微波辐射计使用手册范本

1、地基多频段微波辐射计使用手册(HSMR市海思电子信息技术有限责任公司2011年10月1产品简介 12. 接收机的原理与设计 53. 操作步骤和软件使用 73.1软件功能 83.2单极化微波辐射计控制软件 83.2 S波段双极化微波辐射计控制程序 113.3 L波段双极化微波辐射计控制程序 124. 微波辐射计的定标 155. 微波辐射计电缆连接标识 156. 微波辐射计安装与使用注意事项 166.1接收机安装与电缆连接 176.2 数据采集器与电源的安装 176.3 系统接地要求 177. 探测环境条件要求 187.1探测环境条件的要求 187.2探测场地的要求 187.3工作室要求及设备安置

2、 198. 常见故障分析 191产品简介微波辐射计是宽频带、高增益、高灵敏度的被动微波遥感仪器，能够在很强 的背景噪声中提取微弱的信号变化量。通过接收被测目标自身的微波辐射获取相 应的物理特性，经过有效的数据反演进行定量分析。本套产品的微波辐射计主要包括 7个频率的仪器，在微波频率划分上分别是L、S、C、X、Ku K和 Ka,具体设计对应频率为 1.4GHz, 2.65GHz, 6.6GHz, 10.65GHz, 13.9GHz, 18.7GHz, 37GHz 其中 1.4GHz 和 2.65GHz 为双极化天线，6.6GHz, 10.65GHz, 13.9GHz, 18.7GHz, 37GH

3、z为喇叭天线，可以旋转机身转换极化测量， 以求对岩石加载过程中微波多个频率点有深入细致的了解。单极化接收各波段微波辐射计的原理框图如图 1所示。图1微波辐射计接收通道原理框图双极化微波辐射计利用双极化接收天线同时接收目标的微波辐射信息，由线性极化分离器分别获取水平极化和垂直极化信息，经两路接收通道进行处理。数字控制单元完成射频开关的控制，并将测量得到的原始数据通过串行通讯 送到主计算机。L、S波段属于微波遥感应用频率的低端，极易受到其它电磁辐射源的影响， 因此需要在通道中增加高精度滤波器。L波段采用了 7阶契比雪夫带通介质滤波 器，工作频带为1400MH 1427MHz过渡带宽15MHz带损耗

4、为1dB,过渡带损 耗大于60dB; S波段采用了 5阶契比雪夫腔体滤波器，工作频带为 2.65GHz 2.85GHz,过渡带宽20 MHz,带损耗为2dB,过渡带损耗大于60dB。系统原理框 图如图2所示。平方律 检波器视频放 大器平方律视频放* 检波器*大器A/D转换A/D转换数字控制单元图2双极化微波辐射计接收通道原理框图为了提高L波段双极化微波辐射计的抗干扰性，采用了电源与接收机分离的 技术方案，即二者为两个独立结构的箱体单元。单极化微波辐射计采用了标准矩形喇叭天线接收目标的辐射， 双极化微波辐 射计采用前馈式抛面天线型式，馈源为高性能的波纹喇叭，在近场的情况下，可 以进行独立测量。矩

5、形喇叭天线的 3dB波束角为15 ，增益18dB;抛物面天线 的3dB波束角为15 （ L波段）、7.5 （S波段），增益为25dB。天线表面结构 如图3所示。图3天线表面结构示意图系统的主要技术指标如表1所示。表1微波辐射计主要技术指标工作频率(GHz)1.4132.66.610.013.918.736.5中频带宽(MHz)20200400400400200400灵敏度(K， 积分时间100毫秒)0.100.100.100.10.10.150.15灵敏度(K, 积分时间1秒)0.040.040.040.040.040.050.05数据采集 率100点/秒线性相关 系数0.9999亮温测量围(

6、K)150500天线型式对角低副瓣喇叭天线接收机定标精度(K)0.2 1.0稳定度0.15K/day , 1.0K/(mo nth) , 2.0K/(year)重量(kg)5566666体积200mm 200mm 350mm供电方式交流220伏接收机功耗(W)50505555556060数据终端Win dowS XP/人机对话界面，接收机与主计算机通讯方式为RS232/422工作环境 温度20 C+ 55 C2. 接收机的原理与设计根据Planek辐射定律，处于绝对零度以上的任何物体在所有的频率上均辐 射电磁能。一般认为，物体在微波波段向外辐射能量是由分子旋转和反转以及电 子自转与磁场之间的相

