CN110794480B - 一种大椭圆轨道微波辐射计在轨定标方法 - Google Patents

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Abstract

一种大椭圆轨道微波辐射计在轨定标方法，通过优化系统布局、减小整体包络，在卫星运行方向的180°方向设置热定标源体，通过定标源控制器控制热定标源体温度THOT；使用伺服控制器驱动扫描机构，带动旋转扫描镜进行360°的旋转，在旋转扫描镜转动时，以卫星运动方向为0°，在旋转到180°完成对热定标源观测，在旋转到270°时完成对冷空的观测，先后记录微波辐射计的输出电压值为VHOT、VCOLD，得到两点定标所需的a和b的值；利用观测得到不同场景的微波辐射计输出电压数据，不同通道通过两点定标和实验室非线性参数校正，得到天线口面的温度值，再通过普朗克黑体辐射定律得到不同的谱亮度。本发明方法可针对星载大椭圆轨道平台，完成在轨高精度定标。

Description

一种大椭圆轨道微波辐射计在轨定标方法
技术领域
本发明属于空间微波遥感技术领域，涉及一种微波辐射计的在轨定标方法。
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，提供大气海洋环境参数信息；为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。传统微波辐射计采用反射面天线加馈源阵接收方式，为了实现两点定标，反射面天线都要做圆锥或者圆周扫描运动，在天线扫描轨迹上放置热源和冷空反射面。随着对高分辨观测的需求，大口径的反射面天线存在展开风险，现有的这种方式不仅对系统布局带来很大的限制，在工程实现方面存在复杂的动静不平衡试验，而且给卫星平台带了很大的不平衡量，造成卫星存在无法对日定向或失控的风险。其次，传统微波垂直探测仪系统采用馈源阵的接收方式，在定标过程中由于馈源阵先后进入定标视场，因此存在温度差异。
由于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，而且系统的扫描方式采用卫星平台拼接的方式，与传统辐射计系统的工作方式完全不同，因此现有的低轨微波辐射计在轨定标方法已经不再适合在大椭圆轨道使用。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，首次针对星载大椭圆轨道平台，提供了一种大椭圆轨道微波垂直探测仪在轨定标方法，解决了星载大椭圆轨道辐射计系统定标与系统扫描方式的问题，完成系统在轨高精度定标。
本发明的技术解决方案是：一种大椭圆轨道微波辐射计在轨定标方法，包括如下步骤：
(1)在地面利用变温源设置不同温度点，使用微波辐射计对变温源进行观测，将微波辐射计的输出电压值与对应变温源的温度值进行二次拟合，计算得微波辐射计的非线性系数；
(2)卫星在轨运行时，在卫星运行方向的180°方向设置热定标源体，通过定标源控制器控制热定标源体的温度，并记录热定标源温度为THOT；热定标源体的温度为300K。
(3)使用伺服控制器驱动扫描机构，带动准光馈源网络的旋转扫描镜进行360°的旋转，在旋转扫描镜转动时，以卫星运动方向为0°，在旋转到180°完成对所述热定标源体的观测，在旋转到270°时完成对冷空的观测，并先后记录微波辐射计的输出电压值为VHOT、VCOLD以及冷空观测温度TCOLD；
(4)根据步骤(2)的结构，利用两点定标法，求得两点定标时一次函数方程的线性系数a和b的值；
(5)对于微波辐射计的各个通道，通过重复步骤(2)～(4)，观测不同的冷空场景，各个通道各自通过两点定标和非线性系数校正，得到天线口面的温度值，再通过普朗克黑体辐射定律得到不同的谱亮度。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明方法首次针对星载大椭圆轨道平台，提供了一种大椭圆轨道微波垂直探测仪在轨定标方法，系统采用超高精度大口径反射面天线体制，通过准光馈源网络的旋转扫描镜，解决了星载大椭圆轨道辐射计系统定标与系统扫描方式的问题，使微波垂直探测仪具备在轨两点定标工作模式，完成系统在轨高精度定标；采用准光馈源网络的接收方式，改善了系统布局自由度，避免了传统馈源阵偏焦和冷空反射镜反射对定标精度的影响，各通道定标一致性好，使系统在轨定标精度得到提升；而且还避免了微波垂直探测仪系统的扫描几何不同，在地面产生的足迹的形状也不一致，导致数据网格化处理会引入新的误差的问题。另外，方法中不存在反射面天线展开风险，避免了大口径反射面转动带来的技术风险。
附图说明
图1为本发明大椭圆轨道微波垂直探测仪系统组成框图；
图2为本发明两点定标原理图；
图3为本发明大椭圆轨道微波垂直探测仪系统定标示意图。
具体实施方式
如图1所示，为大椭圆轨道微波垂直探测仪系统组成框图。微波垂直探测仪工作在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、接收通道、信号处理和控制类单机(含信号采集器、探测头部配电器和综合处理器)和定标源体及其控制器。
微波垂直探测仪系统的工作过程可描述如下：由于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，并且工作频率达到425GHz，为了满足应用需求高空间分辨率和天线型面精度，因此微波垂直探测需要大口径高精度反射面天线，相应系统的重量进一步提升。传统大口径微波辐射计系统是系统和天线共同转动完成在轨两点定标，由于高速大转动惯量对整星的扰动和整星无法满足大口径天线转动包络，传统在轨定标方法在大椭圆轨道微波垂直探测仪很难实现。大椭圆轨道微波垂直探测仪在轨工作方式：首先主反射天线将接收到的遥感信号，通过第一、第二副反传到旋转扫描镜，伺服控制器控制扫描机构驱动旋转扫描镜进行360°旋转，每一转动周期均将对地观测遥感信号、热定标源观测信号和冷空观测信号反射进入准光馈电网络，准光馈源网络将接收的信号按频率和极化分开，(冷空和热源信号为大带宽无极化信号，不受准光馈电网络影响)送入各频段接收通道中进行低噪声放大检波等处理后送到信息采集器进行数据采集处理传送给综合处理，综合处理器将采集器传输的遥感信号与定标源的温度信息、伺服控制器角度信息以及采集器的补偿增益等遥测信息完成数据的打包处理，并转发给卫星数据传输系统下传到地面。配电控制器给系统各单机供电和有源单机的开关机控制指令执行。
大椭圆微波垂直探测仪的通道定标原理是：根据系统输入输出线性响应的特性，利用标准的高温定标源和低温定标源作为定标参考进行两点定标，以确定系统的输入输出响应关系，同时消除系统增益缓慢漂移的影响。微波辐射计定标就是在保证微波辐射计接收机线性度理想的情况下，让微波辐射计去接收一个微波辐射特性精确已知的定标源的定标参考信号，以构造出输出信号与所接收到的参考信号间确切的定量关系。两点定标就是让微波辐射计分别接收两个亮温精确已知的冷热定标源的输入信号，然后根据“两点确定直线”的原理确定接收机的增益和偏移量，如图2所示。
在保证接收机线性度的情况下定标方程可写成如下形式：
VOUT＝aTIN+b
VOUT为微波辐射计输出，TIN为进入天线主瓣视在温度，a和b为线性方程的系数。
在一个测量周期内，微波辐射计分别对低温定标源和高温定标源观察一次，设低温定标源温度为TCOLD，对应辐射计输出为VCOLD；高温定标源温度为THOT，对应辐射计输出电压为VHOT。则有联立方程组得：
VHOT＝aTHOT+b
VCOLD＝aTCOLD+b
解方程组得a和b为：
Figure BDA0002227124190000041
Figure BDA0002227124190000042
根据a和b值重新带入定标方程可得输入主瓣视在温度即对地观测的视在温度为：
Figure BDA0002227124190000051
在准光馈源网络的旋转扫描镜高速转动时，以卫星运动方向为0°，在旋转到180°完成对热定标源观测，在旋转到270°时完成对冷空的观测，系统定标示意图如图3所示。
在轨定标方式与实验室定标状态保持一致，可以有效避免采用冷空反射镜后发射率和旁瓣引入的定标误差，以及系统误差的影响，提升在轨定标精度。除此之外，可以在实验室定标完成系统的性能验证及非线性误差校正系数的获取，并结合实验室定标得到的校正系数对在轨测量结果进行校正，进一步提高系统测量性能。
具体的，本发明的方法如下：
(1)通过增大有效观测区域，在卫星运行方向的180°方向设置热定标源体，通过定标源控制器控制热定标源体温度在300K，并记录热定标源温度为THOT；
(2)使用伺服控制器驱动扫描机构，带动准光馈源网络的旋转扫描镜进行360°的旋转，在旋转扫描镜转动时，以卫星运动方向为0°，在旋转到180°完成对热定标源观测，在旋转到270°时完成对冷空的观测，通过统计和先验实测数据冷空观测温度为稳定值2.7K(TCOLD)，先后记录微波辐射计的输出电压值为VHOT、VCOLD。这样就可以得到两点定标所需的a和b的值；
(3)结合实验室定标，利用变温源设为不同温度点时的微波辐射计的输出电压值与对应变温源的温度值进行二次拟合，考查微波辐射计的线性度，计算非线性系数；
(4)利用观测得到不同场景的微波辐射计输出电压数据，不同通道通过两点定标和实验室非线性参数校正，得到天线口面的温度值，再通过普朗克黑体辐射定律得到不同的谱亮度。通过不同通道的辐射传输模型和反演算法得到大气温/湿度廓线、水汽含量、海面/地表温度等大气海洋环境参数。
大椭圆微波垂直探测仪系统定标过程复杂、涉及定标项目众多，而且定标指标要求高，主要在于高精度定标设备的实现。因此系统定标的每一过程都需要保证足够高的精度，以最终确保系统的测量性能满足应用要求。而且在轨准光馈电网络两点口面定标方法是与传统定标方法不同。系统的性能验证及非线性误差校正系数的获取，此外还需要对天线反射面的电性能特性进行详细、准确的测量，得到在轨亮温测量误差校正所需的各项参数。
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 (2)

