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企业10月目录1技术概况 12接受机的原理与设计 43.1技术规定和试验措施 63.2接受机通道的测试 73.2.1噪声系数（A） 73.2.2接受机线性度测量（A） 73.2.3接受机警捷度测量（A） 83.2.4接受机中频带宽测试（A） 93.2.5接受机工作频率测试 93.2.6系统抽样进行环境试验 103.3设备检查 103.3.1常规检查 103.3.2交收检查 104标志、保管和运送 105软件技术条件 115.1软件平台 115.2软件功能 116微波辐射计电缆连接标识 127系统电磁兼容 138系统的可靠性设计 139系统接地规定 1410探测环境条件规定 1410.1探测环境条件的规定 1410.2探测场地的规定 1510.3工作室规定及设备安顿 151技术概况微波辐射计是宽频带、高增益、高敏捷度的被动微波遥感仪器，可以在很强的背景噪声中提取微弱的信号变化量。通过接受被测目的自身的微波辐射获取对应的物理特性，通过有效的数据反演进行定量分析。本套产品的微波辐射计重要包括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，详细设计对应频率为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种频率点有深入细致的理解。单极化接受各波段微波辐射计的原理框图如图1所示。图1微波辐射计接受通道原理框图双极化微波辐射计运用双极化接受天线同步接受目的的微波辐射信息，由线性极化分离器分别获取水平极化和垂直极化信息，经两路接受通道进行处理。数字控制单元完毕射频开关的控制，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，极易受到其他电磁辐射源的影响，因此需要在通道中增长高精度滤波器。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，过渡带损耗不小于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，过渡带损耗不小于60dB。系统原理框图如图2所示。参照源H参照源H射频开关（H）带通滤波器低噪声放大器极化分离器射频开关（H）带通滤波器低噪声放大器极化分离器接受天线接受天线射频开关（V）带通滤波器低噪声放大器射频开关（V）带通滤波器低噪声放大器参照源V本振低噪声参照源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可变增益放大器低噪声前置中频放大器混频器本振本振数字控制单元平方律检波器A/D转换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受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，采用了电源与接受机分离的技术方案，即两者为两个独立构造的箱体单元。单极化微波辐射计采用了原则矩形喇叭天线接受目的的辐射，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，在近场的状况下，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。天线表面构造如图3所示。图3天线表面构造示意图系统的重要技术指标如表1所示。表1微波辐射计重要技术指标工作频率(GHz)1.4132.66.610.013.918.737中频带宽(MHz)20200400400400200400敏捷度(K，积分时间100毫秒)0.100.100.100.10.10.150.15敏捷度（K，积分时间1秒）0.040.040.040.040.040.050.05数据采集率100点/秒线性有关系数0.9999亮温测量范围(K)150500天线型式对角低副瓣喇叭天线接受机定标精度(K)0.21.0稳定度0.15K/day,1.0K/(month),2.0K/(year)重量(kg)5566666体积200mm200mm350mm供电方式交流220伏接受机功耗(W)50505555556060数据终端Windows’XP/人机对话界面，接受机与主计算机通讯方式为RS232/422工作环境温度－20C～＋55C2接受机的原理与设计根据Planck辐射定律，处在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互相作用产生的。物体的微波辐射能量强弱首先与其自身性质有关，还与物体的温度和表面状态、频率、极化、传播方向等原因有关。接受机采用数字增益自动赔偿技术方案，系统框图如图4所示。数字增益自动赔偿微波辐射计是将一种基准参照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受目的的辐射量，到达系统增益不变的目的。数字增益自动赔偿微波辐射计由天线、射频开关，微波基准源，接受组件（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构成。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。当系统增益稳定期，基准源T1及天线与接受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及天线与接受机相连接所对应的微波辐射计输出电压分别为：（3）（4）运用基准源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赔偿，其赔偿式为：（5）假如，阐明系统增益变大，将不不小于1。用它乘以因系统增益变大而升高的，到达系统增益赔偿的目的，反之亦然。将（1）、（3）及（4）代入（5），可得赔偿后的电压值为：（6）比较（6）式和（2）式可知，无论系统增益怎样变化，通过赔偿后系统的增益一直保持不变，从而到达稳定系统增益的目的。图4数字增益自动赔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，而系统增益起重要作用。数字增益自动赔偿微波辐射计能很好地实现增益赔偿，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，从而到达提高微波辐射计敏捷度的目的。在高敏捷度的需求下，为了防止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，数字增益自动赔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似温度的匹配负载作为参照源。因此当辐射计长时间处在一种温度变化的环境中，当机箱温度伴随环境温度发生变化时，辐射计参照源的噪声温度也会伴随机箱温度的变化而变化，辐射计输出数据会随环境温度变化而变化，导致测量误差。老式措施是采用环境温度变化修正措施对测量数据进行修正，从而保持系统的稳定。在本系统的实行方案中采用计算机数字赔偿技术。该种型式的微波辐射计构造简朴、工作稳定、调试以便，由于存储了多种原始数据便于深入的数据处理，处理了其他型式微波辐射计存在的慢漂移问题，实现了高稳定、高敏捷度测量。在辐射计输出的数据文献中，存储原始数据、修正后数据和辅助数据。在接受机的设计中采用了温度赔偿算法，保证了仪器的温度稳定性。3技术条件本技术条件合用于地基多频段微波辐射计（如下简称本整件）供承研制方检查和订购方验收之用。在检查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+存储温度：-40C+ 相对湿度：95±3%（25 大气压力：不低于74.6kPa3.1技术规定和试验措施（1）本套产品的微波辐射计重要包括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，详细设计对应频率为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。试验措施：对照设计任务书查对符合性。并用能保证到达设计文献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，应符合其对应的技术原则或技术条件，并附有入库检查合格证和印鉴。半导体器件应按全机可靠性规定规定的筛选项目进行老化筛选。