7、互作用产生的。物体的微波辐射能量强弱首先与其本身性 质有关，还与物体的温度和表面状态、频率、极化、传播方向等因素有关。接收 机采用数字增益自动补偿技术方案，系统框图如图4所示。数字增益自动补偿微 波辐射计是将一个基准参考源信号通过微波辐射计系统，在输出端检测出系统增益的变化量，用专门设计的数字单元控制系统，按此变化量去修正所接收目标的 辐射量，达到系统增益不变的目的。数字增益自动补偿微波辐射计由天线、 射频 开关，微波基准源，接收组件(射频放大器、中频放大器、平方律检波器、视频 放大器及积分器)，A/D变换，数字控制单元及显示等电路组成。数字控制单元 给出输入开关的控制信号，数字控制单元按此信

8、号同步地分别采集基准源和天线 接通时辐射计的输出信号进行处理。当系统增益稳定时，基准源T1及天线与接收机相连时所对应的微波辐射计输出电压分别为：Vi Gs 仃i Trec )vaGS (TaTrec)当系统增益变化时，基准源 T1及天线与接收机相连接所对应的微波辐射计输出电压分别为:GS (T1Trec )(3)Gs (Ta Trec )(4)利用基准源T1通过系统后的输出电压检测系统增益的变化，对系统增益变化时天线输入所对应的输出电压进行补偿，其补偿式为:(5)如果Vi Vi，说明系统增益变大，Vi/Vi将小于1。用它乘以因系统增益变大而升高的Va，达到系统增益补偿的目的，反之亦然。将（1）

9、、（3）及（4）代入（5），可得补偿后的电压值Va为:VaGs(TaTrec)(6)比较（6）式和（2）式可知，无论系统增益如何变化，经过补偿后系统的增益始终保持不变，从而达到稳定系统增益的目的。显示 *单片机图4数字增益自动补偿微波辐射计系统框图微波辐射计的最小可检测信号由系统噪声的不确定性和系统增益的不确定 性共同决定，而系统增益起主要作用。数字增益自动补偿微波辐射计能很好地实 现增益补偿，使系统增益波动引起的不确定性趋于零，起到稳定系统增益的作用,从而达到提高微波辐射计灵敏度的目的。 在高灵敏度的需求下，为了避免控温装 置电流切换引起的脉冲扰动，且在夏日太阳照射下机箱环境温度难以控制，数

10、字增益自动补偿微波辐射计没有采用恒温源和控温方案，而采用与机箱具有相同温度的匹配负载作为参考源。因此当辐射计长时间处于一个温度变化的环境中，当机箱温度随着环境温度发生变化时，辐射计参考源的噪声温度也会随着机箱温度 的变化而改变，辐射计输出数据会随环境温度变化而变化， 导致测量误差。传统 方法是采取环境温度变化修正方法对测量数据进行修正，从而保持系统的稳定。 在本系统的实施方案中采用计算机数字补偿技术。该种型式的微波辐射计结构简单、工作稳定、调试方便，由于存储了多种原 始数据便于进一步的数据处理，解决了其它型式微波辐射计存在的慢漂移问题， 实现了高稳定、高灵敏度测量。在辐射计输出的数据文件中，存

11、储原始数据、修 正后数据和辅助数据。在接收机的设计中采用了温度补偿算法，确保了仪器的温度稳定性。3. 操作步骤和软件使用地基多频段微波辐射计主控程序由 VB6.0语言编制，采用多线程工作方式完 成各项功能。从提高软件可靠性和容错能力的角度，系统使主控机与下位机的串 口设置保持一致、通信波特率保持相同。考虑了超时差错及通信中断和参数修正 等处理，并采用了数据累加和校验、关键字重发等措施。由于接收机工作的状态不同，分别编制了三种操作软件。L和S波段分别是独立型式的控制程序，C、X、Ku、K和Ka具有相同型式的控制程序（单极化微波 辐射计控制程序）3.1软件功能实时显示微波辐射计测量的数据：电压数码

