CN102253387A - 一种用于毫米波和亚毫米波的双模辐射计系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于毫米波和亚毫米波的双模辐射计系统，包括一种干涉式综合孔径辐射计和真实孔径辐射计相结合的双模辐射计系统。所述干涉式综合孔径辐射计采用中心空置的环形面天线阵列，所述天线阵列可以绕中心轴在天线阵面内自旋扫描。所述真实孔径辐射计采用大口径反射面天线，所述反射面天线嵌套在所述环形天线阵中心位置，并且可以实现方位向和俯仰向的2-自由度旋转扫描。本发明的优点在于：扩展了毫米波/亚毫米波辐射计系统的观测频段宽度，降低了整体系统的复杂度，提高了系统整体的空间分辨率和成像效率。

Description

一种用于毫米波和亚毫米波的双模辐射计系统
技术领域
本发明主要涉及航天遥感领域内的被动微波成像仪，尤其涉及一种利用干涉式综合孔径成像技术与大口径真实孔径成像相结合来实现宽频带高分辨率地球同步轨道对地观测的辐射计系统，即一种用于毫米波和亚毫米波的双模辐射计系统。
背景技术
目前静止轨道气象卫星主要采用红外和可见光探测技术。与红外和可见光不同，毫米波/亚毫米波对云雨大气有一定的穿透作用，云雨大气会通过吸收、发射和散射作用对微波辐射的传输产生影响，这与大气的热力结构和微物理特性有关，因此可以通过毫米波/亚毫米波探测反演出云雨大气的热力结构和微物理特性。在静止平台上搭载微波大气遥感仪器将在提高观测频次的同时，提高气象卫星对云雨大气的探测能力，在静止轨道上实现对大气温度/湿度廓线，以及强降水等灾害性天气的全天候、全天时连续监测，提高气象预报的准确性和时效性，具有非常重要的意义。因此，世界气象卫星大国都提出了在静止轨道气象卫星上实现毫米波、亚毫米波辐射探测的明确需求，我国气象卫星发展规划也将发展以毫米波/亚毫米波探测成像仪为主要有效载荷的风云四号地球同步轨道气象卫星。
目前国际上对地球静止轨道毫米波辐射计的实现方案主要有以下两条技术途径：
其一是将极轨气象卫星所采用的传统的单天线机械扫描毫米波、亚毫米波辐射计应用到地球静止轨道，典型代表是美国提出的静止轨道微波辐射计(GEM)和欧洲提出的静止轨道毫米波/亚毫米波探测仪(GOMAS)(B Bizzarri，A Gasiewsk，and Dstaelin，Observing Rain by Millimetre-Submillimetre Wave Sounding from GeostationaryOrbit，Measuring Precipitation from Space：EURAINSAT and Beyond，2007，Volume 28，Section 8，pp.675-692)。该方案的主要技术难度在于大口径反射面天线的研制、运载及机械扫描，其主要优点是便于实现多频联合观测，适用于频率较高的短毫米波和亚毫米波段(100GHz以上频率)；
其二是采用干涉式综合孔径成像技术，将天线接收口面有效稀疏为多个小口径的单元天线。典型代表是美国提出的静止轨道稀疏综合孔径辐射计(GeoSTAR)(B.H.Lambrigtsen，S.T.Brown，et al.“GeoSTAR：a geostationary microwave sounder for thefuture”，Proceedings of SPIE，Vol.6677，2007，pp.66771B)及欧洲提出的静止轨道大气探测仪(GAS)(J.Christensen，A.Carlstrom，et al.“GAS：the Geostationary AtmosphericSounder”，Proceeding ofIGARSS，2007，pp.223-226)。该方案的主要技术难度在于所需的单元天线/接收机数目过于庞大，系统复杂，保持各单元天线/接收机之间的一致性难度高，定标困难。其主要优点是能够在较低的频率(如50～56GHz)实现较高的分辨率。
