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南京理工大学硕士学位论文 7 6 3 0 7 1 毫米波辐射计特性参数与性自e 测试研究 摘要 基于应用于大气水汽和液态水测量的双频毫米波辐射计，本文深入研究了它的参 数和性能测试方法，分析了测试结果。设计了双频毫米波辐射计的两维伺服驱动器和 驱动软件：完成了8 m m 波段和1 3 r a m 波段天线方向图的测试，分析了测量误差；对 辐射计的灵敏度进行了详细的分析、推理和测量；讨论了辐射计的线性度、噪声系数、 积分时间、系统抗干扰性等性能参数的测量方法，对测量结果进行了深入分析：阐述 了双频毫米波辐射计测量大气水汽和液态水的原理，利用实测数据完成了大气水汽和 液态水的反演。具体包括： 第一，基于双频毫米波辐射计的扫描要求，设计了基于p c 计算机和嵌入式系统 道的两维伺服驱动电路完成了扫描控制、通信协议和伺服驱动控制的软件设计。 第二，基于伺服平台，设计了测量8 m m 波段和1 3 m m 波段天线方向图的测试软 件，以及测试接收机，分析了测试结果。 第三，基于双频毫米波辐射计的工作原理，详细分析推导了辐射计的灵敏度，讨 论了灵敏度的测试方法和测试结果。 第四，讨论了辐射计中a d 和d a 部件性能的测量，阐述了辐射计的线性度、 噪声系数、积分时间、系统稳定性和系统抗干扰性等性能参数的测量方法，完成性能 测量，对测量结果进行了深入分析。 最后，详细阐述通过双频毫米波辐射计测量大气水汽和液态水的原理，并用实例 说明怎样结合探空资料演算大气辐射亮温，从而反演大气水汽、液态水的过程。 关键词：伺服控制天线方向图测量双频毫米波辐射计灵敏度测量 毫米波辐射计性能测试大气水汽测量液态水溺童 南京理工大学硕士学位论文 毫米波辐射计特性参数与性能测试研究 a b s t r a c t t h ed i s s e r t a t i o ni sb a s e do nt h ea p p l i c a t i o no fad u a lf r e q u e n c ym i l l i m e t e rw a v e r a d i o m e t e rt or e m o t e l ys e n s ei n t e g r a t e dw a t e rv a p o ra n di n t e g r a t e dl i q u i dw a t e ri nt h e t r o p o s p h e r e ，a n di n c l u d e sr e s e a r c ho nt e s tm e t h o d so f t h ed u a lf r e q u e n c ym i l l i m e t e rw a v e r a d i o m e t e rs y s t e mp a r a m e t e r sa n dp e r f o r m a n c ea n da n a l y s i so ft h e s et e s tr e s u l t s a t w o d i m e n s i o n a ls e r v o - c o n t r o ls y s t e m w h i c hi su s e dt os c a r lt h es k yi nt 1 1 i sr a d i o m e t e r s y s t e m ，i sd e s i g n e d ，a n da n t e n n ap a t t e r n so f8 m mb a n da n d13 m mb a n da r em e a s u r e d n l e s e n s i t i v i t yo ft h ed u a lf r e q u e n c ym i l l i m e t e rw a v er a d i o m e t e ri sa n a l y z e da n dd e d u c e di n d e t a i l r a d i o m e t e rp a r a m e t e r s ，s u c ha sr a d i o m e t e r sl i n e a r i t y , n o i s ec o e f f i c i e n t ，s y s t e m a n t i i n t e r f e f e n c ea b i l i t y ，i n t e g r a t i n gt i m ec o n s t a n t ，a r ed i s c u s s e da n dm e a s u r e d t h e p r i n c i p l ei sp r e s e n t e do fr e m o t e l ys e n s i n gi n t e g r a t e dw a t e rv a p o ra n di n t e g r a t e dl i q u i d w a t e ri nt h et r o p o s p h e