CN110470602A - 星载太赫兹多角度冰云成像仪 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种星载太赫兹多角度冰云成像仪,包括转动单元;所述转动单元包括平面反射面天线、抛物面反射面天线以及多个频段的馈源喇叭和接收机;所述平面反射面天线,用于接收冰云辐射信号,并将所述冰云辐射信号反射至所述抛物面反射面天线;所述抛物面反射面天线,用于将所述冰云辐射信号反射至所述多个频段的馈源喇叭和接收机;所述多个频段的馈源喇叭和接收机,用于接收所述冰云辐射信号。本发明中第一驱动机构用于驱动所述平面反射面天线的角度,使得所述平面反射面天线能够以不同角度进行冰云探测。本发明能够探测冰粒子有效半径在50~800um范围内的冰云,且多角度探测能够反演冰粒子形状因子。
Description
技术领域
本发明涉及冰云成像仪,具体地,涉及一种星载太赫兹多角度冰云成像仪。
背景技术
冰云是对流层上层中全部或部分由冰晶组成的云,在全球的覆盖率高达30%,对全球水循环、能量循环等有着重要影响。冰云探测主要应用体现在气候变化研究、天气预报、数值天气预报模式及云降水物理学等几个方面。
冰云探测载荷主要分为光学遥感、微波遥感和雷达探测共3类载荷。一方面根据电磁波与冰粒子散射特性研究,冰粒子有效尺寸与波长越接近,散射效应越强,因此光学遥感载荷可探测50um以下的冰粒子,雷达探测载荷可探测800um以上的冰粒子,目前正缺少50~800um冰粒子的探测载荷,太赫兹波长与该范围冰粒子尺寸相当,可弥补50~800um冰粒子的探测空白。另一方面冰粒子的散射效应除了与尺寸相关外,还与形状因子也有直接相关性,对冰云以不同角度进行探测,可得到冰粒子的形状因子,目前已有的冰云探测载荷均是单一角度进行探测。
为更好的分析冰粒子的散射特性,从而提高气象预报精度,减小气候预测不确定度,对冰云成像仪提出了新的要求。
发明内容
针对现有技术中的缺陷,本发明的目的是提供一种星载太赫兹多角度冰云成像能够更好的分析冰粒子的散射特性,从而提高气象预报精度,减小气候预测不确定度。
根据本发明提供的星载太赫兹多角度冰云成像仪,包括转动单元;
所述转动单元包括平面反射面天线、抛物面反射面天线以及多个频段的馈源喇叭和接收机;
所述平面反射面天线,用于接收冰云辐射信号,并将所述冰云辐射信号反射至所述抛物面反射面天线;
所述抛物面反射面天线,用于将所述冰云辐射信号反射至所述多个频段的馈源喇叭和接收机;
所述多个频段的馈源喇叭和接收机,用于接收所述冰云辐射信号。
优选地,所述多个频段的馈源喇叭和接收机包括垂直极化183GHz的馈源喇叭和接收机、垂直极化243GHz的馈源喇叭和接收机、水平极化243GHz的馈源喇叭和接收机、垂直极化325GHz的馈源喇叭和接收机、垂直极化448GHz的馈源喇叭和接收机、垂直极化664GHz的馈源喇叭和接收机以及水平极化664GHz的馈源喇叭和接收机;
所述垂直极化183GHz的馈源喇叭和接收机用于探测水汽廓线和降雪,所述垂直极化243GHz的馈源喇叭和接收机和水平极化243GHz的馈源喇叭和接收机用于探测卷云,所述垂直极化325GHz的馈源喇叭和接收机用于探测云冰有效粒子半径,所述垂直极化448GHz的馈源喇叭和接收机、所述垂直极化664GHz的馈源喇叭和接收机以及所述水平极化664GHz的馈源喇叭和接收机用于探测云冰水路径和卷云。
优选地,还包括第一驱动机构;
所述第一驱动机构,用于驱动所述平面反射面天线转动,使得所述平面反射面天线能够以不同角度进行冰云探测。
优选地,还包括固定单元;
所述固定单元包括冷空定标镜和热定标辐射源;
所述冷空定标镜,用于向多个频段的馈源喇叭和接收机提供所述冷定标辐射信号,以对所述多个频段的馈源喇叭和接收机进行标定;
所述热定标辐射源,用于向多个频段的馈源喇叭和接收机提供热定标辐射信号,以对所述多个频段的馈源喇叭和接收机进行标定。
优选地,还包括中央管理控制单元和数据预处理单元;
