CN102843159A - 一种微波高光谱接收机及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种微波高光谱接收机及方法，所述接收机包括：一级接收装置，用于接收天线输入的高频信号，对所述高频信号进行频段划分，并将频段划分的所述高频信号下变频为第一中频信号，放大输出所述第一中频信号至所述二级接收装置；所述二级接收装置，用于接收放大后的所述第一中频信号，将所述第一中频信号等功率划分为多路中频信号，并对所述多路中频信号中的每路中频信号进行频段划分后进行平方率检波，得到带有天空亮温信息的电压信号，放大并输出所述电压信号。本发明采用两级级联结构的接收单元，第一级接收装置频段划分按时间顺序串行实现，降低了***的复杂度；第二级接收装置频段划分同时并行实现，减少了***扫描时间。

Description

一种微波高光谱接收机及方法

技术领域

本发明涉及气象监测领域，尤其涉及一种微波高光谱接收机及方法。

背景技术

在气象监测方面，传统多通道微波辐射计选用超外差接收机和接收机阵列这两种接收机结构。超外差接收机将天线输出的高频信号下变频到低频处理，并通过调谐本振频率的方式进行频段划分；接收机阵列则直接对天线输出信号进行功分、滤波处理，完成频段划分。微波高光谱辐射计需要获得工作频段内连续的大气辐射谱线，接收机的通道数达到一百个以上。若选用超外差接收机结构，采用下变频的方式将接收信号下变频至零中频，然后采用一个固定的低通滤波器滤取所需带宽，频段的选择取决于频率合成器所发射的信号频率，由于频率合成器在同一个时间内只能发射一个信号频率，所以这种频段划分方式需要按时间顺序完成下变频的过程，也就是导致***扫描时间的增加，不利于观测快速的天气变化；若选用接收机阵列结构，接收机阵列将接收信号功分至多路，然后采用多个带通滤波器组滤取所需频带，频段的选择取决于带通滤波器组的频率响应，由于接收信号功分至多个带通滤波器组同时进行工作，所以这种频段划分方式是并行完成频段划分的过程，然而带通滤波器组的数量等于接收机的通道数量，所以接收机通道数多的时候，***的复杂度也随之上升，不利于微波辐射计的研制和运载。

因此，如何降低接收的扫描时间并且降低接收***的复杂程度是一个需要解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种微波高光谱接收机及方法，以降低***扫描时间和***的复杂度。

为解决上述问题，本发明实施例提供的技术方案如下：

一方面，本发明提供一种微波高光谱接收机，包括一级接收装置与二级接收装置，其中，

所述一级接收装置，用于接收天线输入的高频信号，对所述高频信号进行频段划分，并将频段划分的所述高频信号下变频为第一中频信号，放大输出所述第一中频信号至所述二级接收装置；

所述二级接收装置，用于接收放大后的所述第一中频信号，将所述第一中频信号等功率划分为多路中频信号，并对所述多路中频信号中的每路中频信号进行频段划分后进行平方率检波，得到带有天空亮温信息的电压信号，放大并输出所述电压信号。

可选的，所述一级接收装置包括：高频放大模块、镜像噪声滤波模块、下变频模块和中频放大模块，其中，

所述高频放大模块，用于接收天线输入的高频信号，放大并输出所述高频信号；

所述镜像噪声滤波模块，用于对高频放大模块产生的额外噪声分量进行滤波；对将要输出给下变频模块的高频信号进行预滤波，抑制镜像噪声；以及接收下变频模块发出的控制信号，根据所述控制信号控制所述高频信号输出至对应的腔体滤波器中；

所述下变频模块，用于接收所述镜像噪声滤波模块预滤波后的高频信号，对所述高频信号进行频段划分，并将频段划分的所述高频信号进行下变频处理，得到第一中频信号，输出所述第一中频信号；

所述中频放大模块，用于接收并放大所述第一中频信号，输出所述放大的第一中频信号至所述二级接收装置。

可选的，所述高频放大模块包括波导同轴转换组件和高频低噪声放大器；

所述波导同轴转换组件，用于将所述接收天线的波导接口转换为同轴接口；

所述高频低噪声放大器，用于放大通过所述同轴接口接收天线输入的高频信号。

可选的，所述镜像噪声滤波模块包括：第一微波开关、第二微波开关，以及多个多阶带通滤波器，其中，每个多阶带通滤波器的一端连接有第一微波开关，另一端连接有第二微波开关，所述第一微波开关还与高频放大模块和频率合成器连接，所述第二微波开关还与下变频模块中的下变频器和频率合成器连接；第一微波开关的开和关，以及第二微波开关的开和关，受所述频率合成器输出的控制信号的控制。

可选的，所述下变频模块包括：频率合成器和下变频器，其中，

所述频率合成器，用于生成不同频率的本振信号，并输出所述本振信号给所述下变频器；以及生成控制信号，将所述控制信号输出至所述镜像噪声滤波模块；

所述下变频器，用于根据所述本振信号对所述高频放大模块输出的高频信号进行下变频处理，得到第一中频信号，并将所述第一中频信号输出给中频放大模块。

可选的，所述频率合成器包括：锁相模块和倍频模块；其中，

所述锁相模块，用于将低频的参考频率源提供的参考频率倍频至中频频段；

所述倍频模块，用于依据频率合成器的所需的输出频率，根据所述参考频率选取低频倍频通路或高频倍频通路，输出满足预设带宽的本振信号。

可选的，所述锁相模块包括：参考频率源、数字分频器、鉴相器和压控振荡器，其中，

所述参考频率源，用于提供标准的参考频率；

所述数字分频器，用于提供不同分频比，以所述参考频率源提供的参考频率为频率步进，在所述鉴相器配合下控制所述压控振荡器的输出频率。

可选的，所述倍频模块包括：第一二倍频器、第一单刀双掷开关、第二单刀双掷开关、第一带通滤波器、第二二倍频器、第二带通滤波器、本振放大器和低通滤波器；其中，所述第一带通滤波器与第二二倍频器形成高频倍频通路，第二带通倍频器形成低频倍频通路，其中，

