地面微波辐射—散射计的一体化小型化结构系统 【技术领域】
本发明涉及一种微波遥感仪器，特别是一种地面微波辐射—散射计的一体化小型化结构系统。
背景技术
微波遥感具有全天候工作的优点，是用来获取遥感信息的重要技术手段。微波辐射计是实施被动微波遥感的主要仪器，微波散射计是实施主动微波遥感的主要仪器之一。将主、被动微波遥感进行融合处理，已被许多实验证明可以获得比单一的主动或被动遥感更有意义的、更多的遥感信息。将微波辐射计和散射计集成在同一系统，不仅能够实现主动的和被动的微波遥感的同时测量，而且还为主、被动遥感信息的融合处理提供了设备平台。
目前，微波辐射计和散射计的组合系统，有以下两类结构：
(1)辐射计+连续波体制的散射计。这是被大多数的组合系统所采用的结构。其中的散射计可能采用单纯连续波体制，或采用调频连续波体制。
(2)辐射计+短脉冲体制的散射计。
在上述组合系统内，散射测量所需的照射信号由独立的发射机产生。在接收机部分，一般地，采用锐方向波束的接收天线来获得辐射计测量所需的分辨力。该接收天线可与散射计共用。通过恰当的设计并利用时分工作方式，还能够使得辐射计和散射计共用接收机的微波部分，以及同一个宽频带中频放大器。在宽频带中频放大器之后，因为辐射计所测量信号的带宽在几十兆赫到几百兆赫，而散射计所测量地回波信号带宽一般在几千赫兹的量级，所以，两者需要由不同的电路来检测，散射测量的信号需要经由窄带滤波之后进一步放大。因此，这些系统在微波接收电路或宽频带中频放大器之后，需要各自独立的辐射接收机和散射接收机以分别检测信号。这不利于整个系统的集成化和小型化。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种地面微波辐射—散射计的一体化小型化结构系统，使得散射测量和辐射测量能够完全共用相同的接收机，简化系统结构，有利于小型化，降低系统成本。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种地面微波辐射—散射计的一体化小型化结构系统，由微波辐射计和微波散射计集成一个统一系统，其特征在于微波散射计为噪声体制的散射计，其信号频带范围被设计得与辐射计相匹配，并且在系统的一个主控及数据处理器的协调下以时分的方式交替工作，从而共用一个接收机。
上述的辐射计和散射计共用的接收机由接收天线、极化分离器、极化开关、RF开关、低温参考源、高温参考源、参考源开关、信号开关、混频器、中频放大器、检波器、增益调整及放大器和数据采集器组成；散射发射机由固态噪声源、功率放大器、散射校正开关、极化开关、极化分离器和发射天线组成；由主控及数据处理器控制和协调接收机和发射机各组成器件。
上述辐射计和散射计共用的接收机的系统结构是：接收天线的输出依次经极化分离器、极化开关、RF开关、信号开关、混频器、中频放大器、检波器、增益调整及放大器和数据采集器后连接主控及数据处理器的输入口；散射发射机的系统结构是：固态噪声源的输出依次经功率放大器、散射校正开关、极化开关和极化分离器连接发射天线；上述的接收机系统和发射机系统的控制和协调系统的结构是：散射校正开关的一个输出连接RF开关的一个输入，主控及数据处理器的十一个输出分别连接接收机的接收天线、极化开关、RF开关、参考源开关、信号开关、增益调整及放大器以及发射机的发射天线、极化开关、散射校正开关、功率放大器、散射发射机的固态噪声源的输入。
上述的主控及数据处理器由52个电阻、12个发光二极管、一个晶振、一个PIC16F877型微控制器、一个MAX232型RS232接口芯片、四个MC1413C型驱动芯片、20个SL985C型光电耦合芯片、七个电容、一个56芯连接器、三个8芯连接器和一个3芯连接器组成。
上述的低温参考源和高温参考源由40个电阻、五个变阻器、二个稳压二极管、二个TIP122型达林顿管、一个LM326型集成运放芯片(IC3)、一个LM327型集成运放芯片、二个SL134M型集成恒流源芯片、一个滤波电容、一个高频振流电感和一个连接器组成。
上述的增益调整及放大器和数据采集器由21个电阻、五个变阻器、一个三极管、一个固态继电器、两个OP07型集成运放芯片、一个LM331型电压/频率变换器、五个电容、两个电感和一个连接器组成。
