基于軟件定義無(wú)線電的可編程微波輻射計(jì)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TB9;TP732.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-5124（2025）06-0132-09

Design of programmable microwave radiometer based on software defined radio

SHIMinghui1，2，LUHao1，LIUJingyi1，WANG Zhenzhan1 （1.National Space Science Center， Chinese Academy ofSciences，Beijing 10o190，China; 2. University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049， China）

Abstract：Traditional microwaveradiometer has low integration，fixed RF front-end function，and limited programmability in digital back-end. To solve the above problems， a software defined radiometer with programmable RF front-end and digital processing back-end is designed and implemented based on software defined radio （SDR） technology. The core of programmable RF front-end adopts an SDR platform with zero intermediate frequency architecture， achieving configurable frequency ranges，bandwidth， gain， etc.Digital processing back-end uses an FPGA embedded in ARM to perform real-time FFT spectrum procesing and power spectrum integration，supporting the identification and elimination of radio frequency interference.This type of radiometer covers L， S and C bands， and integration time is adjustable within 500-1000ms . The system sensitivity is 0.13K through experimental testing inL band. In China， this software defined radiometer took the lead in realizing RF front-end programmability， supporting dynamic adjustment of working bands and parameters， and achieving a breakthrough.

Keywords： radiometer; programmability; software defined radio;FFT

0 引言

微波輻射計(jì)是被動(dòng)式微波遙感電子儀器，可以觀測(cè)天線視場(chǎng)范圍內(nèi)目標(biāo)物體輻射、散射或反射的微波噪聲能量，并等效成亮溫表示。其實(shí)質(zhì)就是一種高靈敏度、高分辨率的微波信號(hào)接收設(shè)備。

傳統(tǒng)輻射計(jì)如美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）發(fā)射的SMAP衛(wèi)星輻射計(jì)，普遍使用超外差架構(gòu)，在解調(diào)之前先將信號(hào)下變頻到中頻。此結(jié)構(gòu)需要大量分離元件，難以在單芯片中集成[1]。因此，傳統(tǒng)輻射計(jì)往往采用定制化的射頻和中頻器件，再搭配定制化的檢波器或數(shù)字電路采集數(shù)據(jù)[2]。整體系統(tǒng)規(guī)模大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、集成度低且缺乏可配置性[3]，提高了生產(chǎn)成本和周期。

相比之下，零中頻架構(gòu)對(duì)射頻信號(hào)直接解調(diào)至基帶，然后進(jìn)行放大、濾波、采樣，消除了對(duì)中頻的需求。原超外差架構(gòu)中的鏡像抑制和中頻器件都可以去除，有利于單系統(tǒng)單芯片的集成。這種新技術(shù)正在一些現(xiàn)代無(wú)線電系統(tǒng)中使用，尤其是在軟件定義無(wú)線電（SoftwareDefinedRadio，SDR）中。

SDR技術(shù)基于通用硬件平臺(tái)，使用可編程器件實(shí)現(xiàn)射頻模擬電路以及基帶數(shù)字信號(hào)處理，是一種單芯片集成系統(tǒng)?；赟DR平臺(tái)開(kāi)發(fā)的設(shè)備可以工作在多協(xié)議、多標(biāo)準(zhǔn)、多頻帶上，適用于不同的場(chǎng)景和用途[4]。

不同于SDR技術(shù)在通信領(lǐng)域中相對(duì)成熟的應(yīng)用，將其應(yīng)用于微波輻射計(jì)研制的案例在國(guó)際上較少，較為典型是2020年歐空局的FSSCat任務(wù)[5，其在立方星上搭載了一個(gè)L波段的SDR輻射計(jì)，但該輻射計(jì)并不具備可編程能力，其波段、帶寬等參數(shù)被固定，頻譜處理的通道數(shù)和系統(tǒng)靈敏度也落后于本文的設(shè)計(jì)方案。而在國(guó)內(nèi)，則尚未見(jiàn)有關(guān)于SDR輻射計(jì)的研究論文發(fā)表。

