高青松　景春妍　陶院　蔣炳軍　陸登柏

摘 要： 微波輻射定標(biāo)源作為微波輻射計(jì)的重要載荷設(shè)備，可校準(zhǔn)微波輻射計(jì)輸入亮溫度與輸出量值間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)微波輻射計(jì)靈敏度、線性度和穩(wěn)定度等參數(shù)的標(biāo)定。針對(duì)輻射源黑體及其測(cè)溫傳感器，設(shè)計(jì)了一種在軌溫度測(cè)量與控制電路，用于溫度信號(hào)的檢測(cè)與調(diào)理、低通濾波、數(shù)據(jù)采集、溫度數(shù)據(jù)處理以及溫度的穩(wěn)定控制。地面測(cè)試與在軌運(yùn)行均表明，系統(tǒng)滿足星載微波輻射計(jì)的設(shè)計(jì)要求，具有高精度、高可靠性的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞： 星載微波輻射計(jì)； 定標(biāo)源； 黑體； 溫度測(cè)量； 模/數(shù)轉(zhuǎn)換； 數(shù)據(jù)采集

中圖分類(lèi)號(hào)： TN12?34； V447+.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）04?0037?04

Abstract： Microwave radiation calibration source as an important load device of microwave radiometer can calibrate the relation between input temperature and output value of the microwave radiometer， and realize the calibration of sensitivity， linearity and stability of the microwave radiometer. For the calibration source blackbody and its temperature measurement sensor， an in?orbit temperature measurement and control circuit was designed for detection and regulation of the temperature signal， low?pass filtering， data acquisition， temperature data processing， and temperature stable control. The results of ground test and in?orbit operation show that the system can satisfy the design requirement of satellite?borne microwave radiometer， and has high precision and reliability.

Keywords： satellite?borne microwave radiometer； calibration source； blackbody； temperature measurement； A/D conversion； data acquisition

微波輻射定標(biāo)源技術(shù)是空間定標(biāo)技術(shù)的重要研究方向，可以解決微波輻射計(jì)在軌測(cè)量漂移問(wèn)題，提高微波遙感探測(cè)的準(zhǔn)確度。作為微波輻射計(jì)的重要組成設(shè)備，高精度星載熱定標(biāo)源需具有高輻射率的黑體和高精度、高穩(wěn)定的黑體物理溫度，用來(lái)完成其地面定標(biāo)試驗(yàn)和星上在軌定標(biāo)[1]。熱定標(biāo)源主要有輻射黑體和溫度測(cè)量控制系統(tǒng)兩部分組成。溫度測(cè)量控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)輻射源黑體物理溫度的精確測(cè)量，并將其物理溫度控制在要求的范圍內(nèi)，同時(shí)通過(guò)串行總線實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量數(shù)據(jù)的傳輸。

1 組成與工作原理

星載微波輻射熱定標(biāo)源在微波探測(cè)頻率范圍內(nèi)，為微波輻射計(jì)提供微波輻射亮溫度。在熱平衡狀態(tài)下，物體吸收的能量與物體發(fā)射的能量相等，在微波波段輻射亮溫度與物理溫度成正比。熱定標(biāo)源提供的溫度實(shí)際是黑體的物理溫度，要使黑體的物理溫度等于其微波輻射亮溫度，就要求黑體在微波頻段的輻射率接近于1，其物理溫度就近似等于微波亮溫度。

星載微波輻射熱定標(biāo)源黑體主要由金屬電磁屏蔽外殼、微波吸收體、隔熱材料、測(cè)溫鉑電阻以及加熱器等組件構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示[2]。溫度測(cè)量控制系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)安裝在黑體角錐內(nèi)部的測(cè)溫傳感器的輸出信號(hào)，獲得黑體的物理溫度，并通過(guò)黑體內(nèi)部的加熱器，實(shí)現(xiàn)黑體物理溫度的控制。

溫度測(cè)量控制系統(tǒng)由微處理器電路、溫度檢測(cè)與控制電路、低通濾波電路、模/數(shù)變換電路、存儲(chǔ)器電路、通信電路、二次電源電路以及嵌入式星載軟件等部分組成[3]，如圖2所示。

系統(tǒng)軟件的功能是實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)采集、數(shù)字濾波、溫度數(shù)據(jù)單位轉(zhuǎn)換、故障識(shí)別、溫度控制以及串口通信等功能。對(duì)于環(huán)境溫度變化造成的溫度漂移誤差，采用實(shí)驗(yàn)測(cè)試標(biāo)定和軟件補(bǔ)償?shù)霓k法消除。

2 測(cè)量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 溫度檢測(cè)與放大電路

由于鉑電阻的精度和靈敏度高，測(cè)溫范圍寬，線性度、重復(fù)性和穩(wěn)定度好[4]，因此選取鉑電阻PT100作溫度傳感器。鉑電阻為正溫度系數(shù)的測(cè)溫元件，其電阻值隨溫度升高而增大，設(shè)計(jì)三線制電橋的方式來(lái)提取溫度信號(hào)，可以補(bǔ)償引線誤差，適合高精度溫度測(cè)量。

