CN110488389A - 星载微波温湿度计一体化探测仪 - Google Patents

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俞伟敏
李向芹
万国愚
刘明利
徐红新
施未勋
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Abstract

本发明提供了一种星载微波温湿度一体化探测仪，包括平面反射面天线、抛物面反射面天线、准光学馈电网络、驱动机构以及接收机单元；所述平面反射面天线，用于将辐射信号反射至所述抛物面反射面天线；所述驱动机构，用于驱动所述平面反射面天线旋转，以使所述辐射信号能够入射所述平面反射面天线；所述抛物面反射面，用于将所述辐射信号反射至准光学馈电网络；所述准光学馈电网络，用于对所述辐射信号进行频率与极化分离后发送至所述接收机单元；所述接收机单元，用于接收被频率与极化分离后的辐射信号，进而将所述辐射信号处理为模拟信号。本发明采用了单天线和准光学馈电网络的天馈系统，可对同一探测目标实现同时刻、同视角探测，对探测数据反演应用有重要意义。

Description

星载微波温湿度计一体化探测仪
技术领域
本发明涉及被动微波遥感技术，具体地，涉及一种星载微波温湿度计一体化探测仪。
背景技术
星载微波温湿度计一体化探测仪是一种被动式的微波辐射计，通过接收被观测场景微波辐射能量来探测目标特性，可不受太阳影响全天时、全天候地观测大气垂直温度分布、大气垂直湿度分布、云层内部云水和冰云参数，对云层内部结构和演变过程进行观测，获取与台风、暴雨等强对流天气显现密切相关的额云雨大气参数，为数值天气预报提供大气温度和湿度初始场信息，从而使得气象预报更准确，减少极端天气对人民生命财产造成的损失。
大气温湿度廓线探测是国内外气象卫星一个重要功能。国外新一代及下一代气象卫星配置的微波载荷同时具备了大气温度和大气湿度廓线的探测功能，而国内的风云三号气象卫星上装载了微波温度计和微波湿度计两个独立的探测载荷，因此将大气温湿度廓线探测功能集成到一个载荷上是国内微波辐射计的发展趋势。
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微波温湿度计一体化探测仪，能够使气象卫星微波载荷集成度更高、探测数据反演应用更便利。
根据本发明提供的星载微波温湿度一体化探测仪，包括平面反射面天线、抛物面反射面天线、准光学馈电网络、驱动机构以及接收机单元；
所述平面反射面天线，用于将辐射信号反射至所述抛物面反射面天线；
所述驱动机构，用于驱动所述平面反射面天线旋转，以使所述辐射信号能够入射所述平面反射面天线；
所述抛物面反射面，用于将所述辐射信号反射至准光学馈电网络；
所述准光学馈电网络，用于对所述辐射信号进行频率与极化分离后发送至所述接收机单元；
所述接收机单元，用于接收被频率与极化分离后的辐射信号，进而将所述辐射信号处理为模拟信号。
优选地，还包括数据管理与控制单元；
所述数据管理与控制单元，用于对模拟信号进行采集，并打包传送给卫星。
优选地，所述接收机单元包包括第一接收机、第二接收机、第三接收机、第四接收机、第五接收机以及第六接收机；
所述第一接收机，用于接收183.31GHz频点的辐射信号；所述第二接收机，用于接收229GHz频点的辐射信号；所述第三接收机，用于接收165.5GHz频点的辐射信号；所述第四接收机，用于接收23.8GHz和31.4GHz频点的辐射信号；所述第五接收机，用于接收54GHz频点的辐射信号；所述第六接收机，用于接收89GHz频点的辐射信号。
