全自動(dòng)數(shù)字補(bǔ)償毫米波輻射計(jì)及其應(yīng)用研究.pdf

1、本文從軟件的角度提出了一種補(bǔ)償系統(tǒng)增益和本機(jī)噪聲波動(dòng)的方法，并采用該補(bǔ)償算法，在8mm全功率輻射計(jì)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了全自動(dòng)數(shù)字補(bǔ)償毫米波輻射計(jì)。給出了該輻射計(jì)的硬、軟件結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)方法和結(jié)果，并對(duì)其性能指標(biāo)進(jìn)行了分析。同時(shí)，為滿(mǎn)足毫米波輻射計(jì)在金屬目標(biāo)探測(cè)和星載平臺(tái)上使用的要求，對(duì)3mm和8mm天空亮溫、水面亮溫以及星載毫米波輻射計(jì)的天線輻射效率進(jìn)行了研究。本論文的主要研究工作包括如下幾個(gè)方面：1）從影響微波輻射計(jì)穩(wěn)定性的兩個(gè)主要因素（系統(tǒng)增

2、益的不穩(wěn)定和本機(jī)噪聲的波動(dòng)）出發(fā)，提出了一種簡(jiǎn)單實(shí)用的補(bǔ)償系統(tǒng)增益和本機(jī)噪聲的方法，并對(duì)該方法進(jìn)行了詳細(xì)推導(dǎo)，得到數(shù)字補(bǔ)償算子。文中首先對(duì)微波輻射計(jì)的工作原理進(jìn)行了分析，指出了系統(tǒng)增益和本機(jī)噪聲對(duì)輻射計(jì)性能指標(biāo)的影響。并將人們?yōu)闇p小或消除系統(tǒng)增益和本機(jī)噪聲不確定性影響所采取的各種方法同所提出的數(shù)字補(bǔ)償算法進(jìn)行了比較，認(rèn)為數(shù)字補(bǔ)償算法提高了輻射計(jì)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和靈敏度，同時(shí)使用匹配負(fù)載作為參考源，避免了因使用冷、熱定標(biāo)源給輻射計(jì)在地基和空基

3、使用中帶來(lái)的麻煩。2）在全功率輻射計(jì)的基礎(chǔ)上，結(jié)合所提出的補(bǔ)償算法要求，設(shè)計(jì)了全自動(dòng)數(shù)字補(bǔ)償8mm輻射計(jì)。包括微波開(kāi)關(guān)的選取、參考噪聲源的選擇、接收機(jī)高頻前端的設(shè)計(jì)、低頻放大電路的設(shè)計(jì)和全自動(dòng)數(shù)字補(bǔ)償電路的設(shè)計(jì)，給出了各個(gè)部分的電路原理圖和相應(yīng)的性能指標(biāo)。同時(shí)針對(duì)所設(shè)計(jì)的全自動(dòng)數(shù)字補(bǔ)償8mm輻射測(cè)控系統(tǒng)模型，編寫(xiě)了補(bǔ)償算法軟件，并給出上、下位機(jī)的軟件結(jié)構(gòu)和初步的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。整個(gè)軟件系統(tǒng)分為測(cè)控軟件和通信軟件兩部分。測(cè)控軟件主要完成：數(shù)據(jù)采

4、集、增益和本機(jī)噪聲補(bǔ)償、定標(biāo)溫度的設(shè)置和存儲(chǔ)等功能，采用C51語(yǔ)言編寫(xiě)；通信軟件按照編制的通信協(xié)議來(lái)完成上、下機(jī)的通信功能，采用RS485總線通信方式，其中下位機(jī)軟件采用C51編寫(xiě)，上位機(jī)軟件采用VisualBasic6.0進(jìn)行編寫(xiě)。為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的毫米波輻射計(jì)的硬、軟件可靠性，以及經(jīng)系統(tǒng)增益和本機(jī)噪聲補(bǔ)償算法后的輻射計(jì)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，對(duì)設(shè)計(jì)的全自動(dòng)數(shù)字補(bǔ)償8mm輻射計(jì)進(jìn)行了長(zhǎng)期的實(shí)驗(yàn)測(cè)量。實(shí)驗(yàn)表明，這種軟件補(bǔ)償方法是十分有效的，通過(guò)補(bǔ)償

5、，輻射計(jì)的系統(tǒng)增益和本機(jī)噪聲的波動(dòng)對(duì)其穩(wěn)定性影響很小。3）詳細(xì)分析了所設(shè)計(jì)的全自動(dòng)數(shù)字補(bǔ)償8mm輻射計(jì)的性能指標(biāo)。首先推導(dǎo)了輻射計(jì)RC積分器和數(shù)字積分器組成的級(jí)聯(lián)系統(tǒng)的等效積分時(shí)間，并根據(jù)等效積分時(shí)間給出了新型毫米波輻射計(jì)靈敏度的計(jì)算公式。根據(jù)公式，討論了如何通過(guò)調(diào)整數(shù)字積分器的不同求和平均點(diǎn)數(shù)值來(lái)獲取輻射計(jì)最佳靈敏度的方法。并對(duì)毫米波輻射計(jì)的實(shí)驗(yàn)輸出進(jìn)行了分析，獲得了輻射計(jì)的長(zhǎng)期穩(wěn)定度。然后提出了毫米波輻射計(jì)系統(tǒng)的精度分析方法，詳細(xì)考

6、察了各誤差來(lái)源對(duì)系統(tǒng)精度的貢獻(xiàn)，得到最壞情況下所設(shè)新型毫米波輻射計(jì)的系統(tǒng)精度。4）在星載微波輻射計(jì)定標(biāo)方法和誤差來(lái)源分析的基礎(chǔ)上，對(duì)全自動(dòng)數(shù)字補(bǔ)償毫米波輻射計(jì)的星載應(yīng)用進(jìn)行了討論。同時(shí)，大口徑天線輻射效率的測(cè)量一直是星載輻射計(jì)定標(biāo)中需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題，文中針對(duì)所討論星載輻射計(jì)的定標(biāo)方式，提出了一種求取星載輻射計(jì)天線輻射效率的方法，并推導(dǎo)了天線溫度與輻射計(jì)輸出電壓的直接表達(dá)式。5）獨(dú)立完成了幾種典型目標(biāo)的8mm、3mm輻射特性測(cè)量，并依據(jù)

7、建立的毫米波段晴空亮溫和光滑水面亮溫的理論模型，對(duì)8mm、3mm天空亮溫和水面亮溫進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究，提出了根據(jù)地面氣候條件來(lái)求取天空亮溫的簡(jiǎn)單實(shí)用方法。并將天空亮溫和水面亮溫的理論計(jì)算值同實(shí)際測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了誤差分析，分析結(jié)果表明，簡(jiǎn)化的理論算法完全滿(mǎn)足工程計(jì)算的要求，這對(duì)金屬目標(biāo)的無(wú)源探測(cè)、天氣現(xiàn)象分析和預(yù)報(bào)具有重要意義。同時(shí)測(cè)量結(jié)果表明所用輻射計(jì)必須具有很高的穩(wěn)定度，才能區(qū)分開(kāi)草地、黃土、水泥路、瀝青路等目標(biāo)，進(jìn)一步說(shuō)明了提高輻射