此外，輻射計(jì)的原理是被動(dòng)接收觀測(cè)目標(biāo)的低電平微波輻射信號(hào)。該類信號(hào)強(qiáng)度極弱、頻譜極寬且類似噪聲、容易受到干擾，與常用的通信信號(hào)差異很大。因此，參考案例的稀少以及SDR技術(shù)的跨領(lǐng)域應(yīng)用都對(duì)本文工作提出了挑戰(zhàn)。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文充分挖掘了SDR平臺(tái)的可編程能力，研制了一款可編程的軟件定義輻射計(jì)?？删幊躺漕l前端核心使用零中頻架構(gòu)的SDR芯片，各項(xiàng)參數(shù)如頻點(diǎn)、帶寬、增益等均可配置[]。數(shù)字處理后端使用片上系統(tǒng)（systemonchip，SoC）并實(shí)現(xiàn)1024通道頻譜處理、功率譜積分等功能。實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳統(tǒng)輻射計(jì)硬件結(jié)構(gòu)的改良，并引入軟件來(lái)控制系統(tǒng)工作電路，從而搭建出集成度高、功耗低、可編程的新型軟件定義輻射計(jì)。

1輻射計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1總體需求及硬件架構(gòu)

該軟件定義輻射計(jì)由可編程射頻前端和數(shù)字處理后端構(gòu)成。

可編程射頻前端核心基于SDR平臺(tái)，通過(guò)數(shù)字接口配置射頻器件的狀態(tài)和參數(shù)，完成射頻模擬信號(hào)到基帶數(shù)字信號(hào)的放大、混頻、濾波和采樣等工作。硬件可編程性使得該輻射計(jì)可應(yīng)用于多種任務(wù)場(chǎng)景。

數(shù)字處理后端使用SoC芯片，實(shí)現(xiàn)1024點(diǎn)FFT處理及功率譜積分。微波輻射計(jì)在L波段易受射頻干擾[7]，采用頻譜分析技術(shù)可以精細(xì)化觀測(cè)，具有一定程度識(shí)別干擾的能力[8]。目前還沒(méi)有過(guò)在國(guó)產(chǎn)L波段微波輻射計(jì)中引入超過(guò)1000個(gè)通道的頻譜分析功能，本文微波輻射計(jì)覆蓋L波段，實(shí)現(xiàn)了突破。

基于以上需求，本文所設(shè)計(jì)的微波輻射計(jì)硬件架構(gòu)如圖1所示。

1.2 SDR芯片平臺(tái)選型

可編程接收機(jī)前端選用SDR芯片AD9361，該芯片使用零中頻架構(gòu)，其詳細(xì)參數(shù)如表1所示。頻段范圍在 70MHz 至6GHz，覆蓋L、S、C三個(gè)微波波段。支持雙通道發(fā)射和接收，未來(lái)可拓展主被動(dòng)/多波段遙感。功耗低于 1.5W ，適用于小型平臺(tái)搭載如立方星和無(wú)人機(jī)。此外，增益配置可手動(dòng)接管、支持單端轉(zhuǎn)差分輸入、支持LVDS模式等也契合本文需求。

1.3 SoC開(kāi)發(fā)平臺(tái)選型

高集成度的SoC可以提供更好的性能、更低的功耗和更低的成本，數(shù)字處理后端選用ZYNQ7035芯片。該芯片內(nèi)部集成了軟件可編程的ARM處理器以及 28nm 硬件可編程的FPGA，支持在PS端實(shí)現(xiàn)自定義軟件，在PL端實(shí)現(xiàn)自定義數(shù)字電路邏輯功能。其詳細(xì)參數(shù)如表2。相對(duì)于CPU，F(xiàn)PGA更適合負(fù)責(zé)并行高速數(shù)據(jù)流處理[9]。

2 可編程射頻前端設(shè)計(jì)

2.1 射頻輸入端

為提高輻射計(jì)靈敏度，前置一個(gè)噪聲系數(shù)（NF）為0.8dB，固定增益為 20.8dB 的低噪聲放大器

SDR平臺(tái)AD9361的噪聲系數(shù)為 2.0dB ，根據(jù)兩級(jí)系統(tǒng)噪聲系數(shù)計(jì)算公式可得系統(tǒng)噪聲系數(shù)的理論值為 ，如式（1），其中 NF₁ 和 NF₂ 分別是第一級(jí)和第二級(jí)模塊的噪聲系數(shù)， G₁ 是第一級(jí)模塊的增益。