r ew i t l lad u a lf r e q u e n c ym i l l i m e t e rw a v er a d i o m e t e r , a n ds o m e m e a s u r e m e n tr e s u l t sa r ci l l u s t r a t e dw i t ht e s td a t a t h ed e t a i l e dc o n t e n to ft h ed i s s e r t a t i o n a r ea sf o l l o w i n g f i r s t l y , at w o d i m e n s i o n a ls e r v o - c o n t r o ld r i v e rc i r c u i t ，w h i c hc o n s i s t so fp ca n da l l e m b e d d e ds y s t e m ，i sd e s i g n e db a s e do nt h es c a n n i n gr e q u i r e m e n to ft h ed u a lf r e q u e n c y m i l l i m e t e rw a v er a d i o m e t e r s e c o n d l y , am e a s u r e m e n tr e c e i v e ri sd e s i g n e dt om e a s u r e st h e8 m mb a n da n d13 r n m b a n da n t e n l l ap a t t e r n s ，t h em e a s u r e m e n ts o f t w a r e ，b a s e do nt h et w o d i m e n s i o n a l s e r v o c o n t r o ls y s t e m ，i sd e v e l o p e da n dm e a s u r e m e n tr e s u l t sa r ea n a l y z e d t h i r d l y , t h es e n s i t i v i t yo ft h er a d i o m e t e ri sd e d u c e di nd e t a i la c c o r d i n gt oi t sw o r k i n g p r i n c i p l e s ，t e s t i n gm e t h o d sa n d r e s u l t sa r ea l s og i v e ni nt h ed i s s e r t a t i o n f o u r t h l y , s o m ea s s e m b l yp e r f o r m a n c e sa n dr a d i o m e t e rs y s t e mp e r f o r m a n c e sa r et e s t e d ， a n dt e s tr e s u l t sa r cd i s c u s s e d t h et e s tp r i n c i p l ea n dm e t h o da r eg i v e n t h e s ee x p e r i m e n t c o n s i s to fm da n db | at e s t ，r a d i o m e t e rs y s t e ml i n e a r i t ym e a s u r e m e n t ，s y s t e mn o i s e c o c m c i e n tm e a s u r e m e n t ，s y s t e mi n t e g r a t et i m ec o n s t a n tm e a s u r e m e n t ，s y s t e ms t a b i l i t ya n d a n t i - i n t e r f e r e n c ea b i l i t y , e ta 1 f i n a l l y , t h ep r i n c i p l ei si n t r o d u c e do fr e m o t e l ys e n s i n gi n t e g r a t e dw a t e rv a p o ra n d i n t e g r a t e dl i q u i dw a t e ri nt h et r o p o s p h e r ew i t hd u a lf r e q u e n c ym i l l i m e t e rw a v er a d i o m e t e r i nd e t a i l ，a n ds o m em e a s u r e m e n tr e s u l t sa r eg i v e n t h em e t h o da r ed i s