专利名称：：用于星载微波辐射计的数据采集装置及其数据采集方法
技术领域：
：本发明涉及一种数据采集系统，尤其涉及一种用于星载微波辐射计的数据采集装置及其数据采集方法。
背景技术：
：星载微波辐射计是一种被动式的微波遥感器，用于全天时、全天候地观测全球大气温度和湿度、水汽含量、降雨量等空间气象资料，以及海洋表面温度、海洋风场、土壤湿度等，在大气探测及海洋观测中具有重要作用。由于微波辐射计是一种被动式的遥感器，其灵敏度要求很高；同时作为星载系统，其体积、重量和功耗又受到很大的限制，因此对用于星载微波辐射计的数据采集装置就要求其具有高可靠性、高分辨率、体积小、重量轻、功耗低等特点。现在多数星载遥感器上使用的通用数据采集装置，为了减小体积和重量、降低功耗，均延用了较为简化的设计，采用一个数据采集的通路量化多路模拟信号，即利用一个A/D转换器配多路模拟开关来完成多路信号的数据采集。如图5所示为一现有的通用数据采集装置的结构示意图。此种设计的优点是体积小、重量轻、功耗低且电路简单、成本低，但随之而来的是可靠性偏低的问题。因为一旦任何一个器件损坏将导致局部电路失效，从而使得整个系统失效。目前常用的另一种数据采集装置是采用多通道冗余设计的数据采集装置，它克服了上述通用数据采集装置的缺点，通过多通道的设计消除了单一器件损坏导致整个电路失效的可能性，使其具有更高的可靠性。图6所示就是这种采用多通道冗余设计的数据采集装置的结构示意图，以5通道的系统为例，每个通道配以不同的A/D转换器，这样的系统由于各通道自成一体、相互独立，所以单个器件失效不会对其它通道产生影响，不会导致整个系统失效的恶果；但多冗余设计带来的问题是电路复杂度增加，器件的数量倍增，从而使得系统的体积、重量和功耗都大大增加。
发明内容为了解决上述两种常用数据采集装置的问题，本发明的目的在于提供一种用于星载微波辐射计的数据采集装置及其数据采集方法，其适用于多通道、高分辨率、高可靠性的数据采集系统。为了实现上述目的，本发明提供一种用于星载微波辐射计的数据采集装置，包括控制电路部分和数据采集电路部分，所述控制电路部分根据系统既定的时序或卫星接收到的地面控制指令，控制数据采集电路完成各种科学数据的采集；所述数据采集电路部分由两组互为备份的数据采集电路组成，每组由隔离驱动电路、一个或多个多路模拟开关、以及一个A/D转换器组成，该数据采集电路部分依据所述控制电路所发出的指令，完成辐射计遥感数据和温度数据的采集。另外，所述控制电路部分由微处理器、总线控制器以及译码控制接口构成，配以程序存储器、数据存储器和外围电路，其中，所述微处理器依据其所需完成的功能采用不同型号的处理器，包括8位机、16位机及32位机；所述总线类型根据不同的卫星平台进行调整，包括1553B总线以及CAN总线等；所述程序存储器使用PROM或者E2PROM,其容量依据程序而定；所述数据存储器根据数据量的不同采用不同容量的SRAM。另外，所述控制电路部分进一步还可以包括看门狗硬件，以防止软件跑飞，从而在程序发生异常时控制电路能尽快地自主恢复工作。另外，所述数据采集电路部分采集的信号包括辐射计多个通道的遥感信号和相关的多路温度信号，将该两类信号进行分组，使两组互为备份的数据采集电路均采集所述多个通道的遥感信号数据，但每组只采集所述多路温度数据中的一半数据，且将同类测温点平均分布于两个采集通道中。