接收端口使用SDR芯片內(nèi)置的巴倫電路，實(shí)現(xiàn)單端口轉(zhuǎn)差分輸入模式，如圖2所示。

2.2 信號(hào)輸入通道配置

輻射計(jì)信號(hào)輸入通道如圖3所示，除了LNA1具有固定增益和工作參數(shù)，其他器件的參數(shù)如混頻器本振、濾波器帶寬、數(shù)字濾波采樣率和抽頭數(shù)等均可編程。本振來(lái)源于射頻鎖相環(huán)分頻，由ad9361_set_rx_lo_freq函數(shù)配置，寄存器地址為Ox005[D3：D0]。配置濾波器的部分寄存器地址如表3所示?？驁D中帶有斜向上箭頭的代表該器件的增益也支持配置。

由于輻射計(jì)需要定量測(cè)量目標(biāo)在指定頻段上的輻射能量并轉(zhuǎn)化為亮溫輸出。為了區(qū)分不同目標(biāo)，需手動(dòng)控制增益使得系統(tǒng)增益保持恒定。構(gòu)建的增益索引表有利于快速完成配置，每個(gè)Index值都指向表中一行，每行包含接收通道中各個(gè)器件的增益值，總增益范圍在 19.8～93.8dB 之間，增益索引表部分展示如圖4所示。

2.3 射頻前端主控

輻射計(jì)射頻前端涉及多器件的單系統(tǒng)集成及實(shí)時(shí)化配置。在軟件層搭建主控模塊可以有效的解決硬件層的配置和資源調(diào)度問(wèn)題。

如圖5所示，射頻前端主控由初始化（INIT）模塊、配置（CONFIG）模塊、調(diào)試（DEBUG）模塊和跳頻鎖定（FASTLOCK）模塊組成。初始化模塊在設(shè)備啟動(dòng)時(shí)對(duì)可編程器件進(jìn)行初始工作狀態(tài)設(shè)置。配置模塊允許在設(shè)備處于工作狀態(tài)時(shí)配置可編程器件的參數(shù)及切換狀態(tài)而無(wú)需重啟。調(diào)試模塊用以輔助進(jìn)行調(diào)試。跳頻鎖定模塊用于切換頻率時(shí)快速鎖定到新頻率。

該文側(cè)重介紹初始化模塊和配置模塊。對(duì)于初始化模塊，由于射頻前端的核心是一款可編程射頻芯片，每次上電啟動(dòng)都要進(jìn)行初始化配置，需要向各器件如濾波器、鎖相環(huán)、混頻器等對(duì)應(yīng)的超過(guò)1000個(gè)寄存器地址寫(xiě)入數(shù)據(jù)。

對(duì)于配置模塊，主要考慮波段、增益、帶寬等系統(tǒng)參數(shù)的實(shí)時(shí)配置。單一系統(tǒng)參數(shù)的變更往往需要調(diào)整多個(gè)器件，如系統(tǒng)增益，需要同時(shí)調(diào)整混頻器，濾波器，低噪聲放大器等器件的增益。本設(shè)計(jì)對(duì)于每個(gè)系統(tǒng)參數(shù)，都將其背后的復(fù)雜執(zhí)行邏輯封裝成一個(gè)虛擬端口，只需配置一個(gè)參數(shù)而無(wú)需了解其所涉及的多個(gè)器件是如何工作的。這避免了更改或重編譯代碼，用戶不用對(duì)軟硬件有任何了解即可通過(guò)圖6的虛擬端口實(shí)時(shí)配置輻射計(jì)，圖中mgc1_value為系統(tǒng)總增益值、tx_io_freq為發(fā)射頻點(diǎn)、rx_io_freq為接收頻點(diǎn)。向虛擬端口鍵入新值時(shí)，會(huì)觸發(fā)事件監(jiān)控并執(zhí)行相應(yīng)的配置流程。