由于大气中水汽和氧气的吸收谱线跨度很大(从50GHz到425GHz)，因此大气探测需要覆盖很宽的探测频段，同时大气探测还需要满足一定的空间分辨率，这给同步轨道辐射计系统提出了很高的要求。根据大气探测的需求，美国国家海洋大气局(NOAA)及欧洲航天局(ESA)对上述两种技术途径均开展了详细的前期论证及预研工作，但由于两种体制各自固定的优缺点使得难以在两者之间进行取舍，对两种方案的选择至今仍然在争议中摇摆不定。例如，要实现全波段的地球同步轨道大气成像探测，则至少要在氧气的53GHz和118GHz以及水汽的183GHz和380GHz四个频道内实现优于50Km空间分辨率的成像探测。此时，如果采用真实孔径辐射计系统，则需要直径为5米的反射面天线，并且反射面的加工误差要小于0.08毫米，这给天线的制作、加工、运载以及扫描控制等方面都会带来难以克服的问题；如果采用综合孔径辐射计系统，对于美国提出的GeoSTAR系统则需要约2500个单元天线，对于欧洲提出的GAS系统则需要约450个单元天线，这种极高的系统复杂度会给星载应用带来极大挑战。
如果能将两种体制结合起来，扬长避短，将会是地球同步轨道大气成像探测的最佳方案。但是GeoSTAR系统和GAS系统的天线阵都是“Y”字型天线阵，虽然这种天线阵方便折叠和展开，有利于火箭运输，但是根本无法实现与真实孔径天线的组合，必须寻找其它的解决途径。
在我们早期提出的圆环天线阵综合孔径辐射计的基础上，(吴季、刘浩等，旋转扫描被动微波成像子母卫星系统，中国专利，申请号：200510123633.2，授权号：CN100344989C)，本发明采用中心空置的环形综合孔径天线阵，并且中间放置真实孔径反射面天线，以此来实现综合孔径辐射计与真实孔径辐射计的组合。在低频53GHz波段采用综合孔径辐射计，仅需要约30个单元天线，在高频：118GHz、183GHz和380GHz等波段采用真实孔径辐射计，仅需要2米的反射面天线。
发明内容
本发明的目的在于，为突破现有成像技术的困境，克服真实孔径辐射计和综合孔径辐射计各自的缺点，同时发挥各自的优势，利用中心空置的环形天线阵且中间镶嵌反射面天线的方式将两种辐射计体制相结合，从而提出了一种用于毫米波和亚毫米波的双模辐射计系统。
为实现上述目的，本发明提供一种用于毫米波和亚毫米波的双模辐射计系统，该系统包含真实孔径辐射计，所述真实孔径辐射计采用大口径反射面天线，其特征在于，所述辐射计系统还包含干涉式综合孔径辐射计，所述干涉式综合孔径辐射计采用中心空置的环形天线阵进行扫描，即所述环形天线阵围绕中心转轴在环形面内进行旋转扫描；
所述中心空置处用于镶嵌所述大口径反射面天线，该大口径反射面天线实现方位向和俯仰向的2-自由度旋转扫描。
上述技术方案中，所述环形天线阵由若干个小口径单元天线组成，并通过天线阵支架和连接件与中心转轴相连，用于实现方位向360°连续旋转扫描。
上述技术方案中，所述小口径单元天线数目N设置为N≥2，所述小口径单元天线距中心转轴的距离r满足r1≥r≥r2，其中r1和r2分别为环形天线阵所形成的环形面的外半径和内半径。
上述技术方案中，所述干涉式综合孔径辐射计还包含：
若干套接收机组件，用于完成各相应单元天线所接收电磁波信号的放大和正交检波；
一套数字相关器，用于对各路接收信号进行数字化复相关运算处理得到可视度函数值；
一套校准/定标单元，用于实现对系统参数进行校准/定标；
一套数据处理单元，用于对可视度数据进行校正和成像处理；和
一套旋转扫描控制机构，用于实现天线阵的旋转扫描控制。
上述技术方案中，所述单元天线的朝向与环形天线阵所在平面垂直且指向观测方向，所述小口径单元天线之间的相对位置的排列通过针对其所形成基线长度的优化而得到。
上述技术方案中，所述大口径反射面天线的中心轴线与环形天线阵的中心转轴重合，且反射面天线的半径R满足：R＜r3，其中r3为所述小口径单元天线距该大口径反射面天线的中心轴线的最短距离。
