CN108195792A - 一种基于超导探测器的太赫兹波段大气发射谱线测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于超导探测器的太赫兹波段大气发射谱线测量装置，其特征在于，包括运行控制模块和分别与其连接的天线模块、温控模块、接收机模块。本发明大气发射谱线测量装置基于超外差接收和超导探测的原理，通过栅网进行极化分离，再配合与对应极化波匹配的波导耦合方式，实现了两个波段信号的同时观测接收，通过合理的规划和改进，与现有技术相比，在实现双波段同时观测的基础上，还具有系统灵敏度和稳定性高，谱线宽带和频率分辨率高的优点。
Description
技术领域
本发明属于太赫兹技术和大气科学技术领域，具体涉及一种基于超导探测器的太赫兹波段大气发射谱线测量装置。
背景技术
大气科学是研究大气的各种现象(包括结构、组成、物理现象、化学反应、运动规律等)，这些现象的演化规律，以及如何利用这些规律为人类服务的科学。地球大气中除了N2和O2外，其它总量占1％的剩余气体都被称为痕量气体。一些影响人类生态系统的事件如光化学烟雾、酸雨、温室效应、臭氧层破坏等，以及近些年关注度较高的雾霾，无不与痕量气体相关。
太赫兹波段覆盖了大气成分中重要的痕量气体分子，如水汽、O3、CO2的分子转动发射谱线，使得该波段的大气观测显得尤为重要，已成为开展地球大气研究的重要手段。根据探测原理的不同，太赫兹信号探测可分为相干探测与非相干探测。相干探测又称为外差探测，利用混频器和本振信号，将较高频率射频信号下变频到较低频率中频信号，再对中频信号进行放大滤波及频谱处理，这种探测方式保留了被探测信号的幅度和相位信息，但实现方式较复杂，适合高频谱分辨率探测场合。非相干探测又称直接探测，利用检波器件直接将检测到的信号转化为电压或电流信号，得到被测信号的幅度信息，这种探测方式实现较简单，动态范围较大，适合大规模成像探测。另外，根据探测器种类和工作环境不同，又可分为常温探测器，低温探测和低温超导探测器，通常情况下，低温超导探测器的探测灵敏度最高。
现有的太赫兹波段大气谱线测量装置主要是基于常温探测器，观测的谱线频率固定。原理上是采用常温混频器将太赫兹波段射频信号下变频到中频，再使用带通滤波器组进行滤波分频处理，最后对不同频率通道信号进行放大检波，最终得到目标频率大气辐射谱廓线；或是直接使用观测频率附近的多通道射频带通滤波器组对大气辐射信号进行滤波，再使用常温太赫兹探测器进行直接检波探测，例如，德国RPG公司研制的各类常温辐射计即采用以上两种技术路线。这种技术路线的优点是系统结构简单，缺点是探测灵敏度低，得到的谱线频率分辨率差，基于此类观测数据反演得到的痕量气体分布精度较差。
发明内容
针对现有技术中存在问题，本发明的技术目的是提供一种探测灵敏度高和稳定性高的基于超导探测器的太赫兹波段大气发射谱线测量装置，其技术方案为：
一种基于超导探测器的太赫兹波段大气发射谱线测量装置，其特征在于，包括运行控制模块和分别与其连接的天线模块、温控模块、接收机模块；
所述天线模块设有准光学单元和伺服跟踪单元，准光学单元设有反射元件和太赫兹线栅，伺服跟踪单元设有自动调节俯仰角度的第一反射镜，待测信号通过所述第一反射镜进入到准光学单元中，按照所述反射元件规划的路径传播，通过第一反射镜的角度调整，可使不同方向入射信号最终入射到太赫兹线栅上的角度恒定，所述太赫兹线栅用于对入射信号进行极化分离，太赫兹线栅的后方设有第二反射镜，在线栅处被全反射的极化波束传播方向对准接收机模块的低频段信号接收窗口，透过线栅继续传播的极化波束则通过所述第二反射镜的反射，入射到接收机模块的高频段信号接收窗口中；