所述第一二倍频器，用于将所述锁相模块的输出信号进行倍频；

所述第一单刀双掷开关，用于控制所述第一二倍频器输出的信号输出至所述第一带通滤波器或第二带通滤波器；

所述第一带通滤波器，用于滤取接收到信号的低频信号，并将所述低频信号输出至所述第二二倍频器；

所述第二二倍频器对接收到的低频信号进行倍频后输出至所述第二单刀双掷开关；

所述第二带通滤波器，用于滤取所述锁相模块输出的高频信号，并将所述高频信号输出至所述第二单刀双掷开关；

所述第二单刀双掷开关，用于控制所述第二二倍频器发送的信号或所述第二带通滤波器发送的信号输出至本振放大器；

所述本振放大器，用于接收并放大所述第二单刀双掷开关输入的本振信号；

所述第一低通滤波器，用于滤取所述低频倍频通路或高频倍频通路所产生的额外噪声分量，输出本振信号至所述下变频器。

可选的，可选的，所述中频放大模块包括中频低噪声放大器和第二低通滤波器；

所述中频低噪声放大器，用于放大由所述下变频模块输出的中频信号；

所述第二低通滤波器，用于过滤所述中频低噪声放大器产生的额外噪声分量。

可选的，所述二级接收装置包括：

功分模块，用于将一级接收装置输出的第一中频信号等功率划分为多路中频信号，并通过多路通道输出所述多路中频信号至腔体滤波模块组；

腔体滤波模块组，用于对接收到的每路中频信号进行频段划分，并将频段划分后的中频信号输出至平方率检波模块组；

平方率检波模块组，用于对接收到频段划分后的每路中频信号进行平方率检波，控制输出带有天空亮温信息的电压信号的带宽；

视频放大模块，用于对接收到平方率检波模块组输出的电压信号进行放大，并将放大后的电压信号输出至气象信息采集装置。

可选的，所述腔体滤波模块组包括多个腔体滤波器，每个腔体滤波器为七阶椭圆腔体滤波器；

所述平方率检波模块组包括多个检波器，每个检波器为二极管检波器；其中，所述腔体滤波器和检波器的个数相同；

所述视频放大模块包括：级联的两级运算放大器。

相应的，本发明还提供一种微波高光谱接收方法，所述方法包括：

接收天线输入的高频信号；

对所述高频信号进行频段划分；

将频段划分后的所述高频信号下变频为第一中频信号，放大所述第一中频信号；

将放大后的所述第一中频信号等功率划分为多路中频信号；

对所述多路中频信号中的每路中频信号进行频段划分后进行平方率检波，得到带有天空亮温信息的电压信号，并放大输出所述电压信号。

可选的，所述将频段划分后的所述高频信号下变频为第一中频信号包括：

生成本振信号；

根据所述本振信号对所述频段划分的所述高频信号进行下变频处理，得到第一中频信号。

由上述技术方案可知，本发明所提供的微波高光谱接收装置及方法，采用两级级联结构，第一级接收装置频段划分按时间顺序串行实现，降低了***的复杂度；第二级接收装置频段划分同时并行实现，减少了***扫描时间。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种微波高光谱接收机的第一结构示意图；

图2为本发明提供的一种微波高光谱接收机的第二结构示意图；

图3为本发明提供的一种微波高光谱接收装置的原理结构示意图；

图4为本发明提供的一种频率合成器的原理结构示意图；

图5是本发明提供的一种微波高光谱接收机方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，为本发明实施例提供的一种微波高光谱接收机的结构示意图，所述装置包括：一级接收装置11和二级接收装置12，其中，

所述一级接收装置11，用于接收天线输入的高频信号，对所述高频信号进行频段划分，并将频段划分的所述高频信号下变频为第一中频信号，放大输出所述第一中频信号至所述二级接收装置；

所述二级接收装置12，用于接收所述一级接收装置11放大后的所述第一中频信号，将所述第一中频信号等功率划分为多路中频信号，并对所述多路中频信号中的每路中频信号进行频段划分后进行平方率检波，得到带有天空亮温信息的电压信号，放大并输出所述电压信号。

可选，所述微波高光谱接收机可以为用于微波高光谱辐射计的微波高光谱接收机，也就是说，所述微波高光谱接收机是一种两级级联结构的多通道微波接收机，而所述第一级接收装置、二级接收装置分别为一级接收机和二级接收机，其中，所述一级接收机的机构可以是超外差接收机结构，其一级接收机具体包括的模块如图2所示，所述二级接收机可以是接收机阵列，它利用多个带通滤波器组将上述中频频带直接滤取出相应频段，例如下述表7中的10个频段的中心频率。其包括的模块也如图2所示。

请参阅图2，为本发明提供的一种微波高光谱接收机的第二结构示意图，在该实施例中，所述一级接收装置11包括：高频放大模块111、镜像噪声滤波模块112、下变频模块113和中频放大模块114；所述二级接收机12包括：功分模块121，腔体滤波模块组122，平方率检波模块组123和视频放大模块124，其中，

