CN109060843A - 一种大椭圆轨道微波垂直探测仪系统 - Google Patents

Abstract

一种大椭圆轨道微波垂直探测仪系统，天线子系统在每一个扫描周期内产生的天线波束指向观测目标时，得到观测目标电磁信号后进行频段分离、极化分离；接收机接收电磁信号后进行放大、滤波、检波，将得到的电压信号；定标源体及控制器提供微波垂直探测仪系统在轨两点定标所需的热辐射定标源亮温；信号处理控制类单机对电压信号进行差分接收，经由具有补偿可控的放大电路后进行模数变换，将得到的数字信号送至外部平台，并根据外部指令控制微波垂直探测仪系统的工作状态，控制对外遥感信息、遥测信息、遥控信息交换。

Description

一种大椭圆轨道微波垂直探测仪系统

技术领域

本发明涉及空间微波遥感技术领域，特别是一种大椭圆轨道微波垂直探测仪系统。

背景技术

大椭圆轨道微波垂直探测仪的使命任务是探测获取全球中高纬度区域大气温/湿度廓线、水汽含量、海面/地表温度等气象环境关键要素，与极轨、静止轨道气象海洋卫星互为补充，形成对全球气象海洋环境要素高时效监测，为我军军事活动提供大气海洋环境参数信息；为军民数值天气预报和海洋环境预报提供高垂直分辨率、高精度的大气环境初始场资料；为民用气象、海洋、防灾减灾等领域提供大气和海洋环境参数。

到目前为止，所有在轨应用的微波辐射计都工作在太阳同步(低)轨道上，轨道高度从600公里到800公里不等。然而大椭圆轨道微波垂直探测仪系统工作轨道高度不小于10000公里，按现有辐射计系统计算空间分辨率达百公里级, 无法满足业务应用需求。并且传统微波辐射计采用圆锥或者圆周扫描方式，在轨运行状态下观测区域有限并受到轨道约束观测范围只能在刈幅宽度内，机动性不足无法满足大椭圆轨道微波垂直探测仪系统的探测需求；卫星的运行轨迹与地球赤道有一定的夹角，由于地球自转的影响，卫星每运行一周可以观测到与上一周截然不同的区域，由此实现对全球的观测。但是，卫星对地球上同一地区的观测重复周期较长，以NOAA卫星为例，NOAA双星每天对同一地点观测次数只有四次，这远远不能满足快速天气变化观测的需要。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种大椭圆轨道微波垂直探测仪系统，解决了现有的大椭圆轨道微波垂直探测仪的在空间分辨率、机动性、时间分辨率三个方面的不足的问题。

本发明的技术解决方案是：一种大椭圆轨道微波垂直探测仪系统，包括天线子系统、接收机、信号处理控制类单机、定标源体及控制器，其中：

天线子系统，进行360°扫描，在每一个扫描周期内产生的天线波束指向观测目标时，收到来自目标的微波辐射能量，得到电磁信号后进行频段分离、极化分离，并输出至接收机；

接收机，接收电磁信号后进行放大、滤波、检波、再放大，将得到的电压信号输出到信号处理控制类单机；

定标源体及控制器，提供微波垂直探测仪系统在轨两点定标所需的热辐射定标源亮温；

信号处理控制类单机，对接收机的电压信号进行差分接收，并经由具有补偿可控的放大电路后进行模数变换，将得到的数字信号送至外部平台；根据外部指令控制微波垂直探测仪系统的工作状态，控制对外遥感信息、遥测信息、遥控信息交换。

所述的天线子系统包括天线及馈电网络、扫描伺服机构、伺服控制器，天线及馈电网络包括主反射器、副反射器、准光馈电网络；其中：

伺服控制器控制扫描伺服机构驱动准光馈电网络中的旋转扫描镜进行360°扫描，在每一个扫描周期内，当主反射器或者副反射器产生的天线波束指向观测目标时，主反射器或者副反射器收到来自目标的微波辐射能量，并产生电磁信号，准光馈电网络对主反射器或者副反射器接收的电磁信号进行频段分离、极化分离后送至接收机。