上述技术方案中，所述真实孔径辐射计还包括：
一套多通道接收机组件，用于实现对大口径反射面天线所接收的多频段电磁波信号进行放大和检波；
一套定标单元，用于对系统增益进行定标；和
一套旋转扫描控制机构，用于实现大口径反射面天线2-自由度的旋转扫描控制。
上述技术方案中，所述干涉式综合孔径辐射计和所述真实孔径辐射计可共用一套旋转扫描控制机构。
上述技术方案中，所述大口径反射面天线可以连接多个馈源，用于实现多频段观测。
上述技术方案中，所述2-自由度的旋转采用以下装置实现：
所述大口径反射面天线通过天线底座和第一连接件与驱动电机相连，用于实现俯仰向往复摆动扫描；
所述大口径反射面天线再通过第二连接件与主驱动电机相连，用于实现方位向360°连续旋转扫描。
优选的，所述馈源安装在天线底座的内部，用于使所述大口径反射面天线同时接受多个频段的电磁辐射信号。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)本发明提供的双模辐射计系统以一种巧妙的组合方式将干涉式综合孔径辐射计和真实孔径辐射计结合起来，可以充分发挥各自优势、克服各自缺点，即在低频波段采用综合孔径辐射计，发挥其高分辨率的优势，避免了高复杂度所带来的重量、功耗、稳定性和定标等问题；在高频波段采用真实孔径辐射计，发挥其多频段观测优势，避免了大口径天线所带来的研制、扫描和运载等问题。
(2)本发明提供的双模辐射计系统降低了系统整体复杂度，既减少了综合孔径辐射计单元天线的数量，又缩小了真实孔径辐射计反射面天线的尺寸。在同样空间分辨率和带宽范围的性质指标情况下，无论是综合孔径体制还是真实孔径体制其系统复杂度要远高于本发明提供的双模辐射计系统。
(3)本发明提供的双模辐射计系统提高了系统的工作带宽。在其他性能指标不变的前提下，在低频段采用综合孔径辐射计，在高频道采用真实孔径辐射计，两者组合大大拓宽了现有辐射计系统的探测频段范围，可以同时跨越毫米波/亚毫米波的整个频段。
(4)本发明提供的双模辐射计系统降低了机械扫描控制系统的复杂度。由于系统总重量的降低，而且双模辐射计系统中的综合孔径辐射计和真实孔径辐射计可以共用一套转动机构，因此其扫描控制系统的难度要低于同性能指标的单一体制的综合孔径辐射计和真实孔径辐射计。
(5)本发明提供的双模辐射计系统提高了成像效率，可以方便快捷的同时获得多个通道的辐射图像。双模辐射计系统可以利用综合孔径辐射计的宽频谱分析能力和真实孔径辐射计的多通道探测能力同时实现多个频段的成像探测。
附图说明
图1为本发明的用于毫米波和亚毫米波的双模辐射计外形示意图；
图2为本发明的用于毫米波和亚毫米波的双模辐射计系统框图；
图3为本发明的真实孔径反射面天线结构示意图；
图4为本发明的用于毫米波和亚毫米波的双模辐射计观测几何示意图；
图5为本发明的真实孔径波束足迹和扫描采样图。
附图标识：
1、小口径单元天线    2、天线阵支架    3、大口径反射面天线
4、次驱动电机        5、主驱动电机    6、底座
7、第一连接件        8、第二连接件    9、综合孔径辐射计的观测视场
10、大口径反射面天线半功率波束        11、波束10的足迹
12、波束10的扫描轨迹                   13、中心转轴
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的描述。
本发明提供一种双模毫米波/亚毫米波辐射计系统，包括一个干涉式综合孔径辐射计和一个真实孔径辐射计，其特征在于：所述干涉式综合孔径辐射计包括一个环形天线阵列、N套接收机组件、一套数字相关器、一套校准/定标单元、一个数据处理单元和一套旋转控制机构；所述真实孔径辐射计包括一副大口径反射面天线，一套接收机组件、一套定标单元和一套旋转控制机构。