所述高频放大模块111，用于接收天线输入的高频信号，放大并输出所述高频信号；其中，所述高频放大模块包括波导同轴转换组件和高频低噪声放大器；所述波导同轴转换组件，用于将所述接收天线的波导接口转换为同轴接口；所述高频低噪声放大器，用于放大通过所述同轴接口接收天线输入的高频信号。

所述镜像噪声滤波模块112，用于对高频放大模块产生的额外噪声分量进行滤波；对将要输出给下变频模块的高频信号进行预滤波，抑制镜像噪声；以及接收下变频模块113（比如下变频模块中的频率合成器）发出的控制信号，根据所述控制信号控制所述高频信号输出至对应的腔体滤波器中；

其中，所述镜像噪声滤波模块可以包括：第一微波开关、第二微波开关，以及多个多阶带通滤波器，其中，每个多阶带通滤波器的一端连接有第一微波开关，另一端连接有第二微波开关，所述第一微波开关还与高频放大模块和频率合成器连接，所述第二微波开关还与下变频模块中的下变频器和频率合成器连接；第一微波开关的开和关，以及第二微波开关的开和关，受所述频率合成器输出的控制信号的控制；

所述下变频模块113，用于接收所述镜像噪声滤波模块预滤波后的高频信号，对所述高频信号进行频段划分，并将频段划分的所述高频信号进行下变频处理，得到第一中频信号，输出所述第一中频信号。

其中，所述下变频模块包括：频率合成器和下变频器，所述频率合成器，用于生成不同频率的本振信号，并输出所述本振信号给所述下变频器；以及生成控制信号，将所述控制信号输出至所述镜像噪声滤波模块；所述下变频器，用于根据所述本振信号对所述高频放大模块输出的高频信号进行下变频处理，得到第一中频信号，并将所述第一中频信号输出给中频放大模块；

所述频率合成器又可以包括：锁相模块和倍频模块；其中，所述锁相模块，用于将低频的参考频率源提供的参考频率倍频至中频频段；所述倍频模块，用于依据频率合成器的所需的输出频率，根据所述参考频率选取低频倍频通路或高频倍频通路，输出满足预设带宽的本振信号；

其中，所述锁相模块包括：参考频率源、数字分频器、鉴相器和压控振荡器，其中，所述参考频率源，用于提供标准的参考频率；所述数字分频器，用于提供不同分频比，以所述参考频率源提供的参考频率为频率步进，在所述鉴相器配合下控制所述压控振荡器的输出频率。

其中，所述倍频模块包括：第一二倍频器、第一单刀双掷开关、第二单刀双掷开关、第一带通滤波器、第二二倍频器、第二带通滤波器、本振放大器和低通滤波器；其中，所述第一带通滤波器与第二二倍频器形成高频倍频通路，第二带通倍频器形成低频倍频通路，其中，所述第一二倍频器，用于将所述锁相模块的输出信号进行倍频；所述第一单刀双掷开关，用于控制所述第一二倍频器输出的信号输出至所述第一带通滤波器或第二带通滤波器；所述第一带通滤波器，用于滤取接收到信号的低频信号，并将所述低频信号输出至所述第二二倍频器；所述第二二倍频器对接收到的低频信号进行倍频后输出至所述第二单刀双掷开关；所述第二带通滤波器，用于滤取所述锁相模块输出的高频信号，并将所述高频信号输出至所述第二单刀双掷开关；所述第二单刀双掷开关，用于控制所述第二二倍频器发送的信号或所述第二带通滤波器发送的信号输出至本振放大器；所述本振放大器，用于接收并放大所述第二单刀双掷开关输入的本振信号；所述第一低通滤波器，用于滤取所述低频倍频通路或高频倍频通路所产生的额外噪声分量，输出本振信号至所述下变频器。

所述中频放大模块114，用于接收并放大所述第一中频信号，输出所述放大的第一中频信号至所述二级接收装置12。具体包括中频低噪声放大器和第二低通滤波器；其中，所述中频低噪声放大器，用于放大由所述下变频模块输出的中频信号；所述第二低通滤波器，用于过滤所述中频低噪声放大器产生的额外噪声分量。

所述功分模块121，用于将一级接收装置11（比如一级接收装置中的中频放大模块）输出的第一中频信号等功率划分为多路中频信号，并通过多路通道输出所述多路中频信号至腔体滤波模块组122；所述腔体滤波模块组122，用于对接收到的每路中频信号进行频段划分，并将频段划分后的中频信号输出至平方率检波模块组123；所述平方率检波模块组123，用于对接收到频段划分后的每路中频信号进行平方率检波，控制输出带有天空亮温信息的电压信号的带宽；所述视频放大模块124，用于对接收到平方率检波模块组123输出的带有天空亮温信息的电压信号进行放大，并将放大后的所述电压信号输出至气象信息采集装置，以便于气象信息采集装置能采集到所述电压信号。

可选的，所述腔体滤波模块组可以包括多个腔体滤波器，每个腔体滤波器可以为七阶椭圆腔体滤波器；所述平方率检波模块组可以包括多个检波器，每个检波器为二极管检波器；所述视频放大模块可以包括：级联的两级运算放大器；但并不限于此。

可选的，所述腔体滤波器的个数与检波器的个数相同，每个腔体滤波器与对应的检波器连接。当然，腔体滤波器的个数与检波器的个数也可以不同，本实施例不作限制。

还请参阅图3，为本发明实施例提供的一种微波高光谱接收机的一种原理结构示意图，在该实施例中，所述微波高光谱接收机包括：一级接收装置和二级接收装置，其中，一级接收装置以一级接收机31为例，二级接收装置以二级接收机32为例，但并不限于此。