还包括探测头部结构，探测头部结构安装固定天线及馈电网络、扫描伺服机构、伺服控制器。

所述的定标源体及控制器提供的微波垂直探测仪系统在轨两点定标所需的热辐射定标源亮温为300K。

所述的信号处理控制类单机包括信号采集器、综合处理器，其中：

信号采集器对接收机的输出信号进行差分接收，然后对接收信号通过具有补偿可控的放大电路后，进行模数变换，并通过通用异步串行接口电路送综合处理器；

综合处理器，与外部平台进行遥感信息、遥测信息、遥控信息交换，完成微波垂直探测仪系统工作状态控制。

所述的信号采集器通过通用异步串行接口对使用的补偿可控的放大电路的补偿根据外部指令进行控制。

还包括探测头部配电器，提供微波垂直探测仪系统所需的二次电源。

所述的大椭圆轨道微波垂直探测仪系统包括区域应急观测模式、极区全视场模式。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明与现有技术相比，通过采用3.85m超高精度大口径反射面天线，解决了系统空间分辨率和业务化应用的要求；

(2)本发明与现有技术相比，通过采用旋转扫描镜和二维扫描机构的旋转扫描，解决了星载大椭圆轨道系统工作方式与幅宽的矛盾，使微波垂直探测仪具备自主机动性满足卫星系统各种工作模式；

(3)本发明与现有技术相比，通过采用大椭圆轨道，解决了现有微波辐射计系统观测频次和长时间观测时间问题，而且双星组网后系统具备对高纬度目标区域全天时全天候准实时观测，并且可与地面实时通讯的功能，能够实现高时间分辨率和观测数据实时下传功能。

附图说明

图1为大椭圆轨道微波垂直探测仪系统组成框图；

图2(a)、图2(b)为旋转反射镜和二维扫描机构示意图；

图3(a)、图3(b)为子扫描与整体扫描结合及路径扫描示意图；

图4为全视场拼接成像工作模式示意图。

具体实施方式

本发明首次针对星载大椭圆轨道平台，提出一种大椭圆轨道微波垂直探测仪系统，采用超高精度大口径反射面天线体制，通过旋转扫描镜和二维扫描机构，解决了星载大椭圆轨道系统工作方式与幅宽的矛盾，使微波垂直探测仪具备自主机动性满足卫星系统各种工作模式；采用准光馈电网络的射频前端接收方式，改善了系统布局自由度，避免了传统馈源阵偏焦的电性能损失问题；双星组网后系统具备对高纬度目标区域全天时全天候准实时观测，并且可与地面实时通讯的功能，能够实现高时间分辨率和观测数据实时下传功能。

一、系统组成简介

本发明微波垂直探测仪系统工作在50GHz～425GHz频段，探测通道≥37 个，系统复杂度高，采用集成一体化的设计方案。根据微波垂直探测仪的工作原理，系统在功能上分为4个组成部分，分别是天线子系统、接收机、信号处理控制类单机(其中，信号处理控制类单机包括信号采集器、探测头部配电器、综合处理器)、定标源体及控制器，本发明微波垂直探测仪系统的原理框图如附图1所示。

目前本发明将系统分为二级的分系统有：天线子系统、接收机、信号处理控制类单机、定标源体及控制器，二级的分系统信号处理控制类单机被分为三级的模块有：信号采集器、探测头部配电器、综合处理器。

1)天线子系统：天线子系统是微波垂直探测仪系统探测头部的主体，包括天线及馈电网络、扫描伺服机构、伺服控制器、探测头部结构。天线及馈电网络包括主反射器、副反射器、准光馈电网络(包括旋转扫描镜)。伺服控制器控制扫描伺服机构驱动准光馈电网络中的旋转扫描镜进行360°扫描，在每一个扫描周期内，当主反射器产生的天线主波束指向观测目标时，反射器收到来自目标的微波辐射能量(电磁信号)，引起反射器口面视在温度的变化，准光馈电网络对反射器接收到的电磁信号进行频段分离、极化分离后输出到接收机中。探测头部结构安装天线及馈电网络、扫描伺服机构、伺服控制器。

2)接收机：不同频段的接收机接收到来自天线子系统的不同频段的电磁信号后进行放大、滤波、检波和再放大后，以电压的形式输出到分系统信号处理控制类单机中的信号采集器中。

3)定标源体及控制器：定标源体提供微波垂直探测仪系统在轨两点定标所需的热辐射定标源亮温(约300K)，控制器对热定标源体进行控温与测温。

4)信号采集器：信号采集器对接收机输出的信号进行差分接收，接收的信号通过具有补偿可控的放大电路后，进行模数变换，结果通过通用异步串行接口电路送综合处理器，同时通过通用异步串行接口获得通道的控制参数，对放大电路的补偿进行控制。