所述环形天线阵列是由小口径单元天线组成，所述单元天线的位置排列是根据对其所形成的观测基线进行优化后的结果。所述环形天线阵列可以围绕中心轴进行旋转扫描，所述中心轴指向视场中心。所述大口径反射面天线位于所述环形天线阵列的中心位置，并且可实现俯仰向和方位向2-自由度旋转扫描。
所述大口径反射面天线可以安装多个馈源，实现多个频段电磁信号的接收。所述真实孔径辐射计接收机组件为多通道接收机，实现多个频段输入信号的检波接收。
所述环形天线阵列和大口径反射面天线可以共享一套旋转控制机构。
本实施例对一种适用于静止轨道对地观测的双模毫米波/亚毫米波辐射计系统进行描述。利用本实施例，可以从地球静止轨道(约36000Km)上对地球大气以优于50Km的空间分辨率在53GHz、118～424GHz等频段进行成像观测。
本实施例所述的双模毫米波/亚毫米波辐射计包括一套干涉式综合孔径辐射计和一套真实孔径辐射计。如图1所示，所述综合孔径辐射计采用环形天线阵列，环形天线阵列由24个小口径单元天线1组成，天线阵列固定在天线支架2上并通过第二连接件8与中心转轴13相连。单元天线1的朝向与环形天线阵所在平面垂直，并指向观测方向。所述真实孔径辐射计采用大口径反射面天线3，并且位于环形阵的中心，即反射面天线3的中心轴线与中心转轴13重合。反射面天线3中心轴指向观测方向。
本实施例的双模毫米波和亚毫米辐射计的系统框图如图2所示，所述综合孔径辐射计还包括24套I/Q接收机组件，分别对来自24个单元天线的信号进行放大和正交检波；还包括一套数字相关器组件，对24路正交检波信号进行数字化复相关运算并得到可视度函数值；还包括一套校准/定标单元，对24路接受通道进行校准和定标；还包括一套数据处理单元，对可视度数据进行修正和成像处理。所述真实孔径辐射计还包括一套多通道接收机组件，对来自反射面天线3的信号进行放大和检波；还包括一套定标单元，对接收通道进行定标。所述综合孔径辐射计和真实孔径辐射计可以共享一套旋转控制系统。
本实施例的双模毫米波/亚毫米辐射计在工作时，所述环形阵(由单元天线1组成)围绕中心转轴13在环形面内进行旋转扫描，反射面天线3围绕中心转轴13在方位向和俯仰向进行2自由度旋转扫描。具体实现方式如图3所示，反射面天线3通过天线底座6和第一连接件7与次驱动电机4相连，可以实现俯仰向±8.5°往复摆动扫描；然后再通过连接件8与主驱动电机5相连，可以实现方位向360°连续旋转扫描。天线阵支架2通过第二连接件8与主驱动电机5相连，可以实现方位向360°连续旋转扫描。因此反射面天线3可以同时实现俯仰向和方位向的2-自由度旋转扫描，环形天线阵可以实现方位向360°连续自旋扫描。
本实施例中，多通道馈源安装在天线底座6的内部，可以使反射面天线3同时接受多个频段的电磁辐射信号。
本实施例的双模毫米波/亚毫米辐射计对地观测几何关系图如图4所示，所述干涉式综合孔径辐射计的观测视场9取决于单元天线1所组成的最小基线，成像的空间分辨率取决于单元天线1所形成的最长基线，即环形阵的直径。所述真实孔径辐射计的成像区域取决于反射面天线3的扫描范围，成像空间分辨率取决于反射面天线3的半功率波束10，即每个波束10的足迹11对应一个图像的像素，图像像素的组合形式取决于波束10的扫描轨迹12。
本实施例中，扫描轨迹12为一种阿基米德等距螺旋线，如图5所示。螺旋线的极坐标方程为：ρ＝K·θ，其中ρ为极径，θ为极角，K为与螺距有关的常数。为满足空间域的耐奎斯特采样定律，螺旋轨迹12的螺距设定为足迹11的半径，以确保在一个成像周期内螺旋扫描轨迹12对一个足迹11扫描两次；同时反射面天线3的扫描速度为变速扫描，以确保在整条螺旋扫描轨迹12中一个足迹11的范围内有两个采样点。
本实施例所述的双模毫米波/亚毫米波辐射计的系统参数和性能指标如表1所不。
以上实施例仅用以说明本发明的所涵盖的某一技术方案，而非对本发明的限制。