所述温控模块包括制冷单元，所述制冷单元设有真空杜瓦和冷头；
所述接收机模块设有超导混频单元、本振单元、中频单元和后端频谱处理单元，所述超导混频单元设置在真空杜瓦内，其输入信号从杜瓦窗口中进入，通过冷头形成的热沉，使其工作在4K温区；超导混频单元对应两路极化波束分别设有混频器基座和超导混频器，耦合天线模块输出信号的波纹喇叭和耦合本振单元输出信号的对角喇叭以背靠背的形式设置，并与混频器基座连接，两路信号通过混频器基座内的定向耦合器耦合后，最终馈入超导混频器；超导混频器完成基波混频后，通过工作在4K温区的低温放大器将输出信号放大，再通过绝热电缆向真空杜瓦外的中频单元输出；所述中频单元对其输入信号进行预处理后，通过定向耦合器进行不等功分，直接输出宽带中频信号或进行平方律检波器检波后输出电压信号，所述宽带中频信号输出至后端频谱处理单元中，通过频谱仪的实时分析处理将获得的频谱数据向运行控制模块输出，所述电压信号则经过模数转换后直接向运行控制模块输出。
在上述方案的基础上，进一步改进或优选的方案还包括：
所述超导混频器的基座固定在4K冷板上，所述冷板与冷头之间通过无氧铜带进行热传导，以减少冷头机械振动对系统稳定性的影响。
所述制冷单元为50K和4K两级GM循环制冷系统，两级之间使用玻璃钢绝热支撑，中频信号和向超导混频器施加的直流偏置通过绝热电缆传输，并在各冷级设置充分热沉，实现4K冷级与50K冷级之间信号的绝热传输。
所述中频单元在对输入信号的预处理中，采用滤波放大链路，滤波放大链路包括低通滤波到2GHz带宽的滤波器、位于50K冷级的低温SiGe型HBT放大器和室温中频链路，所述低温SiGe型HBT放大器的增益为35dB；所述室温中频链路由多级放大器和电调衰减器构成，增益调整范围为25～55dB。
所述反射元件包括主镜和副镜，所述主镜为抛物面镜，将入射信号会聚传向共焦点的副镜；所述副镜为双曲面镜，其一侧的焦点与主镜焦点重合，将入射信号传向太赫兹线栅。
所述主镜优选采用300mm口径、1200mm焦距的抛物面镜，副镜优选采用口径64mm的双曲面镜。
所述天线模块设有定标校准单元，所述定标校准单元包括设置在第一反射镜周围的高温和/或常温校准黑体，其中高温校准黑体保持在350K的恒定温度，所述常温校准黑体随外部环境温度变化，校准时，转动第一反射镜使其对准高温或常温校准黑体。
所述接收机模块设有光程调制单元，所述光程调制单元对应入射到接收机模块中的两路极化波束分别设有一组屋面镜结构，所述屋面镜结构由可相对移动的内屋面镜和外屋面镜构成，所述内屋面镜在与外屋面镜相对的一侧设有凸起的三角形反射面，所述凸起的三角形反射面由第一斜面和第二斜面构成；外屋面镜在与内屋面镜相对的一侧设有内凹的三角形反射面，所述内凹的三角形反射面由第三斜面、第四斜面构成，光程调制单元的入射波束依次经过第一斜面、第三斜面、第四斜面、第二斜面的反射后进入超导混频单元，第一斜面上波束的入射方向和第二斜面上波束的反射方向在同一直线上。
作为优选，超导混频器采用并联双结超导SIS混频器。
作为优选，所述频谱仪采用数字实时傅里叶变换频谱仪。
有益效果：
本发明大气发射谱线测量装置，基于超外差接收和超导探测的原理，通过合理的规划和改进，其整体系统与现有测量系统相比，在实现双波段同时观测的基础上，还具有系统灵敏度和稳定性高，谱线宽带和频率分辨率高的优点。
附图说明