优选地，所述准光学馈电网络包括第一频率选择器、第二频率选择器、第三频率选择器、第四频率选择器、极化选择器、第一椭球镜、第二椭球镜、第三椭球镜、第四椭球镜、第五椭球镜、第六椭球镜、第七椭球镜、第一平面镜、第二面镜、第三面镜、第一馈源喇叭、第二馈源喇叭、第三馈源喇叭、第四馈源喇叭、第五馈源喇叭以及第六馈源喇叭；
所述第一频率选择器、所述第一平面镜、所述第二平面镜、所述第四频率选择器、所述第一椭球镜、所述极化选择器、所述第一馈源喇叭形成第一频段信号通道；
所述第一频率选择器、所述第一平面镜、所述第二平面镜、所述第四频率选择器、所述第二椭球镜、所述第二馈源喇叭形成第二频段信号通道；
所述第一频率选择器、所述第一平面镜、所述第二平面镜、所述第四频率选择器、所述第一椭球镜、所述极化选择器、所述第三馈源喇叭形成第三频段信号通道；
所述第一频率选择器、所述第二频率选择器、所述第三椭球镜、所述第三频率选择器、所述第四椭球镜、所述第六椭球镜、所述第四馈源喇叭形成第四频段信号通道；
所述第一频率选择器、所述第二频率选择器、所述第三椭球镜、所述第三频率选择器、所述第五椭球镜、所述第五馈源喇叭形成第五频段信号通道；
所述第一频率选择器、所述第二频率选择器、所述第七椭球镜、所述第三平面镜、所述第六馈源喇叭形成第六频段信号通道。
优选地，所述辐射信号包括如下任一种辐射信号：
-遥感辐射信号；
-冷空背景辐射信号；
-热定标辐射源的辐射信号。
优选地，23.8GHz和31.4GHz的频点用于水汽柱总量测试；54GHz的频点用于温度廓线探测；89GHz的频点为窗区通道，用于消除地表辐射影响；165.5GHz的频点为准窗区通道；183.31GHz的频点用于水汽廓线探测，229GHz的频点用于联合183.31GHz的频点提高水汽廓线探测精度。
优选地，所述遥感辐射信号、所述冷空背景辐射信号以及所述热定标辐射源辐射信号传输路径相同。
优选地，所述准光学馈电网络采用双层结构，包括上层结构和下层结构；
所述准光学馈电网络一方面用于对165.5GHz、183.31GHz、229GHz频段的辐射信号进行频率与极化的分离后通过所述上层结构输出至接收机单元；另一方面用于对23.8GHz、31.4GHz、54GHz、89GHz频段的辐射信号进行频率与极化的分离后通过所述下层结构输出至接收机单元。
优选地，还包括供电单元；
所述供电单元电连接所述数据管理与控制单元和所述接收机单元；所述供电单元，用于给所述接收机单元供电；所述数据管理与控制单元给所述供电单元、所述驱动机构、所述热定标辐射源供电，采集模拟信号，控制微波温湿度一体化探测仪工作状态，并将包括所述模拟信号和工作状态的数据打包发送给卫星。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明采用了单天线和准光学馈电网络的天馈系统，可对同一探测目标实现同时刻、同视角探测，对探测数据反演应用有重要意义。
2、本发明相对于双天线探测仪系统，本发明中只需要一个热定标辐射源、一个驱动机构和一套供电单元和数据管理与控制单元，因此在重量和功耗上更有优势。
3、本发明中通过229GHz探测频点可联合183.31GHz探测频点，进行联合探测，提高水汽廓线探测精度。
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为本发明中星载微波温湿度一体化探测仪的框图；
图2为本发明中星载微波温湿度一体化探测仪系统结构模型图；
图3为本发明中星载微波温湿度一体化探测仪准光学馈电网络布局图；
图4为本发明中准光学馈电网络下层结构结构模型图；
图5为本发明中准光学馈电网络上层结构结构模型图。
