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。針對輻射源黑體及其測溫傳感器，設(shè)計(jì)了一種在軌溫度測量與控制電路，用于溫度信號的檢測與調(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； 溫度測量； 模/數(shù)轉(zhuǎn)換； 數(shù)據(jù)采集

中圖分類號： TN12?34； V447+.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 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)在軌測量漂移問題，提高微波遙感探測的準(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量控制系統(tǒng)兩部分組成。溫度測量控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對輻射源黑體物理溫度的精確測量，并將其物理溫度控制在要求的范圍內(nèi)，同時(shí)通過串行總線實(shí)現(xiàn)溫度測量數(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]。溫度測量控制系統(tǒng)通過檢測安裝在黑體角錐內(nèi)部的測溫傳感器的輸出信號，獲得黑體的物理溫度，并通過黑體內(nèi)部的加熱器，實(shí)現(xiàn)黑體物理溫度的控制。

溫度測量控制系統(tǒng)由微處理器電路、溫度檢測與控制電路、低通濾波電路、模/數(shù)變換電路、存儲器電路、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、故障識別、溫度控制以及串口通信等功能。對于環(huán)境溫度變化造成的溫度漂移誤差，采用實(shí)驗(yàn)測試標(biāo)定和軟件補(bǔ)償?shù)霓k法消除。

2 測量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 溫度檢測與放大電路

由于鉑電阻的精度和靈敏度高，測溫范圍寬，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提取溫度信號，可以補(bǔ)償引線誤差，適合高精度溫度測量。

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

為了降低電橋匹配電阻熱噪聲帶來的測量誤差，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)黑體測溫范圍-5～45 ℃，PT100對應(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 ℃對應(yīng)的電壓為0.098 V，在45 ℃對應(yīng)的電壓為0.117 V，則測溫電橋差分輸出電壓范圍為±0.009 5 V，其信號幅值比較微小，為了便于A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采集，需要將此信號放大到A/D轉(zhuǎn)換器易于檢測的范圍內(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的電壓信號放大為±9.5 V，測溫分辨率為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)源黑體測溫鉑電阻為4個(gè)通道，環(huán)境溫度檢測為1個(gè)通道，共采集5個(gè)通道模擬量信號。采用16位模數(shù)變換器AD976、低導(dǎo)通電阻模擬開關(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CS， 結(jié)合DSP時(shí)序采用通過CS控制轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)讀出過程。AD976接口電路原理如圖5所示。

設(shè)計(jì)AD976讀/轉(zhuǎn)換信號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BUSY通過電平轉(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啟動轉(zhuǎn)換之后DSP對BUSY查詢，如果BUSY信號變?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AD976進(jìn)行讀操作。如果A/D轉(zhuǎn)換過程中出現(xiàn)故障，即BUSY信號一直輸出為“0”，則軟件會發(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 測溫誤差分析

測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，溫度測量控制系統(tǒng)誤差匯總見表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，超過系統(tǒng)0.1 K的測溫精度要求。為此，選用溫度系數(shù)盡量低的元器件，同時(shí)軟件上通過誤差校準(zhǔn)和漂移誤差補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ瑏斫鉀Q基礎(chǔ)誤差和漂移誤差對測溫精度的影響。

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，對數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性校正是高精度測溫不可缺少的環(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溫信號輸入，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分別對應(yīng)4路測溫通道）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，直到滿足測溫誤差要求。

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

[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 測試結(jié)果及分析

4.1 測溫誤差測試結(jié)果

將定標(biāo)源溫度測量控制系統(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)的測溫誤差測試結(jié)果如表2所示。在環(huán)境溫度20 ℃，45 ℃時(shí)測溫誤差都小于0.1 K。

4.2 溫度特性測試結(jié)果

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

5 結(jié) 語

針對某型號遙感衛(wèi)星微波有效探測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，溫度測量范圍-5～45 ℃，測溫誤差優(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。通過地面功能和性能測試、環(huán)境試驗(yàn)（力學(xué)、熱學(xué)等）考核以及在軌飛行測試，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。

參考文獻(xiàn)

[1] 陸登柏，邱家穩(wěn)，蔣炳軍，等.星載微波輻射計(jì)定標(biāo)熱源及其發(fā)射率測試研究[J].空間電子技術(shù)，2009（4）：58?61.

[2] 陸登柏，蔣炳軍，邱家穩(wěn).星載微波輻射計(jì)定標(biāo)熱源研究[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用，2009，24（3）：391?394.

[3] 曹茂永，王霞，孫農(nóng)亮.儀用放大器AD620及其應(yīng)用[J].電測與儀表，2000，37（10）：49?52.

[4] 李言旭，張瑞，劉銀年.高精度高可靠性的在軌黑體測溫電路設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2005（9）：33?35.

[5] 段廣云.基于CPLD的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器， 2008（6）：73?75.

[6] 文小玲，劉翠梅，易先軍，等.鉑電阻測溫的非線性補(bǔ)償算法分析[J].傳感器與微系統(tǒng)，2009，28（8）：33?36.