试验措施：按规定查对证件，用外观法检查。本整件内所有的零、部、整件均应有技术检查合格证。（3）测试等级分四级：A级，为必测项，有较严格的指标规定，反应了分系统的技术性能；B级，为检查项，一般作为抽测项，重要原因eq\o\ac(○,1)，是该指标不是本系统技术要点，eq\o\ac(○,2)，是测试较啰嗦；C级，为数据分析项；D级，为系统内部模块测试数据，是本套辐射计接受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接受机通道的测试3.2.1噪声系数（A）测试措施： 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受前端组件固态噪声源中频输出HP8970噪声系数测试仪微波接受前端组件固态噪声源图5噪声系数测试框图测试环节： 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；然后将微波接受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。阐明事项：测噪声系数时，全机信号应所有连接。测试成果如表2所示。表2多频段微波辐射计接受机噪声系数（dB）频率GHz1.4132.656.610.013.918.737噪声系数1.81.82.02.02.22.23.23.2.2接受机线性度测量（A）本系统的接受机采用了低势垒肖特基平方律检波二极管构成高线性度检波器，线性有关系数为：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。微波辐射计接受机精密可变衰减器L微波辐射计接受机精密可变衰减器L低温冷源低温冷源图6接受机线性度测试框图测试环节：记录环境温度；变化精密可变衰减器的衰减量L,按照式（1）得到不一样的噪声温度，在每一噪声温度点测量N个输出电压值（N20）；（7）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，即可得到线性有关系数。微波辐射计的检波敏捷度为-55dBm。3.2.3测试框图与线性度的测试框图一致，如图6所示。测试环节：a.记录环境温度；b.变化精密可变衰减器的衰减量L,按照式（1）得到不一样的噪声温度，在每一噪声温度点测量N个输出电压值（N20）；计算各点输入噪声温度对应的输出电压均值和方差，从中选用任意两个温度点的数据，按照式（8）计算敏捷度。（8）敏捷度测试成果如表3所示。表3多频段微波辐射计接受机警捷度（K）频率GHz1.4132.656.610.013.918.737敏捷度0.080.100.110.120.110.120.133.2.4接受机中频测试框图见图7。HP8592B频谱仪HP8592B频谱仪主中频放大器接受机前端匹配负载主中频放大器接受机前端匹配负载图7接受机中频带宽测试框图测试措施：将匹配负载接入接受机前端，运用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，接受机带宽为—。3.2.5测试框图见图8。主中频放大器60dB衰减器接受机前端主中频放大器60dB衰减器接受机前端HP8350扫频源HP8592B频谱仪HP8592B频谱仪图8接受机工作频率测试框图测试措施：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，调整扫频源的频率，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重要进行如下几项：低温试验高温试验温度冲击试验振动试验阐明事项：环境试验重要测试辐射计的输出亮度温度。温度试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毕。3.3设备检查3.3.1常规检查在调试之前，所有整件均应进行常规检查，检查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由承制方质量检查机构和定货方代表按技术条件进行验收。4标志、保管和运送（1）凡经装配检查、交收检查合格之整件，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汇报。（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）合格整件在运送时，应采用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毕各项功能。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、通信波特率保持相似。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。由于接受机工作的状态不一样，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具有相似型式的控制程序(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”文献中，可以读取和修改；提供大气目的特性描述记录文献，辅助分析测量数据；根据操做者的指令，动态显示测量曲线，可以选用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，便于判断设备与否处在正常工作状态，原则的字头位“OKTC”，如字头错误阐明仪器有故障；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，顾客不需要使用该数据。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，其他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阐明1R（＋）接受信号的正电平端2R（－）接受信号的负电平端3GND地4T（－）发送信号的负电平端5T（＋）发送信号的正电平端与主控计算机连接的接插件为原则的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阐明1R（＋）接受信号的正电平端2R（－）接受信号的负电平端3GND地4T（－）发送信号的负电平端5T（＋）发送信号的正电平端6N空7与8短接8与7短接9N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，轻易受电磁干扰，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构成，进入接受机后进行滤波。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用合适的屏蔽。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）同处在一种电磁波段，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。运用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。微波辐射计是高敏捷度接受机，规定对带外的信号有高度的克制衰减，为了克制GPS信号的谐波对辐射计的干扰，在接受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，带外克制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重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，实现对杂波的克制。滤波器的带外克制60dB。仪器不可以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，辐射频率应不不小于-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，到达军品级原则。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长固定件，整机采用减震装置。在接受机功能控制方面，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