c u s s e dt od e d u c e a t m o s p h e r i cb r i g h t n e s st e m p e r a t u r ec o m b i n i n gw i t hd a t aa c q u i r e dw i t hs o u n d i n gb a l l o o n a n dt od e d u c ei n t e g r a t e dw a t e rv a p o ra n di n t e g r a t e dl i q u i dw a t e ri nt h et r o p o s p h e r e k e y w o r d s ：s e r v o - c o n t r o l ，a n t e n n ap a t t e r nm e a s u r e m e n t ，s e n s i t i v i t ym e a s u r e m e n t ， d u a lf r e q u e n c ym i l l i m e t e rw a v er a d i o m e t e r ，r a d i o m e t e rp e r f o r m a n c et e s t ，a t m o s p h e r i c i n t e g r a t e dw a t e rv a p o rm e a s u r e m e n t ，a t m o s p h e r i ci n t e g r a t e dl i q u i dw a t e r m e a s u r e m e n t 南京理工大学硕士学位论文毫米波辐射计特性参数与性能测试研究 1 绪论 1 , 1 前言 微波辐射计是用来测量物体微波辐射能量的仪器。它本身不发射信号，但能被动 接收物体的辐射信号。它具有非常高的灵敏度，能够测量出物体十分微弱的热辐射信 号，既具有良好的保密性，又能做到体积小、功率省、成本低。 微波辐射计具有受天气影响少，不依赖阳光，具有对表面及云的一定的穿透能力， 对表面结构特性敏感；它获取的信息载体具有多样性，即其幅度、相位、频率、极化 等要素都具有目标的信息。因此广泛应用于射电天文、地球资源勘探、军事目标跟踪 等多个领域。自6 0 年代以来，人类利用射电望远镜发现了类星体、星际分子、脉冲星 和超新星等。1 9 6 2 年，人类第一次从卫星微波辐射计上获取资料以来，星载微波辐射 计已广泛用于气象、海洋、水文和陆地资源的探测。如美国的n a s a 彩虹6 号卫星带有 五套超外差辐射计，其中心频率在2 2 到6 0 g h z 之间，可以测量不同气象条件下各地区 的温度分布【l l 。“神州四号”飞船带有覆盖频率6 6g h z 至i j 3 7g h z 的五套微波辐射计f 2 1 。 随着微波辐射计应用领域越来越广泛，对微波辐射计的性能也提出了越来越高的 要求。基于此，本论文对某项目中应用于测量大气中的水汽、液水的双频毫米波辐射 计的性能做出了具体分析并进行了测试。 1 2 微波辐射计的性能指标 辐射计的功能是测量天线温度t ，t 一描述了由天线送到接收机的目标辐射功率。 这个过程可由准确度和精确度这两个重要的属性来表征f 3 1 。 从概念上说，辐射计接收机的传递函数是用测量其输出电压对噪声温度的函数关 系而确定的。在微波辐射计中一般采用平方律检波，其输出电压与输入噪声功率成正 比。若能分别测得相应于两个输入噪声温度的输出电压，就足以确定标定线( 图1 2 1 ) 。 然后，利用这个标定线，把与天线连接时接收机所测得的输出电压，换算成天线温度。 假定标定测量是以高精密度测量而获得的，则天线温度t 的绝对淮确度取决于已知的 标定噪声温度绝对值的准确度，如果用无源器件做标定源，例如用匹配负载( 电阻) ， 可借助于控制其环境温度使其噪声温度的准确度保持在1 k 或更好的范围内。但实际 上。其它误差来源也对t 一的绝对测量准确度产生影响。 辐射计的测量精确度就是测量灵敏度，它是辐射计能够检测到的天线温度t 的最 小变化。为提高测量灵敏度，先后出现了迪克型辐射计、自动增益控制迪克型辐射计、 噪声相加型辐射计等各种体制的辐射计。第三章分析和讨论辐射计的测量灵敏度。 取频毫米波辐射计灵敏度分析与测试硕士论文 图1 2 1 标定线 辐射计的其它一些性能指针还包括辐射计的线性度，动态测量范围，噪声系数和 积分时间等，这些性能指针在第四章做了详细介绍。 1 3 本文的研究内容和主要工作 本文的研究基于双频毫米波辐射计在大气水汽、液水测量的实际应用，对双频毫 米波辐射计系统做了详细的介绍。本文的主要工作如下： 1 设计并调试辐射计天线转台的伺服控制器电路。伺服控制系统主要功能包括 天线定位、扫描、角度查询、零点限位处理等，主要由单片机来实现。编写了单片 机控制程序和主机程序。 2 调试毫米波天线测试系统的接收机电路，编写天线方向图测试软件，根据测 量结果分析了测量误差。 3 测试双频波辐射计的灵敏度、线性度、噪声系数等性能指标，编写灵敏度、 积分时间等性能测试软件，分析了各性能测试结果并给出提高性能指标的方法。 