其中，所述一级接收机31的结构可以是超外差接收机结构，用于将天线输入的微弱高频信号进行频段划分，然后，将频段划分后微弱高频信号的转变为足够大功率的中频信号，并将所述中频信号输出给二级接收机32。所述一级接收机31具体包括：高频放大模块311、镜像噪声滤波模块312、下变频模块313和中频放大模块314。

所述二级接收机32的结构是多通道接收机阵列结构，包括功分器321、腔体滤波器组322、平方率检波器组323和视频放大模块324。也就是说，经一级接收机31输出的大功率中频信号经过功分器321和腔体滤波器组322后分为不同通道，然后经过平方率检波器组323和视频放大模块324后，输出带有天空亮温信息的电压信号给AD采集模块，以便于AD采集模块采集带有天空亮温信息的电压信号。

其中，在该实施例中，该高频放大模块311可以包括波导同轴转换和高频低噪声放大器，所述波导同轴转换是由矩形波导接口和同轴接口组成，用于将接收天线的矩形波导接口转换为一级接收机的同轴接口；高频低噪声放大器采用两级放大器级联结构，其高频低噪声放大器电路可以用LNA芯片来实现，但并不限于此。也就是说，高频放大模块用于接收并放大接收天线输出的微弱高频信号（即微弱电信号）。

该镜像噪声滤波模块312，用于对高频放大模块31产生的额外噪声分量进行滤波；以及对将要输出给下变频模块313的信号进行预滤波，抑制镜像噪声。具体包括第一微波开关3121、带通滤波器组3122（包括多个带通滤波器）以及第二微波开关3123。

其中，第一微波开关3121与高频放大模块311和带通滤波器组3122中的每个带通滤波器连接，所述带通滤波器组3122中的每个带通滤波器还与第二微波开关3123连接，第二微波开关3123与中频放大模块314连接。在该实施例中，所述带通滤波器组3122（包括多个带通滤波器）可以采用微带滤波器结构，类型为7阶切比雪夫带通滤波器，但并不限于此。

所述镜像噪声滤波模块312通过接收下变频模块313中的频率合成器3131发出的控制信号对第一微波开关3121和/或第二微波开关3123的状态进行控制，从而使高频放大模块311输出高频信号能够进入二级接收机32中合适的腔体滤波器中。其中，所述微波开关可以是SP10T开关芯片，当然，也可以是具有该功能的其他芯片，本实例不作限制。在该实施例中，各个器件之间的输入输出接口均为同轴接口。

在该实施例中，该下变频模块313选用单边带下变频结构，用于对高频放大模311块输出的高频信号进行频段划分，并频段划分后的高频信号转换为中频信号，并将中频信号输出到中频放大模块314中。具体包括下变频器3131和频率合成器3132。

其中，所述下变频器3131包括双平衡混频器和带通滤波器；所述双平衡混频器可以混频芯片；带通滤波器可以采用LC滤波器结构，其类型为5阶切比雪夫带通滤波器，但并不限于此。也就是说，下变频器3131用于对双平衡混频器带来的额外噪声进行滤波；下变频器的输入为高频放大模块输出的待混频信号和频率合成器输出的本振信号，输出中频信号给中频放大模块314。

一种实施例中，所述频率合成器3132可以包括锁相模块和倍频模块；所述频率合成器3132用于提供下变频器3131所需的本振信号。

其中，所述锁相模块采用锁相环结构，包括参考频率源、数字分频器、鉴相器和压控振荡器，其各个器件的功能和作用对于本领域技术人员来说，已是熟知技术，在此不再赘述。所述参考频率源可以由市场上的温补晶振提供的参考频率；数字分频器和鉴相器集成在某（比如ADI公司）的AD4107芯片中；压控振荡器选用HMC587LC4B型号（比如Hittite公司生产的HMC587LC4B型号等）。频率合成器的输出频率通过锁相模块中数字分频器的分频比进行调整，频率步进等于参考频率源的参考频率。锁相模块用于将低频的参考频率源提供的参考频率倍频到中频频段。

倍频模块采用超大带宽双路倍频结构，包括第一二倍频器、第一单刀双掷开关、第二单刀双掷开关、第一带通滤波器、第二二倍频器、第二带通滤波器、本振放大器和低通滤波器；其中，所述第一带通滤波器与第二二倍频器形成高频倍频通路，第二带通倍频器形成低频倍频通路，其各个部件的功能和作用及其联接关系详见上述，在此不再赘述。

所述中频放大模块314是由中频低噪声放大器和低通滤波器组成。中频低噪声放大器采用三级放大器级联结构，放大器电路为LNA芯片。低通滤波器采用LC滤波器结构，类型为5阶切比雪夫低通滤波器，它用于滤取中频低噪声放大器生产的额外噪声分量。中频放大模块用于接收并放大下变频模块输出的中频信号，然后输出给二级接收机。

其中，所述功分器321用于将一级接收机输出的中频信号等功率划分，并输出给腔体滤波器组，其中，功分器321可以采用威尔金森微带功分器结构，是由威尔金森结构的微带线和微波电阻组成。微带线的制作材料为铜，放置于AD1000微波板材上；微波电阻选用50欧姆的微波电阻。

