CN118624049A - 一种固定波束指向星载微波辐射计天馈系统的温度测量定标方法及系统 - Google Patents
一种固定波束指向星载微波辐射计天馈系统的温度测量定标方法及系统 Download PDFInfo
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Abstract
本申请提供了一种固定波束指向星载微波辐射计天馈系统的温度测量定标方法及系统，所述方法包括：在温度测量电路的环境温度范围内选取N个温度；在天馈系统在轨温度范围内间隔固定温度选取M个温度；将N*M次试验结果代入温度测量模型，使用最小二乘法回归得到温度测量模型的参数值，确定温度测量的计算公式。本申请的优势在于：本申请建立的温度测量定标方法增加了可以消除工作环境温度变化对温度测量精度的影响，提高了天馈系统的测温精度，进而提高了星载微波辐射计的测量精度，测温精度可以达到0.05℃。
Description
技术领域
本申请属于微波辐射计测量领域，具体涉及一种固定波束指向星载微波辐射计天馈系统的温度测量定标方法及系统。
背景技术
微波辐射计是一种被动式的微波遥感设备，它本身不发射电磁波，而是通过被动的接收观测场景的微波辐射能量来探测目标特性。微波辐射计要想实现对观测目标的精确测量，需要对微波辐射计进行定标。微波辐射计定标一般需要温度精确已知的高、低温定标参考，构造出辐射计电信号输出与接收到的辐射量值之间的定量关系，以实现对观测目标的测量。
星载微波辐射计是一种搭载在卫星、飞船或者航天飞机上的微波辐射计。固定波束指向星载微波辐射计受观测条件的限制，天线不能扫描，低温定标参考一般采用冷空背景辐射，温度为2.73K；高温定标参考一般采用匹配负载，利用微波开关实现对观测和定标信号的切换。这样一来，观测信号和定标信号的传输路径不同，信号经过由天线、波导和开关组成的天馈系统进入接收机，信号会受到衰减，天线、波导和开关自身的辐射也会叠加在信号上，为了消除天馈系统自身辐射对信号的影响，需要对天馈系统的温度进行实时精确测量。星载微波辐射计在轨工作，受到太阳照射的影响，在轨工作环境温度发生变化，导致天馈系统的温度测量精度下降，进而影响星载微波辐射计的测量精度，现有的测温方法无法适应星载微波辐射计在轨工作环境温度变化对测温准确性的影响。
发明内容
本申请的目的在于克服现有的测温方法无法适应星载微波辐射计在轨工作环境温度变化对测温准确性的影响的缺陷。
为了实现上述目的，本申请提出了一种固定波束指向星载微波辐射计天馈系统的温度测量定标方法，包括：
在温度测量电路的环境温度范围内选取N个温度；在天馈系统在轨温度范围内间隔固定温度选取M个温度；
将N*M次试验结果代入温度测量模型，使用最小二乘法回归得到温度测量模型的参数值，确定温度测量的计算公式。
作为上述方法的一种改进，所述温度测量模型，为：
其中，a、b1、b2、c为增加了温度修正模型的测温模型参数；T0为测温电路所处的环境温度；Vout为天馈系统测温电路的输出电压；t为测量温度。
作为上述方法的一种改进，所述N取值为3。
作为上述方法的一种改进，所述间隔固定温度取值为10℃。
作为上述方法的一种改进，所述天馈系统的测温电路包括依次连接的铂电阻传感器、惠斯通电桥、电压放大电路和A/D转换电路。
本申请还提供一种固定波束指向星载微波辐射计天馈系统的温度测量定标系统，基于上述方法实现，所述系统包括：
温度定标模块，用于将多次试验结果代入温度测量模型，使用最小二乘法回归得到温度测量模型的参数值，确定温度测量的计算公式。
与现有技术相比，本申请的优势在于：
本发明建立的温度测量定标方法及系统增加了可以消除工作环境温度变化对温度测量精度的影响，提高天馈系统的测温精度，进而提高星载微波辐射计的测量精度，测温精度达到0.05℃。
附图说明
图1所示为天馈系统测温电路原理图；
