CN111487623B - 一种星载太赫兹大气廓线探测仪 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种星载太赫兹大气廓线探测仪，所述探测仪包括：天线与馈电网络、接收机模块、两个定标体和数据处理单元；所述天线与馈电网络用于分别对两路大气亮温信号进行反射、准光分离后，各形成两路高频反射波和两路低频透射波，分别输入到接收机模块；所述接收机模块，包括六个探测频段的接收机；其中两个探测频段的接收机组合为温度探测通道，用于探测大气温度的垂直分布；其中两个探测频段的接收机组合为湿度探测通道，用于探测大气湿度的垂直分布；其中两个探测频段的接收机用于探测卷云、液态水含量及强降雨；所述数据处理单元用于提供正常工作时序，控制所述的天线与馈电网络的反射角度，对接收机模块的数据的进行采集量化、存储和下传。

Description

一种星载太赫兹大气廓线探测仪
技术领域
本发明涉及微波遥感技术领域中的大气廓线探测仪，特别涉及一种星载太赫兹大气廓线探测仪。
背景技术
星载大气廓线探测仪作为一种被动的微波遥感器，作为卫星载荷用于对大气温度和湿度廓线进行测量的微波辐射计。星载大气廓线探测仪能够全天时、全天候地观测全球大气温度和湿度的垂直分布、水汽含量和降雨量等空间气象资料，在大气探测中具有重要作用。同时，大气廓线探测仪对于改善数值天气预报模型、提高台风、暴雨等局地、短时灾害性天线预报准确度，以及中长期全球气候预报准确性具有重要意义。
目前卫星搭载的用于探测大气温度和湿度的微波辐射计有两种类型，一种是将温度探测和湿度探测作为两个独立的功能，设计为两个独立的系统，即分为大气温度探测仪和大气湿度探测仪两台功能单一的星载设备，且不适用于探测高层大气的温湿度信息。另一种改进的用于探测大气温度和湿度的微波辐射计可以同时探测大气的温湿度，包含四个频段，但仅限于探测对流层中低层大气的温度和湿度，而对高层大气的温湿度探测还没有合适的星载设备。
发明内容
本发明的目的在于克服上述微波辐射计无法探测高层大气温湿度廓线的问题，提供了一种星载太赫兹大气廓线探测仪，能够组合探测高中低层大气温度和湿度廓线的垂直分布，具有更全面的探测能力。
为了实现上述目的，本发明提供一种星载太赫兹大气廓线探测仪，所述探测仪包括：天线与馈电网络、接收机模块、两个定标体和数据处理单元；
所述的天线与馈电网络，用于分别对两路大气亮温信号进行反射、准光分离后，各形成两路高频反射波和两路低频透射波，分别经过馈源输入到接收机模块；
所述定标体，用于提供在轨环境下周期定标的热源数据；
所述接收机模块，包括六个探测频段的接收机；其中两个探测频段的接收机组合为温度探测通道，用于探测大气温度的垂直分布；其中两个探测频段的接收机组合为湿度探测通道，用于探测大气湿度的垂直分布；其中两个探测频段的接收机用于探测卷云、液态水含量及强降雨；
所述数据处理单元，用于提供正常工作时序，控制所述的天线与馈电网络的反射角度，对接收机模块的数据的进行采集量化、存储和下传。
作为上述装置的一种改进，所述天线与馈电网络包括：扫描驱动机构、两个平板反射面、两个偏馈抛物线反射面、第一准光分离器、第二准光分离器和四个馈源；
所述扫描驱动机构，用于接收所述数据处理单元的控制指令，带动两个平板反射面旋转；
所述两个平板反射面，分别用于将两路大气亮温信号反射至两个偏馈抛物线反射面；
所述两个偏馈抛物线反射面，分别用于将两个平板反射面反射的信号进行曲面反射；
所述第一准光分离器，用于将偏馈抛物线反射面反射的信号通过频率选择表面分离为一路380GHz高频反射波和一路89GHz、118GHz低频透射波；
所述第二准光分离器，用于将偏馈抛物线反射面反射的信号通过频率选择表面分离为一路424GHz高频反射波和一路166GHz、183GHz低频透射波；
所述四个馈源，分别用于将两路高频反射波和两路低频透射波输入接收机模块。
作为上述装置的一种改进，所述接收机模块包括第一接收机单元、第二接收机单元、第三接收机单元和第四接收机单元
所述第一接收机单元包括：第一极化分离器、第一分频器、89GHz接收机和118GHz接收机；所述第一极化分离器用于将89GHz和118GHz的低频透射波分为垂直极化信号和水平极化信号，所述垂直极化信号进入89GHz接收机，所述水平极化信号进入第一分频器；所述第一分频器用于将水平极化信号进行频率分离，形成89GHz水平极化信号和118GHz水平极化信号；分别输入89GHz接收机和118GHz接收机；处理后输入数据处理单元；