由于主控模塊均需通過(guò)唯一的四線SPI接口來(lái)配置射頻前端。為使其分時(shí)訪問(wèn)該接口，使用Avalon總線協(xié)議封裝，通過(guò)多路選擇器輪流競(jìng)爭(zhēng)接口訪問(wèn)權(quán)限。該方案有利于各個(gè)主控的功能相互切割、通信隔離，提升代碼可讀性，易于維護(hù)和升級(jí)。

2.4 數(shù)字輸出模塊

數(shù)字濾波器采樣完成后，通過(guò)并行數(shù)據(jù)端口P0和P1輸出兩路位寬12bit的I/Q信號(hào)。數(shù)據(jù)端口采用適合高速傳輸、功耗低、抗噪聲的LVDS模式。

射頻前端輸出即數(shù)字處理后端輸入使用AXI總線協(xié)議封裝，如圖7所示。CLK為時(shí)鐘，頻率與數(shù)字采樣率一致，DATA為24bit數(shù)據(jù)（I路、Q路各12bit）、VALID電平拉高時(shí)輸出有效，LAST電平拉高是表示最后一個(gè)數(shù)據(jù)輸出、READY表示已準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)。

3數(shù)字處理后端設(shè)計(jì)

3.1 信號(hào)處理流程

數(shù)字信號(hào)處理流程如圖8所示，主要有兩個(gè)功能，F(xiàn)FT頻譜處理和功率譜計(jì)算與積分。

FFT頻譜處理：對(duì)正交解調(diào)后的微波輻射信號(hào)作實(shí)時(shí)1024點(diǎn)復(fù)數(shù)FFT運(yùn)算。使用Xilinx提供的FFTIP核，采用串行流水線模式，以確保在處理連續(xù)的數(shù)據(jù)流時(shí)不丟失數(shù)據(jù)?？紤]到官方IP核被加密，在3.2中設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款自研FFT。

功率譜計(jì)算與積分：對(duì)FFT計(jì)算后得到的頻譜數(shù)據(jù)作功率譜計(jì)算和積分。為了提升數(shù)字處理后端的可編程性，功率譜積分時(shí)間可在 500～1000ms 內(nèi)動(dòng)態(tài)調(diào)整，同樣通過(guò)虛擬端口配置。

3.2 自研FFT模塊

由于Xilinx提供的FFTIP核未開(kāi)源，該文自主設(shè)計(jì)了一個(gè)1024點(diǎn)基4FFT模塊，其端口如表4所示。

FFT為串行輸入/輸出，采用按時(shí)間抽取的基4FFT算法，數(shù)據(jù)位為64bit復(fù)數(shù)，旋轉(zhuǎn)因子小數(shù)位為 10bit 。封裝后如圖9所示。

圖10為FFT模塊的實(shí)現(xiàn)架構(gòu)，F(xiàn)FT模塊主要由狀態(tài)機(jī)主控模塊和受其調(diào)度的三個(gè)子模塊構(gòu)成，分別是運(yùn)算模塊、存儲(chǔ)模塊和尋址模塊。

運(yùn)算模塊，由256個(gè)4路復(fù)數(shù)輸入/輸出的基4蝶形運(yùn)算單元構(gòu)成。為兼顧速率與硬件資源，運(yùn)算流程采取三級(jí)流水線模式。按式（②）對(duì)復(fù)數(shù)乘法進(jìn)行優(yōu)化， 和 C+jD 表示任意復(fù)數(shù)，可減少一次實(shí)數(shù)乘法，只需3次實(shí)數(shù)乘法和5次實(shí)數(shù)加法。乘法器使用基4Booth編碼設(shè)計(jì)，編碼規(guī)則如表5，可將乘法累積的部分和數(shù)量減少一半，每個(gè)部分積均可通過(guò)對(duì)乘法取補(bǔ)碼或移位計(jì)算。

存儲(chǔ)模塊，包含輸入/輸出緩沖，運(yùn)算存儲(chǔ)器及旋轉(zhuǎn)因子 ROM 。當(dāng)1024個(gè)數(shù)據(jù)全部進(jìn)入輸入緩沖后，在兩組運(yùn)算存儲(chǔ)器之間進(jìn)行乒乓運(yùn)算?？紤]到并行性，每組運(yùn)算存儲(chǔ)器由4塊位寬64bit，深度為256的BRAM組成

