CN109031467A - 一种星载太赫兹冰云天底探测仪系统 - Google Patents

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Abstract

一种星载太赫兹冰云天底探测仪系统，包括：天线和扫描子系统、多频段太赫兹接收通道、定标子系统、数据采集处理平台、控制配电系统和控制和信号处理设备；天线和扫描子系统、多频段太赫兹接收通道、定标子系统、数据采集处理平台和控制配电显示系统安装于探测头部；控制和信号处理设备安装在卫星平台上；探测头部进行圆锥扫描，扫描过程中相继完成对目标的观测、对热定标源源体的观测和对冷空的观测，进而实现对冰云的扫描成像和探测仪在轨的两点定标。本发明采用了一副偏馈抛物面反射器和准光学馈电网络的接收前端设计方案，并通过旋转天馈系统进行圆锥扫描实现对云中冰水粒子的天底观测。

Description

一种星载太赫兹冰云天底探测仪系统
技术领域
本发明属于空间微波遥感技术领域，涉及一种探测仪系统。
背景技术
对地观测体系中，云是最重要的也是最难确定的气象要素之一，特别是上对流层的冰云，在地球表面覆盖率高，对地球能量平衡、气候变化以及天气演变具有重要的影响。冰云中冰晶尺寸一般为几到几千微米，传统的星载遥感系统所采用的微波毫米波对冰云不敏感，而红外/可见光对冰云的穿透性又差，均不能实现有效的探测。而处在微波/毫米波和红外/可见光中间的太赫兹波(100GHz-10THz)的波长更接近冰云中主要粒子的尺寸，因此，太赫兹频段的亮温对冰云冰水路径和冰晶尺寸等主要探测要素非常敏感，该频段已经被认为是开展冰云探测的最佳频段。
针对对流层上层的冰云探测提出的太赫兹冰云天底探测仪是面向冰云宏、微观特性探测的新型载荷，未来在提升气候和云物理学研究水平、提升气候预测和数值天气预报精度以及增强人工影响天气实施效率和极端天气预测能力等很多方面具有重要应用。
现有的机载样机和星载设计方案(ICI)均采用了馈源阵与接收前端集成实现馈电和信号分离的设计方案，该方案使得ICI星载系统在轨将面临馈源阵及接收前端散热困难的问题，进而导致探测仪探测精度等关键性能受到影响。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服在研星载太赫兹冰云探测仪(ICI)系统技术的不足，提出了一种星载太赫兹冰云天底探测仪系统，采用了一副偏馈抛物面反射器和准光学馈电网络的接收前端设计方案，并通过旋转天馈系统进行圆锥扫描实现对云中冰水粒子的天底观测。
本发明所采用的技术方案是：一种星载太赫兹冰云天底探测仪系统，包括：天线和扫描子系统、多频段太赫兹接收通道、定标子系统、数据采集处理平台、控制配电系统和控制和信号处理设备；天线和扫描子系统、多频段太赫兹接收通道、定标子系统、数据采集处理平台和控制配电显示系统安装于探测头部；控制和信号处理设备安装在卫星平台上；探测头部进行圆锥扫描，扫描过程中相继完成对目标的观测、对热定标源源体的观测和对冷空的观测，进而实现对冰云的扫描成像和探测仪在轨的两点定标。
所述天线和扫描子系统包括太赫兹反射面天线、扫描机构和准光馈电网络；扫描机构驱动探测头部进行360°扫描，每一转动周期中在±65°扫描范围内进行扫描成像；准光馈电网络采用极化线栅将太赫兹反射面天线接收的太赫兹信号进行极化分离，H极化波经过频分器FSS#1分为高低频两个支路，高频支路分离出664GHz的探测支路，低频支路分离出243GHz的探测支路，V极化波经频分器FSS#2分为高低频两个支路，高频支路分离出664GHz的探测支路，低频支路经频分器FSS#3、频分器FSS#4和频分器FSS#5依次分离出448GHz、325GHz、243GHz和183GHz探测支路。
所述多频段太赫兹接收通道采用直接混频双边带接收方式，对准光馈电网络频分到多频段太赫兹接收通道的各探测支路的射频信号进行混频，之后进行中频滤波、放大和平方律检波后得到各探测支路最终的视频信号，发送至数据采集处理平台。
所述数据采集处理平台对各个探测支路的输出信号进行差分接收，接收的信号通过具有增益和补偿可控的放大电路后，再由模数变换及控制电路对其进行模数变换，处理结果与定标子系统的高低微波辐射亮温度的温度值共同通过通用异步串行接口电路送至控制和信号处理设备，同时通过通用异步串行接口获得通道的控制参数，对放大电路的补偿和增益进行控制。
所述定标子系统包括热辐射定标源和冷空反射镜；热辐射定标源和冷空反射镜提供两个定标观测所需的稳定的高低微波辐射亮温度，并通过控制配电显示系统采集高低微波辐射亮温度的温度值，经内部串行总线发送至数据采集处理平台。