另外，本发明还提供一种用于星载微波辐射计的数据采集装置的数据采集方法，是上述用于星载微波辐射计的数据采集装置的数据采集方法，包括如下步骤1)将需要采集的相关的m路温度信号分成两组，且将同类测温点平均分布于两个采集通道；2)以第一采集通道为主，第二采集通道辅助采集辐射计η个通道的遥感信号和相关的m路温度信号，所述第一采集通道采集η个通道的遥感数据和其中一组的m/2路温度数据，此时，第二采集通道仅采集另一组m/2路温度数据；3)当地面发现下传的数据包中的采样值异常时，结合系统其它部分的遥测信号综合分析，判断是否为第一采集通道异常，如果认为第一采集通道失效，地面则通过1553B总线或者CAN总线注入控制指令至微波辐射计控制电路，将采集的主通道切换到第二采集通道；4)通过第二采集通道采集所述η个通道的遥感数据和另外一组的m/2路温度数据，第一采集通道继续采集原来的其中一组的m/2路温度数据；5)当m路温度数据中有部分失效的数据时，在数据下传至地面后，综合判断具体失效通道，剔除失效数据，其中，所述通道数η以及温度信号的数量m根据遥感器所需通道数进行选择。本发明的用于星载微波辐射计的数据采集装置，适用于系统可靠性要求很高，同时对重量、体积、功耗又有一定限制的系统。为了满足多方面的要求，未使用通用数据采集装置的简单设计，避免了其可靠性低的缺点；也没有采用多冗余系统的复杂电路，从而使数据采集装置在达到系统可靠性要求的同时尽可能简化设计。本发明所采取的双组数据采集通道互为备份的设计，既避免了单通道采集导致低可靠性的缺点，同时又不会使系统的重量、体积和功耗大幅度增加，是两种通用数据采集装置优点的完美结合。图1是表示本发明的用于星载微波辐射计的数据采集装置组成的框图。图2是构成本发明的用于星载微波辐射计的数据采集装置的控制电路的结构图。图3是构成本发明的用于星载微波辐射计的数据采集装置的数据采集电路的结构图。图4是本发明的用于星载微波辐射计的数据采集装置的数据采集方法的控制流程图。图5是现有的通用数据采集装置的结构示意图。图6是现有的多冗余的数据采集装置的结构示意图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本发明的用于星载微波辐射计的数据采集装置及其数据采集方法进行详细的说明。图1是表示本发明的用于星载微波辐射计的数据采集装置组成的框图，图2是构成本发明的用于星载微波辐射计的数据采集装置的控制电路的结构图，图3是构成本发明数据采集装置的数据采集电路的结构图。如图13所示，本数据采集装置由控制电路部分和数据采集电路部分组成。其中，控制电路部分主要由微处理器系统和1553B总线控制器组成，主要功能是根据系统既定的时序或卫星接收到的地面控制指令，控制数据采集电路完成各种科学数据的采集；数据采集电路由隔离器、多路模拟开关及A/D转换器组成，其作用就是依据控制电路所发出的指令，完成辐射计遥感数据和温度数据的采集。本数据采集装置适用于多通道的数据采集，A/D转换器可以根据遥感器的要求选择不同的输入电压范围、量化精度和转换速率。如图2所示，本发明的数据采集装置的控制电路由处理器、总线控制器以及译码控制接口构成，该部分的核心是微处理器和总线控制器，配以程序存储器、数据存储器和外围电路。其中微处理器可以依据其所需完成的功能采用不同型号的处理器，8位机、16位机及32位机均可；本发明所采用的总线控制器是1553B总线控制器，但根据不同的卫星平台可进行调整。程序存储器既可以使用PR0M，又可以使用E2PROM,容量依据程序而定；数据存储器根据数据量的不同可采用不同容量的SRAM。由于本装置适用于星载系统，所以为了防止软件跑飞，增加了硬件的看门狗，以便程序发生异常时控制电路能尽快地自主恢复工作。此外，该控制电路部分的主要功能如下产生数据采集的时序，控制AD转换器完成科学数据的采集；通过1553B总线接收地面注入指令，并执行；将采集到的数据打包并通过总线下传地面。如图3所示，该装置的另一个组成部分数据采集电路主要由多路模拟开关和A/D转换器组成，输入接口采用JFET输入的运算放大器隔离并驱动。