尋址模塊，由于每輪FFT運(yùn)算的規(guī)則都是固定的，該子模塊可根據(jù)狀態(tài)機(jī)當(dāng)前狀態(tài)，檢索并排序所需數(shù)據(jù)的內(nèi)存地址，提供給運(yùn)算子模塊進(jìn)行運(yùn)算。

狀態(tài)機(jī)主控模塊負(fù)責(zé)全局控制，包括控制輸入/輸出使能、讀取旋轉(zhuǎn)因子、協(xié)調(diào)子模塊工作狀態(tài)如在乒乓運(yùn)算時(shí)，兩個(gè)運(yùn)算存儲(chǔ)器之間的讀寫(xiě)使能跳轉(zhuǎn)等。

綜上，該FFT模塊的輸人和輸出均為1024個(gè)時(shí)鐘，運(yùn)算時(shí)間為1327時(shí)鐘。使用基4Booth編碼乘法器，只消耗LUTs，不占用DSP資源。其資源消耗與同模式、同性能的官方IP核相當(dāng)，如表6和表7所示。值得注意的是，該FFT參考流水線模式設(shè)計(jì)，運(yùn)算階段依然可以接收數(shù)據(jù)，輸出階段也可以進(jìn)行下一輪數(shù)據(jù)運(yùn)算，因此效率為 1024/1327≈ 0.772，較為可觀。

3.3 功率譜計(jì)算及積分

FFT模塊的輸入有效位為24bit（實(shí)部 12bit. 虛部12bit），輸出有效位為48bit（實(shí)部24bit、虛部24bit） 。實(shí)部及虛部的平方和為對(duì)應(yīng)子帶的功率值（49bit） 。對(duì)1024個(gè)子帶的功率值累次積分即得到在該時(shí)間段內(nèi)的功率譜積分值。

上位機(jī)通信使用通用異步收發(fā)器（UART），速率為 115200Hz ，因此需限制積分次數(shù)和積分值位寬。以L波段為例，通道帶寬為 27MHz ，數(shù)字信號(hào)處理速率為 60MHz ，積分范圍在 30000～60000 次，對(duì)應(yīng)積分時(shí)間在 500～1000ms ，以16bit表示，最終積分值右移25bit，為40bit正整數(shù)，數(shù)據(jù)流見(jiàn)圖11。

4系統(tǒng)測(cè)試

4.1單一信號(hào)

對(duì)輻射計(jì)系統(tǒng)做單一信號(hào)閉環(huán)測(cè)試，本振頻率為 1.4135GHz ，發(fā)送信號(hào)為I/Q兩路正弦信號(hào)，頻率為 120kHz ，相位相差 90^° ，理論波形如圖12（a）所示。數(shù)字采樣率為 30.72MHz ，實(shí)際波形如圖12（b）所示。

對(duì)接收信號(hào)做1024點(diǎn)FFT，采樣率為30.72MHz，結(jié)果如圖13所示。在快速傅里葉變換（FFT）后，I/Q信號(hào)峰值功率出現(xiàn)的頻率為 120kHz ，與理論值吻合。

由上述測(cè)試可驗(yàn)證該輻射計(jì)系統(tǒng)對(duì)單一信號(hào)的接收和處理能力。

4.2 寬帶信號(hào)

以L波段為例，對(duì)輻射計(jì)系統(tǒng)做寬帶信號(hào)閉環(huán)測(cè)試。發(fā)送信號(hào)為I/Q調(diào)制的寬帶信號(hào)，帶寬為27MHz，中心頻率為 1.4135GHz ，輸出衰減為 60dB O

使用虛擬端口配置本振頻率為 1.4135GHz ，增益為 50dB ，數(shù)字濾波器采樣率為 60MHz 。濾波器鏈路的幅度響應(yīng)曲線的平坦度小于0.1dB，如圖14所示。