把鉑電阻作為電橋的一個(gè)橋臂，當(dāng)待測(cè)目標(biāo)溫度變化時(shí)其阻值發(fā)生變化，用儀表測(cè)量放大器將電橋的不平衡量輸出放大再經(jīng)低通濾波后，再通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量到微處理器。測(cè)溫電路原理圖如圖3所示。

為了降低電橋匹配電阻熱噪聲帶來(lái)的測(cè)量誤差，采用精密線繞電阻器，溫度系數(shù)±10×10-6 Ω/℃。電橋由5 V輸出精密基準(zhǔn)電壓源供電，精度±2.5 mV。

根據(jù)黑體測(cè)溫范圍-5～45 ℃，PT100對(duì)應(yīng)的阻值范圍為98.002～117.470 Ω，計(jì)算出電橋平衡點(diǎn)的電壓為0.108 V。在-5 ℃對(duì)應(yīng)的電壓為0.098 V，在45 ℃對(duì)應(yīng)的電壓為0.117 V，則測(cè)溫電橋差分輸出電壓范圍為±0.009 5 V，其信號(hào)幅值比較微小，為了便于A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采集，需要將此信號(hào)放大到A/D轉(zhuǎn)換器易于檢測(cè)的范圍內(nèi)。采用集成儀表放大器AD620，其具有高輸入阻抗，使電橋輸出信號(hào)不受影響，AD620折合到輸入端總誤差為0.014 663 V，而由3個(gè)OP07構(gòu)成的儀表放大器折合到輸入端總誤差為0.028 134 V，性能要優(yōu)于由3個(gè)分立運(yùn)算放大器構(gòu)成的儀表放大器。

AD620外圍電路接口如圖4所示。放大器增益由電阻RG決定，計(jì)算公式 [3]為[G=49.4 kΩRG+1]。

設(shè)計(jì)RG標(biāo)稱阻值為98.8 Ω，即儀表放大器放大500倍，有源低通濾波器放大2倍，總放大倍數(shù)為1 000倍。即±0.009 5 V的電壓信號(hào)放大為±9.5 V，測(cè)溫分辨率為0.38 V/K，滿足A/D轉(zhuǎn)換器±10 V的輸入電壓范圍。

2.2 數(shù)據(jù)采集電路

定標(biāo)源黑體測(cè)溫鉑電阻為4個(gè)通道，環(huán)境溫度檢測(cè)為1個(gè)通道，共采集5個(gè)通道模擬量信號(hào)。采用16位模數(shù)變換器AD976、低導(dǎo)通電阻模擬開(kāi)關(guān)ADG528以及運(yùn)放OP07構(gòu)成電壓跟隨器構(gòu)成的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。

AD976是一種采樣速率高、低功耗單5 V電源工作的A/D轉(zhuǎn)換器，內(nèi)含時(shí)鐘、參考電源和誤差校準(zhǔn)電路[5]，輸入電壓范圍為±10 V，轉(zhuǎn)換周期最大10 μs，最大功耗100 mW。為方便處理片選控制信號(hào)CS， 結(jié)合DSP時(shí)序采用通過(guò)CS控制轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)讀出過(guò)程。AD976接口電路原理如圖5所示。

設(shè)計(jì)AD976讀/轉(zhuǎn)換信號(hào)R/C由DSP的I/O口給出，CS由地址譯碼電路給出，轉(zhuǎn)換完成信號(hào)BUSY通過(guò)電平轉(zhuǎn)換器件連接至DSP的I/O口，總線D0～D15與DSP總線連接。當(dāng)AD976啟動(dòng)轉(zhuǎn)換之后DSP對(duì)BUSY查詢，如果BUSY信號(hào)變?yōu)楦唠娖?，則表明AD976轉(zhuǎn)換結(jié)束，此時(shí)轉(zhuǎn)換結(jié)果在總線上的有效，DSP可以對(duì)AD976進(jìn)行讀操作。如果A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程中出現(xiàn)故障，即BUSY信號(hào)一直輸出為“0”，則軟件會(huì)發(fā)生“死等”情況，為此加入時(shí)間保護(hù)處理，即在10 ms內(nèi)BUSY一直為“0”，則認(rèn)為AD976轉(zhuǎn)換故障，此時(shí)不再查詢BUSY，軟件執(zhí)行以后操作。

2.3 測(cè)溫誤差分析

測(cè)溫電路的主要誤差有元器件固有誤差產(chǎn)生的基礎(chǔ)誤差，以及器件參數(shù)隨環(huán)境溫度變化產(chǎn)生的溫度漂移誤差，溫度測(cè)量控制系統(tǒng)誤差匯總見(jiàn)表1所示。

從表1看出，基礎(chǔ)誤差總計(jì)為0.28 K，溫漂誤差總計(jì)0.09 K，超過(guò)系統(tǒng)0.1 K的測(cè)溫精度要求。為此，選用溫度系數(shù)盡量低的元器件，同時(shí)軟件上通過(guò)誤差校準(zhǔn)和漂移誤差補(bǔ)償?shù)姆椒?，?lái)解決基礎(chǔ)誤差和漂移誤差對(duì)測(cè)溫精度的影響。

