一种微波辐射计接收机端口幅度不一致性测试系统和方法与流程

1.本发明涉及一种微波辐射计接收机端口幅度不一致性测试系统和方法，属于空间微波遥感技术领域。


背景技术：

2.微波辐射计是用于测量物体微波辐射能量的被动遥感仪器，它通过接收地物自身的微波噪声辐射获取地物的特征信息，将输出数据进行反演，就可获得特定目标参数(主要是亮温值)，从而了解探测目标的物理特性，其本质上是一个高灵敏度的噪声接收机。
3.目前，尚无公开报道的用辐射测量法进行微波辐射计接收机端口的幅度误差测量方法的研究。
4.传统方法是在实验室条件下，用矢量网络分析仪对微波辐射计接收机的两个端口在带宽内选取若干个频点进行幅频响应的测试，最后根据测试结果进行平均得到微波辐射计接收机两个端口幅度的s参数，在通过两个端口的s参数计算出幅度不一致性，由于矢量网络分析仪的工作模式是扫频，这样测试接收机端口的幅度不一致性仅仅代表对应频率下的平均值，而微波辐射计在进行地物观测时，目标场景是一个宽带的信号，用矢量网络分析仪测试的结果不能反映在观测真实场景时接收机端口的幅度不一致性，且矢量网络分析仪的测试精度一般为0.01db，对应于亮温大约为1k，很难满足微波辐射计测量的需求(一般微波辐射计定量测量的需求根据频段不同约为0.2k～0.5k，对应的功率精度为0.002db～0.005db)。
5.微波辐射计系统主要有天线、接收机和数据采集器组成，而为了对微波辐射计从接收机端面进行内定标，一般接收机的输入有两个端口，一端接天线，一端接内定标源，通过时序控制在接收机的两个端口之间切换进行内定标。为了精确地测量接收机的天线端口和定标端口由于开关引起的幅度不一致性，需要一种高精度的测试方法来验证系统的指标设计能否达到要求，同时为后续的反演处理提高精度。
6.现有测试稳定性测试方法的缺点在于：第一，测试精度由矢量网络分析仪决定，只能控制在0.01db左右，不能满足越来越高的应用需求；第二，外界环境影响因素较大，测试状态不稳定；第三，没有数学模型，无法对测试结果进行预估。