图1是本发明装置的结构框架示意图；
图2是本发明装置通过线栅极化分离及波导耦合方式信号接收的示意图；
图3是本发明装置中背靠背喇叭方式耦合信号的示意图；
图4是本发明装置中减振杜瓦的设计示意图；
图5是本发明装置中宽带数字实时傅里叶变换频谱仪的工作流程图。
具体实施方式
为了进一步阐明本发明的技术方案和工作原理，下面结合附图与具体实施例对本发明作进一步的介绍。
如图1所示，一种基于超导探测器的太赫兹波段大气发射谱线测量装置，包括运行控制、天线、温控和接收机等四个模块，集成在一个约6米长的标准方舱内，采用220V交流电作为电源。
所述天线模块设有准光学单元1、定标校准单元2、伺服跟踪单元3、环境监测单元4和舱外集中控制单元5。
所述准光学单元1用于射频信号的光路调整与频段分离，包括反射元件和太赫兹线栅，伺服跟踪单元1设有第一反射镜和驱动电机，所述第一反射镜为平面镜，初始状态下为45度倾斜，装置工作时，通过驱动电机旋转调节第一反射镜的俯仰角度，将外部环境中不同入射角度的输入信号均以水平方向反射到反射原件的主镜中。
环境监测单元4记录的气象参数信息将用于大气痕量气体的反演。
所述定标校准单元2包括设置在第一反射镜周围的高温和常温校准黑体，其中高温校准黑体保持在350K的恒定温度，所述常温校准黑体随外部环境温度变化，校准时，转动第一反射镜使其对准高温或常温校准黑体。
所述反射元件包括主镜和副镜，本实施例中，所述主镜采用300mm口径、1200mm焦距的抛物面镜，所述副镜为口径64mm的双曲面镜，主镜将入射信号会聚后传向共焦点的副镜，副镜一侧的焦点与主镜焦点重合，并绕焦点向上旋转一定角度，以保证将其入射信号以水平方向反射传至太赫兹线栅。
所述太赫兹线栅用于对入射信号进行极化分离，实现分频，将其入射信号分离为垂直极化波和水平极化波，其中，垂直极化波透射过栅网继续沿水平方向传播，经45度倾斜的第二反射镜反射后，垂直向下传播对准接收机模块的高频段信号接收窗口(0.24-0.4THz)；水平极化波在栅网处全反射，垂直向下传播对准接收机模块的低频段信号接收窗口(0.18-0.24THz)，本实施例中，所述高频段、低频段是二者相对而言，非对绝对范围值的限定。
所述温控模块包括所述方舱、舱内热控单元7以及超导混频单元提供低温环境的制冷单元6。所述制冷单元6由真空杜瓦、冷头和氦气压缩机等组成，为50K和4K两级GM循环制冷系统，两级之间使用玻璃钢绝热支撑，中频信号和向超导混频器施加直流偏置通过绝热电缆传输，并在各冷级设置充分热沉，以实现4K冷级与50K冷级之间信号的绝热传输，最终4K冷级实现的制冷量为0.13瓦。舱内热控单元7根据舱内温度实时控制空调开关和通风系统的运行，使舱内温度保持在较小的变化区间内。
所述接收机模块设有光程调制单元8、超导混频单元9、本振单元10、中频单元11、前端集中控制单元12和后端频谱处理单元13。
所述光程调制单元8用于光学调焦，对应两路极化波束分别设有一组屋面镜结构，如图1所示。所述屋面镜结构由可相对移动的内屋面镜和外屋面镜构成，通过内屋面镜的小范围移动用来优化不同频率光路。所述内屋面镜在与外屋面镜相对的一侧设有凸起的三角形反射面，所述凸起的三角形反射面由第一斜面和第二斜面构成；外屋面镜在与内屋面镜相对的一侧设有内凹的三角形反射面，所述内凹的三角形反射面由第三斜面、第四斜面构成，光程调制单元的入射波束依次经过第一斜面、第三斜面、第四斜面、第二斜面的反射后进入超导混频单元，第一斜面上波束的入射方向和第二斜面上波束的反射方向在同一直线上。