该腔体滤波器组322（包括多个腔体滤波器），用于将接收到的中频信号进行频段划分，然后频段划分后的中频信号输出给平方率检波器组。其中，该腔体滤波器组322可以采用腔体滤波器结构，类型为7阶椭圆带通滤波器，腔体滤波器包括谐振腔和调谐螺钉，所述谐振腔选用同轴腔结构，所述调谐螺钉用铁制成并用导电胶固定。

该平方率检波器组323（包括多个平方率检波器）采用二极管检波结构，利用二极管的平方率检波区域，完成小信号下的平方率检波功能。具体包括检波二极管、匹配电阻和视频电容。其中，所述检波二极管可以采用零偏置肖特基二极管结构，比如HSMS282K检波二极管等。匹配电阻并联在检波二极管前端，用于实现平方率检波器输入阻抗的宽带匹配。视频电容并联在检波二极管后端，用于控制输出电压信号的带宽。匹配电阻和视频电容采用50欧姆微波电阻和100pF微波电容等，但并不限于此。

该视频放大模块324，用于将电压信号放大到AD采集的动态范围内，以便于AD采集该电压信号。其中，视频放大模块324采用两级运算放大器级联结构，用以保证足够大的输入阻抗，从而平方率检波器组输出的电压信号能够完全进入到视频放大模块中。所述运算放大器可以为op777芯片等，由于平方率检波器组的输出电压非常小，所以视频放大模块需要将电压信号放大到AD采集的动态范围内。

由上述实施例可知，该实施例中，一级接收机选用两级放大结构避免了高增益下的自激振荡现象。一级接收机通过切换下变频模块中频率合成器的输出信号频率，进行第一次频段粗分，频段划分按时间顺序串行实现，降低了***复杂度；而二级接收机通过平方率检波器组建立了大气辐射功率与电压信号之间的线性关系，使得辐射计的两点定标成为可能。即二级接收机通过腔体滤波器组进行第二次频段细分，频段划分同时并行实现，减少了天空测量时间。

因此，本发明实施例实现了大气辐射高频谱分辨率下的通道划分；满足了轻量化、低功耗和低复杂度的要求；以及快速测量大气的要求。进一步，本实施例中的频率合成器实现了超大带宽频率输出。

本发明实施例提供的一种微波高光谱接收机的技术指标如表1所示。

表1

接收机参数	技术指标
		增益	>80dB
噪声系数	<3.0dB
		线性度	>0.9999
标准通道	>100通道
		观测信道带宽	<80MHz
全通道测量时间	<0.1秒

为了便于本领域技术人员的理解，先面将以K波段微波高光谱接收机为例，来详细介绍说明本发明的技术方案。

K波段微波高光谱接收机是一种用于K波段。接收机将18～26GHz频段均匀划分为100个通道，通过分别测量每个通道的入射功率，建立大气辐射功率与输出电压之间的线性关系，给出18～26GHz频段内大气辐射的功率谱线。

可选的，所述微波高光谱辐射计的微波接收机，也可以称为微波高光谱辐射计的微波接收机单元。该微波高光谱接收机单元通过与其连接的数字处理与***控制单元进行频段控制；该微波接收机单元可以集成在恒温单元中，用于减少微波高光谱接收机单元的增益起伏，提高辐射计灵敏度。

K波段微波高光谱接收机是一种两级级联结构的多通道微波接收机，K波段微波高光谱接收机是一种两级级联结构的多通道微波接收机，第一、二级分别为一级接收机和二级接收机。微波高光谱接收机的原理框图仍参阅图3.

本实施例所述的一级接收机的结构是超外差接收机结构，包括高频放大模块、镜像噪声滤波模块、下变频模块和中频放大模块，其各个模块的功能和作用详见上述，在此不再赘述。

该实施例中，高频放大模块是由波导同轴转换和高频低噪声放大器组成。波导同轴转换是由矩形波导接口和同轴接口组成，用于将接收天线的矩形波导接口转换为接收机的同轴接口；高频低噪声放大器采用两级放大器级联结构，放大器电路可以通过cha3689芯片来实现。基于cha3689芯片设计单级放大电路的增益为26dB，高频放大模块的增益可达到52dB。高频放大模块用于接收接收天线输出的频率为18～26GHz，功率小于-130dBm的微弱电信号，并将功率放大到-78dBm后输出到镜像噪声滤波模块。高频放大模块的技术指标如表2所示。

表2

高频放大模块参数	技术指标
		增益	>50dB
噪声系数	<3.0dB
		功率动态范围	<2.0dB

该镜像噪声滤波模块包括微波开关和带通滤波器，它通过接收下变频模块频率合成器发出的控制信号对微波开关状态进行控制（比如每个频率合成器的频率都对应一个微波开关，一共10个频率，所以有开关有10个端口）从而使高频放大模块的输出信号能够进入合适的腔体滤波器。微波开关可以基于SP10T开关芯片来实现，开关时间小于10ms，输入输出接口均为同轴接口。带通滤波器组采用微带滤波器结构，类型为7阶切比雪夫带通滤波器，带宽为800MHz。镜像噪声滤波模块的功能：用于对高频放大模块产生的额外噪声分量进行滤波；以及对将要输出给下变频模块的信号进行预滤波，抑制镜像噪声。镜像噪声滤波模块的技术指标如下列表3所示。

表3

该下变频模块选用单边带下变频结构，包括下变频器和频率合成器。

其中，所述下变频器是由双平衡混频器和带通滤波器组成。双平衡混频器基于HMC292混频芯片实现,变频损耗为8dB，射频信号与本振信号之间隔离度为36dB；带通滤波器采用LC滤波器结构，类型为5阶切比雪夫带通滤波器，中心频率为2GHz，带宽为1GHz，带外抑制为25dB。它用于对双平衡混频器带来的额外噪声进行滤波。下变频器的输入为高频放大模块输出的待混频信号和频率合成器输出的本振信号，输出中频信号给中频放大模块。