12、值、亮度温度值 设备标定系数存储在“ .txt ”文件中，可以读取和修改； 提供大气目标特征描述记录文件，辅助分析测量数据；根据操做者的指令，动态显示测量曲线，可以选取纵坐标显示的最大值和最小值；通过主界面的命令按钮可以选择需要显示的物理量；以十六进制的形式显示原始测量数据代码，便于判断设备是否处于正常工作状态，标准的字头位“ OKTC,如字头错误说明仪器有故障;图形的横坐标是时间序列，纵坐标是探测数据；实时指示鼠标位置对应的测量数值；根据数据通讯串口的连接选择串行通讯端口，软件自动判断微波辐射 计两个通道输出的数据；辅助测量数据包括机箱温度探测数据和系统增益调整数据，供生产厂 家维修设备使用

13、，用户不需要使用该数据。3.2单极化微波辐射计控制软件为了方便操作，系统的主要工作流程控制由下位机自动完成， 上位机数据终图5单极化微波辐射计主控程序界面端的主控程序完成数据接收、处理、显示和存储功能，所有程序均存储在“东北大学微波辐射计程序”目录中。单极化微波辐射计主控程序界面如图 5所示。具 体步骤如下：（1）首先打开接收机，然后点击相应频率微波辐射计的控制程序“ *.exe ”文件，启动程序。程序根据工作频率自动寻找数据文件夹，并根据启 动时间标识文件名。数据文件存储在“ d: ”盘的根目录“微波辐射计测量数据” 中，其子目录包括各频段的测量数据。如 C波段的测量数据存储在“ 微波辐 射

14、测量数据C波段微波辐射计测量数据”，在该子目录中包括“测量亮温值”、“测量数码值”和定标系数文件。在定标系数文件中，包含了定标时的系数，每次定标后通过记事本更改定标系数，其中“ KA=为定标方程的截距，“KB=为 定标方程的斜率。在“测量亮温值”文件中，存储测量日期、测量时间和亮度温度数据，供用户使用。“测量数码值”文件中，存储测量日期、测量时间、参考 源测量值、天线亮温测量数码值、机箱温度测量数码值、自动增益AGC数值，该文件供仪器调试使用。数据文件以“ .dat ”形式存储，可利用记事本、EXCEL? 数据处理软件读取。单极化辐射计数据格式说明如表 2所示。表2单极化辐射计“测量数码值”数

15、据文件格式说明列数容说明1日期：女口 2011-10-152时间：如20 : 25: 153CREF未进行数据修正时辐射计参考源的输出值，十进制数值4REF修正后辐射计参考源的输出值，十进制数值5ANT修正后辐射计测量数码值，被用户使用，十进制数值6EANT未经修正的辐射计测量码值，十进制数值7T1第一通道温度传感器测量值，十进制数值，监测参考源温度8T2第二通道温度传感器测量值，十进制数值，监测参考源温度9AGC自动增益控制数值(2) 微波辐射计的数据通讯型式为 RS-485串行通讯模式，为了抗干扰，采 用了 2400bit/s的通讯速率，在计算机端口通过RS-485与RS-232转换器件，

16、将 485电平转换为232电平。根据计算机的串行端口标识，在选择通讯端口，通常默认为“ C0M1。(3) 点击，数据终端开始接收数据，根据实际探测需要，可以在中选择数据平滑点数，以便观察更为细致的变化。(4) 在显示界面，通过点击和切换显示的物理量。(5) 在“原始数据”文本框中，显示数据终端接收的十六进制测量数据，可做仪器是否正常工作的基本依据(6) 在辅助测量文本框中，显示仪器工作状态参数，供判断仪器状态参考 数据。(7) 微波辐射计主要测量数据即为亮度温度。3.2 S波段双极化微波辐射计控制程序(1) S波段双极化微波辐射计的控制程序主界面如图 6所示。图6 S波段双极化微波辐射计主控界

17、面操作过程与上述单极化微波辐射计的控制程序相同。主要的不同之处如下：(2) 在定标系数文件中，存储了水平极化和垂直极化的定标系数，其中KAH=为水平极化通道定标方程的截距，“ KBH=为水平极化通道定标方程的 斜率；“ KAV=为垂直极化通道定标方程的截距，“ KBV=为垂直极化通道定标方 程的斜率。(3) 在显示窗口，同时显示垂直和水平极化的测量曲线。在测量结果显示文本框中，参考源测温点1是垂直极化通道参考匹配负载的物理 温度测量数码值；参考源测温点2是水平极化通道参考匹配负载的物理温度测量 数码值。S波段双极化辐射计数据格式说明如表 3所示表3S波段双极化辐射计“测量数码值”数据文件格式说