所述数据预处理单元与所述第一驱动机构、第二驱动机构以及多个频段的馈源喇叭和接收机电连接
所述数据预处理单元,用于为转动单元提供供电电源,通过多个频段的馈源喇叭和接收机对冰云辐射信号进行量化采集、接收并执行中央管理单元发送的指令;
所述中央管理控制单元,用于所述固定单元的控制,并向所述数据预处理单元发送控制指令以控制所述转动单元。
优选地,还包括第二驱动机构,所述第二驱动机构驱动所述转动单元周期性旋转,使得多个频段馈源喇叭和接收机会依次接收到遥感观测信号、热定标辐射信号和冷定标辐射信号。
优选地,所述接收机为全功率型接收机;
所述接收机包括射频前端和中低频接收端;所述射频前端包括混频器、本振、倍频器及中频放大器;
183GHz、325GHz、448GHZ中低频接收端包括功分器以及与功分器的三个输出端口分别顺次连接的中频放大器、滤波器、检波器、积分器和低频放大器;
243GHz、664GHZ中低频接收端为单通道,包括顺次连接的中频放大器、滤波器、检波器、积分器和低频放大器。
优选地,所述接收机的通道数通过所述功分器进行调节;
所述接收机的通道带宽通过滤波器进行调节。
优选地,各频段冰云辐射信号在平面反射面天线的边缘电平低于-30dB。
优选地,243GHz、664GHz为极化方式为垂直极化与水平极化的双极化探测频点,183GHz、325GHz和448GHz为极化方式为垂直极化的单极化探测频点。
与现有技术相比,本发明具有如下的有益效果:
1、本发明中第一驱动机构用于驱动所述平面反射面天线的角度,使得所述平面反射面天线能够以不同角度进行冰云探测,多角度探测有益于反演冰粒子形状因子;
2、本发明的工作频段为183~664GHz,能够探测冰粒子有效半径在50~800um范围内的冰云,弥补光学和雷达探测载荷的探测不足;
3、本发明通过改变平面反射天线的入射角度接收冷空背景辐射信号,为反射面天线发射率在轨评估提供了条件;
4、本发明可装载在不同卫星平台上,既可探测冰云尺寸分布,又可探测冰云形状分布,探测数据对提高气象预报精度,减小气候预测不确定度有重要意义。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述,本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显:
图1为本发明中星载太赫兹多角度冰云成像仪的框图;
图2为本发明中星载太赫兹多角度冰云成像仪的遥感观测光路图;
图3为本发明中星载太赫兹多角度冰云成像仪的热定标光路图;
图4为本发明中星载太赫兹多角度冰云成像仪的冷定标光路图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明,但不以任何形式限制本发明。应当指出的是,对本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
图1为本发明中星载太赫兹多角度冰云成像仪的框图,如图1所示,本发明提供的星载太赫兹多角度冰云成像仪包括转动单元和固定单元;
所述转动单元包括平面反射面天线、抛物面反射面天线、垂直极化183GHz馈源喇叭接收机、垂直极化243GHz馈源喇叭接收机、水平极化243GHz馈源喇叭接收机、垂直极化325GHz馈源喇叭接收机、垂直极化448GHz馈源喇叭接收机、垂直极化664GHz馈源喇叭接收机、水平极化664GHz馈源喇叭接收机、第一驱动机构、第二驱动机构以及数据预处理单元;
所述平面反射面天线,用于接收冰云辐射信号,并将所述冰云辐射信号反射至所述抛物面反射面天线;
所述抛物面反射面天线,用于将所述冰云辐射信号反射至所述多个频段的馈源喇叭和接收机;
所述多个频段的馈源喇叭和接收机,用于接收所述冰云辐射信号。
所述垂直极化183GHz的馈源喇叭和接收机用于探测水汽廓线和降雪,所述垂直极化243GHz的馈源喇叭和接收机和水平极化243GHz的馈源喇叭和接收机用于探测卷云,所述垂直极化325GHz的馈源喇叭和接收机用于探测云冰有效粒子半径,所述垂直极化448GHz的馈源喇叭和接收机、所述垂直极化664GHz的馈源喇叭和接收机以及所述水平极化664GHz的馈源喇叭和接收机用于探测云冰水路径和卷云。