整个电路由两组互为备份的数据采集电路组成，每组由一个或多个多路模拟开关和一个的A/D转换器组成，其中模拟开关的数量和A/D转换器的精度由遥感器的性能决定。本发明的数据采集电路部分需要采集的信号包括两种类型一类为辐射计η个通道的遥感信号，另一类是相关的m路温度信号。以5通道遥感信号和20路温度信号的采集系统为例，设计的关键是将两类信号适当分组，使两组互为备份的数据采集电路均可采集5通道遥感数据，但每组只能采集20路温度数据中的10路。由于两部分电路均采集5通道遥感数据，所以遥感信号无需分组，只需要将20路温度数据分为两组即可。在分组的过程中，必须将同类测温点平均分布于两个采集通道，例如150GHz定标源温度检测的五个测温点有两个放在第一采集通道，其余三个测温点放在第二采集通道，其它信号也按此种原则分布，信号的具体排列和定义如表1所示，这样同类信号并存于两个采集通道，可以保证一个通道失效时，5个通道的遥感数据依然可以从另一采集通道获得，每种类型的测温信号仍然可以部分获得，特别是关键的定标源温度检测信号。虽然一个通道的失效会损失一半的测温点，但只要在两组互为备份的数据采集通道的信号排列上合理安排，仍然能够保证获得一部分的有效的温度数据，系统依然能够有效运行。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>图4是本发明的用于星载微波辐射计的数据采集装置的数据采集方法的控制流程图。如图4所示，以5通道遥感信号和20路温度信号的采集系统为例，在系统正常运行的情况下，本发明的用于星载微波辐射计的数据采集装置的数据采集方法包括如下步骤1)将需要采集的相关的20路温度信号分成两组，且将同类测温点平均分布于两个采集通道；2)以第一采集通道为主，第二采集通道辅助采集信号，第一采集通道采集5个通道的遥感数据和其中一组的10路温度数据，此时，第二采集通道仅采集另一组10路温度数据；3)当地面发现下传的数据包中的采样值异常时，结合系统其它部分的遥测信号综合分析，判断是否为第一采集通道异常，如果认为第一采集通道失效，地面则通过1553B总线或者CAN总线注入控制指令至微波辐射计控制电路，将采集的主通道切换到第二采集通道；4)通过第二采集通道采集所述5个通道的遥感数据和另外一组的10路温度数据，第一采集通道继续采集原来的其中一组的10路温度数据；5)当20路温度数据中有部分失效的数据时，在数据下传至地面后，综合判断具体失效通道，剔除失效数据。这里，上述各通道的数量以及温度信号的数量可以根据遥感器所需通道数进行选择。当然，由于第一通道采集的10路温度数据可能全部或部分失效，但5个通道的遥感数据和至少一半以上的温度数据仍然有效，这样虽然系统的精度会有所降低但不会造成全系统失效的后果。表2给出了三种方案各项特性的比较，从表中可以明显地看出它们的不同之处，各个方案的优劣显而易见。表2<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>综上所述，可以看出本发明的用于星载微波辐射计的数据采集装置综合了通用数据采集装置和多冗余的数据采集装置的优点，该装置在满足星载系统高可靠性的要求的同时，硬件设备的复杂度介于其它两种数据采集装置之间，克服了两者的缺点，使体积、功耗和重量大大降低，是一种具有创新性的优化设计的数据采集装置，满足了星载微波湿度的多方面需求。另外，本发明的用于星载微波辐射计的数据采集装置具有可扩展性，可以根据不同型号任务，改变采集通道的数目和组合方式，适应不同任务的具体需求。