18、明列数容说明1日期：女口 2011-10-152时间：如20 : 25： 153CREF未进行数据修正时辐射计参考源的输出值，十进制数值4REF修正后辐射计参考源的输出值，十进制数值5ANTH水平极化修正后辐射计测量数码值，被用户使用，十进制数值6EANT H水平极化未经修正的辐射计测量码值，十进制数值7ANTV垂直极化修正后辐射计测量数码值，被用户使用，十进制数值8EANTV垂直极化未经修正的辐射计测量码值，十进制数值9T1第一通道温度传感器测量值，十进制数值，监测参考源温度10T2第二通道温度传感器测量值，十进制数值，监测参考源温度11T3第二通道温度传感器测量值，十进制数值，监测参考源温

19、度12AGC自动增益控制数值S波段双极化辐射计测量亮温值数据格式说明如表 4所示表4 S波段双极化辐射计“测量亮温值”数据文件格式说明列数容说明1日期：女口 2011-10-152时间：如20 : 25： 153TBH水平极化测量亮温值4TBV垂直极化测量亮温值注：由于S波段微波辐射计的特殊性，开机20分钟后进入稳定工作状态3.3 L波段双极化微波辐射计控制程序L波段辐射计更易受到全球定位系统、地面雷达和地面通讯系统发射信号的干扰，为了能够在后续的数据处理中采取有效的方法，L波段双极化微波辐射计采用了快速采集的数字Dicke式。其主控界面如图7所示。为了实现高数率的数 据获取，L波段双极化微波

20、辐射计采用了上位机传输 AGC控制指令的方案，数据 传输速率为19200bit/s，每秒达到100个数据点。由于 Windows XP系统下运行 VB6.0程序，在进行快速数据处理过程中，难以保障高稳定的通讯，所以在接收 机增加了复位键，在需要更改 AGCfi时，需要进行复位。具体操作步骤如下：（1）首先打开微波辐射计的电源开关，运行“ L波段Dicke型程序.exe ”文件;（2） 设置数据通讯端口，点击启动程序，弹出图8的窗体，根据 需求设置数据文件存储路径，并按确定返回主程序；Et*iL任灵章白PH 11 口AS71口|卜站U毛匸微波辐射计输出帀亡蛮珥遇卅忒1小*呃吐旳g量?0LI-LC

21、.中珀就哄1.iGC2厂1厂厂r更伍時龙出千帝化皿由 停止釀好気五耳硼耳择爭萨削丁rTriifmM |律刪期陣烹出平鳌|【汞平稷际拧曲：畑祐1M1W图7L波段双极化微波辐射计主控程序界面图8L波段双极化微波辐射计文件存储路径设置界面（3）设置AGC值，初始为即时文本框显示的数据，通常为AGC1=1024AGC2=1069（4）在程序开始时，接收的是测量参考源的测量数据， 同时给出此时的AGCfi;（5）根据微波辐射计的输出情况，在更改值文本框中输入需要更新的 AGO值，点击和分别确定垂直极化通道与水平极化通道需要更新的AGC十六进制值；（6） 分别点击和向下位机传送AGCS;（7） 待下位机得

22、到正确的AGCfi后，点击和停止传送AGCS;（8）上述过程，两个极化通道可以独立进行。若，不能够完成正确的操作，可以按动接收机的复位键，重复上述操作。接收机有两个复位键，黄色为水平极化 通道的复位键，红色为垂直极化通道的复位键；（9）在输出结果显示曲线中，红色代表垂直极化的测量结果，黄色代表水平极 化的测量结果4. 微波辐射计的定标系统采用了 “数字增益波动自动补偿”接收机方案和温度补偿技术，通过测 量参考源对应的输出和其物理温度的变化，进行增益波动和温度补偿。利用精密 电子电位器和程控自动增益控制器， 抑制和补偿本机噪声引起的波动。 因此，系 统不需要频繁定标。微波辐射计的定标工作，就是建

