRCMOVA，R2SUBB A，78HMOVR2，AMOVA，R3SUBB A，79HMOVR3，AB6 INCR0DJNZ R7，B4B7 CLRCMOVA，R0SUBB A，#00HMOV3EH，AMOVA，R1SUBB A，#00HMOV3FH，ARET
權(quán)利要求1.一種增益波動數(shù)字自動補償微波輻射計，由天線(1)、微波開關(guān)(2)、參考源(3)、全功率微波輻射計接收機(4)和數(shù)字自動補償系統(tǒng)(5)組成，其特征是數(shù)字自動補償系統(tǒng)(5)以單片機(7)為核心，由受單片機(7)控制的A/D轉(zhuǎn)換器(6)、EPROM程序存儲器(8)、RAM數(shù)據(jù)存儲器(9)、D/A轉(zhuǎn)換器(10)、LED輸出顯示器(11)和PC機(13)等部件組成，單片機(7)的一端與將全功率微波輻射計接收機(4)輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的A/D轉(zhuǎn)換器(6)相聯(lián)接，其它端又分別與存入支配“數(shù)字補償微波輻射計”全部程序的EPROM程序存儲器(8)、存入標準信號的RAM數(shù)據(jù)存儲器(9)、將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號的D/A轉(zhuǎn)換器(10)、LED輸出顯示器(11)、后接PC機(13)的通訊接口(12)相聯(lián)接，為控制數(shù)字自動補償系統(tǒng)(5)與參考源(3)、天線(1)的通斷時間，單片機(7)的一個輸出端與微波開關(guān)(2)的控制端相聯(lián)接。
專利摘要一種由天線(1)、微波開關(guān)(2)、全功率微波輻射計接收機(4)和數(shù)字自動補償系統(tǒng)(5)構(gòu)成的增益波動數(shù)字自動補償微波輻射計，其特征是數(shù)字自動補償系統(tǒng)(5)以單片機(7)為核心，由受單片機(7)控制的A/D轉(zhuǎn)換器(6)、單片機(7)、EPROM程序存儲器(8)、PAM數(shù)據(jù)存儲器(9)、D/A轉(zhuǎn)換器(10)、LED輸出顯示器(11)等部件及運行軟件構(gòu)成。這種新型的微波輻射計具有最小檢測信號小、體積小、重量輕、功耗低、易于制作、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點，便于在各種航天遙感中應用。
文檔編號G01S1/02GK2271717SQ9622048
公開日1997年12月31日 申請日期1996年9月28日 優(yōu)先權(quán)日1996年9月28日
發(fā)明者張俊榮, 趙凱 申請人:中國科學院長春地理研究所