图2所示为惠斯通电桥电路图；
图3所示为铂电阻温度传感器阻值温度关系图；
图4所示为铂电阻温度传感器阻值与惠斯通电桥电路输出电压关系图；
图5所示为测温电路输出电压Vout与温度t的关系图；
图6所示为测温电路输出电压Vout与温度一阶拟合残差图；
图7所示为测温电路输出电压Vout与温度二阶拟合残差图；
图8所示为测温电阻拟合残差图。
具体实施方式
下面结合附图对本申请的技术方案进行详细的说明。
本发明对天馈系统的测温电路进行分析，建立具有温度补偿功能的温度测量模型，并设计温度标定试验，以获得温度测量模型参数。本发明建立的温度测量方法增加了可以消除工作环境温度变化对温度测量精度的影响，提高天馈系统的测温精度，进而提高星载微波辐射计的测量精度，测温精度达到0.05℃。
本发明提供了一种固定波束指向星载微波辐射计天馈系统的温度测量定标方法，所述方法包括：
步骤1：对天馈系统测温电路进行分析建模，建立温度测量模型；考虑到测温电路中放大电路的温度特性，建立温度补偿模型；
天馈系统测温电路原理图如图1所示，该电路包括铂电阻传感器、惠斯通电桥、电压放大电路和A/D转换电路。
其中，温度传感器选用高精度、高稳定性和测温范围广的铂电阻温度传感器Pt100。Pt100铂热电阻的阻值随着温度的变化而变化,利用这一特点来采集温度信号。
为了实现温度测量，首先测量铂电阻温度传感器的阻值，本发明采用惠斯通电桥电路恒压分压方法测量铂电阻阻值，惠斯通电桥电路如图2所示。
惠斯通电桥电路中铂电阻温度传感器对应的输出电压为：
其中，Vref为基准电压，Rt为铂电阻温度传感器阻值，铂电阻温度传感器的阻值，R为分压电阻阻值，Rb为参考电阻阻值，Vt为铂电阻温度传感器对应的输出电压。
电桥输出的电压信号要经过信号调理电路进行放大、滤波以满足A/D转换的要求，最终的输出电压为：
Vout＝G(Vt+a) (2)
其中，G为温度测量电路增益，a为测量电路偏置，Vout为测温电路输出电压。
考虑到温度变化对放大电路增益的影响，两者基本呈线性关系，公式中G可以进一步表示为：
G＝g*T0 (3)
其中，g为放大电路增益的温度变化率，T0为测温电路所处的环境温度。
本发明通过对测温电路各个模块进行分析，同时考虑环境温度对测量电路的影响，建立了一种具有温度补偿功能的温度测量模型，并通过设计温度试验，获取温度模型参数。具体包括：
1-1)利用铂电阻温度传感器标准分度表，在-50℃～50℃范围内进行反向分度函数的拟合，分析铂电阻温度传感器温度t和阻值Rt之间的关系；
Pt100铂电阻温度传感器标准分度表，在-50℃～50℃范围内的对应关系见下表。
表1 Pt100铂电阻温度传感器标准分度表
Pt100铂电阻温度传感器阻值Rt和温度t之间的关系如图3所示，两者线性度>0.99999，近似为线性关系，但存在一定的非线性。
1-2)对惠斯通电桥电路进行分析建模，分析惠斯通电桥电路输出电压Vt与铂电阻温度传感器阻值Rt之间的关系；
当Rt＝Rb时，电桥电路输出电压Vt＝0。当Rt偏离Rb时，假设Rt＝Rb+ΔR，输出电压Vt>0。在-50℃～50℃温度范围内，Pt100铂电阻温度传感器阻值Rt的范围为80Ω～120Ω。为保证输出电压为正值，Rb需要小于Rt。在这里Rb的阻值取60Ω，基准电压Vref为2.5V，分压电阻R阻值为3000Ω。Pt100铂电阻温度传感器阻值Rt和惠斯通电桥电路的输出电压Vt之间的关系如图4所示，两者线性度>0.99999,近似为线性关系，但存在一定的非线性。
1-3)对电压放大电路和A/D转换电路进行建模，建立惠斯通电桥电路输出电压Vt与A/D转换电路输出电压Vout之间的模型；
