CN107450074A - 一种星载微波大气探测仪 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种星载微波大气探测仪，包括：馈源、定标体、电机、平面镜、抛物面反射器、扫描驱动控制模块、多工器和接收机单元；所述的电机在扫描驱动控制模块的控制下驱动平面镜转动，所述的平面镜通过扫描大气及定标体，将接收到的电磁波信号以平面波形式反射至抛物面反射器，所述的抛物面反射器将平面波二次反射至与其相对设置的馈源内，所述的多工器用于分离馈源接收的电磁波信号的频率，所述的接收机单元包括若干个与多工器输出端并联的接收机，用于接收与其频率相匹配的电磁波信号。本发明的星载微波大气探测仪具有高性能、高集成度、低重量、低功耗的优点。

Description

一种星载微波大气探测仪
技术领域
本发明涉及微波遥感技术领域，特别涉及一种星载微波大气探测仪。
背景技术
大气温度和湿度廓线作为重要的气象参数，目前主要通过星载或地基微波大气温湿度廓线探测仪进行探测；通过获取探测大气的亮温信息，从而测量大气的温度与湿度。该探测仪能全天候获取全球大气垂直温度和湿度廓线，获取与台风、暴雨等强对流天气现象密切相关的云雨大气参数，为数值天气预报提供大气温度与湿度初始场信息。
目前，国内外的星载微波大气温度和湿度探测仪主要采用旋转抛物面天线的形式，抛物面天线与馈源之间相对位置不固定，系统在工作过程中，抛物面与馈源之间的匹配性会发生变化，从而导致天馈系统驻波比发生变化使输出产生波动现象。同时，传统的星载微波大气温度和湿度探测仪采用极化栅网或频率选择表面等准光学技术实现频率分离，这样的设计包含多个馈源，并且存在集成度低、结构复杂、安装精度要求高等不利因素。
发明内容
本发明的目的在于，为解决现有的微波大气温湿度廓线探测仪采用旋转抛物面天线所导致天馈系统驻波比发生变化，使输出的信号产生波动的技术问题，提供一种高性能、高集成度、低重量、低功耗、小型化的星载微波大气探测仪。
为了实现上述目的，本发明提供的一种星载微波大气探测仪，包括：平面镜、抛物面反射器、电机、扫描驱动控制模块、馈源、多工器、接收机单元、定标体；所述的电机在扫描驱动控制模块的控制下驱动平面镜转动，所述的平面镜通过扫描大气及定标体，将接收到的电磁波信号以平面波形式反射至抛物面反射器，所述的抛物面反射器将平面波二次反射至与其相对设置的馈源内，所述的多工器用于分离馈源接收的电磁波信号的频率，所述的接收机单元包括若干个与多工器输出端并联的接收机，用于接收与其频率相匹配的电磁波信号。
作为上述技术方案的进一步改进，还包括数据管理单元，所述的数据管理单元与接收机单元、扫描驱动控制模块、卫星数管计算机连接，所述的星载微波大气探测仪通过数据管理单元与卫星数管计算机进行通讯，并实现对接收机单元输出的数据进行量化采集和控制扫描驱动控制模块的运行。
作为上述技术方案的进一步改进，所述的接收机单元包括三个频率分别为89GHz、165GHz、183.31GHz的高频段接收机；所述的183.31GHz是主探测频率，用于探测大气湿度的垂直分布，所述的89GHz和165GHz是辅助探测频率，用于探测卷云、液水含量和强降雨数据；所述的高频段接收机采用超外差体制接收机。
作为上述技术方案的进一步改进，所述的频率为183.31GHz的高频段接收机包括：本地振荡器、混频器、前置中频放大器、功分器；所述的混频器与本地振荡器相配合，用于将从多工器输出的射频信号下变频至中频信号，并通过前置中频放大器将该中频信号放大后，由功分器分成多路的功率信号输入至各接收通道内；每一接收通道内均设有主中放大器、带通滤波器、检波器、积分器和低频放大器；所述的主中放大器用于放大功分器输出的功率信号，并经带通滤波器进行选频后，由检波器将功率信号转化为直流电压信号，所述的积分器用于对直流电压信号进行平滑处理，并经过低频放大器放大后进行信号输出。