本文主要章节内容安排如下： 第二章详细阐述了辐射计天线转台的伺服控制系统的设计原理、方法。给出了具 体的电路原理图、软件编写流程、通信协议等。第三章介绍了天线测试系统的设计原 理、方法，它包括发射系统和接收系统。发射系统主要是一发射天线。接收系统由被 测天线、接收机、转台控制与数据采集系统和测量软件组成。给出了接收机的电路图、 测试方法和测试结果。 第四、第五章详细分析了双频毫米波辐射计的灵敏度、线性度、噪声系数等性能 指标。编写了灵敏度、积分时间等性能测试软件。给出并分析了各性能的测试结果。 第六章对用双频毫米波辐射计测量大气水汽、液水的原理做了详细介绍，并以上 海市为例给出了通过大气亮温反演大气水汽、液水过程。简单介绍了用g p s 测量大气 水汽、液水的原理，比较t g p s 和双频毫米波辐射计在西安临潼的观测结果 南京理工大学硕士学位论文 毫米波辐射计特性参数与性能测试研究 2 双频毫米波辐射计伺服控制系统设计 2 1 伺服控制系统要求 本双频毫米波辐射计系统主要是用于对流层大气折射修正中的水汽、液水测量。 引起对流层大气折射效应的主要因素是随空间和时间不断变化的大气折射率，因此， 要进行高精度的大气折射误差修正就必须实时测量出无线电波经过路径上的大气折 射率 4 j 。大气折射率的变化与气象参数压力p 、温度t 和湿度e 有关。通过双频毫米波 辐射计实时测量辐射计天线指向路径上的大气辐射亮温并结合气象站测量到的地面 温度、湿度、气压反演大气折射剖面，修正对流层大气折射造成的电磁波传播延迟， 获得对流层大气折射效应造成的定位误差。由于系统要求在任何方向进行大气折射修 正，所以辐射计天线能指向任意指定方向。基于此。天线转台采用方位、俯仰两维结 构的方案。 转台由伺服控制系统控制步进电机进行驱动。控制系统主要功能包括天线定位、 扫描、角度查询、零点限位处理等，主要由5 2 系列单片机来实现。转台最小角度分 辨率为0 1 。控制器与主机之间通过串口进行通信，用户通过主机接口程序进行操作。 整个系统原理框图如图2 1 1 所示。转台实物照片如图2 1 2 所示。 2 2 伺服控制器硬件设置 图2 1 1 伺服系统原理框图 伺服控制器通过控制步进电机驱动转台，它主要由控制电路和步进电机驱动器组 成。控制电路以单片机为核心，主要包括脉冲发生电路、零点限位处理电路、角度显 示电路、断电检测电路等组成。其硬件框图如图2 2 1 所示，实物图如图2 2 2 所示。 步进电动机又称为脉冲电动机或阶跃电动机，它是将数字电脉冲直接转换为位移 角度的机电设备。一般情况下，步进电机转动的总角度与输入的脉冲个数成正比。和 一般的电动机相比，它具有明显的特点：( 1 ) 电动机输入的信号为数字量，与采用微 处理器作为控制器能很好兼容；( 2 ) 位移与输入脉冲个数相对应，步距误差不会长期 积累；( 3 ) 易于启动、停止、正反转变化和变速，响应性好；( 4 ) 在开环或半死循环 取频毫米波辐射计灵敏度分析与测试 硕士论文 图2 1 2 二维转台实物照片 的控制状态下，仍具有良好的定位精度；( 5 ) 无电刷，可靠性高：( 6 ) 停止时具有自 锁功能；( 7 ) 不能采用普通的交直流电驱动，需要专用的驱动器驱动：( 8 ) 步进电动 机带惯性负载能力较差。本系统中步进电机采用9 0 b c 3 4 0 b h 型电机，相数= 3 ，步 进角= 1 5 。步进电机驱动器把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移。 通过控制步进脉冲信号的频率，可以对电机精确调速；控制步迸脉冲的个数，可以对 电机精确定位目的。由于步进电机存在低频振荡，为消除低频振荡，驱动器一般都采 取细分。驱动器细分后还存在着能提高电机的输出转矩和电机的分辨率等优点。本系 统中采用的驱动器是北京斯达特公司生产的s h 3 f 0 9 0 m h 型驱动器，细分数有2 、5 、 l o 、2 0 、4 0 等，可以通过拨码开关进行选择。最大输出电流为5 a 【5 j 。 4 取频毫米波辐射计灵敏度分析与测试硕士论文 图2 2 】伺服控制器电路框图 图2 2 2 伺服控制器控制部分电路 2 2 1 步迸电机驱动脉冲发生电路设计 脉冲发生电路由单片机控制8 2 5 3 产生。8 2 5 3 具有三个功能相同的1 6 位减法计数器 o ，l ，2 。可进行二进制或二十进制计数或定时工作，工作方式和计数常数由软 件编程来选择。每个计数器有三个引脚：c l k 为时钟输入线，在计数方式时是计数脉 取频毫米波辐射计灵敏度分析与测试硕士论文 冲输入端；0 u t 为计数器输出端，当计数器减为o 时，根据所置的工作方式输出相应信 号；g a t e 为门控信号，用于启动或禁止计数器操作。控制字寄存器用来控制工作方式 寄存器。单片机与8 2 5 3 的连接电路如图2 2 3 所示。 2 2 2 校零、限位电路设计 图2 2 3 脉冲发生电路原理圈 在转台转动过程中，如步进电机出现失步，就会使角度失真从而造成天线定位不 准确。且机械存在间隙，长时间运转后也会造成天线定位不准确。这时必须通过校准 电路进行校准。 