23、立微波辐射计的输出数码值（Vout ）与输入亮度温度（Tb ）之间的关系。在微波辐射计的接收机中，采用了平方律检波技 术，所以输入与输出之间呈线性关系，即：Tb a b Vout（ 7）由上式可知，只要提供两个温度源，通过解线性方程组，即可获得方程的定 标系数。液氮对微波信号没有衰减，所以可以利用液氮浸泡微波吸波材料获得低 温源，考虑接收机天线的驻波，可获得78K的低温源。测量环境温度下微波吸波 材料的物理温度，作为高温源。分别记录高低温源对应的微波辐射计的输出，求 解线性方程组获得定标系数，记录在定标系数文件中。5微波辐射计电缆连接标识在本系统中采用了统一的供电电缆，为 HJ- 14型3芯，

24、其中针孔1为地信 号，针孔2、3为交流输入。数据通讯接插件为5芯接插件，其中L波段采用了 HJ-23型，其它频段的辐 射计采用了 HJ 14型，接线表如表5所示。表5数据通讯电缆接线表针孔序号标识说明1R ( + )接收信号的正电平端2R (-)接收信号的负电平端3GND地4T (-)发送信号的负电平端5T ( + )发送信号的正电平端与主控计算机连接的接插件为标准的 9芯D型阴头，接线表如表6所示。表6数据通讯电缆接线表针孔序号标识说明1R ( + )接收信号的正电平端2R (-)接收信号的负电平端3GND地4T (-)发送信号的负电平端5T ( + )发送信号的正电平端6N空7与8短接8与

25、7短接9N空6. 微波辐射计安装与使用注意事项仪器开箱后，应先做联机试验，以检查运输过程中是否出现问题。无误后, 再开始安装6.1接收机安装与电缆连接（1）本套产品对天线和机身要求有可靠的连接，如果运输过程中需要拆卸，从 新安装时请保证牢靠；（2） 本套辐射计由220V交流市电供电，所有辐射计的供电端口为三芯，其中L 波段接头较大，其它较小，请按电缆标号进行连接，小头电缆线可以通用；（3） 本套辐射计输出数据线由5芯线连至电脑串口（经由485转换），L波段接 头较大，其它较小，请按电缆标号进行连接，小头电缆线可以通用；（4）保证电缆线正确连接后，可以给辐射计上电，在计算机中打开对应频段的 程序

26、，点击“开始测量”按钮，即可工作。6.2 数据采集器与电源的安装地基大气探测微波辐射计由一台微机做为控制和数据存储。为了便于操作，微机应安放在工作台的一侧，显示器面板的高度要与坐在工 作椅上的操作人员的水平视线大致持平。 微机后板的插座与墙壁要留有过道，便 于拆装连接电缆。UPS电源放在工作台的下面，交流电的插座应固定在工作台对面的墙上，以 便工作人员操作。6.3 系统接地要求接地电阻小于5欧。该接地线不能与避雷接地网联在一起。室部分的接地线应接在交流市电的地线上；或者接到打入地下1.5米深的紫 铜棒上，接地电阻小于5欧7. 探测环境条件要求7.1探测环境条件的要求地基多频段微波辐射计是通过被

27、动接收目标微波辐射量，经过反演得到目标参数的微波遥感器。周围物体，特别是周围高于辐射计的物体会使得反演的结果 受的影响。为避免局部环境的微波辐射影响，对探测环境有如下要求：（1）辐射计探测场地周围的建筑物、树木和其它遮挡物边缘与探测场地的距离， 必须大于遮挡物高度的10倍以远。（2）辐射计探测场地必须远离水库、 江河湖海等大型水体，距离在3000米以上 （对无法回避的特殊台站不受此限）。（3）辐射计探测场地周围5米不能有高过辐射计接收机的植物、堆放物或临时 建筑。（4） 辐射计探测场地离铁路路基直线距离必须大于200米；离公路路基直线距 离必须大于30米以远。（5）辐射计探测场地周围50米围，不能有大型金属设备。如：化学反应塔、大 型金属储罐、金属冶炼炉、停车场等。（6）辐射计探测场地1000米围，不能有微波源。如：移动通信发射塔、无线电 干扰台等。7.2探测场地的要求探测场地的面积应大于于9平方米。场地应平整、均一，场地表面覆盖物可 为草坪、裸露的地表、混凝土