作为上述技术方案的进一步改进，所述的接收机单元包括三个频率分别为23.8GHz、31.4GHz和50-60GHz的低频段接收机；所述的50-60GHz是主探测频率，用于探测大气温度的垂直分布，所述的23.8GHz和31.4GHz是辅助探测频率，用于探测卷云、液水含量和强降雨数据；所述的低频段接收机采用射频直接检波体制接收机。
作为上述技术方案的进一步改进，所述的频率为50-60GHz的低频段接收机包括：射频低噪放大器和功分器；所述的射频低噪放大器对从多工器输出的射频信号进行放大后，由功分器分成多路的功率信号输入至各接收通道内；每一接收通道内均设有带通滤波器、检波器、积分器和低频放大器；所述的带通滤波器对功分器输出的功率信号进行选频后，由检波器将功率信号转化为直流电压信号，所述的积分器用于对直流电压信号进行平滑处理，并经过低频放大器放大后进行信号输出。
本发明的一种星载微波大气探测仪的优点在于：
1、采用平面镜扫描，利用抛物面反射器将平面镜反射的平面波进行二次反射，这样使得抛物面反射器与馈源之间相对位置固定，避免了抛物面反射器旋转时与馈源之间相对位置变化后，天馈系统驻波比发生变化所导致的输出波动现象，即避免输出的某些像元数据固定高于或低于相邻像元的数据，消除了系统固定的干扰误差。
2、采用多工器分离馈源接收的电磁波的频率，三个高频段接收机共用一个馈源，三个低频段接收机共用另一个馈源，结构简单，集成度高，避免了使用极化栅网或频率选择表面等准光学技术实现频率分离所造成的多馈源、集成度低、结构复杂、安装精度要求高等不利条件。
3、高频段接收机采用超外差体制接收机，低频段接收机采用射频直接检波体制接收机，由于射频直接检波体制接收机不需要本振，从而降低了系统噪声温度，具有直流功耗小、体积小、集成度高的优点。
附图说明
图1为本发明实施例中的一种星载微波大气探测仪的结构示意图。
图2为本发明实施例中的89GHz、165GHz和183.31GHz接收机的结构示意图。
图3为本发明实施例中的23.8GHz、31.4GHz和50-60GHz接收机的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明所述的一种星载微波大气探测仪进行详细说明。
如图1所示，本发明提供的一种星载微波大气探测仪，该微波大气探测仪包括：平面镜、抛物面反射器、电机、扫描驱动控制模块、馈源、多工器、接收机单元、定标体。所述的电机在扫描驱动控制模块的控制下驱动平面镜转动，使得平面镜能够进行大气探测扫描及定标。所述的平面镜通过扫描大气及定标体，将接收到的电磁波信号以平面波形式反射至抛物面反射器，所述的抛物面反射器将平面波二次反射至与其相对设置的馈源内，所述的多工器用于分离馈源接收的电磁波信号的频率，所述的接收机单元包括若干个与多工器输出端并联的接收机，用于接收与其频率相匹配的电磁波信号。所述的抛物面反射器可安装在探测仪壳体内的固定位置上，并与馈源保持最佳的驻波比，将平面镜反射来的平面波进行二次反射后通过馈源接收。所述的定标体用于提供微波大气探测仪正常工作环境下的亮温定标数据。
基于上述结构的微波大气探测仪，所述的星载微波大气探测仪还可包括数据管理单元，所述的数据管理单元与接收机单元、扫描驱动控制模块、卫星数管计算机连接，探测仪通过数据管理单元与卫星数管计算机进行通讯，并实现对接收机单元输出的数据进行量化采集和控制扫描驱动控制模块的运行。该数据管理单元具体实现的功能可包括：对天线与接收机单元的科学数据和温度数据进行采集和量化处理，根据数据处理结果调整接收机信道增益，使通道工作在最佳状态；采集角编码信号和天线信号状态，控制扫描驱动和角编码电路工作在主份或备份；通过数据注入控制接收机各通道上下电；接收卫星数管计算机的遥控指令，译码后执行该指令，控制系统的工作状态；对工程遥测参数进行编码，编码后输送至卫星数管计算机。