由于天线和微波箱安装在转台之上，为保证安全，必须装有限位保护电路。限位 电路原理图如图2 2 4 所示。其工作原理如下：转台正常运转时，转台限位划片不挡住 限位光耦，方位( 俯仰) 限位e 输出高电平。如果出现意外，限位划片挡住限位光耦， 这时方位( 俯仰) 限位e 输出低电平从而引发中断，并且通过硬件电路将方位( 俯仰) f r e e 信号置为低电平使电机停i e 转动。 2 3 软件设计 本系统的软件设计主要包括控制器中的单片机程序设计和提供友好的人机接口 的主机程序设计。单片机程序主要实现对驱动器的控制、掉电检测、脉冲计数、角度 显示等功能。 量堕型坚望苎塑望苎型壅 奎鲞垫塑堑堂丝查墼兰丝堕型苎笪窒 2 3 i 单片机程序设计 2 3 i 1 命令格式及功能 图2 2 4 限位电路原理图 由于用户通过主机接口程控天线转台，所有的命令都由主机通过r s 一2 3 2 送给单片 机。通信协议格式如表2 3 1 所示。 表2 3 】通信协议格式 同步码i 命令( 应答) 码l 参数( 资料) 码i 累加和 i 计算机向伺服控制器发送的命令包含8 字节数据，具体如下： 同步码( 2 字节) 0 x 5 5 ，0 x 5 5 ； 命令码( 1 字节) 码字： 参数码( 6 字节) 参数1 ，参数2 ，参数3 ，参数4 ； 累加和( 1 字节) 前面7 字节的累加和( 取低8 位) 。 伺服控制器接收的命令包格式与此类似。表2 3 2 列出了计算机向单片机发送的主 要命令功能及命令码。 表2 3 2 计算机向单片机发送的主要命令功能及命令码 序号命令名称命令码功能 1 握手 o x 2 0 伺服开机之前同主机进行握手 2 定位 0 x 2 4 转到指定位置 3 停止 o x 2 a 命令伺服立即停止转动 双频毫米波辐射计伺服控制系统设计硕士论文 4 查询角度 0 x 2 9 查询转台当前的绝对位置坐标 5 伺服关机 o x 3 0 命令转台从当前位置转到安全位置( 0 度) ，等 待关机 6 退出限位 o x 2 e 在转台限位状态下，命令转台自动退出限位。 退出限位后，希望立即进行“伺服校零” 7伺服校零 o x 2 8 校准转台的绝对零点坐标 8写误差 0 x 3 4 将天线误差写入e e p r o m 2 3 1 2 程序工作流程 程序在上电后首先进行参数初始化，随即读当前角度并判断是否限位，如果无限 位，则循环等待主机发送过来的命令并执行。相反，如果限位，则向主机发送限位报 警命令并禁止执行其它任何命令。整个程序的流程图如图2 3 1 所示。 图2 3 1 主程序流程图 单片机接收到主机定位命令时，发送应答码，求出目标角与当前位置的角度间隔。 首先转动方位电机直到方位目标位置，随后开始转动俯仰电机，转到俯仰目标位置后 堕蔓墨三盔堂堡主兰堡墼一塞鲞墼塑堕生壁竺堡墼皇堡丝塑蔓堑窒 定位命令执行完毕，并回到循环等待主机发送命令状态。其程序流程图如图2 3 2 所示。 图2 3 2 定位子程序流程图 单片机接收到主机校零命令时，发送应答码并分别快速将方位、俯仰电机转到 ( - 2 0 。，1 。) 的位置。方位电机开始正向慢动并不断检测方位零点光耦信号，检测 到零点信号后继续转过光耦位置从而回到绝对方位零点位置。方位回到绝对零点后， 俯仰电机开始正向慢动并不断检测俯仰零点光耦信号，检测到零点信号后继续转过光 耦位鬓角从而回到绝对俯仰零点位黄。其程序流程图如图2 3 3 所示。 单片机接收到退出限位命令时，发送应答码，判断是方位限位还是俯仰限位。随 后朝限位前转动方向的相反方向转动壹到限位信号检测到为高。退出限位命令执行完 毕，这时希望立刻执行校零命令。其程序流程图如图2 3 4 所示。 9 苎塑堕毯塑堡堡! 塑! 量型墨堕堡盐 雯主堕塞 图2 3 3 校零子程序流程图 图2 3 4 退出限位子程序流程图 1 0 南京理工大学硕士学位论文 毫米波辐射计特性参数与性能测试研究 2 3 2 主机程序设计程序 主机程序设计主要是向用户提供友好的操作接口。用户通过人机接口能非常方便 的对转台进行各种操作、控制。主机通过串口与下位机进行通信。 2 3 2 1 常用串口通信编程方法1 6 i 本系统中主机程序采用v c + + 6 o 进行开发。v c + + 6 o 是微软公司于1 9 9 8 年推出的一 种开发环境，以其强大的功能，友好的接口，3 2 位面向对象的程序设计及a c t i v ex 的灵活性而受广大软件开发者的青睐，被广泛应用于各个领域。应用v c + + 开发串行通 信目前通常有如下几种方法：一是利用w i n d o w sa p i 通信函数；二是利用v c 的标准通 信函数一i n p 、一i n p w 、一i n p d 、一o u t p 、一o u t p w 、一o u t p d 等宜接对串口进行操作；三是 使用m i c r o s o f tv i s u a lc + 十的通信控件( m s c o m m ) 。以上几种方法中第一种使用面较 广，但由于比较复杂，专业化程度较高，使用较困难；第二种需要了解硬件电路结构 原理；第三种方法较简单，只需对串口进行简单配置，但实时性、灵活性比较差。