對(duì)發(fā)送信號(hào)理論值做1024點(diǎn)FFT后得到的理論結(jié)果如圖15（a）所示，對(duì)接收信號(hào)實(shí)際值進(jìn)行FFT和功率譜積分后得到的實(shí)測(cè)結(jié)果如圖15（b）所示，其中FFT采樣率為 60MHz 。

對(duì)理論結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行相關(guān)性計(jì)算，如圖16所示，可見(jiàn)在閉環(huán)測(cè)試中，實(shí)測(cè)信號(hào)和理論信號(hào)相關(guān)性達(dá)到了 0.9906 0

由上述測(cè)試可驗(yàn)證該輻射計(jì)系統(tǒng)處理寬帶信號(hào)的性能較為優(yōu)秀。

4.3冷熱源測(cè)試及靈敏度分析

4.1和4.2的實(shí)驗(yàn)說(shuō)明該輻射計(jì)對(duì)通信信號(hào)具有良好的接收能力，但不足以說(shuō)明其具備接收和處理寬頻帶微弱噪聲信號(hào)的能力。因此還需要連接冷源和熱源進(jìn)行噪聲測(cè)試。

以L波段為例，配置輻射計(jì)的本振頻率為1.4135GHz 。多級(jí)濾波器參數(shù)同寬帶測(cè)試中使用的一致，數(shù)字濾波器采樣率為 60MHz ，鏈路總增益為55dB ，功率譜積分時(shí)間為 700ms 。將輻射計(jì)與熱源 （T_hot=293K） 連接，相對(duì)功率譜如圖17（a），將輻射計(jì)與冷源 （T_cold=80K） 連接，相對(duì)功率譜如圖17（b）。帶寬內(nèi)相對(duì)功率值即為第282至742點(diǎn)子帶相對(duì)功率的累積。

Y因子法是一種常用的測(cè)量噪聲系數(shù)的方法，在該文中，將Y因子定義為相對(duì)功率之比，如式（3）所示。其中 Count_hot 為熱源的相對(duì)功率， Count_cold 為冷源的相對(duì)功率。

系統(tǒng)噪聲溫度 T_sys 可由 Y 因子計(jì)算，如式（4）所示。其中 T_hot 和 T_cold 分別表示了熱源與冷源的溫度，測(cè)試條件下為 293K 和 80K 。

系統(tǒng)噪聲系數(shù)的計(jì)算公式如下。

剔除相對(duì)功率值異常的子帶，根據(jù)輻射計(jì)兩點(diǎn)定標(biāo)原理，可得一次項(xiàng)系數(shù) Δ_a ，如式（6。其中分子為熱源與冷源在信道帶寬內(nèi)的相對(duì)功率值之差。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差分析法可以求出輻射計(jì)溫度靈敏度 NEDT_C 的實(shí)測(cè)值，如式（8）。其中 STD（Count_hot） 為熱源的相對(duì)功率值的標(biāo)準(zhǔn)差，AVR（a）為一次項(xiàng)系數(shù) a 的平均值。

以10s為周期分別對(duì)熱源和冷源進(jìn)行觀測(cè)，系統(tǒng)噪聲溫度為 148K ，噪聲系數(shù)為 1.79dB ，溫度靈敏度的實(shí)測(cè)值為 0.13K 。

溫度靈敏度的理論值NEDT_T可通過(guò)理論方程推導(dǎo)得出，如式（8），其中 τ 為單個(gè)功率譜的積分時(shí)間， ΔG/G 為輻射計(jì)的增益波動(dòng)。經(jīng)計(jì)算，溫度靈敏度的理論值為 0.05K 。

由此可見(jiàn)，系統(tǒng)靈敏度的實(shí)測(cè)值偏離理論值兩倍左右，理論值計(jì)算沒(méi)有考慮放大器增益波動(dòng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果總體符合預(yù)期。

由于微波輻射計(jì)測(cè)量的是微波熱輻射噪聲信號(hào)，目前沒(méi)有絕對(duì)定標(biāo)基準(zhǔn)用來(lái)標(biāo)定，也沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試設(shè)備可以進(jìn)行比對(duì)。因此上述測(cè)試足以驗(yàn)證本文研制的軟件定義輻射計(jì)所采用的技術(shù)方案可行，性能優(yōu)秀。