5)探测头部配电器：提供微波垂直探测仪系统所需的二次电源，完成对微波垂直探测仪系统遥测信息的采集。

6)综合处理器：完成微波垂直探测仪系统工作状态控制和对外遥感、遥测、遥控等信息的交换。

微波垂直探测仪系统的工作过程可描述如下：伺服控制器控制扫描机构驱动旋转扫描镜进行360°扫描，每一转动周期均进行对地观测和定标，馈电网络将接收的信号按频率和极化分开，送入接收机中进行低噪声放大等处理后送到信号采集器进行信息采集及其它处理，综合处理器接收采集处理后的遥感数据进行编排打包发送，并完成与平台的遥感数据、遥测遥控指令的交换。

二、主要技术内容

本发明根据系统设计指标要求，针对现有系统在空间分辨率、机动性、时间分辨率三个方面的不足，设计了一种大椭圆微波垂直探测仪系统：

(1)空间分辨率

为了满足实际应用需求，天线的设计应当具有足够高的分辨率，即选择尽可能大的天线口径。另一方面，如果地面足迹太小就会导致积分时间变短，进而影响系统的测温灵敏度。根据业务化应用中对分辨率的需求，对系统分辨率和系统测温灵敏度指标进行分析计算，充分考虑实际应用对分辨率和系统测温灵敏度的要求。因此，微波垂直探测仪选取3.85m口径的双反偏馈卡塞格伦天线。根据大椭圆轨道的轨道特性，计算空间分辨率最大包络。微波垂直探测仪在10000km的观测高度，空间分辨率5-35km；在40000km的观测高度系统，空间分辨率10-82km，均满足系统业务化应用需求。而且避免天线的纵向尺寸过大，超出卫星平台的包络，又减轻了大口径反射面天线的加大研制难度。

(2)机动性

按照用户的要求，天线的扫描需要实现区域应急观测模式和极区全视场模式两种观测模式区域。下面分别具体的对天线两种工作模式的扫描策略进行设计：

(21)区域应急观测模式

区域应急是在某种特殊工况下载荷完成对指定区域的扫描观测。此时卫星平台及载荷一同按照既定的扫描方案进行机动观测，同时获得满足要求的观测幅宽。由于轨道高度设定为10000～35000km，因此仅对10000km轨高的情况进行分析描述，同样保证适用于其它轨高。当卫星高度为10000km时，天线馈电网络中通过旋转扫描镜能够获得125km的对地扫描覆盖区域，如附图2(a)、 (b)所示。

根据扫描幅宽要求，载荷必须在3min完成500×500的区域覆盖，因此设计载荷馈电网络旋转扫描镜与天线整体运动相结合，同时通过调整卫星指向进行拼幅的扫描方案。具体方式为：旋转扫描镜组件快速旋转，平台滚动回摆实现在交轨方向上的区域机动，载荷天线整体在顺轨方向上来回扫描实现在该方向上的幅宽覆盖，从而获得要求的二维观测幅宽。天线整体通过转动机构在东西±1.431°范围内往返运动。子扫描与整体扫描结合的扫描示意图如附图3(a)、 (b)所示。

东西向匀速扫描2.86°所需时间由首尾两次加减速时间和中间匀速时间组成。加减速时间＝2*4＝8秒。匀速扫描过程2.86°的时间＝2.86°/0.13≈22秒。则东西向扫描2.86°所需时间＝8+22＝30秒；南北向扫描所需时间为＝3*20＝60 秒。

扫描总时间计算：4*30s+60s＝180s(3min)，满足用户的扫描时间要求极区全视场子模式主要利用高轨卫星相对地球静止的特性，实现对极区的全视场观测。目前考虑卫星高度在35000公里以上时，采用此模式。此时卫星平台按照既定的扫描方案进行机动观测，同时获得满足要求的观测幅宽。

(22)极区全视场模式

本模式下，假设卫星相对地面不动，则卫星可以在7度半锥角以内的区域进行成像。

极区全视场模式主要利用高轨卫星相对地球静止的特性，实现对极区的全视场观测。目前考虑卫星高度在35000公里以上时，采用此模式。此时卫星平台按照既定的扫描方案进行机动观测，同时获得满足要求的观测幅宽。本模式下，假设卫星相对地面不动，则卫星可以在7度半锥角以内的区域进行成像。