利 用w i n d o w sa p i 通信函数主要包括以下过程： ( 1 ) 打开串口 w i n 3 2 中用于打开串口的a p i 函数为c r e a t e f i l e ，其原型如下： c r e a t e f i l e ( s z d e v i c e ，f d w a c c e s s ，f d w s h a r e m o d e ，l p s a ，f d w c r e a t e ， f d w a t t r s a n d f l a g s ，h t e m p l a t e f 儿e ) ： s z d e v i c e 将要打开的串口逻辑名，如c o m i 或c o m 2 ： f d w a c c e s s 指定串口访问的类型，可以是读取、写入或两者并列； f d w s h a r e m o d e 指定共享属性，由于串口不能共享，该参数必须置为o ； l p s a 弓| 用安全性属性结构，缺省值为n u l l ： f d w c r e a t e 仓q 建标志，对串口操作该参数必须置为o p e n e x s i t i n g t f d w a t t r s a n d f l a g s 属性描述，用于指定该串口是否可进行异步操作： h t e m p l a t e f i l e 指向范本文件的句柄，对串口而言该参数必须置为n u l l 。 ( 2 ) 配置串口 配置串1 2 1 是通过改变设备控制块d c b ( d e v i c ec o n t r o lb l o c k ) 的成员变量值来实 现的，接收缓冲区和发送缓冲区的大小可通过s e t u p c o m m 函数来设置。 ( 3 ) 超时设置 超时设置是通过改变c o m m t i m e o u t s 结构的成员变量值来实现的，以下程序将串口 读操作的超时设定为l o 毫秒。 c o 删t i m e o u t st o ： 双频毫米波辐射计伺服控制系统设计 硕士论文 m e m s e t ( & t o ，0 ，s i z e o f ( t o ) ) ： t o r e a d 工n t e r v a l t i m e o u t = 1 0 ： s e t c o m m t i m e o u t s ( h c o m ，& t o ) ： ( 4 ) 数据读写 对串口进行读取、写入所用的函数和对文件进行读取、写入所用的函数相同。具 体实现可采用查询、同步、异步或事件驱动等方法，对串口进行读取、写入所用的函 数原型如下： r e a d f il e ( h c o m ，i n b u f f ，n b y t e s ，& n b y t e s r e a d ，& o v e r l a p p e d ) ： w r i t e f i l e ( h c o m ，o u t b u f f ，n t o w r i t e ，& a c t u a l w r i t e ，& o v e r l a p p e d ) ： ( 5 ) 关闭串口 利用a p i 函数实现串口通信时关闭串口非常简单，只需使用c r e a t e f i l e g 数返回 的句柄作为参数调用c l o s e h a n d l e & p 可，其函数原型如下： c l o s e h a n d l e ( h c o m ) ： 2 3 2 2 本主机软件串口通信编程方法 尽管利用a p i 函数实现串口通信的编程方法功能强大，灵活性好，但原理上比较复 杂，需要编程人员对串口的硬件工作原理有较深入的了解。为简化编程，我们将上述 函数封装在一个类中，其成员函数原型如下： h a n d l eo p e n _ c o m p o r t ( d w o r dc o m p o r t ，d w o r db a u d r a t e ) ： i n tc l o s e c o m p o r t ( h a n d l ed r i v e r h a n d l e ) ： i n tw r i t e c o m p o r t ( h a n d l ed r i v e r h a n d l e ，d w o r dn u m b y t e s ，v o i d * b u f f e r ) ： i n tr e a d _ c o m p o r t ( h a n d l ed r i v e r h a n d l e ，d w o r d * b y t e s r e a d ，d w o r db u f f e r s i z e v o i d * b u f f e r ) ： 下面以查询角度命令程序为例，来说明封装后的函数使用方法。 