技术实现要素：

7.本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，本发明一种微波辐射计接收机端口幅度不一致性测试系统和方法，基于辐射测量法来测试微波辐射计接收机端口的幅度不一致性，对接收机的端口幅度不一致进行测试并建立数学模型，提高了测试精度，为微波辐射计接收机两端口和所有微波两端口器件幅度误差提供了一种高精度的测试方法。
8.本发明所采用的技术方案是：一种微波辐射计接收机端口幅度不一致性测试系统，包括高精度定标源、高精度可变亮温定标源、微波辐射计接收机、采集器、供电电源、测温电阻以及上位机；
9.微波辐射计接收机的定标端口接高精度定标源，微波辐射计接收机的天线端口接高精度可变亮温定标源；高精度可变亮温定标源输出不同的亮温信号给微波辐射计接收机，高精度定标源实时对微波辐射计接收机进行定标；微波辐射计接收机和采集器通过供电电源供电；微波辐射计接收机将噪声信号发送给采集器；采集器采用ad采样器对噪声信号进行数字采样，通过时钟芯片生成时钟信号，并在fpga内进行采样数据的积分，再将积分所得数据通过串口协议传至上位机中；测温电阻贴在微波辐射计接收机上实时测量温度值。
10.高精度定标源通过液氮制冷和物理加热实现冷源和热源，高精度定标源的精度≤0.5k。
11.高精度可变亮温定标源通过液氮制冷和物理加热实现冷源和热源，并在冷源输出端加一个亮温可调的衰减器，高精度可变亮温定标源的精度≤0.5k。
12.所述测试微波辐射计接收机端口的幅度不一致性的测试系统分为两个端面，一个为plane1端面，另一个为plane2端面：
13.在plane1端面的两个端口的增益为
14.k表示在plane2端面处的增益；将微波辐射计接收机的定标端口和天线端口的不一致性等效为两个不同的衰减量l1和l2，k1,k2分别为在plane1端面两个端口的增益；
15.在plane1端面的等效噪声温度为：
[0016][0017]
t
p
为接收机温度，t
真实
为高精度可变亮温定标源真实的输出亮温，t
定标
为通过高精度定标源实时进行两点定标后得到高精度可变亮温定标源一端的亮温；
[0018]
为微波辐射计接收机的定标端口和天线端口的不一致性。
[0019]
一种使用所述测试系统的微波辐射计接收机端口幅度不一致性测试方法，包括步骤如下：
[0020]
步骤1、微波辐射计接收机的天线端口接高精度可变亮温定标源，微波辐射计接收机的定标端口接高精度定标源，微波辐射接收机的输出端接采集器，采集器对微波辐射计接收机输出的数据进行采集并输出至上位机，供电电源对微波辐射计接收机和采集器进行供电，测温电阻贴在微波辐射计接收机上实时测量温度值；
[0021]
步骤2、在80k～320k范围内，每间隔15k对高精度可变亮温定标源进行一次调节并记录采集器输出的相应数据；每一个亮温点的亮温值为t
真实
，输出响应为v，在高精度可变亮温定标源输出的每个亮温点时都用高精度定标源切换冷源和热源对微波辐射计接收机进行定标，同时记录切换冷源和热源时的冷源输出响应v
cold
和热源输出响应v
hot
；在每个亮温点进行定标，确定每个亮温点对应的微波辐射接收机的增益k1和偏移量b1；
[0022]
由计算可以得到高精度可变亮温定标源切换每个亮温点时的t
定标
值；
[0023]
其中，k表示在plane2端面处的增益，v为输出响应，t
r
为在plane2端面的等效噪声
温度，t
p
为接收机温度；将微波辐射计接收机的定标端口和天线端口的不一致性等效为两个不同的衰减量l1和l2；
[0024]
步骤3、用高精度可变亮温定标源输出的真实亮温点的亮温值t
真实
与定标后亮温点的亮温值t
定标
做差，并与真实亮温点的亮温值t
真实
进行线性拟合，根据公式求出斜率
[0025]
步骤4、根据斜率求出微波辐射计接收机两端口的不一致性
[0026]
步骤1中，测试微波辐射计接收机端口的幅度不一致性的测试系统开机预热1小时后再进行测试。
[0027]
每个亮温点对应的微波辐射接收机的增益k1和偏移量b1的计算公式为：
[0028]
v
hot
＝k1·
t
hot
b1[0029]
v
cold
＝k1·
t
cold
b1，
[0030]
k1＝(v
hot
‑
v
cold
)/(t
hot
‑
t
cold
)
[0031][0032]
t
cold
为高精度定标源的冷源亮温值，t
hot
为高精度定标源的热源亮温值。
[0033]
本发明与现有技术相比的优点在于：
[0034]
(1)本发明提出了一种基于辐射测量法实现接收机幅度端口不一致性测量，建立数学模型使该测试方法有理有据，相比于矢量网络分析仪的扫频测试方法，该方法模拟实际亮温场景，同时辐射测量法更精确，可以提高测试精度。
[0035]
(2)本发明的测试系统使用的高精度定标源和高精度可变亮温定标源是基于液氮制冷和物理加热实现精确稳定的冷源和热源。具有输出精度高，精度≤0.5k，稳定时间长等优点，长时间稳定精度能够达到0.1k/3天。
[0036]
(3)本发明的采集器采用高精度采集系统，采用高性能的ad对信号进行数字采样，通过高稳的时钟芯片生成时钟信号，并在fpga内进行数据的积分，再通过485串口协议高速传至上位机中，保证处理数据的实时性和准确性。
附图说明
[0037]
图1为基于辐射测量微波辐射计接收机端口幅度不一致方法框图；
[0038]
图2为数学模型图；
[0039]