由于卫星轨道较高，载荷可以不用拼幅，因此旋转扫描镜组件快速旋转和卫星平台进行滚动与俯仰方向的机动来实现。机动过程中，按照先东西向(卫星的俯仰)、再南北向(卫星的滚动)进行拼接操作流程编排。当卫星平台对某个区域凝视观测时，微波垂直探测仪也可以通过自身的二维扫描机构完成系统的二维扫描成像。如附图4所示。

(3)时间分辨率

通过对比分析双星共面组网(相位差分别为180°和60°两种工况)和异面同轨迹组网两种模式对目标区域的观测效能情况，双星异面同轨迹组网具有时间互补、观测效能最优的特性，因此双星组网选择异面同轨迹组网方式。

双星组网可对丝绸之路经济带全部、21世纪海上丝绸之路高纬度地区(20° N以上)、美国西海岸、以及我国西部边境实现准实时观测，最大的观测时间间隔小于4小时，其中对我国境外丝绸之路经济带观测时间间隔小于2小时。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种大椭圆轨道微波垂直探测仪系统，其特征在于包括天线子系统、接收机、信号处理控制类单机、定标源体及控制器，其中：

天线子系统，进行360°扫描，在每一个扫描周期内产生的天线波束指向观测目标时，收到来自目标的微波辐射能量，得到电磁信号后进行频段分离、极化分离，并输出至接收机；

接收机，接收电磁信号后进行放大、滤波、检波、再放大，将得到的电压信号输出到信号处理控制类单机；

定标源体及控制器，提供微波垂直探测仪系统在轨两点定标所需的热辐射定标源亮温；

信号处理控制类单机，对接收机的电压信号进行差分接收，并经由具有补偿可控的放大电路后进行模数变换，将得到的数字信号送至外部平台；根据外部指令控制微波垂直探测仪系统的工作状态，控制对外遥感信息、遥测信息、遥控信息交换。

2.根据权利要求1所述的一种大椭圆轨道微波垂直探测仪系统，其特征在于：所述的天线子系统包括天线及馈电网络、扫描伺服机构、伺服控制器，天线及馈电网络包括主反射器、副反射器、准光馈电网络；其中：

伺服控制器控制扫描伺服机构驱动准光馈电网络中的旋转扫描镜进行360°扫描，在每一个扫描周期内，当主反射器或者副反射器产生的天线波束指向观测目标时，主反射器或者副反射器收到来自目标的微波辐射能量，并产生电磁信号，准光馈电网络对主反射器或者副反射器接收的电磁信号进行频段分离、极化分离后送至接收机。

3.根据权利要求1或2所述的一种大椭圆轨道微波垂直探测仪系统，其特征在于：还包括探测头部结构，探测头部结构安装固定天线及馈电网络、扫描伺服机构、伺服控制器。

4.根据权利要求1或2所述的一种大椭圆轨道微波垂直探测仪系统，其特征在于：所述的定标源体及控制器提供的微波垂直探测仪系统在轨两点定标所需的热辐射定标源亮温为300K。

5.根据权利要求1或2所述的一种大椭圆轨道微波垂直探测仪系统，其特征在于：所述的信号处理控制类单机包括信号采集器、综合处理器，其中：

信号采集器对接收机的输出信号进行差分接收，然后对接收信号通过具有补偿可控的放大电路后，进行模数变换，并通过通用异步串行接口电路送综合处理器；

综合处理器，与外部平台进行遥感信息、遥测信息、遥控信息交换，完成微波垂直探测仪系统工作状态控制。

6.根据权利要求1或2所述的一种大椭圆轨道微波垂直探测仪系统，其特征在于：所述的信号采集器通过通用异步串行接口对使用的补偿可控的放大电路的补偿根据外部指令进行控制。

7.根据权利要求1或2所述的一种大椭圆轨道微波垂直探测仪系统，其特征在于：还包括探测头部配电器，提供微波垂直探测仪系统所需的二次电源。

8.根据权利要求1或2所述的一种大椭圆轨道微波垂直探测仪系统，其特征在于：所述的大椭圆轨道微波垂直探测仪系统包括区域应急观测模式、极区全视场模式。