如图1所示，在本实施例中，可选用两种不同频率的接收机单元构成大气温度与湿度探测仪。其中一个接收机单元可包括三个频率分别为89GHz、165GHz和183.31GHz的高频段接收机构成大气湿度探测仪。两个平面镜分别设置在电机输出轴的两端，在扫描驱动控制模块的控制下，电机带动这两个平面镜进行大气探测扫描及定标。其中，183.31GHz是主探测频率，用于探测大气湿度的垂直分布，89GHz和165GHz是辅助探测频率，用于探测卷云、液水含量和强降雨数据。另一个接收机单元可包括三个频率分别为23.8GHz、31.4GHz和50-60GHz的低频段接收机构成大气温度探测仪。其中，50-60GHz是主探测频率，用于探测大气温度的垂直分布，23.8GHz和31.4GHz是辅助探测频率，用于探测卷云、液水含量和强降雨数据。所述的高频段接收机采用超外差体制接收机，而低频段接收机采用射频直接检波体制接收机，由于射频直接检波体制接收机不需要本振，从而降低了系统噪声温度，具有直流功耗小、体积小、集成度高的优点。
如图2所示，在本实施例中，频率为183.31GHz的高频段接收机包括：本地振荡器、混频器、前置中频放大器、功分器、主中放大器、带通滤波器、检波器、积分器和低频放大器。混频器将本地振荡器产生的高频电磁波与多工器输出的射频信号混合后产生一个差频，这个差频就是中频信号，从而将射频信号下变频至中频信号，并经过前置中频放大器将该中频信号放大后，由功分器分成五路功率信号输入至对应的5个接收通道内，接收通道数可根据需要进行增加或者减少，每一接收通道内均设有主中放大器、带通滤波器、检波器、积分器和低频放大器。所述的主中放大器用于放大功分器输出的功率信号，并经过带通滤波器进行选频后，接着由检波器将功率信号转变为直流电压信号，再经过积分器对该直流电压信号进行平滑处理，最后经过低频放大器放大后，输出信号至数据管理单元进行量化处理。频率为89GHz和165GHz的高频段接收机结构与上述183.31GHz的高频段接收机结构相类似，但是不存在功分器，所以只含有一个接收通道。高频段接收机采用超外差体制接收机，使其接收动态范围大，具有很高的邻道选择性和接收灵敏度。
如图3所示，在本实施例中，频率为50-60GHz的低频段接收机包括：射频低噪放大器、功分器、带通滤波器、检波器、积分器和低频放大器。由多工器输出的射频信号首先通过射频低噪放大器进行信号的放大处理后，由功分器分成十二路功率信号输入至对应的12个接收通道内，接收通道数可根据需要进行增加或者减少，每一接收通道内均设有带通滤波器、检波器、积分器和低频放大器。所述带通滤波器对功分器输出的功率信号进行选频后，由检波器将功率信号转变为直流电压信号，再经过积分器对该直流电压信号进行平滑处理，最后经过低频放大器将电压信号进行放大，以输出达到数字信号处理要求的信号。频率为23.8GHz和31.4GHz的低频段接收机结构与上述50-60GHz的低频段接收机结构相类似，但是不存在功分器，所以只含有一个接收通道。低频段接收机采用射频直接检波体制接收机，此种接收机不需要本地振荡器，从而降低了系统噪声温度，具有直流功耗小、体积小、集成度高的优点。
下述表1示出了微波大气探测仪中各接收机通道的频率参数：
表1
利用上述结构的星载微波大气探测仪进行大气温度和湿度廓线探测的具体过程为：
当电机扫描到对地观测区域时，平面镜对准大气，大气的电磁波信号通过平面镜反射到抛物面反射器，抛物面反射器将平面镜输出的平面波进行二次反射后通过馈源接收，馈源对电磁波进行整理，使其极化方向一致，并进行阻抗变换，此时三个高频段接收机共用一个馈源，三个低频段接收机共用另一个馈源；然后由多工器分离馈源接收的电磁波的频率，经多工器分离的高频段的垂直极化波分别由89GHz、165GHz和183.31GHz的高频段接收机接收，经多工器分离的低频段的水平极化波分别由23.8GHz、31.4GHz和50-60GHz的低频段接收机接收。