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为本发明中星载微波温湿度一体化探测仪的框图，如图1所示，本发明提供的星载微波温湿度一体化探测仪系统，包括平面反射面天线、抛物面反射面天线、准光学馈电网络、热定标辐射源、驱动机构、接收机单元、供电单元和数据管理与控制单元。
所述平面反射面天线，用于将辐射信号反射至所述抛物面反射面天线；
所述驱动机构，用于驱动所述平面反射面天线旋转，以使所述辐射信号能够入射所述平面反射面天线；
所述抛物面反射面，用于将所述辐射信号反射至准光学馈电网络；
所述准光学馈电网络，用于对所述辐射信号进行频率与极化分离后发送至所述接收机单元；
所述接收机单元，用于接收被频率与极化分离后的辐射信号，进而将所述辐射信号处理为模拟信号。
所述供电单元电连接所述数据管理与控制单元和所述接收机单元；所述供电单元，用于给所述接收机单元供电；所述数据管理与控制单元给所述供电单元、所述驱动机构、所述热定标辐射源供电，采集模拟信号，控制微波温湿度一体化探测仪工作状态，并将包括所述模拟信号和工作状态的数据打包发送给卫星。
在本发明实施例中，所述辐射信号包括如下任一种：
-遥感辐射信号；
-冷空背景辐射信号；
-热定标辐射源的辐射信号。
所述遥感辐射信号、所述冷空背景辐射信号以及所述热定标辐射源辐射信号传输路径相同。
图2为本发明中星载微波温湿度一体化探测仪系统结构模型图，如图2所示，从探测定标精度考虑，本发明提供的星载微波温湿度一体化探测仪是一种采用准光学馈电、跨轨扫描、天线口面周期两点定标、全功率型被动微波辐射计。
所述平面反射面天线绕固定转轴周期旋转，在特定范围内接收地球表面和大气辐射信号、热定标辐射源辐射信号和冷空背景辐射信号。
准光学馈电网络将平面反射面天线接收到的23～229GHz共7个频点辐射信号经抛物面反射面天线反射后进行频率与极化分离，再经椭球面反射镜将波束汇聚到各个频段的馈源喇叭，并馈送到相应频段的接收机。
在本发明实施例中，图3为本发明中星载微波温湿度一体化探测仪准光学馈电网络布局图，如图3所示，所述准光学馈电网络包括第一频率选择器、第二频率选择器、第三频率选择器、第四频率选择器、极化选择器、第一椭球镜、第二椭球镜、第三椭球镜、第四椭球镜、第五椭球镜、第六椭球镜、第七椭球镜、第一平面镜、第二面镜、第三面镜、第一馈源喇叭、第二馈源喇叭、第三馈源喇叭、第四馈源喇叭、第五馈源喇叭以及第六馈源喇叭，共构成6个频段信号通道，通过所述频率选择器，将各频段信号依次分离。
在本发明实施例中，所述准光学馈电网络构成的6个频段信号通道分别为：
所述第一频率选择器、所述第一平面镜、所述第二平面镜、所述第四频率选择器、所述第一椭球镜、所述极化选择器、所述第一馈源喇叭形成第一频段信号通道；
所述第一频率选择器、所述第一平面镜、所述第二平面镜、所述第四频率选择器、所述第二椭球镜、所述第二馈源喇叭形成第二频段信号通道；
所述第一频率选择器、所述第一平面镜、所述第二平面镜、所述第四频率选择器、所述第一椭球镜、所述极化选择器、所述第三馈源喇叭形成第三频段信号通道；
所述第一频率选择器、所述第二频率选择器、所述第三椭球镜、所述第三频率选择器、所述第四椭球镜、所述第六椭球镜、所述第四馈源喇叭形成第四频段信号通道；
所述第一频率选择器、所述第二频率选择器、所述第三椭球镜、所述第三频率选择器、所述第五椭球镜、所述第五馈源喇叭形成第五频段信号通道；
所述第一频率选择器、所述第二频率选择器、所述第七椭球镜、所述第三平面镜、所述第六馈源喇叭形成第六频段信号通道。
准光学馈电网络通过平面镜进行光路跨层折返，将准光学馈电网络分上下两层排布，准光学馈电网络上层结构布局如图3所示；