h a n d l eh c o m ： h c o m = o p e nc o m p o r t ( 1 ，4 8 0 0 ) ：打开串口1 ，波特率设为4 8 0 0 u n s i g n e dl o n gb y t e s r e a d ：$ 口接收缓冲区内的位组长度 c h a r * r e a d s t r ：n e wc h a r 1 0 2 4 ： c h a r * s t r 2 c o m = n e wc h a r 1 0 2 4 ；发送的字符数组 s p r i n t f ( s t r 2 c o m ，”c c c c c c c c n ”，0 x 5 5 ，0 x 5 5 ，0 x 2 8 ，o x 0 0 ，o x 0 0 ，o x 0 0 ，o x 0 0 ，o x 0 0 ) ： 查询角度命令码的8 个字节。 w r i t ec o m p o r t ( h c o m ，9 ，s t r 2 c o m ) ：发送命令码 南京理工大学硕= b 学位论文 毫米波辐射计特性参数与性能羽l 试研究 s l e e p ( i 0 0 ) ： 延时l o o m s i f ( r e a d s o m p o r t ( h c o m ，& b y t e s r e a d ，1 0 2 4 ，r e a d s t r ) = = f a l s e ) 读串口失败 a f x m e s s a g e b o x ( ”与伺服控制器通信不成功，请检查! ”) ： r e t u r n ： ) e l s e 。读取串口接收缓冲区r e a d s t r 中的资料，转换成角度并在程序上显示 2 4 小结 经过测试和使用检验，用上述方法实现的伺服控制系统稳定性、可靠性都比较好， 达到了合同的各项要求。该伺服控制系统不仅可用于双频毫米波辐射计系统，还可用 于天线测试系统。 1 3 n u n 和8 m 毫米波辐射计天线方向图测置硕士论文 3 1 3 r a m 和8 m m 毫米波辐射计天线方向图测量 3 1 辐射计天线1 3 i 微波辐射计通过天线接收来自天线主瓣方向和所有旁瓣方向的微波噪声。天线接 收来自主瓣的微波噪声，把旁瓣方向引入的噪声当作干扰的信号。因此可以把天线温 度表示为： i jl ，( 口，) 只( 口，) 如| j 兀，( 臼，庐) 只( 臼，庐) 如 驴盟丽丽r + 型丽矿。 。i ” 式中，只，( 秽，声) 为视在温度分布，k ； 只( p ，) 为天线归一化方向图。 定义主瓣贡献的平均视在温度亍。 盯l ，( 口，奶只( 扫，) 如 k 2 阿 旁瓣贡献的平均视在温度t s l ： r 乩 盯( 口，矿) e ( 口，) 靠 定义天线的主波束效率 盯只p ，) 靠 铲毓 则天线杂散因子为： 盯e ( 目，) 如 町带而万。1 嘞。 ( 3 1 2 ) ( 3 1 3 ) ( 3 1 4 ) ( 3 1 5 ) 4 f 利用上面式子，式( 3 1 1 ) 可以表示为： t = 哥m + ( 1 一翠) 哥。 ( 3 i 6 ) 由上式可知，主瓣效率越大，由旁瓣引入的测量误差也越小。为了减小测量误差，应 1 4 一一 南京理工大学硕士学位论文 毫米波辐射计特性参数与性能测试研究 该尽量增大主波瓣宽度、抑制旁瓣、增加天线增益来提高天线主瓣效率。本系统中所 用的1 3 r a m 和8 m m 天线为直径为4 5 0 m m 的抛物面反射面多模馈源天线。为测量天线性 能，专门设计了一套天线测量系统。 3 2 测量系统 本天线测量系统包括发射系统和接收系统。发射系统主要是一发射天线，它架设 在一发射架上。接收系统由被测天线、接收机系统、转台控制与数据采集系统和测量 软件组成。被测接收天线放在方位俯仰二维转台上，转台的最小分辨率为o 1 。；接收 机系统由高频处理、中频处理、检波对数放大器构成；控制与数据采集系统包括带 有】6 位的p c 总线数据采集卡的p c 机和转台伺服机构；测量软件具有控制天线转 台方位向俯仰向转动、数据采集、天线参数测量及方向图显示功能，测量软件使用 v b 6 0 编写。其系统框图如图3 2 1 所示。 3 2 1 接收系统 图3 2 1 天线测量系统框图 接收系统主要由被测天线、接收机系统、转台控制与数据采集系统组成。接收机 系统将被测天线接收的信号进行放大并交由数据采集系统进行采集，采集后的数据通 过测量软件处理得出被测天线的方向图。接收机系统包括高频电路、中频电路、检波 对数放太电路及电平转换电路等。 1 3 m 和8 姗毫米波辐射计天线方向图测量硕士论文 3 2 1 1 高频电路 该部分主要由接收天线，前置射频放大器，本振频率合成器，混频器，带通滤波 器组成，完成射频信号到第一中频的变换。其输出中频信号最i = 4 9 5 m h z ，输出功率电 平最大值p i l 。一l o d b m 。 3 2 i 2 中频电路 图3 2 2 接收机系统高频部分示意框图 该部分主要由带通滤波器，本振锁相环路，混频器，中频低噪声放大器和中频滤 波器组成。输入信号功率p m a x = 一1 0 d b m ，输出中频f i 2 = l o 7 m h z ，输出功率最大值 p n m “= - 2 1 d b m 。 