当电机扫描到热源定标区域时，平面镜对准定标体，各接收机接收到定标体的亮温数据。
当电机扫描到冷空定标区域时，平面镜对准宇宙背景，各接收机接收到宇宙背景辐射的亮温数据。这样就可以根据两点定标的方法定出观测的大气的亮温值。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，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当中。

Claims (6)

1.一种星载微波大气探测仪，包括：馈源、定标体和电机；其特征在于，还包括：平面镜、抛物面反射器、扫描驱动控制模块、多工器和接收机单元；所述的电机在扫描驱动控制模块的控制下驱动平面镜转动，所述的平面镜通过扫描大气及定标体，将接收到的电磁波信号以平面波形式反射至抛物面反射器，所述的抛物面反射器将平面波二次反射至与其相对设置的馈源内，所述的多工器用于分离馈源接收的电磁波信号的频率，所述的接收机单元包括若干个与多工器输出端并联的接收机，用于接收与其频率相匹配的电磁波信号。
2.根据权利要求1所述的星载微波大气探测仪，其特征在于，还包括数据管理单元，所述的数据管理单元与接收机单元、扫描驱动控制模块、卫星数管计算机连接，所述的星载微波大气探测仪通过数据管理单元与卫星数管计算机进行通讯，并实现对接收机单元输出的数据进行量化采集和控制扫描驱动控制模块的运行。
3.根据权利要求1所述的星载微波大气探测仪，其特征在于，所述的接收机单元包括三个频率分别为89GHz、165GHz、183.31GHz的高频段接收机；所述的183.31GHz是主探测频率，用于探测大气湿度的垂直分布，所述的89GHz和165GHz是辅助探测频率，用于探测卷云、液水含量和强降雨数据；所述的高频段接收机采用超外差体制接收机。
4.根据权利要求3所述的星载微波大气探测仪，其特征在于，所述的频率为183.31GHz的高频段接收机包括：本地振荡器、混频器、前置中频放大器、功分器；所述的混频器与本地振荡器相配合，用于将从多工器输出的射频信号下变频至中频信号，并通过前置中频放大器将该中频信号放大后，由功分器分成多路的功率信号输入至各接收通道内；每一接收通道内均设有主中放大器、带通滤波器、检波器、积分器和低频放大器；所述的主中放大器用于放大功分器输出的功率信号，并经带通滤波器进行选频后，由检波器将功率信号转化为直流电压信号，所述的积分器用于对直流电压信号进行平滑处理，并经过低频放大器放大后进行信号输出。
5.根据权利要求1所述的星载微波大气探测仪，其特征在于，所述的接收机单元包括三个频率分别为23.8GHz、31.4GHz和50-60GHz的低频段接收机；所述的50-60GHz是主探测频率，用于探测大气温度的垂直分布，所述的23.8GHz和31.4GHz是辅助探测频率，用于探测卷云、液水含量和强降雨数据；所述的低频段接收机采用射频直接检波体制接收机。
6.根据权利要求5所述的星载微波大气探测仪，其特征在于，所述的频率为50-60GHz的低频段接收机包括：射频低噪放大器和功分器；所述的射频低噪放大器对从多工器输出的射频信号进行放大后，由功分器分成多路的功率信号输入至各接收通道内；每一接收通道内均设有带通滤波器、检波器、积分器和低频放大器；所述的带通滤波器对功分器输出的功率信号进行选频后，由检波器将功率信号转化为直流电压信号，所述的积分器用于对直流电压信号进行平滑处理，并经过低频放大器放大后进行信号输出。
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