所述第一驱动机构,用于驱动所述平面反射面天线的转动,使得所述平面反射面天线能够以不同角度进行冰云探测。
所述第二驱动机构驱动所述转动单元周期性旋转,使得多个频段馈源喇叭和接收机会依次接收到遥感观测信号、热定标辐射信号和冷定标辐射信号。
所述固定单元包括冷空定标镜、热定标辐射源以及中央管理控制单元。
所述冷空定标镜,用于向多个频段的馈源喇叭和接收机提供所述冷定标辐射信号,以对所述多个频段的馈源喇叭和接收机进行标定;
所述热定标辐射源,用于向多个频段的馈源喇叭和接收机提供热定标辐射信号,以对所述多个频段的馈源喇叭和接收机进行标定。
所述数据预处理单元与所述平第一驱动机构、第二驱动机构以及多个频段的馈源喇叭和接收机电连接
所述数据预处理单元,用于为转动单元提供供电电源,通过多个频段的馈源喇叭和接收机对冰云辐射信号进行量化采集、接收并执行中央管理单元发送的指令;
所述中央管理控制单元,用于所述固定单元的控制,并向所述数据预处理单元发送控制指令以控制所述转动单元。
当使用本发明提供的星载太赫兹多角度冰云成像仪时,如图2所示,遥感观测光路遥感观测信号经平面反射面天线、抛物面反射面天线反射后被各频段馈源喇叭所接收。各频段冰云辐射信号在平面反射面天线的边缘电平低于-30dB。
图3为本发明提供的星载太赫兹多角度冰云成像仪热定标光路,如图3所示,热定标辐射源辐射的热定标信号直接被各频段馈源喇叭所接收。
图4本发明提供的星载太赫兹多角度冰云成像仪冷定标光路,如图4所示,冷空背景辐射信号经冷空定标镜反射后被各频段馈源喇叭所接收。
所述接收机为全功率型接收机;
所述接收机包括射频前端和中低频接收端;所述射频前端包括顺次连接的混频器、本振、倍频器及中频放大器;
183GHz、325GHz、448GHZ中低频接收端包括功分器以及与功分器的三个输出端口分别顺次连接的中频放大器、滤波器、检波器、积分器和低频放大器;
243GHz、664GHZ中低频接收端为单通道,包括顺次连接的中频放大器、滤波器、检波器、积分器和低频放大器。
所述接收机的通道数通过所述功分器进行调节;所述接收机的通道带宽通过滤波器进行调节。
在本实施例中,当对本发明提供的星载多角度冰云成像仪进行设计时,包括如下步骤:
步骤S1:根据星载多角度冰云成像仪的轨道高度、空间分辨率、对地观测入射角度确定天馈远场出射-3dB波束宽度;
步骤S2:根据天馈远场出射-3dB波束宽度、工作频段,设计天馈系统,确定抛物面反射天线形状、口径、与馈源喇叭的相对位置关系、以及馈源喇叭的远场辐射方向图;
步骤S3:根据馈源喇叭远场辐射方向图确定馈源喇叭口径、长度、张角等结构参数;
步骤S4:根据应用需求,本发明提供的星载太赫兹多角度冰云成像仪的观测角度定位35°和53°,设计平面反射面天线,确定平面反射面天线口径以及与抛物面反射面天线的相对位置关系;
步骤S5:根据本发明提供的星载太赫兹多角度冰云成像仪的馈源口面周期两点定标方案,设计冷空反射镜和热定标辐射源;
步骤S6:根据本发明提供的星载太赫兹多角度冰云成像仪的通道技术指标,设计各频段接收机。
为达到较高的探测精度,平面反射面天线观测角度上设计为可接收冷空背景辐射信号,同时平面反射面天线、抛物面反射面天线和冷空反射镜的材料一致,在轨探测数据可用于评估反射面天线的发射率
在本实施例中,本发明中第一驱动机构用于驱动所述平面反射面天线的角度,使得所述平面反射面天线能够以不同角度进行冰云探测,有益于反演冰粒子形状因子;太赫兹多角度冰云成像仪能够探测冰粒子有效半径在50~800um范围内的冰云,弥补光学和雷达探测载荷的探测不足;本发明通过改变平面反射天线的入射角度接收冷空背景辐射信号,为反射面天线发射率在轨评估提供了条件;本发明可装载在不同卫星平台上,既可探测冰云尺寸分布,又可探测冰云形状分布,探测数据对提高气象预报精度,减小气候预测不确定度有重要意义。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是,本发明并不局限于上述特定实施方式,本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改,这并不影响本发明的实质内容。