4 9 5 m h z ，1 0 m h z1 0 7 m h z 4 m h z m 图3 2 ，3 接收机系统中频电路示意框图 带通滤波器采用声表面波滤波器，声表面波滤波器是在具有压电效应的基片上制 作两个叉指换能器( i d t ) ，其中一个为输入，一个为输出，当输入换能器上加载交 变信号时，由于逆电压效应，在基片表面产生形变，并向两侧传播，即声表面波 ( s a w ) 。当接收换能器接收到声表面波以后，由于压电效应，在换能器上出现电信 号。通过对换能器的形状进行合理的设计，可以达到对电信号滤波的目的口j 。本系统 中采用的声表面波滤波器中心频率f o = 4 9 5 m h z ，带宽b w = 1 0 m h z ，插入损耗约 l = 2 0 d b 。本振信号源由m o t o r o l a 公司的单片集成f m a m 振荡器m c l 3 1 7 6 和少量外 1 6 南京理工大学硬士学位论文 毫米波辐射计特性参数与性能测试研究 接组件构成。它是个由c o l p i t t s 参考振荡源、u h f 振荡器、+ 3 2 预分频器和鉴相器 构成通用的锁相环系统，从而能够将本振频率准确的锁定在所需要的频率上。本振频 率的计算公式为f o = 3 2 x 0 。混频器采用h p 的5 g h z 微波单片集成( m m i c ) 混频 放大器i a m 8 1 0 0 8 ( m i x e r f l fa m p ) ，它具有5 0 m h z 5 g h z 的r f 。i f 转换增益和 d c 1 g h z 的i f 增益，其典型的转换增益为g c = 8 5 d b 。末级带通滤波器采用l c 滤 波器，其中心频率f 0 2 = 1 0 7 m h z ，带宽4 m h z ，带内振荡q - o 2 d b ，其插入损耗很小， 可以忽略不计。其原理图如图3 2 4 所示。 船n i e n n a _ 图3 2 4 接收机系统中频电路原理图 3 2 1 3 检波及对数放大电路 本部分电路主要由前置低噪声放大器，可调衰减器，检波和对数放大器组成。其 输出范围为0 5 v - 4 v ( - 7 5 d b m 一+ 5 d b m ) ，工作频率选择在对数放大器的典型工作频 率1 0 7 m h z 。 1 3 r m 和8 a m 毫米波辐射计天线方向图襁4 量硕士论文 l n al n a- 7 5 d b m 一十5 d b m q 一可调衰减卜七一检波融放大卜叶0 5 v 【一l 。j 图3 2 5 检波及对数放大电路示意框图 它的核心是低噪声放大电路和对数放大电路。低噪声放大器( l n a ) 采用m a r - 3 ， 通过三级级连构成放大电路，其增益大小通过加在第一级之后的可调衰减网络来调 节，以提供1 6 d b 2 6 d b 的增益。对数放大电路采用的是a d 公司的单片集成对数检 波放大器a d 6 0 6 。它采用了似对数放大技术，由9 级性能一致的a o 单元以全波整 流方式级连构成，从而实现了在9 0 d b 的动态范围内以o 4 d b 的线性度逼近对数响 应，并提供限幅输出。其工作频率可以高达5 0 m h z ，线性动态范围8 0 d b m ，在典型 工作频率1 0 7 m h z 下，输出的典型值为3 7 5 m v d b ，该斜率电压可以通过外部电路来 进行微调。a d 6 0 6 内部还集成有一个失调控制电路，用来消除输入端的失调电压， 改善对数放大器的小信号响应特性【引。其输出电压与输入电压的关系为： v o 。= v ，t l g 一v a d b ) 。 ( 3 2 1 ) 式中，圪。为输出电压，m v ； v 。= 3 7 5m v d b ； 吆为输入电压，r f l v ： e 是截距电压，为一常数。 图3 2 6 检波及对数放大电路原理图 3 2 1 4 电平变换及显示电路 该部分主要由缓冲放大器，电平变换网络，数字表头，a d 数据采集卡组成。 图3 2 7 电平变换及显示电路示意框图 南京理工大学硕士学位论文 毫米波辐射计特性参数与性能测试研究 经电平变换后，输入到数据采集卡的电压范围为0 - - 8 v 。由于0 v 对应0 d b ，电 压每增加1 0 0 m v ，增益就相应地减少l d b 。所以对应天线增益范围为o d b 一8 0 d b 。 图3 2 8 电平变换及显示电路原理图 3 2 2 转台控制与数据采集系统 t o ，囊 转台控制部分在上一章已做详细介绍，在此不再赘述。数据采集系统主要完成 电压数据采集功能。本系统中采用的数据采集卡是北京双诺公司的1 6 位p c i 总线数 据采集卡a c 6 1 1 2 。a c 6 1 1 2 具有1 6 路单端或8 路差分模拟输入、2 路1 2 位d a 输 出、1 6 路可编程开关量、一路1 6 位计数器、采集转换支持多种触发形式。 a d 多信道最快采集速度达到3 3 3 k h z ( 建立到o 0 2 精度，1 3 l s b 误差) ；输入 信道支持自动扫描模式，可以设置任意起始、截止通道；可以通过软件、外部硬件触 发启动a d ；输入量程可编程，可选择量程有1 0 伏、5 伏、士1 0 伏。d a 分辨率1 2 位； 模拟输出量程l o 伏、+ 1 0 伏由用户通过编程选择；零点误差小于+ 1 5 毫伏，输出建立时 间小于5