所述频率合成器包括锁相模块和倍频模块，它用于提供下变频器所需的本振信号，其频率合成器的一种原理机构示意图如图4所示。

图4中，所述频率合成器包括：锁相模块41和倍频模块42，其中，所述锁相模块41采用锁相环结构，包括参考频率源411、数字分频器412、鉴相器413和压控振荡器414。参考频率源411可以是温补晶振，用于提供参考频率,参考频率为20MHz；所述数字分频器412和鉴相器413可以集成在AD4107芯片中；所述压控振荡器414选用HMC587LC4B型号。频率合成器的输出频率通过锁相模块中数字分频器的分频比进行调整，频率步进等于参考频率源的参考频率20MHz。频率合成器的输出频率为5～10GHz，跳频时间小于10ms。锁相模块，用于将低频的参考频率源频率倍频到中频频段。

所述倍频模块42采用超大带宽双路倍频结构，所述倍频模块42包括：第一二倍频器421、第一单刀双掷开关422、第一带通滤波器423、第二二倍频器424、第二带通滤波器425、第二单刀双掷开关426、本振放大器427和低通滤波器428；其中，所述第一带通滤波器423与第二二倍频器424形成高频倍频通路，第二带通带通滤波器形成低频倍频通路。

其中，第一二倍频器421首先将锁相模块的输出信号进行倍频，基于HMC573倍频芯片实现；第一单刀双掷开关422和第二单刀双掷开关426分别基于SP2T开关芯片实现，用于选取合适的频率通路，开关时间小于10ms；低频倍频通路通过第二带通滤波器滤425取锁相模块输出的高频参量，第二带通滤波器425可以采用微带滤波器结构，类型为3阶切比雪夫带通滤波器，通带为18～20GHz；高频倍频通路通过第一带通滤波器423滤取锁相模块输出的低频参量，通带为10～13GHz，然后通过第二二倍频器424进行实现高频输出，输出频率为20～26GHz。第一带通滤波器可以采用微带滤波器结构，类型为3阶切比雪夫带通滤波器。第二二倍频器电路基于HMC576倍频芯片实现；低通滤波器采用微带滤波器结构，类型为5阶切比雪夫低通滤波器，截止频率为30GHz。用于滤取倍频通路产生的额外谐波分量；本振放大器427采用多级放大器级联结构，电路基于cha3689芯片实现。也就是说，所述倍频模块42根据频率合成器所需的输出频率，选取低频或高频倍频通路，实现了超大带宽本振信号输出。

所述下变频模块用于将高频放大模块输出的高频信号划分频段，并转换为中频信号输出到中频放大模块。下变频模块的技术指标如下列表4所示。

表4

其中，该中频放大模块包括中频低噪声放大器和低通滤波器。所述中频低噪声放大器采用三级放大器级联结构，放大器电路基于HMC374芯片实现，单级放大增益为13dB，中频低噪声放大器增益可达到39dB；低通滤波器采用LC滤波器结构，类型为5阶切比雪夫低通滤波器，截止频率为3.5GHz，它用于滤取中频低噪声放大器生产的额外噪声分量。中频放大模块用于接收并放大下变频模块输出的中频信号，然后输出给二级接收机。中频放大模块的技术指标如表5所示：

表5

中频放大模块参数	技术指标
		增益	39dB
中心频率	2GHz
		带内平坦度	<1dB
带外抑制	>25dBc1GHz

由此可知，所述一级接收机选用两级放大结构避免了80dB增益下的自激振荡现象。一级接收机通过切换下变频模块中频率合成器的输出信号频率进行第一次频段粗分（即超外差接收机采用下变频的方式将接收信号下变频至零中频，然后采用一个固定的低通滤波器滤取所需带宽，频段的选择取决于频率合成器所发射的信号频率），频段划分按时间顺序串行实现（即），降低了***复杂度。所述二级接收机的结构是多通道接收机阵列结构，是由功分器、腔体滤波器组、平方率检波器组和视频放大模块几个部分组成。一级接收机输入的功率为-20dBm、频率为1.6～2.4GHz的中频信号,经过功分器和腔体滤波器组后分为不同通道，然后经过平方率检波器组和视频放大模块后输出带有天空亮温信息的电压信号给AD采集模块。

该功分器采用威尔金森微带功分器结构，是由威尔金森结构的微带线和微波电阻组成。微带线的制作材料为铜，放置于AD1000微波板材上，微波板材的介电常数为10.6，厚度为1mm；微波电阻选用50欧姆微波电阻。功分器用于将一级接收机输出的中频信号等功率划分为十个通道，并输出给腔体滤波器组。该功分器的技术指标如表6所示：

表6

功分器参数	技术指标
		频率范围	1.6～2.4GHz
***损耗	<0.6dB
		隔离度	>20dB
幅度平衡度	<0.3dB
		驻波比	<1.3

其中，该腔体滤波器组采用腔体滤波器结构，类型为7阶椭圆带通滤波器，带宽为80MHz。腔体滤波器是由谐振腔和调谐螺钉组成。谐振腔选用同轴腔结构，调谐螺钉用铁制成并用导电胶固定。腔体滤波器组用于将中频信号进行频段划分，然后输出给平方率检波器组。腔体滤波器组的技术指标如表7所示。

