高精度星載微波定標源黑體溫度測量控制系統的設計

高青松　景春妍　陶院　蔣炳軍　陸登柏

摘 要： 微波輻射定標源作為微波輻射計的重要載荷設備，可校準微波輻射計輸入亮溫度與輸出量值間的關系，實現微波輻射計靈敏度、線性度和穩定度等參數的標定。針對輻射源黑體及其測溫傳感器，設計了一種在軌溫度測量與控制電路，用于溫度信號的檢測與調理、低通濾波、數據采集、溫度數據處理以及溫度的穩定控制。地面測試與在軌運行均表明，系統滿足星載微波輻射計的設計要求，具有高精度、高可靠性的特點。

關鍵詞： 星載微波輻射計； 定標源； 黑體； 溫度測量； 模/數轉換； 數據采集

中圖分類號： TN12?34； V447+.1 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）04?0037?04

Abstract： Microwave radiation calibration source as an important load device of microwave radiometer can calibrate the relation between input temperature and output value of the microwave radiometer， and realize the calibration of sensitivity， linearity and stability of the microwave radiometer. For the calibration source blackbody and its temperature measurement sensor， an in?orbit temperature measurement and control circuit was designed for detection and regulation of the temperature signal， low?pass filtering， data acquisition， temperature data processing， and temperature stable control. The results of ground test and in?orbit operation show that the system can satisfy the design requirement of satellite?borne microwave radiometer， and has high precision and reliability.

Keywords： satellite?borne microwave radiometer； calibration source； blackbody； temperature measurement； A/D conversion； data acquisition

微波輻射定標源技術是空間定標技術的重要研究方向，可以解決微波輻射計在軌測量漂移問題，提高微波遙感探測的準確度。作為微波輻射計的重要組成設備，高精度星載熱定標源需具有高輻射率的黑體和高精度、高穩定的黑體物理溫度，用來完成其地面定標試驗和星上在軌定標[1]。熱定標源主要有輻射黑體和溫度測量控制系統兩部分組成。溫度測量控制系統實現對輻射源黑體物理溫度的精確測量，并將其物理溫度控制在要求的范圍內，同時通過串行總線實現溫度測量數據的傳輸。

1 組成與工作原理

星載微波輻射熱定標源在微波探測頻率范圍內，為微波輻射計提供微波輻射亮溫度。在熱平衡狀態下，物體吸收的能量與物體發射的能量相等，在微波波段輻射亮溫度與物理溫度成正比。熱定標源提供的溫度實際是黑體的物理溫度，要使黑體的物理溫度等于其微波輻射亮溫度，就要求黑體在微波頻段的輻射率接近于1，其物理溫度就近似等于微波亮溫度。

星載微波輻射熱定標源黑體主要由金屬電磁屏蔽外殼、微波吸收體、隔熱材料、測溫鉑電阻以及加熱器等組件構成，其結構如圖1所示[2]。溫度測量控制系統通過檢測安裝在黑體角錐內部的測溫傳感器的輸出信號，獲得黑體的物理溫度，并通過黑體內部的加熱器，實現黑體物理溫度的控制。

溫度測量控制系統由微處理器電路、溫度檢測與控制電路、低通濾波電路、模/數變換電路、存儲器電路、通信電路、二次電源電路以及嵌入式星載軟件等部分組成[3]，如圖2所示。

系統軟件的功能是實現溫度數據采集、數字濾波、溫度數據單位轉換、故障識別、溫度控制以及串口通信等功能。對于環境溫度變化造成的溫度漂移誤差，采用實驗測試標定和軟件補償的辦法消除。

2 測量控制系統設計

2.1 溫度檢測與放大電路

由于鉑電阻的精度和靈敏度高，測溫范圍寬，線性度、重復性和穩定度好[4]，因此選取鉑電阻PT100作溫度傳感器。鉑電阻為正溫度系數的測溫元件，其電阻值隨溫度升高而增大，設計三線制電橋的方式來提取溫度信號，可以補償引線誤差，適合高精度溫度測量。