所述超导混频单元9设置在真空杜瓦内，经过光程调制单元8的信号穿过杜瓦窗口处的透镜及太赫兹带通滤波器，进入超导混频单元，所述超导混频单元对应两路极化波束分别设有混频器基座和集成在其内部的超导混频器。
耦合天线模块输出信号的波纹喇叭和耦合本振单元输出信号的对角喇叭以背靠背的形式设置，如图3所示，混频器基座与背靠背喇叭连接，使两路信号通过混频器基座内的定向耦合器耦合后，最终被馈入超导混频器，其中高、低频段的定向耦合器波导方向分别与对应信号的极化方向匹配，从而只有匹配的极化信号能在波导内传播，再被混频器耦合吸收，其余噪声信号则不能在波导内传播，如图2所示，即本发明装置通过栅网进行极化分离，再配合与对应极化波匹配的波导耦合方式，实现了两个波段信号的同时观测接收。背靠背喇叭信号耦合方式相比于传统分光膜单喇叭信号耦合方式，由于不再使用分光膜，一方面耦合本振功率的效率会增加，而且减少了使用分光膜对输入信号的衰减；另一方面也会减少由于杜瓦振动或者气流运动引起的分光膜振动，从而使射频输入信号和本振信号更加稳定，增加系统的稳定性。基于超导混频器的强非线性，射频输入信号和本振信号实现基波混频，同时由于混频器芯片上集成了滤波电路，除了基波混频以外的其它次谐波混频都被滤除，本实施例中，所述混频器选用了并联双结超导SIS混频器，在本发明装置中，相比于传统非超导类探测器，其灵敏度更高；相比于单结型混频器，其射频工作带宽更宽，配合宽带可调太赫兹本振源，实现观测频率可调，经过混频器下变频后，最终得到中频信号频率为：fIF＝fRF-fLO或fIF＝fLO-fRF，即实现的是双边带混频，中频带宽内高于或低于本振信号的射频信号同时下变频到中频，并且在中频进行叠加。因此对于观测特定频率谱线信号，设定本振信号频率时需要注意防止另一个边带有谱线下变频后与目标谱线发生折叠，方法是通过计算设定fLO，使得fRF1-fLO≠fLO-fRF2，式中fRF1和fRF2分别为目标谱线频率和其他谱线频率。
基于超导SIS混频器的基座固定在4K级冷板上，通过金属面进行热传导。制冷机通过两根高压氦气管与冷头连接，高压氦气通过氦气管先后通过50K和4K冷级进行制冷，使得在50K和4K的冷头处形成热沉，保证混频器基座和探测器温度恒定在4K温区。由于在制冷过程中，冷头内的活塞有大约1Hz频率的往复运动，会带动冷头产生同周期机械振动，这个机械振动会影响混频器工作的稳定性。为了降低机械振动对系统稳定性的影响，本装置的冷头与冷板之间的连接不是采用传统的硬连接，而是采用多根低温导热性能较好的无氧铜带连接冷头和冷板，如图4所示，由于二者间导热性能良好，冷板温度趋近于冷头温度，保证了混频器4K温区工作环境温度的前提下有效降低冷头机械振动对系统稳定性的影响。
基于超导SIS混频器对接收到的太赫兹射频信号进行下变频之后，输出中频信号，并通过4K冷级的低温低噪声放大器进行放大。经过初步放大的中频信号在真空杜瓦内再通过中频绝热电缆传导，最终经由密封接头连接到杜瓦外。
所述中频信号在中频单元11中先进行预处理，包括放大、滤波及采用电调衰减器进行幅度调整等，最终经过定向耦合器进行不等功分，分别直接输出宽带中频信号或进行平方率检波器检波后输出电压信号。
在对输出信号的预处理中，所述中频单元采用的滤波放大链路包括低通滤波到2GHz带宽的滤波器、位于50K冷级的低温SiGe型HBT放大器和室温中频链路，所述低温SiGe型HBT放大器的增益为35dB；所述室温中频链路由多级放大器和电调衰减器构成，增益调整范围为25～55dB。