上述的系统中，采用了增益调整技术，即，由主控及数据处理器去控制接收机中的增益调整及放大器，使之采取与正在实施的测量模式——即散射测量或辐射测量相适应的增益值，以处理辐射信号和散射信号之间的十分显著的功率差异，使接收机输出信号电平的变化处于相对较窄的动态范围，以保证信号接收特性的线性度。
上述的系统中，也采用了发射泄露检测技术，即，在实施散射测量时，先检测发射机对接收机的泄露功率，之后，在所探测到的散射回波功率中扣除该泄露功率，以消除泄露功率对噪声体制散射测量的干扰。详见附图2和附图3说明。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出特点和显著优点：本发明所提出的辐射—散射计组合系统采用“辐射计+噪声体制的散射计”的结构体制，使得散射测量和辐射测量能够完全共用相同的接收机。其优点在于：
(1)散射计采用噪声体制，与辐射计共用完全相同的接收检测电路，减少了电路部件，简化了系统结构，有利于小型化并降低系统成本。
(2)散射计所探测信号的频谱范围与辐射计相当，可实现散射和辐射遥感在同频带内的同步测量，有利于同频带内的主、被动微波遥感的对比研究和互补研究。
【附图说明】
图1是本发明一个实施例的系统结构框图。
图2是图1示例用于对天空的散射测量原理示意图，以检测泄露功率。
图3是图1示例用于对目标物的散射测量的原理示意图，以在散射回波功率中去除泄露功率成分。
图4和图5是图1示例中主控及数据处理器的电路图。
图6是图1示例中低温参考源和高温参考源的电路图。
图7是图1示例中增益调整及放大器和数据采集器的电路图。
【具体实施方式】
本发明的一个优选实施例是，参见图1，本地面微波辐射—散射计的一体化小型化结构系统，由微波辐射计和微波散射计集成一个统一系统，其特征在于微波散射计为噪声体制的散射计，其信号频带范围被设计得与辐射计相匹配，并且在系统的一个主控及数据处理器20的协调下以时分的方式交替工作，从而共用一个接收机。上述的辐射计和散射计共用的接收机由接收天线1、极化分离器2、极化开关3、RF开关4、低温参考源5、高温参考源6、参考源开关7、信号开关8、混频器9、中频放大器10、检波器11、增益调整及放大器12和数据采集器13组成；散射发射机由固态噪声源19、功率放大器18、散射校正开关17、极化开关16、极化分离器15和发射天线14组成；由主控及数据处理器20控制和协调接收机和发射机各组成器件。上述的辐射计和散射计共用的接收机的系统结构是：接收天线1的输出依次经极化分离器2、极化开关3、RF开关4、信号开关8、混频器9、中频放大器10、检波器11、增益调整及放大器12和数据采集器13后连接主控及数据处理器20的输入口；散射发射机的系统结构是：固态噪声源19的输出依次经功率放大器18、散射校正开关17、极化开关16和极化分离器15连接发射天线14；上述的接收机系统和发射机系统的控制和协调系统的结构是：散射校正开关17的一个输出连接RF开关4的一个输入，主控及数据处理器20的十一个输出分别连接接收机的接收天线1、极化开关3、RF开关4、参考源开关7、信号开关8、增益调整及放大器12以及发射机的发射天线14、极化开关16、散射校正开关17、功率放大器18、散射发射机的固态噪声源19的输入。上述的主控及数据处理器20由52个电阻R1-R52、12个发光二极管LED1一LED12、一个晶振XTAL1、一个PIC16F877型微控制器IC1、一个MAX232型RS232接口芯片IC2、四个MC1413C型驱动芯片IC3-IC6、20个SL985C型光电耦合芯片IC7-IC26、七个电容C1-C7、一个56芯连接器EDGE1、三个8芯连接器JMP1--JMP3和一个3芯连接器JCS1组成。上述的低温参考源5和高温参考源6由40个电阻R1-R40、五个变阻器W1-W5、二个稳压二极管D1-D2、二个TIP122型达林顿管、一个LM326型集成运放芯片IC3、一个LM327型集成运放芯片IC4、二个SL134M型集成恒流源芯片IC5、IC6、一个滤波电容C1、一个高频振流电感L1和一个连接器C22组成。上述的增益调整及放大器12和数据采集器13由21个电阻R1-R21、五个变阻器W1-W5、一个三极管T1、一个固态继电器J1、两个OP07型集成运放芯片IC1、IC2、一个LM331型电压/频率变换器IC3、五个电容C1-C5、两个电感L1、L2和一个连接器CZ4组成。