放大器存在一定的非线性，以AD620放大器为例，当输出电压为-10V～10V且放大倍数为1-100时，非线性最大值为95ppm。步骤1-2)中惠斯通电桥电路输出电压范围为0.0162V～0.0467V，假设放大器增益为100，则测温电路输出电压范围为1.62V～4.67V，为了表征放大器的非线性特征，在输出电压为-10V～10V的范围内，放大器电路的输入电压和输出电压的对应关系如表2所示。根据表2中数值可以获得放大器电路的输入电压和输出电压关系如公式(4)所示。
表2放大器电路的输入电压和输出电压的对应关系
根据铂电阻温度传感器标准分度表，公式(1)和公式(4)，可以计算温度t和输出电压Vout之间的一一对应关系，如图5所示。
从图5中可以看出，测量温度与测温电路输出电压之间具有良好的线性，线性度>0.99997。将测温电路输出电压与测量温度进行一阶拟合，如图6所示，拟合残差标准差为0.21℃，不满足测温精度0.05℃的要求。将测温电路输出电压与测量温度进行二阶拟合，如图7所示，拟合残差标准差为0.001℃，相对于测温精度0.05℃的要求，可以忽略不计。因此，针对测温电路输出电压Vout和测量温度t建立二阶模型：
其中，a、b、c分别为二阶模型参数。
1-4)建立放大电路增益随温度变化的模型；
放大器增益会随温度有一定的漂移，以AD620放大器为例，当放大器增益为100时，增益随温度的变化率为-50ppm/℃。星载微波辐射计测温电路放置在卫星舱内，温度一般控制在5℃～30℃，增益变化为0.125，温度变化带来的输出电压Vout的最大变化为0.00467V，引起温度的测量偏差为0.191℃。因此，需要增加测温电路温度补偿修正模型。
1-5)联合步骤1-1)～1-4)，获得测量温度t和A/D转换电路输出电压Vout之间的函数关系。
综合考虑上述分析，测温电路测温模型为：
其中，a、b1、b2、c为增加了温度修正模型的测温模型参数。T0为测温电路所处的环境温度。
步骤2：根据天馈系统在轨工作环境温度，设计温度标定实验，获得温度测量模型参数。
考虑到测温电阻的个体差异，测温电路元器件参数与标称值也存在一定的偏差，因此需要对测温电阻和测温电路进行整体标定，以获得测温电路测温模型参数。同时，对星载微波辐射计天线系统环境温度和测温电路环境的模拟，也要考虑星载微波辐射计在轨的实际情况。一般情况下，星载微波辐射计天馈系统的温度范围不超出-50℃～50℃，温度测量电路放置在接收机内部，温度范围不超出5℃～30℃，为了得到测温模型参数，需要模拟星载微波辐射计天馈系统在轨环境温度和测温电路在轨环境温度。
首先，模拟测温电路的环境温度，测温电路温度分别控制在5℃、18℃、30℃。模拟环境温度范围要覆盖星载微波辐射计测温电路在轨实际的温度变化范围，测温电路温度控制点不局限于上述3个温度点，可根据实际情况进行等间隔设定，温度数值设定顺序不做强制要求，根据实际情况进行。
其次，模拟天馈系统的环境温度，在-50℃～50℃温度范围内，以10℃为间隔，天馈系统测温电阻温度分别控制在-50℃、-40℃、-30℃、-20℃、-10℃、0℃、10℃、20℃、30℃、40℃和50℃。天馈系统的模拟温度范围要覆盖在轨实际的温度变化范围，温度点不局限于上述11个温度点，可根据实际情况进行等间隔设定，或者在常用温度范围进行加密温度设定，温度数值设定顺序不做强制要求，根据实际情况进行。
具体试验流程如下：
测温电路温度稳定在30℃，测温电阻温度分别设置在-50℃、-40℃、-30℃、-20℃、-10℃、0℃、10℃、20℃、30℃、40℃和50℃；
测温电路温度稳定在18℃，测温电阻温度分别设置在50℃、40℃、30℃、20℃、10℃、0℃、-10℃、-20℃、-30℃、-40℃和-50℃；
测温电路温度稳定在5℃，测温电阻温度分别设置在-50℃、-40℃、-30℃、-20℃、-10℃、0℃、10℃、20℃、30℃、40℃和50℃。
结合回归模型参数a、b1、b2、c的数据，公式(6)可改写为：
其中，
T0为测温电路温度，分别为5℃、18℃和30℃
