高精度星载微波定标源黑体温度测量控制系统的设计

高青松　景春妍　陶院　蒋炳军　陆登柏

摘 要： 微波辐射定标源作为微波辐射计的重要载荷设备，可校准微波辐射计输入亮温度与输出量值间的关系，实现微波辐射计灵敏度、线性度和稳定度等参数的标定。针对辐射源黑体及其测温传感器，设计了一种在轨温度测量与控制电路，用于温度信号的检测与调理、低通滤波、数据采集、温度数据处理以及温度的稳定控制。地面测试与在轨运行均表明，系统满足星载微波辐射计的设计要求，具有高精度、高可靠性的特点。

关键词： 星载微波辐射计； 定标源； 黑体； 温度测量； 模/数转换； 数据采集

中图分类号： TN12?34； V447+.1 文献标识码： A 文章编号： 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

微波辐射定标源技术是空间定标技术的重要研究方向，可以解决微波辐射计在轨测量漂移问题，提高微波遥感探测的准确度。作为微波辐射计的重要组成设备，高精度星载热定标源需具有高辐射率的黑体和高精度、高稳定的黑体物理温度，用来完成其地面定标试验和星上在轨定标[1]。热定标源主要有辐射黑体和温度测量控制系统两部分组成。温度测量控制系统实现对辐射源黑体物理温度的精确测量，并将其物理温度控制在要求的范围内，同时通过串行总线实现温度测量数据的传输。

1 组成与工作原理

星载微波辐射热定标源在微波探测频率范围内，为微波辐射计提供微波辐射亮温度。在热平衡状态下，物体吸收的能量与物体发射的能量相等，在微波波段辐射亮温度与物理温度成正比。热定标源提供的温度实际是黑体的物理温度，要使黑体的物理温度等于其微波辐射亮温度，就要求黑体在微波频段的辐射率接近于1，其物理温度就近似等于微波亮温度。

星载微波辐射热定标源黑体主要由金属电磁屏蔽外壳、微波吸收体、隔热材料、测温铂电阻以及加热器等组件构成，其结构如图1所示[2]。温度测量控制系统通过检测安装在黑体角锥内部的测温传感器的输出信号，获得黑体的物理温度，并通过黑体内部的加热器，实现黑体物理温度的控制。

温度测量控制系统由微处理器电路、温度检测与控制电路、低通滤波电路、模/数变换电路、存储器电路、通信电路、二次电源电路以及嵌入式星载软件等部分组成[3]，如图2所示。

系统软件的功能是实现温度数据采集、数字滤波、温度数据单位转换、故障识别、温度控制以及串口通信等功能。对于环境温度变化造成的温度漂移误差，采用实验测试标定和软件补偿的办法消除。

2 测量控制系统设计

2.1 温度检测与放大电路

由于铂电阻的精度和灵敏度高，测温范围宽，线性度、重复性和稳定度好[4]，因此选取铂电阻PT100作温度传感器。铂电阻为正温度系数的测温元件，其电阻值随温度升高而增大，设计三线制电桥的方式来提取温度信号，可以补偿引线误差，适合高精度温度测量。

把铂电阻作为电桥的一个桥臂，当待测目标温度变化时其阻值发生变化，用仪表测量放大器将电桥的不平衡量输出放大再经低通滤波后，再通过模数转换器转换为数字量到微处理器。测温电路原理图如图3所示。

为了降低电桥匹配电阻热噪声带来的测量误差，采用精密线绕电阻器，温度系数±10×10-6 Ω/℃。电桥由5 V输出精密基准电压源供电，精度±2.5 mV。

根据黑体测温范围-5～45 ℃，PT100对应的阻值范围为98.002～117.470 Ω，计算出电桥平衡点的电压为0.108 V。在-5 ℃对应的电压为0.098 V，在45 ℃对应的电压为0.117 V，则测温电桥差分输出电压范围为±0.009 5 V，其信号幅值比较微小，为了便于A/D转换器进行采集，需要将此信号放大到A/D转换器易于检测的范围内。采用集成仪表放大器AD620，其具有高输入阻抗，使电桥输出信号不受影响，AD620折合到输入端总误差为0.014 663 V，而由3个OP07构成的仪表放大器折合到输入端总误差为0.028 134 V，性能要优于由3个分立运算放大器构成的仪表放大器。

AD620外围电路接口如图4所示。放大器增益由电阻RG决定，计算公式 [3]为[G=49.4 kΩRG+1]。

设计RG标称阻值为98.8 Ω，即仪表放大器放大500倍，有源低通滤波器放大2倍，总放大倍数为1 000倍。即±0.009 5 V的电压信号放大为±9.5 V，测温分辨率为0.38 V/K，满足A/D转换器±10 V的输入电压范围。

2.2 数据采集电路

定标源黑体测温铂电阻为4个通道，环境温度检测为1个通道，共采集5个通道模拟量信号。采用16位模数变换器AD976、低导通电阻模拟开关ADG528以及运放OP07构成电压跟随器构成的模数转换电路。

AD976是一种采样速率高、低功耗单5 V电源工作的A/D转换器，内含时钟、参考电源和误差校准电路[5]，输入电压范围为±10 V，转换周期最大10 μs，最大功耗100 mW。为方便处理片选控制信号CS， 结合DSP时序采用通过CS控制转换及数据读出过程。AD976接口电路原理如图5所示。