在上述结构的系统中，有以下两个关键技术问题需要解决：
(1)辐射测量和散射测量的接收信号功率有很大的差异，需要设计特殊的信号接收机制以使接收机在大动态范围内对这两种信号都具有良好的线性接收特性；
(2)散射计工作模式中，由于采用噪声工作体制，发射系统会对接收系统造成很强的干扰，包括发射天线对接收天线的、发射电路对接收电路的泄漏干扰。
采用了以下关键技术来解决上述问题：
(1)增益调整方案以适应辐射测量和散射测量间的信号功率的巨大差异。图1中的增益调整部件11根据辐射测量和散射测量的两种不同工作模式而选用不同的增益值(与工作模式的切换同步)，使输入到后续的接收电路上的信号功率位于其线性工作区。
(2)泄露干扰检测方案以消除发射系统对接收系统的强干扰，如图2和图3所示。散射测量由两个步骤构成：第1步，在对目标物实施正式的测量之前，先将天线对着天空作散射测量，此时，检测输出PS1是发射系统对于接收系统的总泄漏干扰PI。第2步骤，对目标物实施测量，此时检测输出的PS2是目标物的散射信号Pr和泄漏干扰PI的叠加Pr+PI。所要测量的散射信号为Pr＝PS2-PS1。
依照图1、图2和图3，该系统的工作过程描述如下：
系统以时分方式工作在散射测量和辐射测量模式。在散射测量时间段内，首先，在主控及数据处理器20的控制下，固态噪声源19和功率放大器18都进入工作状态，增益调整11选择散射测量模式所对应的增益值，测量信号开关8选通来自RF信号开关4的信号以使接收机测量散射回波或散射功率校正值。主控和数据处理器20还发送指令使得增益调整及放大器12选择散射测量模式所对应的增益值。然后，系统先工作在图2和图3所示的第1步骤，此时，在主控及数据处理器20的控制下，天线电机带动接收天线1和发射天线14转动至天顶的角度，散射发射机的散射校正开关17将来自功率放大器18的噪声特性的RF信号选通输出到T支路上，经由极化开关16和极化分离器15，由发射天线14发射出去；同时，RF信号开关4选通来自极化开关3的信号以测量泄露干扰功率，此时，泄露干扰经由接收天线1、极化分离2、极化开关3、测量信号开关8、混频器9、中频放大器10、增益调整及放大器11和数据采集器13，由主控及数据处理器20获取测量结果并保存，供后续的数据处理使用。之后，进入图2和图3所示的第2步骤，在主控及数据处理器20的控制下，接收机的RF信号开关4和发射机的散射校正开关17采取如下的同步动作，当RF信号开关4选通来自极化开关3的信号时，散射校正开关17选通T支路以输出功率信号至发射天线；当RF信号开关4选通来自散射校正开关17的R支路的信号时，散射校正开关17选通R支路以输出功率校正信号至R支路。信号开关4轮流地选通来自极化开关3和散射校正开关17的R支路的信号，分别对应于测量散射回波功率和发射功率校正值。这两种信号分别经由测量信号开关8、混频器9、中频放大器10、增益调整及放大器11、检波器12，数据采集器13，由主控及数据处理器20获取测量结果并保存。最后，在主控及数据处理器20中，将第2步骤中测得的散射回波功率减去在第1步骤中所测得的泄露干扰，并利用在第2步骤中测得的发射功率校正值，计算获取散射系数。发射机的极化开关16和接收机的极化开关3在主控及数据处理器20的控制下，各自选通水平极化H支路或垂直极化V支路，从而获得HH、VV、VH、HV等不同极化组合状态下的散射系数。
在辐射测量时间段内，首先，主控及数据处理器20发送指令，使得发射机的固态噪声源19和功率放大器18都处于关闭状态，以避免产生对接收机的干扰；增益调整及放大器12选择辐射测量模式所对应的增益值，RF信号开关4选通来自极化开关2的信号。在主控及数据处理器20的控制下，信号开关8和参考源开关7协调工作，实现双参考源校正的辐射测量。在信号开关8选通来自参考源开关7的信号的时间段内，参考源开关7在前半段时间和后半段时间依次选通来自低温参考源5和来自高温参考源6的信号，分别对应于低温参考源信号和高温参考源信号。信号开关8交替选通来自RF信号开关4的信号和来自参考源开关7的信号，分别对应于测量辐射信号和测量两个参考源信号。这三种信号分别经混频器9、中频放大器10、增益调整及放大器11和检波器12，数据采集器13，由主控及数据处理器20获取测量结果。与此同时低温参考源5和来自高温参考源6又分别将各自的温度转化为电压信号送往主控及数据处理器20，以供其测量准确的高、低参考温度值。在主控及数据处理器20中，利用两个参考源信号的测量结果以及它们相应参考温度值，对辐射信号的测量结果作线性校正，计算得到辐射亮温。在主控及数据处理器20的控制下，极化开关3交替选通水平极化H支路或垂直极化V支路，以获取这两种极化的辐射亮温信号。