所述准光学馈电网络一方面用于对165.5GHz、183.31GHz、229GHz频段的辐射信号进行频率与极化的分离后通过所述上层结构输出至接收机单元；另一方面用于对23.8GHz、31.46Hz、54GHz、89GHz频段的辐射信号进行频率与极化的分离后通过所述下层结构输出至接收机单元。
本发明提供的星载微波温湿度一体化探测仪将冷空背景辐射信号作为冷参考源，辐射亮温为2.7K。热定标辐射源辐射信号为热参考源，辐射亮温由发射率和物理温度精确确定。
所述接收机单元包括第一接收机、第二接收机、第三接收机、第四接收机、第五接收机以及第六接收机；
所述第一接收机，用于接收183.31GHz频点的辐射信号；所述第二接收机，用于接收2296Hz频点的辐射信号；所述第三接收机，用于接收165.5GHz频点的辐射信号；所述第四接收机，用于接收23.8GHz和31.4GHz频点的辐射信号；所述第五接收机，用于接收54GHz频点的辐射信号；所述第六接收机，用于接收89GHz频点的辐射信号。
其中，23.8GHz和31.4GHz的频点用于水汽柱总量测试；54GHz的频点用于温度廓线探测；89GHz的频点为窗区通道，用于消除地表辐射影响；165.5GHz的频点为准窗区通道；183.31GHz的频点用于水汽廓线探测，229GHz的频点用于联合183.31GHz的频点提高水汽廓线探测精度。
各频段接收机包括低噪声射频前端和高稳定性中低频接收机，其中低噪声高频前端包括低噪声放大器、低噪声混频器、高稳振荡器、放大器，高稳定性中低频接收机包括多路功分器、中频放大器、检波器、低频放大器、积分器等，其中多路功分器的路数由接收机的通道数决定，接收机的通道数可根据应用需求增加或减少。各频段接收机将馈源喇叭收到的辐射信号经处理后转换成模拟电压信号传送至数据管理与控制单元。
供电单元为各频点接收机提供二次供电电源，为保证接收机输出稳定，要求二次供电电源纹波电压优于15mV。
数据管理与控制单元按照既定时序完成接收机各通道对地观测、冷定标、热定标辐射信号采集、遥测数据采集、实现接收机各通道增益控制、控制扫描驱动机构和控制热定标辐射源工作状态、采集热定标辐射源温度数据、与卫星平台通信，接收内部指令、外部指令及数据注入和发送编排成帧的遥感信息和遥测信息。
在本实施例中，本发明采用了单天线和准光学馈电网络的天馈系统，可对同一探测目标实现同时刻、同视角探测，对探测数据反演应用有重要意义。本发明相对于双天线探测仪系统，本发明中只需要一个热定标辐射源、一个驱动机构和一套供电单元和数据管理与控制单元，因此在重量和功耗上更有优势。本发明中通过229GHz探测频点可联合183.31GHz探测频点，进行联合探测，提高水汽廓线探测精度。
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 (9)

1.一种星载微波温湿度一体化探测仪，其特征在于，包括平面反射面天线、抛物面反射面天线、准光学馈电网络、驱动机构以及接收机单元；
所述平面反射面天线，用于将辐射信号反射至所述抛物面反射面天线；
所述驱动机构，用于驱动所述平面反射面天线旋转，以使所述辐射信号能够入射所述平面反射面天线；
所述抛物面反射面，用于将所述辐射信号反射至准光学馈电网络；
所述准光学馈电网络，用于对所述辐射信号进行频率与极化分离后发送至所述接收机单元；
所述接收机单元，用于接收被频率与极化分离后的辐射信号，进而将所述辐射信号处理为模拟信号。
2.根据权利要求1所述的星载微波温湿度一体化探测仪，其特征在于，还包括数据管理与控制单元；
所述数据管理与控制单元，用于对模拟信号进行采集，并打包传送给卫星。
3.根据权利要求2所述的星载微波温湿度一体化探测仪，其特征在于，所述接收机单元包括第一接收机、第二接收机、第三接收机、第四接收机、第五接收机以及第六接收机；