所述第二接收机单元包括：第二极化分离器、第二分频器、166GHz接收机和183GHz接收机；所述第一极化分离器用于将166GHz和183GHz的低频透射波分为垂直极化信号和水平极化信号，所述垂直极化信号进入166GHz接收机，所述水平极化信号进入第二分频器；所述第二分频器用于将水平极化信号进行频率分离，分别作为166GHz水平极化信号和183GHz水平极化信号；分别输入166GHz接收机和183GHz接收机；处理后输入数据处理单元；
所述第三接收机单元包括380GHz接收机，用于接收380GHz高频反射波，处理后输入数据处理单元；
所述第四接收机单元包括：424GHz接收机，用于接收424GHz高频反射波，处理后输入数据处理单元。
作为上述装置的一种改进，所述118GHz接收机与183GHz接收机的结构相同；所述118GHz接收机包括依次连接的射频低噪放大器、混频器、前置中频放大器、功分器和多个探测通道；每个探测通道依次包括：中频放大器、带通滤波器、检波器、积分器和视频放大器。
作为上述装置的一种改进，所述118GHz接收机的探测通道的数量为7。
作为上述装置的一种改进，所述89GHz接收机与166GHz接收机的结构相同；所述89GHz接收机包括结构相同的垂直极化探测通道和水平极化探测通道；所述垂直极化探测通道包括依次连接的射频低噪放大器、混频器、中频放大器、带通滤波器、检波器、积分器和视频放大器。
作为上述装置的一种改进，所述380GHz接收机与424GHz接收机的结构相同；所述380GHz接收机包括混频器、中频放大器、功分器和多个探测通道；每个探测通道包括依次连接的中频放大器、带通滤波器、检波器、积分器和视频放大器。
作为上述装置的一种改进，所述380GHz接收机的探测通道的数量为5。
作为上述装置的一种改进，所述探测仪还包括：供电单元，用于完成卫星平台提供的一次电源到二次电源的转换，为探测仪的各单元提供所需电源。
本发明的优势在于：
本发明的星载太赫兹大气廓线探测仪引入了380GHz和424GHz两个太赫兹探测频段，克服了原来微波辐射计无法获取高层大气温度和湿度信息的技术难题，实现了高、中、低层大气温度和湿度廓线的同步探测，同时，由于26个探测通道的细分，具有更高的探测精度，满足了高性能探测的要求，同时系统设计也满足了卫星平台高集成度、低功耗和低重量的要求。
附图说明
图1是本发明实施例中的基于星载太赫兹大气廓线探测仪的结构示意图；
图2是本发明实施例中的89GHz和118GHz接收机单元组成框图；
图3是本发明实施例中的380GHz接收机单元组成框图
具体实施方式
下面以附图和具体实施方式对本发明的星载太赫兹大气廓线探测仪作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明提供了一种星载太赫兹大气廓线探测仪，该探测仪包括：天线与馈电网络、多个接收机单元、两个定标体、数据处理单元和供电单元；
所述天线与馈电网络包括：扫描驱动机构、两个平板反射面、两个偏馈抛物线反射面、两个准光分离器和四个馈源，扫描驱动机构带动两个平板反射面旋转，配合两个固定的偏馈抛物线反射面和两个准光分离器，将接收到的大气亮温信号注入到四个相应频率的馈源中；其中准光分离器采用频率选择表面FSS(Frequency Selective Surface)实现探测频率的分离；经频率选择表面FSS后将波束分离为高频反射波和低频透射波，两组高频反射波分别为380GHz和424GHz，两组低频透射波分别为89GHz、118GHz和166GHz、183GHz；经馈源和极化分离后被相应频率的接收机接收。
扫描驱动机构带动两个平板反射面旋转，配合两个固定的偏馈抛物线反射面和两个准光分离器，将接收到的大气亮温信号注入到四个相应频率的馈源中；扫描驱动机构，用于在数据处理单元的指令控制下，带动两个平板反射面进行大气探测扫描和定标；
定标体，用于提供在轨环境下系统周期定标的热源数据；