在上述散射及辐射测量的基础上，通过对散射系数及辐射亮温的组合处理，进一步获取被测目标的水平极化发射率和垂直极化发射率。
主控及数据处理器20通过发送指令到接收天线1和发射天线14中的转动电机，使天线转动所需要的测量角度。
在本实施例中，接收天线1和发射天线14采用具有低副瓣的天线，例如对角喇叭天线或透镜天线，以减少发射系统对接收系统的泄露干扰。散射校正开关17、信号开关8、参考源开关7、RF开关4、极化开关3和极化开关16采用低插损微波开关，如铁氧体开关。设计使得低温参考源5和高温参考源6的温度都高于环境温度，这样，利用简单的电阻负载加热就可以进行恒温控制。例如，可将低温参考源的温度保持在55℃，高温参考源的温度保持在85℃。混频器9包括混频器及本振源，其中的本振源频率与散射发射机的工作频率一致，以使接收机能够接收处理散射回波信号。增益调整及放大器12对增益的调节范围依据系统的散射测量和辐射测量的指标参数而定，一般都在30dB以上。检波器11采用平方律检波。数据采集器13将模拟信号转化为数字信号，以提供给主控及数据处理器20。模块19采用较高超噪比的固态噪声源，以获得较高的输出噪声功率并减轻对后续的功率放大器18的增益指标要求。模块18需要采用放大器组件，如利用二级或三级的放大器级联，以获取较高的增益倍数。提高模块18的增益倍数可以增大发射机的输出功率，从而增大仪器散射测量的距离量程。
为使更好地理解本发明，下面结合附图进一步详述本实施实例。值得注意的是，附图图所示的仅是本发明的实现方式之一，而非对本发明的限制。
在图4中，依据前面所述的工作流程，当处于散射测量模式时，微控制器IC1首先在其管脚29、30分别送出“发射控制开关”、“增益调整”控制信号，这两个控制信号分别经过图4中的光电耦合芯片IC21、IC22的隔离变换，再由相应的连接器管脚送出。其中，“发射控制开关”信号送去控制固态噪声源19和功率放大器18的电源继电器，使它们接通电源而进入工作状态；“增益调整”控制信号送出至增益调整及放大12，使其选用散射测量模式所对应的增益倍数，其工作原理详见后续文字。微控制器IC1又在管脚21、22送出“信号开关”控制信号，经过图4中的光电耦合芯片IC17、IC18的隔离变换之后，由连接器送出至信号开关8，使其选通来自RF开关4的信号以便测量散射回波或散射功率校正值。之后，系统开始图2所示的第1步骤，IC1先在其管脚33~36上送出控制信号，经由图3中的相应的光电耦合芯片和连接器，送至接收天线1和发送天线14中的天线驱动电机，使它们转动到对天顶测量的角度；然后，IC1在其管脚27、28发送“RF开关”控制信号，经过光电耦合和连接器，送至RF开关4和散射校正开关17，使它们采取如前述的系统工作原理中的协调一致的动作，用于测量泄漏干扰功率。泄漏干扰功率由数据采集13转换为脉冲信号(如图6所示)，送至图3中的EDGE1的管脚15，再经光耦芯片IC7，至IC1的管脚15，进行计数测量。随后，开始实施图2所示的第2步骤，IC1先在其管脚33~36上送出控制信号，经光电耦合至连接器，作为“天线电机控制”信号去驱动天线电机，使天线转动到所要求的测量角度。IC1在其管脚27、28上送出“RF开关”控制信号，使得RF开关4和散射校正开关17按照前述的系统工作原理中的方式同步动作，以分别测量散射回波功率和发射功率校正值。这两个功率信号也同样先由数据采集13转换为脉冲信号，最后送到IC1的管脚15上进行测量。IC1将图2中的第2步骤所测得的散射回波功率减去在第1步骤中所测得的泄漏干扰，并利用在第2步骤中测得的发射功率校正值，计算获取散射系数。IC1在其管脚18、23上发送“发射极化开关”控制信号，在其管脚16、17上发送“接收极化开关”控制信号，这些控制信号经由图4中的光电耦合芯片IC23~IC26的隔离变换，再经相应的连接器管脚送出，分别到达发射机的极化开关16和接收机的极化开关3，以选通各自的水平极化H支路或垂直极化V支路，从而获得HH、VV、VH、Hv等不同极化组合状态下的散射系数。