把鉑電阻作為電橋的一個橋臂，當待測目標溫度變化時其阻值發生變化，用儀表測量放大器將電橋的不平衡量輸出放大再經低通濾波后，再通過模數轉換器轉換為數字量到微處理器。測溫電路原理圖如圖3所示。

為了降低電橋匹配電阻熱噪聲帶來的測量誤差，采用精密線繞電阻器，溫度系數±10×10-6 Ω/℃。電橋由5 V輸出精密基準電壓源供電，精度±2.5 mV。

根據黑體測溫范圍-5～45 ℃，PT100對應的阻值范圍為98.002～117.470 Ω，計算出電橋平衡點的電壓為0.108 V。在-5 ℃對應的電壓為0.098 V，在45 ℃對應的電壓為0.117 V，則測溫電橋差分輸出電壓范圍為±0.009 5 V，其信號幅值比較微小，為了便于A/D轉換器進行采集，需要將此信號放大到A/D轉換器易于檢測的范圍內。采用集成儀表放大器AD620，其具有高輸入阻抗，使電橋輸出信號不受影響，AD620折合到輸入端總誤差為0.014 663 V，而由3個OP07構成的儀表放大器折合到輸入端總誤差為0.028 134 V，性能要優于由3個分立運算放大器構成的儀表放大器。

AD620外圍電路接口如圖4所示。放大器增益由電阻RG決定，計算公式 [3]為[G=49.4 kΩRG+1]。

設計RG標稱阻值為98.8 Ω，即儀表放大器放大500倍，有源低通濾波器放大2倍，總放大倍數為1 000倍。即±0.009 5 V的電壓信號放大為±9.5 V，測溫分辨率為0.38 V/K，滿足A/D轉換器±10 V的輸入電壓范圍。

2.2 數據采集電路

定標源黑體測溫鉑電阻為4個通道，環境溫度檢測為1個通道，共采集5個通道模擬量信號。采用16位模數變換器AD976、低導通電阻模擬開關ADG528以及運放OP07構成電壓跟隨器構成的模數轉換電路。

AD976是一種采樣速率高、低功耗單5 V電源工作的A/D轉換器，內含時鐘、參考電源和誤差校準電路[5]，輸入電壓范圍為±10 V，轉換周期最大10 μs，最大功耗100 mW。為方便處理片選控制信號CS， 結合DSP時序采用通過CS控制轉換及數據讀出過程。AD976接口電路原理如圖5所示。

設計AD976讀/轉換信號R/C由DSP的I/O口給出，CS由地址譯碼電路給出，轉換完成信號BUSY通過電平轉換器件連接至DSP的I/O口，總線D0～D15與DSP總線連接。當AD976啟動轉換之后DSP對BUSY查詢，如果BUSY信號變為高電平，則表明AD976轉換結束，此時轉換結果在總線上的有效，DSP可以對AD976進行讀操作。如果A/D轉換過程中出現故障，即BUSY信號一直輸出為“0”，則軟件會發生“死等”情況，為此加入時間保護處理，即在10 ms內BUSY一直為“0”，則認為AD976轉換故障，此時不再查詢BUSY，軟件執行以后操作。

2.3 測溫誤差分析

測溫電路的主要誤差有元器件固有誤差產生的基礎誤差，以及器件參數隨環境溫度變化產生的溫度漂移誤差，溫度測量控制系統誤差匯總見表1所示。

從表1看出，基礎誤差總計為0.28 K，溫漂誤差總計0.09 K，超過系統0.1 K的測溫精度要求。為此，選用溫度系數盡量低的元器件，同時軟件上通過誤差校準和漂移誤差補償的方法，來解決基礎誤差和漂移誤差對測溫精度的影響。

2.4 溫度數據處理方法

2.4.1 溫度數據誤差校準

由于鉑電阻的阻值和溫度之間存在非線性關系，因此，對數據進行非線性校正是高精度測溫不可缺少的環節[6]。誤差校準處理的方法是以精密電阻箱模擬鉑電阻作為測溫信號輸入，范圍-5～45 ℃，以-5 ℃為起點，間隔0.5 ℃取值，直到45 ℃，讀取A/D轉換數據，再根據A/D輸出值和以K為單位的溫度值二者的數學關系，不斷調整相應的參數，直到滿足測溫精度的要求。

