CN103217661A - 一种基于集成乘法器的微波辐射计检波器及其检波方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于集成乘法器的微波辐射计检波器及其检波方法，实现代替传统的利用二极管的非线性区实现同一功能的一种方法，这种方法的最大好处在于集成乘法器本身具有非常大的动态范围，并且其温度漂移很小，因此不需要额外的电路对接收机输出的动态范围和其温度特性进行调节，极大的降低了利用二极管带来的电路复杂度，并且与二极管不同，其检波输出结果在很大温度范围内保持一致，对于微波辐射计工作温度范围要求也得到降低。同时集成乘法器通常在很大温度范围内相比微波二极管检波器表现出更为优异的线性度，因此其检波线性度相比二极管检波也有所提高，实现简单、可靠性高，适于所有星载微波辐射计检波应用，具有广阔的市场应用前景。

Description

一种基于集成乘法器的微波辐射计检波器及其检波方法

技术领域

本发明属于微波遥感技术领域，涉及一种基于集成乘法器的微波辐射计检波器及其检波方法。

背景技术

微波辐射计是一种被动式微波遥感设备，是通过接收被观测场景辐射的微波能量来探测目标特性的。微波辐射计输入功率是由热噪声形成的，微波辐射计天线接收的信号经变频、放大、滤波后进入检波器，检波前输入的中频信号服从均值为0，方差为σ的高斯分布，通过检波得到信号的功率，以电压的形式给出。对检波器输出电压进行定标后，即建立输出电压与天线视在温度的关系，就可以确定所观测目标的亮温度，该温度值包含了辐射体和传播介质的一些重要物理信息。针对微波辐射计功率检波的需求，目前采用的最常用方法是二极管平方律检波，利用二极管非线性即平方律区进行功率检波，但是因二极管有两个固有特性：（1）它的非线性区窄即平方律检波动态范围小，通常平方律检波器的输入功率在-30dBm以下，检波后的信号也十分微弱；（2）随温度变化伏安特性温漂大，因此真实的反映微波辐射计天线接收来自观测场景的微波辐射亮温变化，必须要解决检波动态范围小及温漂问题。因为由检波器温漂所引起的输出变化将被误认为是天线视在温度输入发生了变化，从而引起测量误差，温漂是限制检波线性度、测量精度的重要因素。为解决检波电压温漂问题，以及提高检波的动态范围达到微波辐射计测量的高线性和高灵敏度，以往所采取的措施增加了电路的复杂程度。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于集成乘法器的微波辐射计实现大动态范围（-45dBm～+13dBm）、高线性的功率检波方法，通过集成乘法器完成对微波辐射计接收机输出中频信号的平方变换，实现代替传统的利用二极管的非线性区实现同一功能的一种方法。

本发明的技术方案是：一种基于集成乘法器的微波辐射计检波器，包括集成乘法器、低通滤波器、直流放大器；外部的微波辐射计接收机输出的中频信号经过功分之后分别送至集成乘法器的两个输入端，经过功分之后的两个输入信号在集成乘法器内进行平方运算，并将结果以直流电压的形式输出至低通滤波器；低通滤波器滤除叠加在直流电压上的纹波及杂波，滤波后的直流电压被送至直流放大器进行放大，并被输出。