所述控制配电系统为探测头部供电，发送遥控指令控制天线和扫描子系统、多频段太赫兹接收通道、定标子系统、数据采集处理平台的开关机状态，接收遥测信息，遥测信息包括天线和扫描子系统、多频段太赫兹接收通道、定标子系统、数据采集处理平台的开关机状态信息、温度信息、转速信息。
所述控制和信号处理设备控制控制配电系统的工作状态，与数据采集处理平台进行遥感、遥测信息的交换，接收到的遥感数据通过两点定标获得经过冰云散射的对流层中低层大气的多通道太赫兹辐射亮温，多通道太赫兹辐射亮温通过数据预处理和反演获得观测区域的冰云、冰水路径和等效冰粒子半径。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明采用了抛物面反射面天线和准光学馈电网络的接收前端设计方案解决了现有系统中存在的馈源阵及接收前端散热困难的空间环境适应性问题；
(2)本发明采用准光学馈电网络的接收方法提升了各个频段的主波束效率，继而提升探测仪的探测精度；
(3)本发明采用准光学馈电网络结构设计方案提升了探测仪系统的设计灵活性和工程可实现性。
附图说明
图1为本发明的一种星载太赫兹冰云天底探测仪系统框图；
图2为本发明的探测仪系统扫描和定标示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
根据冰云的辐射特性，星载太赫兹冰云天底探测仪系统选择了敏感性高的183～664GHz频段进行探测。星载太赫兹冰云天底探测仪系统采用全功率型辐射计，包括：天线和扫描子系统、多频段太赫兹接收通道、定标子系统、数据采集处理平台、控制配电系统和控制和信号处理设备。
系统进行了集成一体化的设计，天线和扫描子系统、多频段太赫兹接收通道、定标子系统、数据采集处理平台和控制配电显示系统安装于系统的探测头部；控制和信号处理设备安装在卫星平台上。
星载太赫兹冰云天底探测仪系统的在轨工作方式为：系统探测头部进行圆锥扫描，扫描过程中相继完成对目标的观测、对热定标源源体的观测和对冷空的观测，进而实现对冰云的扫描成像和探测仪在轨的两点定标。探测仪扫描和定标示意图如图2所示。
天线和扫描子系统包括太赫兹反射面天线、扫描机构和准光馈电网络。系统控制扫描机构驱动探测头部进行360°扫描，每一转动周期中在±65°扫描范围内(0°指卫星行进方向)进行扫描成像，准光馈电网络采用极化线栅将太赫兹反射面天线接收的太赫兹信号进行极化分离，H极化波经过频分器FSS#1分为高低频两个支路，高频支路分离出664GHz的探测支路，低频支路分离出243GHz的探测支路。V极化波经频分器FSS#2分为高低频两个支路，高频支路分离出664GHz的探测支路，而低频支路经频分器FSS#3、FSS#4和FSS#5依次分离出448GHz、325GHz、243GHz和183GHz探测支路。
多频段太赫兹接收通道采用直接混频双边带接收方式，对准光馈电网络频分到多频段太赫兹接收通道的各探测支路的射频信号直接进行混频，之后进行中频滤波、放大和平方律检波后得到各探测支路最终的视频信号，发送至数据采集处理平台。
数据采集处理平台整机安装于系统的探测头部内。数据采集处理平台对各个探测支路的输出信号进行差分接收，接收的信号通过具有增益和补偿可控的放大电路后，再由模数变换及控制电路对其进行模数变换，处理结果与定标子系统的高低微波辐射亮温度的温度值共同通过通用异步串行接口电路送至控制和信号处理设备，同时通过通用异步串行接口获得通道的控制参数，对放大电路的补偿和增益进行控制。
定标子系统包括热辐射定标源和冷空反射镜。热辐射定标源和冷空反射镜提供两个定标观测所需的稳定的高低微波辐射亮温度，并通过控制配电显示系统采集高低微波辐射亮温度的温度值，经内部串行总线送给数据采集处理平台。
控制配电系统安装在系统的探测头部高频箱内部。控制配电系统为探测头部供电，发送遥控指令控制天线和扫描子系统、多频段太赫兹接收通道、定标子系统、数据采集处理平台的开关机状态，接收遥测信息，遥测信息包括天线和扫描子系统、多频段太赫兹接收通道、定标子系统、数据采集处理平台的开关机状态信息、温度信息、转速信息。
控制和信号处理设备控制控制配电系统的工作状态，与数据采集处理平台进行遥感、遥测信息的交换。遥感数据通过两点定标获得经过冰云散射的对流层中低层大气的多通道太赫兹辐射亮温，多通道太赫兹辐射亮温通过数据预处理和反演获得观测区域的冰云、冰水路径和等效冰粒子半径。系统的原理框图如图1所示。系统主要技术指标要求如表1所示。
表1太赫兹冰云天底探测仪主要技术指标
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。