接收机单元，用于接收天线与馈电单元的微波辐射信号，依次进行下变频、放大、滤波、检波、积分及低频放大处理，包括89GHz、118GHz、166GHz、183GHz、380GHz和424GHz共六个探测频段的接收机；其中118GHz和424GHz通道组合为星载太赫兹大气廓线探测仪的温度探测通道，用于探测大气温度的垂直分布；183GHz和380GHz通道组合为星载太赫兹大气廓线探测仪的湿度探测通道，用于探测大气湿度的垂直分布；89GHz和166GHz是辅助探测频率，探测要素为卷云、液态水含量及强降雨等；该星载太赫兹大气廓线探测仪接收机共包括26个探测通道：118GHz包括7个探测通道，单边带单极化；183GHz包括5个探测通道，单边带单极化；380GHz包括4个探测通道，双边带单极化；424GHz包括6个探测通道，双边带单极化；89GHz和166GHz各包括2个探测通道，单边带双极化。
如图2所示，是本发明实施例中的89GHz和118GHz接收机单元组成框图，包括极化分离器、分频器、射频低噪放大器(LNA)、混频器、中频放大器(LNIFA)、滤波器、检波器、积分器及视频放大器。89GHz和118GHz馈源接收到的辐射信号经极化分离器分为垂直极化和水平极化，垂直极化信号用于89GHz垂直极化通道；水平极化信号经分频器后完成89GHz和118GHz的频率分离，分别作为89GHz水平极化通道和118GHz水平极化通道；118GHz接收机采用超外差射频前端、中频公分多路体制，经射频低噪放大器后，由混频器完成射频至中频的频率下变换，再经过前置中频放大后，由功分器分配为多个接收通道，通道数可根据实际需求增加或减少；再经过中频放大器及带通滤波器后实现多通道同步探测，由检波器完成中频至低频的转换，最后经过积分、放大处理后输出至数据处理单元进行处理。166GHz和183GHz接收机构成形式及各组件功能与89GHz和118GHz接收机构成形式和各相应组件功能相同，区别在于工作频率不同，接收通道数量不同。
如图3所示，是本发明实施例中的380GHz接收机单元组成框图，与118GHz和183GHz接收机的区别在于没有极化分离器、分频器和射频低噪放大器，直接进行混频接收，其他组件功能与118、183GHz接收机相应组件功能相同。424GHz接收机构成形式及各组件功能与380GHz接收机构成形式和各相应组件功能相同，区别在于工作频率不同，接收通道数量不同。
星载太赫兹大气廓线探测仪的工作频点及各通道频率参数见表1所示。根据卫星用户的实际需求，各频段接收机探测通道数可以进行增加或减少，各通道频率及带宽参数也可进行适当调整。
表1星载太赫兹大气廓线探测仪通道参数
Figure BDA0001957702570000051
Figure BDA0001957702570000061
目前已有的星载微波大气温湿度探测仪包括4个探测频率，89GHz和166GHz作为窗区频率，用于探测卷云、水汽总量、降雨等信息；118GHz用于探测大气湿度；183GHz用于探测大气温度；与传统的温湿度独立探测的微波辐射计相比，实现了中低层大气温度和湿度的同步探测，但对于高层大气的温度和湿度分布还无法获取准确信息。
数据处理单元，用于为该星载太赫兹大气廓线探测仪提供正常工作时序，执行卫星平台的遥控遥测指令，完成数据的采集量化、存储和下传；
供电单元用于完成卫星平台提供的一次电源到二次电源的转换，为系统各单元提供所需电源品种。
本发明提出的一种星载太赫兹大气廓线探测仪，与目前已有的星载微波大气温湿度探测仪相比，具有以下特点：
1、探测频率包括6个频点：89GHz、118GHz、166GHz、183GHz、380GHz和424GHz，引入了380GHz和424GHz两个太赫兹探测频段，克服了原来微波辐射计无法获取高层大气温度和湿度信息的技术困难，实现了高、中、低层大气温度和湿度廓线的同步探测，且具有较高的空间分辨率。
2、该星载太赫兹大气廓线探测仪细分为26个探测通道，且具有更高的探测精度，满足了高性能探测的要求，同时系统设计也满足了卫星平台高集成度、低功耗和低重量的要求。
3、天线与馈电网络采用两个平板反射面在扫描机构带动下旋转、偏馈抛物线反射面固定的配置方式，并配合两个频率选择表面FSS实现频率分离，将波束分离为高频反射波和低频透射波，经馈源后被相应频率的接收机接收；与传统的微波器件相比，具有更低的插入损耗，对接收机噪声功率影响更小；与极化栅网实现的频率分离相比，同时保留了垂直极化和水平极化两个极化信息，极化信息更丰富。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种星载太赫兹大气廓线探测仪，其特征在于，所述探测仪包括：天线与馈电网络、接收机模块、两个定标体和数据处理单元；