i＝1…N，N＝33。
结合公式(8)，对公式(7)采用最小二乘法回归得到模型参数：
其中，为模型参数a、b1、b2、c。
下面以某卫星微波辐射计为例对本申请方法进行验证。根据某卫星外热流分析和温控策略，星载微波辐射计天馈系统在轨温度范围不超出-30℃～40℃，温度测量电路温度范围不超出6℃～30℃，
具体试验流程设计如下：
测温电路温度稳定在30℃，测温电阻温度分别设置在-30℃、-20℃、-10℃、0℃、10℃、15℃、20℃、25℃、30℃、40℃；
测温电路温度稳定在18℃，测温电阻温度分别设置在40℃、30℃、25℃、20℃、15℃、10℃、0℃、-10℃、-20℃、-30℃；
测温电路温度稳定在6℃，测温电阻温度分别设置在-30℃、-20℃、-10℃、0℃、10℃、15℃、20℃、25℃、30℃、40℃。
首先对某一天馈系统测温电阻，即外部测温电阻1号按照公式(6)进行二阶拟合，温度残差如图8所示，从图8可以看出，残差绝对值的最大值不超过0.05℃，标准差为0.03℃，模型参数和统计结果如表3所示
表3模型参数和统计结果
| a | b | c | d | 残差平均值(℃) | 残差标准差(℃) |
| 0.3140 | 0.0083 | 31.799 | -125.98 | 0.00 | 0.03 |
本申请还提供一种固定波束指向星载微波辐射计天馈系统的温度测量定标系统，基于上述方法实现，所述系统包括：
温度定标模块，用于将多次试验结果代入温度测量模型，使用最小二乘法回归得到温度测量模型的参数值，确定温度测量的计算公式。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本申请进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本申请的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本申请技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本申请的权利要求范围当中。
Claims (6)
1.一种固定波束指向星载微波辐射计天馈系统的温度测量定标方法，包括：
在温度测量电路的环境温度范围内选取N个温度；在天馈系统在轨温度范围内间隔固定温度选取M个温度；
将N*M次试验结果代入温度测量模型，使用最小二乘法回归得到温度测量模型的参数值，确定温度测量的计算公式。
2.根据权利要求1所述的固定波束指向星载微波辐射计天馈系统的温度测量定标方法，其特征在于，所述温度测量模型，为：
其中，a、b1、b2、c为增加了温度修正模型的测温模型参数；T0为测温电路所处的环境温度；Vout为天馈系统测温电路的输出电压；t为测量温度。
3.根据权利要求1所述的固定波束指向星载微波辐射计天馈系统的温度测量定标方法，其特征在于，所述N取值为3。
4.根据权利要求1所述的固定波束指向星载微波辐射计天馈系统的温度测量定标方法，其特征在于，所述间隔固定温度取值为10℃。
5.根据权利要求1所述的固定波束指向星载微波辐射计天馈系统的温度测量定标方法，其特征在于，所述天馈系统的测温电路包括依次连接的铂电阻传感器、惠斯通电桥、电压放大电路和A/D转换电路。
6.一种固定波束指向星载微波辐射计天馈系统的温度测量定标系统，基于权利要求1-5任一所述方法实现，其特征在于，所述系统包括：
温度定标模块，用于将多次试验结果代入温度测量模型，使用最小二乘法回归得到温度测量模型的参数值，确定温度测量的计算公式。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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