Claims (7)

1.一种星载太赫兹冰云天底探测仪系统，其特征在于，包括：天线和扫描子系统、多频段太赫兹接收通道、定标子系统、数据采集处理平台、控制配电系统和控制和信号处理设备；天线和扫描子系统、多频段太赫兹接收通道、定标子系统、数据采集处理平台和控制配电显示系统安装于探测头部；控制和信号处理设备安装在卫星平台上；探测头部进行圆锥扫描，扫描过程中相继完成对目标的观测、对热定标源源体的观测和对冷空的观测，进而实现对冰云的扫描成像和探测仪在轨的两点定标。
2.根据权利要求1所述的一种星载太赫兹冰云天底探测仪系统，其特征在于：所述天线和扫描子系统包括太赫兹反射面天线、扫描机构和准光馈电网络；扫描机构驱动探测头部进行360°扫描，每一转动周期中在±65°扫描范围内进行扫描成像；准光馈电网络采用极化线栅将太赫兹反射面天线接收的太赫兹信号进行极化分离，H极化波经过频分器FSS#1分为高低频两个支路，高频支路分离出664GHz的探测支路，低频支路分离出243GHz的探测支路，V极化波经频分器FSS#2分为高低频两个支路，高频支路分离出664GHz的探测支路，低频支路经频分器FSS#3、频分器FSS#4和频分器FSS#5依次分离出448GHz、325GHz、243GHz和183GHz探测支路。
3.根据权利要求2所述的一种星载太赫兹冰云天底探测仪系统，其特征在于：所述多频段太赫兹接收通道采用直接混频双边带接收方式，对准光馈电网络频分到多频段太赫兹接收通道的各探测支路的射频信号进行混频，之后进行中频滤波、放大和平方律检波后得到各探测支路最终的视频信号，发送至数据采集处理平台。
4.根据权利要求3所述的一种星载太赫兹冰云天底探测仪系统，其特征在于：所述数据采集处理平台对各个探测支路的输出信号进行差分接收，接收的信号通过具有增益和补偿可控的放大电路后，再由模数变换及控制电路对其进行模数变换，处理结果与定标子系统的高低微波辐射亮温度的温度值共同通过通用异步串行接口电路送至控制和信号处理设备，同时通过通用异步串行接口获得通道的控制参数，对放大电路的补偿和增益进行控制。
5.根据权利要求4所述的一种星载太赫兹冰云天底探测仪系统，其特征在于：所述定标子系统包括热辐射定标源和冷空反射镜；热辐射定标源和冷空反射镜提供两个定标观测所需的稳定的高低微波辐射亮温度，并通过控制配电显示系统采集高低微波辐射亮温度的温度值，经内部串行总线发送至数据采集处理平台。
6.根据权利要求5所述的一种星载太赫兹冰云天底探测仪系统，其特征在于：所述控制配电系统为探测头部供电，发送遥控指令控制天线和扫描子系统、多频段太赫兹接收通道、定标子系统、数据采集处理平台的开关机状态，接收遥测信息，遥测信息包括天线和扫描子系统、多频段太赫兹接收通道、定标子系统、数据采集处理平台的开关机状态信息、温度信息、转速信息。
7.根据权利要求6所述的一种星载太赫兹冰云天底探测仪系统，其特征在于：所述控制和信号处理设备控制控制配电系统的工作状态，与数据采集处理平台进行遥感、遥测信息的交换，接收到的遥感数据通过两点定标获得经过冰云散射的对流层中低层大气的多通道太赫兹辐射亮温，多通道太赫兹辐射亮温通过数据预处理和反演获得观测区域的冰云、冰水路径和等效冰粒子半径。
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