权利要求一种用于星载微波辐射计的数据采集装置，包括控制电路部分和数据采集电路部分，所述控制电路部分根据系统既定的时序或卫星接收到的地面控制指令，控制数据采集电路完成各种科学数据的采集，其特征在于，所述数据采集电路部分由两组互为备份的数据采集电路组成，每组由隔离驱动电路、一个或多个多路模拟开关、以及一个A/D转换器组成，该数据采集电路部分依据所述控制电路所发出的指令，完成辐射计遥感数据和温度数据的采集。2.如权利要求1所述的用于星载微波辐射计的数据采集装置，其特征在于，所述数据采集电路部分采集的信号包括辐射计多个通道的遥感信号和相关的多路温度信号，将该两类信号进行分组，使两组互为备份的数据采集电路均采集所述多个通道的遥感信号数据，但每组只采集所述多路温度数据中的一半数据，且将同类测温点平均分布于两个采集通道中。3.如权利要求1所述的用于星载微波辐射计的数据采集装置，其特征在于，所述控制电路部分由微处理器、总线控制器、译码控制接口、程序存储器、数据存储器以及外围电路构成，根据地面通过总线注入的控制指令，改变数据采集的主通道，其中，所述微处理器依据其所需完成的功能采用不同型号的处理器，包括8位机、16位机及32位机；所述总线类型根据不同的卫星平台进行调整，采用1553B总线或者CAN总线；所述程序存储器使用PROM或者E2PROM,其容量依据程序而定；所述数据存储器根据数据量的不同采用不同容量的SRAM。4.如权利要求3所述的用于星载微波辐射计的数据采集装置，其特征在于，所述控制电路部分进一步包括看门狗硬件，以防止软件跑飞，从而在程序发生异常时控制电路能尽快地自主恢复工作。5.一种用于星载微波辐射计的数据采集装置的数据采集方法，其特征在于，是权利要求14中任意一项所述的用于星载微波辐射计的数据采集装置的数据采集方法，包括如下步骤1)将需要采集的相关的m路温度信号分成两组，且将同类测温点平均分布于两个采集通道；2)以第一采集通道为主，第二采集通道辅助采集辐射计η个通道的遥感信号和相关的m路温度信号，所述第一采集通道采集η个通道的遥感数据和其中一组的m/2路温度数据，此时，第二采集通道仅采集另一组m/2路温度数据；3)当地面发现下传的数据包中的采样值异常时，结合系统其它部分的遥测信号综合分析，判断是否为第一采集通道异常，如果认为第一采集通道失效，地面则通过1553B总线或者CAN总线注入控制指令至微波辐射计控制电路，将采集的主通道切换到第二采集通道；4)通过第二采集通道采集所述η个通道的遥感数据和另外一组的m/2路温度数据，第一采集通道继续采集原来的其中一组的m/2路温度数据；5)当m路温度数据中有部分失效的数据时，在数据下传至地面后，综合判断具体失效通道，剔除失效数据，其中，所述通道数η以及温度信号的数量m根据遥感器所需通道数进行选择。全文摘要本发明提供一种用于星载微波辐射计的数据采集装置及其数据采集方法。该数据采集装置包括控制电路部分和数据采集电路部分，所述控制电路部分根据系统既定的时序或卫星接收到的地面控制指令，控制所述数据采集电路完成各种科学数据的采集；所述数据采集电路部分由两组互为备份的数据采集电路组成，每组由隔离驱动电路、一个或多个多路模拟开关、以及一个A/D转换器组成，该数据采集电路部分依据所述控制电路所发出的指令，完成辐射计遥感数据和温度数据的采集。本发明通过采取双组数据采集通道互为备份的设计，既避免了单通道采集导致低可靠性的缺点，同时又不会使系统的重量、体积和功耗大幅度增加，是两种通用数据采集装置优点的完美结合。文档编号G01S13/95GK101825708SQ20091007907公开日2010年9月8日申请日期2009年3月5日优先权日2009年3月5日发明者何宝宇,孙茂华,张升伟,李靖申请人:中国科学院空间科学与应用研究中心