当处于辐射测量模式时，微控制器IC1首先利用其管脚29上的“发射控制开关”信号去控制固态噪声源19和功率放大18的电源控制继电器，使它们断开电源而进入关闭状态，以避免对接收机的信号造成干扰；利用管脚30上的“增益调整”控制信号使得增益调整及放大12选择辐射测量模式所对应的增益倍数；利用管脚27、28上的“RF开关”控制信号，使RF开关4选通来自极化开关3的信号。之后，IC1在其管脚33~36上送出控制信号，使天线转动到所要求的测量角度。IC1利用管脚21、22上的“信号开关”控制信号，以及管脚19、20上的“参考源开关”控制信号，分别去控制信号开关8和参考源开关7，使得它们按照前面所述系统工作原理中的方式进行同步动作，于是，在IC1的管脚15上依次测得目标物辐射信号和两个参考源信号(85度、55度)的功率值。在IC1的管脚2、3上分别为来自模块5和6的高温参考源温度、低温参考源温度的电压信号，IC1对它们作A/D变换后获取实际的温度值。IC1利用这两个温度值以及前面测得的两个参考源信号功率值，对目标物辐射信号功率作校正，计算得到目标物体的辐射亮温。IC1在其管脚16、17上发送“接收极化开关”控制信号去控制接收机的极化开关3，交替选通水平极化H支路或垂直极化V支路，以获取这两种极化的辐射亮温信号。
在图4和图5中，特别采用光电耦合芯片IC7~IC26作隔离变换，以降低外部干扰源对IC1的数据测量的影响。
图6包含低温参考源5和高温参考源6，实现55℃和85℃的恒温控制，并将这两个温度转换为模拟电压信号，提供给图3中的IC1。模块5和模块6的工作原理相同，因此，下面仅以模块5为例来介绍其工作过程。集成恒流源IC5将标称温度为55℃的低温负载组件的实际温度值转换为电流信号，经由R1和W4转换为电压信号。该电压信号由IC1-1跟随输出，在IC1-3的输入端上与来自IC1-2的参考电压进行比较，由IC1-3输出相对于基准电压的差值电压，再经IC1-4放大，产生表示低温参考源的实际温度值的电压信号，由连接器CZ2的B3脚送出至图3中的IC1。由IC1-3输出的差值电压还经IC2-3跟随输出至IC2-1的负输入端，与正输入端上的55℃基准电压进行比较，所得到的差值电压经放大后驱动达林顿管T1，去加热低温负载组件中的55度负载，用以维持55℃的温度。连接器CZ2-B3上的电压信号对于温度变化的灵敏度可以由变阻器W4进行调节；变阻器W1则用来调整该电压值的绝对大小。变阻器W2用来精细调整低温参考源5的标称温度值，使温度准确地定位在55℃上。
在本实例中，将两个参考源的标称温度设置为高于环境温度的55℃和85℃，使得可以采用较为简单的加热方法来使参考源的温度维持在其标称温度值上。
图6包含增益调整及放大器12和数据采集器13。模块12对增益倍数的调整是通过固态继电器J1的开关切换来实现。当系统工作在散射测量模式时，受来自图4(模块20)IC1的“增益调整”信号的控制，J1的开关接通“散射”端子，信号直接输入到IC2上进行放大。也就是，散射测量时的增益倍数等于由IC2所构成的放大器的增益倍数。当系统工作在辐射测量模式时，由于辐射信号功率较小，来自图4(模块20)IC1的“增益调整”信号使得J1接通“辐射”端子，于是，辐射信号在IC2上进行放大之前，先经过由IC1所构成的放大器的放大。这样，辐射测量时的增益倍数等于IC1和IC2所对应的两个放大器的增益倍数之积，远大于散射测量的增益倍数。结果是，尽管输入的辐射信号功率和散射信号功率差异很大，但经过模块12的增益调整之后，输出到后续的模块13上的信号功率都能够落在LM331的检测范围内。模块13利用LM331将被测量信号的模拟电压量转换为脉冲频率，由连接器CZ4的A20脚送出至模块20(见图4)，供IC1检测。变阻器W5用于调节模拟电压与脉冲频率之间的转换比例。变阻器W2、W4分别用于调节IC1、IC2的放大倍数。
这样，根据本发明的技术方案，利用图4及图5的模块20中各种控制信号的有序组合和配合，以及图7的模块12对信号接收增益的同步调整，实现了辐射测量和散射测量在同一仪器系统内的集成。