Claims (10)
1.一种星载太赫兹多角度冰云成像仪,其特征在于,包括转动单元;
所述转动单元包括平面反射面天线、抛物面反射面天线以及多个频段的馈源喇叭和接收机;
所述平面反射面天线,用于接收冰云辐射信号,并将所述冰云辐射信号反射至所述抛物面反射面天线;
所述抛物面反射面天线,用于将所述冰云辐射信号反射至所述多个频段的馈源喇叭和接收机;
所述多个频段的馈源喇叭和接收机,用于接收所述冰云辐射信号。
2.根据权利要求1所述的星载太赫兹多角度冰云成像仪,其特征在于,所述多个频段的馈源喇叭和接收机包括垂直极化183GHz的馈源喇叭和接收机、垂直极化243GHz的馈源喇叭和接收机、水平极化243GHz的馈源喇叭和接收机、垂直极化325GHz的馈源喇叭和接收机、垂直极化448GHz的馈源喇叭和接收机、垂直极化664GHz的馈源喇叭和接收机以及水平极化664GHz的馈源喇叭和接收机;
所述垂直极化183GHz的馈源喇叭和接收机用于探测水汽廓线和降雪,所述垂直极化243GHz的馈源喇叭和接收机和水平极化243GHz的馈源喇叭和接收机用于探测卷云,所述垂直极化325GHz的馈源喇叭和接收机用于探测云冰有效粒子半径,所述垂直极化448GHz的馈源喇叭和接收机、所述垂直极化664GHz的馈源喇叭和接收机以及所述水平极化664GHz的馈源喇叭和接收机用于探测云冰水路径和卷云。
3.根据权利要求1所述的星载太赫兹多角度冰云成像仪,其特征在于,还包括第一驱动机构;
所述第一驱动机构,用于驱动所述平面反射面天线转动,使得所述平面反射面天线能够以不同角度进行冰云探测。
4.根据权利要求1所述的星载太赫兹多角度冰云成像仪,其特征在于,还包括固定单元;
所述固定单元包括冷空定标镜和热定标辐射源;
所述冷空定标镜,用于向多个频段的馈源喇叭和接收机提供冷定标辐射信号,以对所述多个频段的馈源喇叭和接收机进行标定;
所述热定标辐射源,用于向多个频段的馈源喇叭和接收机提供热定标辐射信号,以对所述多个频段的馈源喇叭和接收机进行标定。
5.根据权利要求4所述的星载太赫兹多角度冰云成像仪,其特征在于,还包括中央管理控制单元和数据预处理单元;
所述数据预处理单元与所述第一驱动机构、第二驱动机构以及多个频段的馈源喇叭和接收机电连接
所述数据预处理单元,用于为转动单元提供供电电源,通过多个频段的馈源喇叭和接收机对冰云辐射信号进行量化采集、接收并执行中央管理控制单元发送的指令;
所述中央管理控制单元,用于所述固定单元的控制,并向所述数据预处理单元发送控制指令以控制所述转动单元。
6.根据权利要求4所述的星载太赫兹多角度冰云成像仪,其特征在于,还包括第二驱动机构,所述第二驱动机构驱动所述转动单元周期性旋转,使得多个频段馈源喇叭和接收机会依次接收到遥感观测信号、热定标辐射信号和冷定标辐射信号。
7.根据权利要求1所述的星载太赫兹多角度冰云成像仪,其特征在于,所述接收机采用全功率型接收机。
8.根据权利要求7所述的星载太赫兹多角度冰云成像仪,其特征在于,所述接收机的通道数通过功分器进行调节;
所述接收机的通道带宽通过滤波器进行调节。
9.根据权利要求1所述的星载太赫兹多角度冰云成像仪,其特征在于,各频段冰云辐射信号在平面反射面天线的边缘电平低于-30dB。
10.根据权利要求2所述的星载太赫兹多角度冰云成像仪,其特征在于,243GHz、664GHz为极化方式为垂直极化与水平极化的双极化探测频点,183GHz、325GHz和448GHz为极化方式为垂直极化的单极化探测频点。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20191119 |