一种基于集成乘法器的微波辐射计检波方法，步骤如下：

1）将微波辐射计接收机接收的含有待观测场景的微波辐射亮温信号进行变频、放大、滤波、功分后，输出中频信号并分别送至集成乘法器的两个输入端；

2）使用集成乘法器将输入进来的两个中频信号相乘，相乘结果以直流电压的形式输出至低通滤波器；

3）使用低通滤波器滤除叠加在直流电压上的纹波及杂波，并输出稳定的直流电压至直流放大器；

4）采用直流放大器对输入进来的直流电压进行直流放大后输出，作为微波辐射计检波器的检波电压，从而获得微波辐射计检波器输入功率与微波辐射计检波器输出电压之间的线性关系。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明所述的一种基于集成乘法器的微波辐射计检波方法，实现代替传统的利用二极管的非线性区实现同一功能的一种方法，这种方法的优点是：（1）集成乘法器本身具有非常大的动态范围（-45dBm～+13dBm）；（2）集成乘法器有宽的温度适应范围（-55℃～125℃），因此其温度漂移很小。由于这两大优点实现所述通过集成乘法器完成对微波辐射计接收机输出中频信号的平方变换，即完成微波辐射计功率检波不需要额外的电路对接收机输出的动态范围和其温度特性进行调节，极大的降低了利用二极管检波带来的电路复杂度，并且与二极管检波不同，乘法器检波输出结果在很大温度范围内保持一致，以往受环境温度变化检波电压漂移问题得到解决，对于微波辐射计工作温度范围要求也得到降低；同时集成乘法器通常在很大温度范围内相比微波二极管检波器表现出更为优异的线性度，因此其检波线性度相比二极管检波也有所提高。本发明还具有实现简单、可靠性高等优点，已应用在星载微波辐射计中完成功率检波。

附图说明

图1为采用集成乘法器的微波辐射计检波方法原理框图；

图2为一组检波器输入与集成乘法器输出测试实例曲线；

图3为一组集成乘法器输出与检波器输出测试实例曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述：

如图1所示本发明描述的方法为图中虚线框中部分，为本发明一种基于集成乘法器的微波辐射计检波器及其检波方法的原理框图，包括集成乘法器、低通滤波器、直流放大器。微波辐射计输入功率是由热噪声形成的，微波辐射计天线接收的信号经变频、放大、滤波后进入检波器，检波输入的中频信号服从均值为0，方差为σ的高斯分布，通过检波得到信号的功率，以电压的形式给出。集成乘法器工作频段满足微波辐射计检波输入的中频信号频段范围，输入动态范围在-45dBm～+13dBm满足微波辐射计中频动态范围。集成乘法器温度适应范围（-55℃～+125℃）满足星载微波辐射计工作温度范围。本项目选用AD834集成乘法器，选用OP07直流放大器，低通滤波器自制。

微波辐射计接收机输出的中频信号经过功分之后分别送入到集成乘法器的两个输入端，形成一个输入信号的平方运算，集成乘法器1输出结果为直流电压，直流电压经低通滤波器滤波和直流放大后输出，建立检波器输入功率和检波器输出电压之间的关系，其数学关系如下：

微波辐射计输入亮温与微波辐射计接收机输入功率存在如下关系：

P_i=kTB…………………………(1)

其中P_i表示微波辐射计接收机输入功率；对于一个真实的微波辐射计接收机其输入功率和输出功率之间存在如下关系：

P_o=GP_i+P_rec……………………(2)

其中P_o表示微波辐射计接收机输出功率，G为接收机增益，P_rec为接收机本机噪声功率。

微波辐射计接收机的输出功率，即微波辐射计检波器的输入功率，与微波辐射计检波器输出电压存在如下关系：

P_o=V²/R………………………(3)

由公式（1）（2）（3）可得检波器输入功率和检波器输出电压之间的关系：

GkTB+P_rec=V²/R………………(4)

其中T表示微波辐射计输入亮温，k为波尔兹曼常数，B为接收机带宽，R为接收机阻抗，V为检波器输入电压，一个真实的接收机其带宽和阻抗都是常数，k也是常数，如果不考虑其增益的波动和本机噪声的波动，视其为常数，则接收机的输入亮温和检波器输入电压平方之间存在线性关系，微波辐射计即利用这种线性关系实现对被目标亮温的测试，同时这种线性关系的相关性也直接影响到了测试的准确性。

因此微波辐射计检波器的作用是明确的，既将微波辐射计输入的噪声功率转换为其输出电压的平方，以获得输入功率和电压平方之间的关系，其输出电压平方以一种直流电压的形式存在，这种直流电压易于进行AD量化，获得高精度的测量结果，从而利用数字结果描述微波辐射计***输入亮温和输出电压之间的线性关系，完成对亮温的测量。

对于一般的集成乘法器，其输入和输出关系如下列公式：

V_x=A_xsin(ω_xt)