本发明提供的双模毫米波/亚毫米波辐射计主要应用与空间科学探测和对地观测领域，但也可以应用于地面成像设备。此外，本发明提供的技术方案同样适用于其它电磁波段的被动遥感成像设备。
表1
Figure BDA0000069099120000071
需要说明的是，以上介绍的本发明的实施方案而并非限制。本领域的技术人员应当理解，任何对本发明技术方案的修改或者等同替代都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims (11)

1.一种用于毫米波和亚毫米波的双模辐射计系统，该系统包含真实孔径辐射计，所述真实孔径辐射计采用大口径反射面天线，其特征在于，所述辐射计系统还包含干涉式综合孔径辐射计，所述干涉式综合孔径辐射计采用中心空置的环形天线阵进行扫描，即所述环形天线阵围绕中心转轴在环形面内进行旋转扫描；
所述中心空置处用于镶嵌所述大口径反射面天线，该大口径反射面天线实现方位向和俯仰向的2-自由度旋转扫描。
2.根据权利要求1所述的用于毫米波和亚毫米波的双模辐射计系统，其特征在于，所述环形天线阵由若干个小口径单元天线组成，并通过天线阵支架和连接件与中心转轴相连，用于实现方位向360°连续旋转扫描。
3.根据权利要求2所述的用于毫米波和亚毫米波的双模辐射计系统，其特征在于，所述小口径单元天线数目N设置为N≥2，所述小口径单元天线距中心转轴的距离r满足r1≥r≥r2，其中r1和r2分别为环形天线阵所形成的环形面的外半径和内半径。
4.根据权利要求1所述的用于毫米波和亚毫米波的双模辐射计系统，其特征在于，所述干涉式综合孔径辐射计还包含：
若干套接收机组件，用于完成各相应单元天线所接收电磁波信号的放大和正交检波；
一套数字相关器，用于对各路接收信号进行数字化复相关运算处理得到可视度函数值；
一套校准/定标单元，用于实现对系统参数进行校准/定标；
一套数据处理单元，用于对可视度数据进行校正和成像处理；和
一套旋转扫描控制机构，用于实现天线阵的旋转扫描控制。
5.根据权利要求2或4所述的用于毫米波和亚毫米波的双模辐射计系统，其特征在于，所述单元天线的朝向与环形天线阵所在平面垂直且指向观测方向，所述小口径单元天线之间的相对位置的排列通过针对其所形成基线长度的优化而得到。
6.根据权利要求1或2所述的用于毫米波和亚毫米波的双模辐射计系统，其特征在于，所述大口径反射面天线的中心轴线可以与环形天线阵的中心转轴重合，所述大口径反射面天线的半径R满足：R＜r3，其中r3为所述小口径单元天线距该大口径反射面天线的中心轴线的最短距离。
7.根据权利要求1所述的用于毫米波和亚毫米波的双模辐射计系统，其特征在于，所述真实孔径辐射计还包括：
一套多通道接收机组件，用于实现对大口径反射面天线所接收的多频段电磁波信号进行放大和检波；
一套定标单元，用于对系统增益进行定标；和
一套旋转扫描控制机构，用于实现大口径反射面天线2-自由度的旋转扫描控制。
8.根据权利要求3或7所述的用于毫米波和亚毫米波的双模辐射计系统，其特征在于，所述干涉式综合孔径辐射计和所述真实孔径辐射计可共用一套旋转扫描控制机构。
9.根据权利要求1所述的用于毫米波和亚毫米波的双模辐射计系统，其特征在于，所述大口径反射面天线可以连接多个馈源，用于实现多频段观测。
10.根据权利要求1所述的用于毫米波和亚毫米波的双模辐射计系统，其特征在于，所述2-自由度的旋转采用以下装置实现：
所述大口径反射面天线通过天线底座和第一连接件与驱动电机相连，用于实现俯仰向往复摆动扫描；
所述大口径反射面天线再通过第二连接件与主驱动电机相连，用于实现方位向360°连续旋转扫描。
11.根据权利要求9或10所述的用于毫米波和亚毫米波的双模辐射计系统，其特征在于，所述馈源可以安装在天线底座的内部，用于使所述大口径反射面天线同时接受多个频段的电磁辐射信号。
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