溫度數據誤差校準采用二次曲線擬合的方法，方法見下式：

[Tin=P0i+P1i×Dout+P2[i]×D2out] （1）

式中：[Tin]為校準后的溫度值，單位：K；[P0i，P1i，P2[i]]（i=0，1，2，3分別對應4路測溫通道）為溫度校準系數，單位：K；[Dout]為A/D輸出數字量，單位：V。

2.4.2 溫度漂移誤差補償

溫度漂移誤差補償處理的基本思想是將系統放置于高低溫試驗箱，試驗箱外部連接精密電阻箱，在溫度測量控制系統工作的環境溫度范圍內，取多個環境溫度點，再讀取4路的溫度數據并計算誤差，在軟件中調整相應的補償參數，補償后重新進行誤差檢測，直到滿足測溫誤差要求。

設計采用分段補償的方法，根據測得的系統環境溫度，對以K為單位的溫度值進行補償，方法見下式：

[TC=Tin+Δ] （2）

式中：[TC]為溫度補償后溫度值，單位為K；[Tin]為誤差校準后的溫度值，單位為K；[Δ]為溫度漂移誤差補償值，單位為K。

3 系統可靠性設計

熱定標源從功能上化分為3個功能塊：輻射源黑體、鉑電阻與放大電路以及其他電路。其中測溫通道為4路，互為備份，可靠性框圖如圖6所示。

系統進行了抗力學性、抗熱學性、電磁兼容性、抗輻射性等空間環境適應性以及裕度設計，可靠性預計結果表明熱定標源在軌飛行的壽命末期滿足可靠度0.99的要求。

4 測試結果及分析

4.1 測溫誤差測試結果

將定標源溫度測量控制系統放入高低溫試驗箱中，試驗箱溫度分別設定在-10 ℃，20 ℃，45 ℃，環境溫度-10 ℃時的測溫誤差測試結果如表2所示。在環境溫度20 ℃，45 ℃時測溫誤差都小于0.1 K。

4.2 溫度特性測試結果

定標源溫度測量控制系統4個測溫通道的實測溫度數據曲線見圖7，溫度穩定度實測小于等于0.02 K/16 s，溫度均勻性實測小于等于0.12 K。

5 結 語

針對某型號遙感衛星微波有效探測載荷研制的星載微波輻射定標源，頻率范圍為10～90 GHz，發射率大于0.99，溫度測量范圍-5～45 ℃，測溫誤差優于0.1 ℃，溫度穩定度優于0.1 K/16 s，溫度均勻性優于0.12 K。通過地面功能和性能測試、環境試驗（力學、熱學等）考核以及在軌飛行測試，證明系統的設計是合理可行的，具有高精度、高可靠性的特點，能夠滿足空間環境應用特點，研制的微波輻射熱定標源產品已成功應用于多顆遙感衛星微波有效載荷，在軌應用性能良好。

參考文獻

[1] 陸登柏，邱家穩，蔣炳軍，等.星載微波輻射計定標熱源及其發射率測試研究[J].空間電子技術，2009（4）：58?61.

[2] 陸登柏，蔣炳軍，邱家穩.星載微波輻射計定標熱源研究[J].遙感技術與應用，2009，24（3）：391?394.

[3] 曹茂永，王霞，孫農亮.儀用放大器AD620及其應用[J].電測與儀表，2000，37（10）：49?52.

[4] 李言旭，張瑞，劉銀年.高精度高可靠性的在軌黑體測溫電路設計[J].儀表技術與傳感器，2005（9）：33?35.

[5] 段廣云.基于CPLD的數據采集系統[J].儀表技術與傳感器， 2008（6）：73?75.

[6] 文小玲，劉翠梅，易先軍，等.鉑電阻測溫的非線性補償算法分析[J].傳感器與微系統，2009，28（8）：33?36.