4.4方案對(duì)比

為說(shuō)明本設(shè)計(jì)輻射計(jì)相關(guān)性能指標(biāo)的先進(jìn)性和適用性，將其與傳統(tǒng)輻射計(jì)SMAP以及歐空局的軟件定義輻射計(jì)FMPL-2作橫向?qū)Ρ?，如?所示。

相較于超外差架構(gòu)的SMAP星載輻射計(jì)，本文軟件定義輻射計(jì)采用零中頻架構(gòu)，基于軟件定義無(wú)線電平臺(tái)開(kāi)發(fā)，射頻前端及數(shù)字處理后端均可編程，適用于不同任務(wù)場(chǎng)景，系統(tǒng)集成度高、功耗低、體積小。圖18（a）和（b）分別為SMAP輻射計(jì)與本文研制的軟件定義輻射計(jì)的實(shí)物圖對(duì)比，本文輻射計(jì)尺寸僅為 15cm×7.5cm×1 cm，功耗低至 5.05W 。同時(shí)，商用芯片使得生產(chǎn)該型輻射計(jì)的成本大幅降低，周期大幅縮短。

本文輻射計(jì)與歐空局的軟件定義輻射計(jì)FMPL-2雖然同樣基于軟件定義無(wú)線電技術(shù)開(kāi)發(fā)，但FMPL-2并未實(shí)現(xiàn)輻射計(jì)的動(dòng)態(tài)可編程，也沒(méi)有給出相應(yīng)的技術(shù)方案。本文充分挖掘了軟件定義無(wú)線電技術(shù)在輻射計(jì)上應(yīng)用的潛力，給出了實(shí)現(xiàn)輻射計(jì)射頻前端及數(shù)字處理后端可編程的完整技術(shù)路線和方案，并引人了超過(guò)1000個(gè)通道的頻譜分析功能。其可編程性、頻譜處理能力、靈敏度、噪聲系數(shù)等方面均優(yōu)于FMPL-2。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文基于軟件定義無(wú)線電技術(shù)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)射頻前端和數(shù)字處理后端均可編程的數(shù)字化輻射計(jì)。對(duì)該技術(shù)在微波輻射計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用在國(guó)內(nèi)處于領(lǐng)先地位。率先將針對(duì)傳統(tǒng)通信領(lǐng)域的軟件定義無(wú)線電技術(shù)引入到輻射噪聲信號(hào)處理的研究中，證明了該技術(shù)對(duì)微波輻射信號(hào)依然具有良好的適用性。

該軟件定義輻射計(jì)的頻段、帶寬、增益、濾波器功率譜積分時(shí)間等均可軟件配置。相對(duì)于傳統(tǒng)微波輻射計(jì)，靈敏度及噪聲系數(shù)有一定的不足，但具有可編程、功耗低、集成度高等突出優(yōu)勢(shì)，適用于小型搭載平臺(tái)如無(wú)人機(jī)[10]和立方星。

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下測(cè)得噪聲系數(shù) 1.79dB ，熱靈敏度 0.13K ，動(dòng)態(tài)增益范圍 19.8～93.8dB ，工作頻段70MHz～6GHz ，濾波帶寬 200kHz～56MHz， 積分時(shí)間 500～1000ms 。

同時(shí)，開(kāi)發(fā)了一套效率高、資源占用低的1024點(diǎn)FFT，提高了抗射頻干擾能力，達(dá)成在L波段輻射計(jì)中引入多通道子帶劃分的突破。由于軟件無(wú)線電平臺(tái)具備接收和發(fā)射兩種功能，所以在很多主被動(dòng)聯(lián)合觀測(cè)的需求下，不僅可以軟件定制輻射計(jì)，還可以軟件定制GNSS。例如，海鹽和海冰的探測(cè)需要L波段的微波輻射計(jì)和GNSS發(fā)射機(jī)進(jìn)行主被動(dòng)聯(lián)合測(cè)試[11-12]。歐空局就是采用軟件無(wú)線電平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了立方星并取得了較好的有效數(shù)據(jù)，充分驗(yàn)證了該方案的有效性[13]。

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（編輯：徐柳）