所述检波电压通过数据采集模块进行模数转换后传给运行控制模块的观测运行单元14，宽带的中频信号则接入后端频谱处理单元13的数字实时傅里叶变换频谱仪进行频谱采集处理。相对现有大气测量装置后端使用的自相关频谱仪或其他非实时频谱仪系统，数字实时傅里叶变换频谱仪有着宽带，高频率分辨率的特点，该频谱仪主要由集成高速ADC数据采集芯片、FPGA数据处理芯片以及FPGA内核软件组成。通过ADC对中频输入信号进行连续采集，数字信号流后经串并转换模块送入FPGA进行并行FFT处理，将信号由时域转换到频域得到功率谱信号，并对多帧功率谱进行积分累加，提高信号的信噪比，最终通过网络接口将频谱数据传给运行控制模块的观测运行单元，图5所示为数字实时傅里叶变换频谱仪的信号流程图。
所述前端集中控制单元12用于提供探测器偏置，并控制中频增益及太赫兹本振源的输出频率和功率。
所述运行控制模块包括观测运行单元14和数据存储单元15，所述观测运行单元为整个装置的控制中心，它控制所有单元实现大气谱线观测，具体观测流程如下：
步骤一：各单元通电后，设定接收机模块各部分工作参数，包括本振信号频率、探测器偏置电压点、本振信号功率、中频链路增益等；
步骤二：控制天线模块的第一反射镜反射镜指向天顶方向，持续观测固定时长(具体时长可根据大气情况调整)，并对观测到的信号谱线进行积分；
步骤三：控制第一反射镜自天顶向逐步指向水平方向，以步进方式观测大气，并记录不同天顶角方向的检波数据，通过该数据与天线角度拟合出大气透过率；
步骤四：控制第一反射镜指向高温校准源，持续观测固定时长，时长与步骤二天顶观测保持一致，并对观测到的信号谱线进行积分；
步骤五：控制第一反射镜指向常温校准源，持续观测固定时长，时长与步骤二天顶观测保持一致，并对观测到的信号谱线进行积分；
步骤六：对原始谱线数据进行定标校准，得到一组大气谱线观测结果。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，本发明要求保护范围由所附的权利要求书、说明书及其等效物界定。
Claims (10)
1.一种基于超导探测器的太赫兹波段大气发射谱线测量装置，其特征在于，
包括运行控制模块和分别与其连接的天线模块、温控模块、接收机模块；
所述天线模块设有准光学单元和伺服跟踪单元，准光学单元设有反射元件和太赫兹线栅，伺服跟踪单元设有自动调节俯仰角度的第一反射镜，待测信号通过所述第一反射镜进入到准光学单元中，按照所述反射元件规划的路径传播，通过第一反射镜的角度调整，可使不同方向的入射信号最终入射到太赫兹线栅上的角度恒定，所述太赫兹线栅用于对入射信号进行极化分离，太赫兹线栅的后方设有第二反射镜，在线栅处被全反射的极化波束传播方向对准接收机模块的低频段信号接收窗口，透过线栅继续传播的极化波束则通过所述第二反射镜的反射，入射到接收机模块的高频段信号接收窗口中；
所述温控模块包括制冷单元，所述制冷单元设有真空杜瓦和冷头；
所述接收机模块设有超导混频单元、本振单元、中频单元和后端频谱处理单元，所述超导混频单元设置在真空杜瓦内，其输入信号从杜瓦窗口中进入，通过冷头形成的热沉，使其工作在4K温区；超导混频单元对应两路极化波束分别设有混频器基座和超导混频器，耦合天线模块输出信号的波纹喇叭和耦合本振单元输出信号的对角喇叭以背靠背的形式设置，并与混频器基座连接，两路信号通过混频器基座内的定向耦合器耦合后，最终馈入超导混频器；超导混频器完成基波混频后，通过工作在4K温区的低温放大器将输出信号放大，再通过绝热电缆向真空杜瓦外的中频单元输出；所述中频单元对其输入信号进行预处理后，通过定向耦合器进行不等功分，直接输出宽带中频信号或进行平方律检波器检波后输出电压信号，所述宽带中频信号输出至后端频谱处理单元中，通过频谱仪的实时分析处理将获得的频谱数据向运行控制模块输出，所述电压信号则经过模数转换后直接向运行控制模块输出。