所述第一接收机，用于接收183.31GHz频点的辐射信号；所述第二接收机，用于接收229GHz频点的辐射信号；所述第三接收机，用于接收165.5GHz频点的辐射信号；所述第四接收机，用于接收23.8GHz和31.4GHz频点的辐射信号；所述第五接收机，用于接收54GHz频点的辐射信号；所述第六接收机，用于接收89GHz频点的辐射信号。
4.根据权利要求3所述的星载微波温湿度一体化探测仪，其特征在于，所述准光学馈电网络包括第一频率选择器、第二频率选择器、第三频率选择器、第四频率选择器、极化选择器、第一椭球镜、第二椭球镜、第三椭球镜、第四椭球镜、第五椭球镜、第六椭球镜、第七椭球镜、第一平面镜、第二面镜、第三面镜、第一馈源喇叭、第二馈源喇叭、第三馈源喇叭、第四馈源喇叭、第五馈源喇叭以及第六馈源喇叭；
所述第一频率选择器、所述第一平面镜、所述第二平面镜、所述第四频率选择器、所述第一椭球镜、所述极化选择器、所述第一馈源喇叭形成第一频段信号通道；
所述第一频率选择器、所述第一平面镜、所述第二平面镜、所述第四频率选择器、所述第二椭球镜、所述第二馈源喇叭形成第二频段信号通道；
所述第一频率选择器、所述第一平面镜、所述第二平面镜、所述第四频率选择器、所述第一椭球镜、所述极化选择器、所述第三馈源喇叭形成第三频段信号通道；
所述第一频率选择器、所述第二频率选择器、所述第三椭球镜、所述第三频率选择器、所述第四椭球镜、所述第六椭球镜、所述第四馈源喇叭形成第四频段信号通道；
所述第一频率选择器、所述第二频率选择器、所述第三椭球镜、所述第三频率选择器、所述第五椭球镜、所述第五馈源喇叭形成第五频段信号通道；
所述第一频率选择器、所述第二频率选择器、所述第七椭球镜、所述第三平面镜、所述第六馈源喇叭形成第六频段信号通道。
5.根据权利要求1所述的星载微波温湿度一体化探测仪，其特征在于，所述辐射信号包括如下任一种辐射信号：
-遥感辐射信号；
-冷空背景辐射信号；
-热定标辐射源的辐射信号。
6.根据权利要求3所述的星载微波温湿度一体化探测仪，其特征在于，23.8GHz和31.4GHz的频点用于水汽柱总量探测；54GHz的频点用于温度廓线探测；89GHz的频点为窗区通道，用于消除地表辐射影响；165.5GHz的频点为准窗区通道；183.31GHz的频点用于水汽廓线探测，229GHz的频点用于联合183.31GHz的频点提高水汽廓线探测精度。
7.根据权利要求5所述的星载微波温湿度一体化探测仪，其特征在于，所述遥感辐射信号、所述冷空背景辐射信号以及所述热定标辐射源辐射信号传输路径相同。
8.根据权利要求1所述的星载微波温湿度一体化探测仪，其特征在于，所述准光学馈电网络采用双层结构，包括上层结构和下层结构；
所述准光学馈电网络一方面用于对165.5GHz、183.31GHz、229GHz频段的辐射信号进行频率与极化的分离后通过所述上层结构输出至接收机单元；另一方面用于对23.8GHz、31.4GHz、54GHz、89GHz频段的辐射信号进行频率与极化的分离后通过所述下层结构输出至接收机单元。
9.根据权利要求2所述的星载微波温湿度一体化探测仪，其特征在于，还包括供电单元；
所述供电单元电连接所述数据管理与控制单元和所述接收机单元；所述供电单元，用于给所述接收机单元供电；所述数据管理与控制单元给所述供电单元、所述驱动机构、所述热定标辐射源供电，用于采集模拟信号，控制微波温湿度一体化探测仪工作状态，并将包括所述模拟信号和工作状态的数据打包发送给卫星。
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