表7

该平方率检波器组采用二极管检波结构，利用二极管的平方率检波区域，完成小信号下的平方率检波功能。它是由检波二极管、匹配电阻和视频电容几个部分组成。检波二极管采用零偏置肖特基二极管结构，选取HSMS282K检波二极管实现。匹配电阻并联在检波二极管前端，用于实现平方率检波器输入阻抗的宽带匹配。视频电容并联在检波二极管后端，用于控制输出电压信号的带宽。匹配电阻和视频电容采用50欧姆微波电阻和100pF微波电容。平方率检波器组的技术指标如表8所示：

表8

平方率检波器组参数	技术指标
		频率范围	1.6～2.4GHz
输入功率	-40～-20dBm
		输出电压	0～15mV
线性度	>0.9999
		灵敏度	>1.0mV/μW

其中，该视频放大模块采用两级运算放大器级联结构，用以保证足够大的输入阻抗，从而平方率检波器组输出的电压信号能够完全进入到视频放大模块中。运算放大器基于op777芯片实现，由于平方率检波器组的输出电压非常小，所以视频放大模块用于将电压信号放大到AD采集的动态范围内。视频放大模块的技术指标如表9所示：

表9

视频放大模块参数	技术指标
		频率范围	0～50MHz
放大倍数	>200倍
		输出电压	0～3V

由此可知，所述二级接收机通过平方率检波器组建立了大气辐射功率与电压信号之间的线性关系，使得辐射计的两点定标成为可能。二级接收机通过腔体滤波器组进行第二次频段细分，频段划分同时并行实现，减少了天空测量时间。

本发明实施例中，所述一级接收机通过切换下变频模块中频率合成器的输出信号频率进行第一次频段粗分，频段划分按时间顺序串行实现，降低了***复杂度；二级接收装置通过平方率检波器组建立了大气辐射功率与电压信号之间的线性关系，使得辐射计的两点定标成为可能。二级接收装置通过腔体滤波器组进行第二次频段细分，频段划分同时并行实现，减少了天空测量时间。

基于上述实现过程，本发明实施例还提供一种微波高光谱接收方法，其流程图如图5所示，所述方法包括：

步骤501：接收天线输入的高频信号；

步骤502：对所述高频信号进行频段划分；

步骤503：将频段划分的所述高频信号下变频为第一中频信号，放大所述第一中频信号；具体包括：

生成本振信号；根据所述本振信号对所述频段划分的所述高频信号进行下变频处理，得到第一中频信号。

步骤504：将放大后的所述第一中频信号等功率划分为多路中频信号；

步骤505：对所述多路中频信号中的每路中频信号进行频段划分后进行平方率检波，得到带有天空亮温信息的电压信号，并放大输出所述电压信号。

也就是说，该实施例中，一级接收机接收并放大接收天线输入的高频信号；对放大过程中产生的额外噪声分量进行滤波，并对将要输出的高频信号进行预滤波以抑制镜像噪声；以及对经过滤波后输出的高频信号通过调谐本振频率进行频段初次划分，并转换为中频信号；并放大所述中频信号，并将所述中频信号输出至二级接收机。之后，二级接收机将接收到的所述第一中频信号等功率划分为多路中频信号，并对所述多路中频信号中的每路中频信号进行频段划分后进行平方率检波，得到带有天空亮温信息的电压信号，放大并输出所述电压信号，也就是说，将经过功率划分的中频信号进行多通道同时并行的频段二次划分；接收经过频段二次划分的电信号，建立大气被监测指标与电压信号的线性关系，并输出表征大气被监测指标的电压信号；将所述电压信号放大后输出。

本实施例提供的微波高光谱接收方法，通过调谐本振频率的方式按时间顺序串行实现频段初次划分，使得***复杂度大大降低，再进行多通道频段二次划分，同时并行实现，减少了***扫描时间，能够及时快速地掌握大气状况。

本发明所提供的微波高光谱接收机和接收方法，采用两级级联结构的接收单元，第一级接收装置频段划分按时间顺序串行实现，降低了***的复杂度；第二级接收装置频段划分同时并行实现，减少了***扫描时间。

在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (13)

1.一种微波高光谱接收机，其特征在于：包括一级接收装置与二级接收装置，其中，

所述一级接收装置，用于接收天线输入的高频信号，对所述高频信号进行频段划分，并将频段划分的所述高频信号下变频为第一中频信号，放大输出所述第一中频信号至所述二级接收装置；

所述二级接收装置，用于接收放大后的所述第一中频信号，将所述第一中频信号等功率划分为多路中频信号，并对所述多路中频信号中的每路中频信号进行频段划分后进行平方率检波，得到带有天空亮温信息的电压信号，放大并输出所述电压信号。

2.根据权利要求1所述的微波高光谱接收机，其特征在于，所述一级接收装置包括：高频放大模块、镜像噪声滤波模块、下变频模块和中频放大模块，其中，

所述高频放大模块，用于接收天线输入的高频信号，放大并输出所述高频信号；

所述镜像噪声滤波模块，用于对高频放大模块产生的额外噪声分量进行滤波；对将要输出给下变频模块的高频信号进行预滤波，抑制镜像噪声；以及接收下变频模块发出的控制信号，根据所述控制信号控制所述高频信号输出至对应的腔体滤波器中；

所述下变频模块，用于接收所述镜像噪声滤波模块预滤波后的高频信号，对所述高频信号进行频段划分，并将频段划分的所述高频信号进行下变频处理，得到第一中频信号，输出所述第一中频信号；