所述的天线与馈电网络，用于分别对两路大气亮温信号进行反射、准光分离后，各形成两路高频反射波和两路低频透射波，分别经过馈源输入到接收机模块；
所述定标体，用于提供在轨环境下周期定标的热源数据；
所述接收机模块，包括六个探测频段的接收机；其中两个探测频段的接收机组合为温度探测通道，用于探测大气温度的垂直分布；其中两个探测频段的接收机组合为湿度探测通道，用于探测大气湿度的垂直分布；其中两个探测频段的接收机用于探测卷云、液态水含量及强降雨；
所述数据处理单元，用于提供正常工作时序，控制所述的天线与馈电网络的反射角度，对接收机模块的数据的进行采集量化、存储和下传；
所述天线与馈电网络包括：扫描驱动机构、两个平板反射面、两个偏馈抛物线反射面、第一准光分离器、第二准光分离器和四个馈源；
所述扫描驱动机构，用于接收所述数据处理单元的控制指令，带动两个平板反射面旋转；
所述两个平板反射面，分别用于将两路大气亮温信号反射至两个偏馈抛物线反射面；
所述两个偏馈抛物线反射面，分别用于将两个平板反射面反射的信号进行曲面反射；
所述第一准光分离器，用于将偏馈抛物线反射面反射的信号通过频率选择表面分离为一路380GHz高频反射波和一路89GHz、118GHz低频透射波；
所述第二准光分离器，用于将偏馈抛物线反射面反射的信号通过频率选择表面分离为一路424GHz高频反射波和一路166GHz、183GHz低频透射波；
所述四个馈源，分别用于将两路高频反射波和两路低频透射波输入接收机模块；
所述接收机模块包括第一接收机单元、第二接收机单元、第三接收机单元和第四接收机单元；
所述第一接收机单元包括：第一极化分离器、第一分频器、89GHz接收机和118GHz接收机；所述第一极化分离器用于将89GHz和118GHz的低频透射波分为垂直极化信号和水平极化信号，所述垂直极化信号进入89GHz接收机，所述水平极化信号进入第一分频器；所述第一分频器用于将水平极化信号进行频率分离，形成89GHz水平极化信号和118GHz水平极化信号；分别输入89GHz接收机和118GHz接收机；处理后输入数据处理单元；
所述第二接收机单元包括：第二极化分离器、第二分频器、166GHz接收机和183GHz接收机；所述第一极化分离器用于将166GHz和183GHz的低频透射波分为垂直极化信号和水平极化信号，所述垂直极化信号进入166GHz接收机，所述水平极化信号进入第二分频器；所述第二分频器用于将水平极化信号进行频率分离，分别作为166GHz水平极化信号和183GHz水平极化信号；分别输入166GHz接收机和183GHz接收机；处理后输入数据处理单元；
所述第三接收机单元包括380GHz接收机，用于接收380GHz高频反射波，处理后输入数据处理单元；
所述第四接收机单元包括：424GHz接收机，用于接收424GHz高频反射波，处理后输入数据处理单元；
所述380GHz接收机与424GHz接收机的结构相同；所述380GHz接收机包括混频器、中频放大器、功分器和多个探测通道；每个探测通道包括依次连接的中频放大器、带通滤波器、检波器、积分器和视频放大器；
所述118GHz接收机与183GHz接收机的结构相同；所述118GHz接收机包括依次连接的射频低噪放大器、混频器、前置中频放大器、功分器和多个探测通道；每个探测通道依次包括：中频放大器、带通滤波器、检波器、积分器和视频放大器；
所述89GHz接收机与166GHz接收机的结构相同；所述89GHz接收机包括结构相同的垂直极化探测通道和水平极化探测通道；所述垂直极化探测通道包括依次连接的射频低噪放大器、混频器、中频放大器、带通滤波器、检波器、积分器和视频放大器。
2.根据权利要求1所述的星载太赫兹大气廓线探测仪，其特征在于，所述118GHz接收机的探测通道的数量为7。
3.根据权利要求1所述的星载太赫兹大气廓线探测仪，其特征在于，所述380GHz接收机的探测通道的数量为5。
4.根据权利要求1所述的星载太赫兹大气廓线探测仪，其特征在于，所述探测仪还包括：供电单元，用于完成卫星平台提供的一次电源到二次电源的转换，为探测仪的各单元提供所需电源。
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