V_y=A_ysin(ω_yt)………………………(5)

其中，A_x，A_y为输入信号幅度，ω_x，ω_y为输入信号角频率，t为时间；对于微波辐射计检波应用，A_x=A_y，ω_x=ω_y，即V_x=V_y=V_i/2。因此检波器的输入和输出可简单描述为：V_i和V_o表示为一种平方关系，与公式（4）在数学上一致，因此可以利用集成乘法器完成功率检波。

本发明一种基于集成乘法器的微波辐射计的具体检波步骤为：

首先微波辐射计开机工作之后给检波器提供+5V工作电压，微波接收机输出的中频信号经过功分之后分别送入到本发明描述的集成乘法器的两个输入端，形成一个输入信号平方运算，完成公式（4）所描述的功能，乘法器输出结果为直流电压。

其次将乘法器输出的直流电压，输入到无源的低通滤波器，滤除叠加在检波直流电压上的一些纹波及杂波，输出稳定的直流电压。因为微波辐射计是一种被动式微波遥感设备，检波后含有有用信息的直流电压非常微弱，通常要进行上千倍的直流放大，才能满足AD采集器的接口需求，如果不进行低通滤波，经上千倍的直流放大后微弱的有用信息将埋没在大量无用的噪声中将难以分辨。通过低通滤波器后，输出稳定的微弱的直流电压。低通滤波器截止频率的选取应满足微波辐射计测温灵敏度和线性度要求。

最后经直流放大器进行直流放大后输出，直流放大倍数根据满足微波辐射计AD采集器所需要的直流电平接口要求决定。

通过以上三个步骤建立了微波辐射计检波输入功率和输出电压之间的线性关系，即将星载微波辐射计接收到的含有观测场景有用的微波辐射亮温信号能量转换为直流电压形式，完成辐射计检波功能，并得到一个稳定的、高线性的微波辐射计检波电压。

一组检波器输入输出测试实例数据如下表：

上表中，输入的检波器电压值与微波辐射计检波器输入的功率值之间的换算关系参加公式（3）。检波器输入与集成乘法器输出两组数据用Excel绘制的曲线如图2所示。用Excel添加的趋势线和显示的公式满足一元二次方程即平方运算规律，即满足功率检波。上表第一列对应乘法器输入V_x、V_y，第二列对应集成乘法器输出，第三列对应直流放大器输出。

上表中集成乘法器输出即检波器输入的平方运算与检波器输出即直流放大器输出两组数据用Excel绘制的曲线如图3所示。用Excel添加的趋势线和显示的公式满足一元一次方程即线性运算规律，即代表检波器输出电压与微波辐射计天线视在温度的线性关系。对检波器输出电压进行定标后，即建立检波输出电压与天线视在温度的关系，就可以确定所观测目标的亮温度，该温度值包含了辐射体和传播介质的一些重要物理信息。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (2)

1.一种基于集成乘法器的微波辐射计检波器，其特征在于：包括集成乘法器、低通滤波器、直流放大器；外部的微波辐射计接收机输出的中频信号经过功分之后分别送至集成乘法器的两个输入端，经过功分之后的两个输入信号在集成乘法器内进行平方运算，并将结果以直流电压的形式输出至低通滤波器；低通滤波器滤除叠加在直流电压上的纹波及杂波，滤波后的直流电压被送至直流放大器进行放大，并被输出。

2.一种基于集成乘法器的微波辐射计检波方法，其特征在于如下步骤：

1）将微波辐射计接收机接收的含有待观测场景的微波辐射亮温信号进行变频、放大、滤波、功分后，输出中频信号并分别送至集成乘法器的两个输入端；

2）使用集成乘法器将输入进来的两个中频信号相乘，相乘结果以直流电压的形式输出至低通滤波器；

3）使用低通滤波器滤除叠加在直流电压上的纹波及杂波，并输出稳定的直流电压至直流放大器；

4）采用直流放大器对输入进来的直流电压进行直流放大后输出，作为微波辐射计检波器的检波电压，从而获得微波辐射计检波器输入功率与微波辐射计检波器输出电压之间的线性关系。

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