图3为系统工作流程图；
[0040]
图4为测试结果对比图。
具体实施方式
[0041]
下面结合附图对本发明进行进一步说明。
[0042]
一种微波辐射计接收机端口幅度不一致性测试系统，包括高精度定标源、高精度可变亮温定标源、接收机、采集器、供电电源、测温电阻以及上位机；
[0043]
测试方案原理框图如图1所示，微波辐射计接收机的两个端口分别连接两个高精度的定标源，定标端口接高精度定标源，天线端口接高精度可变亮温定标源；高精度定标源通过液氮制冷和物理加热实现精确稳定的冷源和热源；高精度可变亮温定标源通过液氮制冷和物理加热实现冷源和热源，冷源输出端加一个亮温可调的衰减器；微波辐射计接收机和采集器通过高稳定电源提供稳定供电；微波辐射计接收机将噪声信号发送给采集器；采集器采用高性能的ad采样器对噪声信号进行数字采样，通过时钟芯片生成时钟信号，并在fpga内进行采样数据的积分，再通过串口协议高速传至上位机中，保证处理数据的实时性和准确性。测温电阻贴在微波辐射计接收机上实时测量温度值。
[0044]
高精度定标源和高精度可变亮温定标源是基于液氮制冷和物理加热实现精确稳定的冷源和热源，高精度定标源的精度≤0.5k，高精度可变亮温定标源的精度≤0.5k。具有输出精度高，稳定时间长等优点，长时间稳定精度能够达到0.1k/3天。
[0045]
高稳定电源为接收机和采集器提供高稳供电，所有供电接口均需接插件用香蕉插头供电，同时供电线要用屏蔽线，确保稳定性测试过程中不被外界电磁干扰。
[0046]
采集器采用高性能的ad对信号进行数字采样，通过高稳的时钟芯片生成时钟信号，并在fpga内进行数据的积分，再通过485串口协议高速传至上位机中，保证处理数据的实时性和准确性。
[0047]
通过高精度可变亮温定标源输出不同的亮温信号，在配合高精度定标源实时对接收机进行定标，可以实现两个端口不一致性的测量，下面用数学模型对过程进行推导，并给出测试的操作步骤。
[0048]
图2中，定标端为通过高精度定标源实时进行两点定标后得到高精度可变亮温定标源一端的亮温，而真实输出端为高精度可变亮温定标源真实的输出亮温，将两个端口的不一致性等效为两个不同的衰减量l1和l2，整个测试系统分为两个端面，一个为plane1端面(高精度定标源端面)，另一个为plane2端面(放大器前端等效端面)
[0049]
在plane1端面的两个端口的增益为
[0050][0051]
k表示在plane2端面处的增益，l1,l2为将两个端口的不一致性等效为两个不同的衰减量，k1,k2为在plane1端面两个端口的增益。
[0052]
由微波辐射计的输出可知，在plane1端面的等效噪声温度为：
[0053][0054]
[0055][0056]
公式(2)、(3)、(4)中，t
r
为在plane2端面的等效噪声温度，t
p
为接收机温度，b1为plane1端面定标后的截距，b2为plane1端面真实输出的截距，v为输出响应，t
真实
为高精度可变亮温定标源真实的输出亮温，t
定标
为通过高精度定标源实时进行两点定标后得到高精度可变亮温定标源一端的亮温。
[0057]
可以得到，真实亮温和定标亮温存在线性关系，即为接收机两端口的不一致性。
[0058]
测试的工作流程如图3所示，一种微波辐射计接收机端口幅度不一致性测试方法，包括步骤如下：
[0059]
步骤1、按照图1所示，微波辐射计接收机两端口分别连接高精度定标源和高精度可变定标源，微波辐射计接收机的天线端口接高精度可变亮温定标源，定标端口接高精度定标源，微波辐射接收机的输出接采集器，采集器对微波辐射接收机输出的数据进行采集输出至上位机，高稳定供电电源对微波辐射接收机和采集器进行供电，测温电阻贴在微波辐射接收机上实时测量温度值，待系统开机预热1小时，工作稳定后测试；
[0060]
步骤2、高精度可变亮温定标源从80k、95k、110k、125k、140k、155k、170k、185k、200k、215k、230k、245k、260k、275k、290k、305k、320k，每间隔15k记录一次输出的数据，每一个亮温点的亮温值为t
真实
，输出响应为v，为了防止测试期间接收机漂移，在高精度可变亮温定标源输出的每个亮温点时都需要用高精度定标源切换冷源和热源对接收机进行定标，同时记录切换冷源和热源时的输出响应v
cold
和v
hot
，在每个亮温点进行定标，确定接收机的增益k1和偏移量b1；
[0061][0062][0063]
t
cold
为高精度定标源的冷源亮温值，t
hot
为高精度定标源的热源亮温值；
[0064]
由公式(3)计算可以得到高精度可变亮温定标源切每个亮温点时到t
定标
值。
[0065]
步骤3、用高精度可变亮温定标源输出的真实亮温点t
真实
与定标后亮温点t
定标
做差，
并与真实亮温点t
真实
进行线性拟合，根据公式(4)求出斜率
[0066]
步骤4、此斜率就代表就可以求出接收机两端口的不一致性
[0067]
如图4所示，为测试结果对比图，横坐标代表测试的次数，纵坐标代表测试微波辐射计接收机端口不一致性的值，矢网测试的微波辐射计接收机端口不一致的值的曲线与基于辐射测量法测试的微波辐射计接收机端口不一致性的值的曲线对比，可以看到基于辐射测量法的测试精度和稳定性都比矢网测试的测试精度和稳定性高。
[0068]
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。