设计AD976读/转换信号R/C由DSP的I/O口给出，CS由地址译码电路给出，转换完成信号BUSY通过电平转换器件连接至DSP的I/O口，总线D0～D15与DSP总线连接。当AD976启动转换之后DSP对BUSY查询，如果BUSY信号变为高电平，则表明AD976转换结束，此时转换结果在总线上的有效，DSP可以对AD976进行读操作。如果A/D转换过程中出现故障，即BUSY信号一直输出为“0”，则软件会发生“死等”情况，为此加入时间保护处理，即在10 ms内BUSY一直为“0”，则认为AD976转换故障，此时不再查询BUSY，软件执行以后操作。

2.3 测温误差分析

测温电路的主要误差有元器件固有误差产生的基础误差，以及器件参数随环境温度变化产生的温度漂移误差，温度测量控制系统误差汇总见表1所示。

从表1看出，基础误差总计为0.28 K，温漂误差总计0.09 K，超过系统0.1 K的测温精度要求。为此，选用温度系数尽量低的元器件，同时软件上通过误差校准和漂移误差补偿的方法，来解决基础误差和漂移误差对测温精度的影响。

2.4 温度数据处理方法

2.4.1 温度数据误差校准

由于铂电阻的阻值和温度之间存在非线性关系，因此，对数据进行非线性校正是高精度测温不可缺少的环节[6]。误差校准处理的方法是以精密电阻箱模拟铂电阻作为测温信号输入，范围-5～45 ℃，以-5 ℃为起点，间隔0.5 ℃取值，直到45 ℃，读取A/D转换数据，再根据A/D输出值和以K为单位的温度值二者的数学关系，不断调整相应的参数，直到满足测温精度的要求。

温度数据误差校准采用二次曲线拟合的方法，方法见下式：

[Tin=P0i+P1i×Dout+P2[i]×D2out] （1）

式中：[Tin]为校准后的温度值，单位：K；[P0i，P1i，P2[i]]（i=0，1，2，3分别对应4路测温通道）为温度校准系数，单位：K；[Dout]为A/D输出数字量，单位：V。

2.4.2 温度漂移误差补偿

温度漂移误差补偿处理的基本思想是将系统放置于高低温试验箱，试验箱外部连接精密电阻箱，在温度测量控制系统工作的环境温度范围内，取多个环境温度点，再读取4路的温度数据并计算误差，在软件中调整相应的补偿参数，补偿后重新进行误差检测，直到满足测温误差要求。

设计采用分段补偿的方法，根据测得的系统环境温度，对以K为单位的温度值进行补偿，方法见下式：

[TC=Tin+Δ] （2）

式中：[TC]为温度补偿后温度值，单位为K；[Tin]为误差校准后的温度值，单位为K；[Δ]为温度漂移误差补偿值，单位为K。

3 系统可靠性设计

热定标源从功能上化分为3个功能块：辐射源黑体、铂电阻与放大电路以及其他电路。其中测温通道为4路，互为备份，可靠性框图如图6所示。

系统进行了抗力学性、抗热学性、电磁兼容性、抗辐射性等空间环境适应性以及裕度设计，可靠性预计结果表明热定标源在轨飞行的寿命末期满足可靠度0.99的要求。

4 测试结果及分析

4.1 测温误差测试结果

将定标源温度测量控制系统放入高低温试验箱中，试验箱温度分别设定在-10 ℃，20 ℃，45 ℃，环境温度-10 ℃时的测温误差测试结果如表2所示。在环境温度20 ℃，45 ℃时测温误差都小于0.1 K。

4.2 温度特性测试结果

定标源温度测量控制系统4个测温通道的实测温度数据曲线见图7，温度稳定度实测小于等于0.02 K/16 s，温度均匀性实测小于等于0.12 K。

5 结 语

针对某型号遥感卫星微波有效探测载荷研制的星载微波辐射定标源，频率范围为10～90 GHz，发射率大于0.99，温度测量范围-5～45 ℃，测温误差优于0.1 ℃，温度稳定度优于0.1 K/16 s，温度均匀性优于0.12 K。通过地面功能和性能测试、环境试验（力学、热学等）考核以及在轨飞行测试，证明系统的设计是合理可行的，具有高精度、高可靠性的特点，能够满足空间环境应用特点，研制的微波辐射热定标源产品已成功应用于多颗遥感卫星微波有效载荷，在轨应用性能良好。

参考文献

[1] 陆登柏，邱家稳，蒋炳军，等.星载微波辐射计定标热源及其发射率测试研究[J].空间电子技术，2009（4）：58?61.

[2] 陆登柏，蒋炳军，邱家稳.星载微波辐射计定标热源研究[J].遥感技术与应用，2009，24（3）：391?394.

[3] 曹茂永，王霞，孙农亮.仪用放大器AD620及其应用[J].电测与仪表，2000，37（10）：49?52.

[4] 李言旭，张瑞，刘银年.高精度高可靠性的在轨黑体测温电路设计[J].仪表技术与传感器，2005（9）：33?35.

[5] 段广云.基于CPLD的数据采集系统[J].仪表技术与传感器， 2008（6）：73?75.

[6] 文小玲，刘翠梅，易先军，等.铂电阻测温的非线性补偿算法分析[J].传感器与微系统，2009，28（8）：33?36.