1.一种大椭圆轨道微波辐射计在轨定标方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)在地面利用变温源设置不同温度点，使用微波辐射计对变温源进行观测，将微波辐射计的输出电压值与对应变温源的温度值进行二次拟合，计算得微波辐射计的非线性系数；
(2)卫星在轨运行时，在卫星运行方向的180°方向设置热定标源体，通过定标源控制器控制热定标源体的温度，并记录热定标源温度为THOT；
(3)使用伺服控制器驱动扫描机构，带动准光馈源网络的旋转扫描镜进行360°的旋转，在旋转扫描镜转动时，以卫星运动方向为0°，在旋转到180°完成对所述热定标源体的观测，在旋转到270°时完成对冷空的观测，并先后记录微波辐射计的输出电压值为VHOT、VCOLD以及冷空观测温度TCOLD；
(4)根据步骤(2)的结构，利用两点定标法，求得两点定标时一次函数方程的线性系数a和b的值；
(5)对于微波辐射计的各个通道，通过重复步骤(2)～(4)，观测不同的冷空场景，各个通道各自通过两点定标和非线性系数校正，得到天线口面的温度值，再通过普朗克黑体辐射定律得到不同的谱亮度。
2.根据权利要求1所述的一种大椭圆轨道微波辐射计在轨定标方法，其特征在于：所述的热定标源体的温度为300K。
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