2.4 溫度數(shù)據(jù)處理方法

2.4.1 溫度數(shù)據(jù)誤差校準(zhǔn)

由于鉑電阻的阻值和溫度之間存在非線性關(guān)系，因此，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性校正是高精度測(cè)溫不可缺少的環(huán)節(jié)[6]。誤差校準(zhǔn)處理的方法是以精密電阻箱模擬鉑電阻作為測(cè)溫信號(hào)輸入，范圍-5～45 ℃，以-5 ℃為起點(diǎn)，間隔0.5 ℃取值，直到45 ℃，讀取A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，再根據(jù)A/D輸出值和以K為單位的溫度值二者的數(shù)學(xué)關(guān)系，不斷調(diào)整相應(yīng)的參數(shù)，直到滿足測(cè)溫精度的要求。

溫度數(shù)據(jù)誤差校準(zhǔn)采用二次曲線擬合的方法，方法見(jiàn)下式：

[Tin=P0i+P1i×Dout+P2[i]×D2out] （1）

式中：[Tin]為校準(zhǔn)后的溫度值，單位：K；[P0i，P1i，P2[i]]（i=0，1，2，3分別對(duì)應(yīng)4路測(cè)溫通道）為溫度校準(zhǔn)系數(shù)，單位：K；[Dout]為A/D輸出數(shù)字量，單位：V。

2.4.2 溫度漂移誤差補(bǔ)償

溫度漂移誤差補(bǔ)償處理的基本思想是將系統(tǒng)放置于高低溫試驗(yàn)箱，試驗(yàn)箱外部連接精密電阻箱，在溫度測(cè)量控制系統(tǒng)工作的環(huán)境溫度范圍內(nèi)，取多個(gè)環(huán)境溫度點(diǎn)，再讀取4路的溫度數(shù)據(jù)并計(jì)算誤差，在軟件中調(diào)整相應(yīng)的補(bǔ)償參數(shù)，補(bǔ)償后重新進(jìn)行誤差檢測(cè)，直到滿足測(cè)溫誤差要求。

設(shè)計(jì)采用分段補(bǔ)償?shù)姆椒?，根?jù)測(cè)得的系統(tǒng)環(huán)境溫度，對(duì)以K為單位的溫度值進(jìn)行補(bǔ)償，方法見(jiàn)下式：

[TC=Tin+Δ] （2）

式中：[TC]為溫度補(bǔ)償后溫度值，單位為K；[Tin]為誤差校準(zhǔn)后的溫度值，單位為K；[Δ]為溫度漂移誤差補(bǔ)償值，單位為K。

3 系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)

熱定標(biāo)源從功能上化分為3個(gè)功能塊：輻射源黑體、鉑電阻與放大電路以及其他電路。其中測(cè)溫通道為4路，互為備份，可靠性框圖如圖6所示。

系統(tǒng)進(jìn)行了抗力學(xué)性、抗熱學(xué)性、電磁兼容性、抗輻射性等空間環(huán)境適應(yīng)性以及裕度設(shè)計(jì)，可靠性預(yù)計(jì)結(jié)果表明熱定標(biāo)源在軌飛行的壽命末期滿足可靠度0.99的要求。

4 測(cè)試結(jié)果及分析

4.1 測(cè)溫誤差測(cè)試結(jié)果

將定標(biāo)源溫度測(cè)量控制系統(tǒng)放入高低溫試驗(yàn)箱中，試驗(yàn)箱溫度分別設(shè)定在-10 ℃，20 ℃，45 ℃，環(huán)境溫度-10 ℃時(shí)的測(cè)溫誤差測(cè)試結(jié)果如表2所示。在環(huán)境溫度20 ℃，45 ℃時(shí)測(cè)溫誤差都小于0.1 K。

4.2 溫度特性測(cè)試結(jié)果

定標(biāo)源溫度測(cè)量控制系統(tǒng)4個(gè)測(cè)溫通道的實(shí)測(cè)溫度數(shù)據(jù)曲線見(jiàn)圖7，溫度穩(wěn)定度實(shí)測(cè)小于等于0.02 K/16 s，溫度均勻性實(shí)測(cè)小于等于0.12 K。

5 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)某型號(hào)遙感衛(wèi)星微波有效探測(cè)載荷研制的星載微波輻射定標(biāo)源，頻率范圍為10～90 GHz，發(fā)射率大于0.99，溫度測(cè)量范圍-5～45 ℃，測(cè)溫誤差優(yōu)于0.1 ℃，溫度穩(wěn)定度優(yōu)于0.1 K/16 s，溫度均勻性優(yōu)于0.12 K。通過(guò)地面功能和性能測(cè)試、環(huán)境試驗(yàn)（力學(xué)、熱學(xué)等）考核以及在軌飛行測(cè)試，證明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是合理可行的，具有高精度、高可靠性的特點(diǎn)，能夠滿足空間環(huán)境應(yīng)用特點(diǎn)，研制的微波輻射熱定標(biāo)源產(chǎn)品已成功應(yīng)用于多顆遙感衛(wèi)星微波有效載荷，在軌應(yīng)用性能良好。

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