所述中频放大模块，用于接收并放大所述第一中频信号，输出所述放大的第一中频信号至所述二级接收装置。

3.根据权利要求2所述的微波高光谱接收机，其特征在于，所述高频放大模块包括波导同轴转换组件和高频低噪声放大器；

所述波导同轴转换组件，用于将所述接收天线的波导接口转换为同轴接口；

所述高频低噪声放大器，用于放大通过所述同轴接口接收天线输入的高频信号。

4.根据权利要求2所述的微波高光谱接收机，其特征在于：所述镜像噪声滤波模块包括：第一微波开关、第二微波开关，以及多个多阶带通滤波器，其中，每个多阶带通滤波器的一端连接有第一微波开关，另一端连接有第二微波开关，所述第一微波开关还与高频放大模块和频率合成器连接，所述第二微波开关还与下变频模块中的下变频器和频率合成器连接；第一微波开关的开和关，以及第二微波开关的开和关，受所述频率合成器输出的控制信号的控制。

5.根据权利要求2所述的微波高光谱接收机，其特征在于：所述下变频模块包括：频率合成器和下变频器，其中，

所述频率合成器，用于生成不同频率的本振信号，并输出所述本振信号给所述下变频器；以及生成控制信号，将所述控制信号输出至所述镜像噪声滤波模块；

所述下变频器，用于根据所述本振信号对所述高频放大模块输出的高频信号进行下变频处理，得到第一中频信号，并将所述第一中频信号输出给中频放大模块。

6.根据权利要求5所述的微波高光谱接收机，其特征在于：所述频率合成器包括：锁相模块和倍频模块；其中，

所述锁相模块，用于将低频的参考频率源提供的参考频率倍频至中频频段；

所述倍频模块，用于依据频率合成器的所需的输出频率，根据所述参考频率选取低频倍频通路或高频倍频通路，输出满足预设带宽的本振信号。

7.根据权利要求6所述的微波高光谱接收机，其特征在于，所述锁相模块包括：参考频率源、数字分频器、鉴相器和压控振荡器，其中，

所述参考频率源，用于提供标准的参考频率；

所述数字分频器，用于提供不同分频比，以所述参考频率源提供的参考频率为频率步进，在所述鉴相器配合下控制所述压控振荡器的输出频率。

8.根据权利要求6所述的微波高光谱接收机，其特征在于，所述倍频模块包括：第一二倍频器、第一单刀双掷开关、第二单刀双掷开关、第一带通滤波器、第二二倍频器、第二带通滤波器、本振放大器和低通滤波器；其中，所述第一带通滤波器与第二二倍频器形成高频倍频通路，第二带通倍频器形成低频倍频通路，其中，

所述第一二倍频器，用于将所述锁相模块的输出信号进行倍频；

所述第一单刀双掷开关，用于控制所述第一二倍频器输出的信号输出至所述第一带通滤波器或第二带通滤波器；

所述第一带通滤波器，用于滤取接收到信号的低频信号，并将所述低频信号输出至所述第二二倍频器；

所述第二二倍频器对接收到的低频信号进行倍频后输出至所述第二单刀双掷开关；

所述第二带通滤波器，用于滤取所述锁相模块输出的高频信号，并将所述高频信号输出至所述第二单刀双掷开关；

所述第二单刀双掷开关，用于控制所述第二二倍频器发送的信号或所述第二带通滤波器发送的信号输出至本振放大器；

所述本振放大器，用于接收并放大所述第二单刀双掷开关输入的本振信号；

所述第一低通滤波器，用于滤取所述低频倍频通路或高频倍频通路所产生的额外噪声分量，输出本振信号至所述下变频器。

9.根据权利要求2所述的微波高光谱接收机，其特征在于，所述中频放大模块包括中频低噪声放大器和第二低通滤波器；

所述中频低噪声放大器，用于放大由所述下变频模块输出的中频信号；

所述第二低通滤波器，用于过滤所述中频低噪声放大器产生的额外噪声分量。

10.根据权利要求1至9任一项所述的微波高光谱接收机，其特征在于，所述二级接收装置包括：

功分模块，用于将一级接收装置输出的第一中频信号等功率划分为多路中频信号，并通过多路通道输出所述多路中频信号至腔体滤波模块组；

腔体滤波模块组，用于对接收到的每路中频信号进行频段划分，并将频段划分后的中频信号输出至平方率检波模块组；

平方率检波模块组，用于对接收到频段划分后的每路中频信号进行平方率检波，控制输出带有天空亮温信息的电压信号的带宽；

视频放大模块，用于对接收到平方率检波模块组输出的电压信号进行放大，并将放大后的电压信号输出至气象信息采集装置。

11.根据权利要求10所述的微波高光谱接收机，其特征在于：

所述腔体滤波模块组包括多个腔体滤波器，每个腔体滤波器为七阶椭圆腔体滤波器；

所述平方率检波模块组包括多个检波器，每个检波器为二极管检波器；其中，所述腔体滤波器和检波器的个数相同；

所述视频放大模块包括：级联的两级运算放大器。

12.一种微波高光谱接收方法，其特征在于，包括：

接收天线输入的高频信号；

对所述高频信号进行频段划分；

将频段划分后的所述高频信号下变频为第一中频信号，放大所述第一中频信号；

将放大后的所述第一中频信号等功率划分为多路中频信号；

对所述多路中频信号中的每路中频信号进行频段划分后进行平方率检波，得到带有天空亮温信息的电压信号，并放大输出所述电压信号。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述将频段划分后的所述高频信号下变频为第一中频信号包括：

生成本振信号；

根据所述本振信号对所述频段划分的所述高频信号进行下变频处理，得到第一中频信号。

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