2.根据权利要求1所述的一种基于超导探测器的太赫兹波段大气发射谱线测量装置，其特征在于，所述混频器基座固定在4K冷板上，所述冷板与冷头之间通过无氧铜带进行热传导，以减少冷头机械振动对系统稳定性的影响。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于超导探测器的太赫兹波段大气发射谱线测量装置，其特征在于，所述制冷单元为50K和4K两级 GM循环制冷系统，两级之间使用玻璃钢绝热支撑，中频信号和向超导混频器施加的直流偏置通过绝热电缆传输，并在各冷级设置充分热沉，实现4K冷级与50K冷级之间信号的绝热传输。
4.根据权利要求3所述的一种基于超导探测器的太赫兹波段大气发射谱线测量装置，其特征在于，所述中频单元在对输入信号的预处理中，采用滤波放大链路，滤波放大链路包括低通滤波到2GHz带宽的滤波器、位于50K冷级的低温SiGe型HBT放大器和室温中频链路，所述低温SiGe型HBT放大器的增益为35dB；所述室温中频链路由多级放大器和电调衰减器构成，增益调整范围为25～55dB。
5.根据权利要求1所述的一种基于超导探测器的太赫兹波段大气发射谱线测量装置，其特征在于：
所述反射元件包括主镜和副镜，所述主镜为抛物面镜，将入射信号会聚传向共焦点的副镜；所述副镜为双曲面镜，其一侧的焦点与主镜焦点重合，将入射信号传向太赫兹线栅。
6.根据权利要求5所述的一种基于超导探测器的太赫兹波段大气发射谱线测量装置，其特征在于，所述主镜为300mm口径、1200mm焦距的抛物面镜，副镜为口径64mm的双曲面镜。
7.根据权利要求1所述的一种基于超导探测器的太赫兹波段大气发射谱线测量装置，其特征在于：
所述天线模块设有定标校准单元，所述定标校准单元包括设置在第一反射镜周围的高温和/或常温校准黑体，其中高温校准黑体保持在350K的恒定温度，所述常温校准黑体随外部环境温度变化，校准时，转动第一反射镜使其对准高温或常温校准黑体。
8.根据权利要求1所述的一种基于超导探测器的太赫兹波段大气发射谱线测量装置，其特征在于：
所述接收机模块设有光程调制单元，所述光程调制单元对应入射到接收机模块中的两路极化波束分别设有一组屋面镜结构，所述屋面镜结构由可相对移动的内屋面镜和外屋面镜构成，所述内屋面镜在与外屋面镜相对的一侧设有凸起的三角形反射面，所述凸起的三角形反射面由第一斜面和第二斜面构成；外屋面镜在与内屋面镜相对的一侧设有内凹的三角形反射面，所述内凹的三角形反射面由第三斜面、第四斜面构成，光程调制单元的入射波束依次经过第一斜面、第三斜面、第四斜面、第二斜面的反射后进入超导混频单元，第一斜面上波束的入射方向和第二斜面上波束的反射方向在同一直线上。
9.根据权利要求1所述的一种基于超导探测器的太赫兹波段大气发射谱线测量装置，其特征在于，所述超导混频器采用并联双结超导SIS混频器。
10.根据权利要求1所述的一种基于超导探测器的太赫兹波段大气发射谱线测量装置，其特征在于，所述频谱仪采用数字实时傅里叶变换频谱仪。
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