CN112710677B - 一种用于大气湿路径延迟校正的高频微波辐射计 - Google Patents

一种用于大气湿路径延迟校正的高频微波辐射计 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于大气湿路径延迟校正的高频微波辐射计，用于实现陆地/海洋宽幅大气路径延迟信号的探测，该高频微波辐射计包括天线单元、接收机单元、6个中频单元和数控单元；天线单元用于获取陆地/海洋辐射信号并通过极化分离馈入接收机单元；接收机单元，用于对收到的极化信号分离得到垂直极化和水平极化的75GHz、89GHz及119GHz辐射信号，再分别经低噪放、混频和放大输出设定频率和带宽的信号至对应的中频单元；中频单元用于输出幅度与中频信号的功率成线性关系的电压信号并同步传输至数控单元；数控单元，用于对接收的电压信号进行采集，输出控制信号至接收机单元和天线单元，还用于与卫星系统进行数据传输和通讯。

Description

一种用于大气湿路径延迟校正的高频微波辐射计
技术领域
本发明涉及微波遥感仪器和大气湿度校正领域，具体涉及一种用于大气湿路径延迟校正的高频微波辐射计。
背景技术
目前利用微波辐射计进行大气路径延迟校正的辐射计频率通常在23.8和37.0GHz附近，用来测量大气水汽和液态水的影响。为了增加对海面风影响的校正，微波辐射计需要包括18.7GHz。现有技术这三个频率组合的校正辐射计如图1所示，由电源单元，数控单元，天线以及接收机单元组成。它通过固定指向天底点的一副抛物面天线获取海洋辐射信号，通过微波开关实现冷空，热源以及地球目标的一次观测，三个频率的接收机仅接收垂直极化或者水平极化信号。该校正辐射计整体观测频率较低，天线口径较大，单极化，固定天底角观测，只能实现窄幅的海洋大气湿路径延迟校正。为了实现宽幅大气路径延迟的测量，校正辐射计需采用旋转扫描的方式。而现有的校正辐射计难以实现交轨扫描的旋转扫描方式，同时对于卫星平台的姿态会产生一定的扰动，这会导致宽幅高度计观测能力下降。因此仅通过目前的校正辐射计无法实现与卫星高度计同程的宽幅大气路径延迟的测量。
发明内容
本发明的目的在于针对宽幅大气路径延迟校正的特殊需求，提出了一种进行大气湿路径延迟校正的高频微波辐射计。
为了实现上述目的，本发明提出了一种用于大气湿路径延迟校正的高频微波辐射计，用于实现陆地/海洋宽幅大气路径延迟信号的探测，所述高频微波辐射计包括：天线单元、接收机单元、6个中频单元和数控单元；其中，
所述天线单元，用于获取陆地/海洋辐射信号，通过极化分离分别得到垂直极化信号和水平极化信号，馈入接收机单元；
所述接收机单元，用于对收到的目标场景的垂直极化信号进行分离得到垂直极化的75GHz、89GHz和119GHz的辐射信号，对收到的目标场景的水平极化信号进行分离得到水平极化的75GHz、89GHz和119GHz的辐射信号，再对每一路辐射信号分别进行低噪放的放大、混频和放大处理，输出设定频率和带宽的极化信号至对应的中频单元；
所述中频单元，用于对接收的信号进行检波和中频放大，输出幅度与中频信号的功率成线性关系的电压信号，并同步传输至数控单元；
所述数控单元，用于对接收的电压信号进行采集，输出控制信号对接收机单元和天线单元的工作状态进行控制，还用于与卫星系统进行数据传输和通讯。
作为上述高频微波辐射计的一种改进，所述天线单元包括：平面镜、偏置抛物面反射面天线、极化分离器、垂直极化馈源和水平极化馈源；其中，
所述平面镜，用于在电机驱动控制下转动，获取陆地/海洋辐射信号并反射至偏置抛物面反射面天线；
所述偏置抛物面反射面天线，用于接收平面镜反射的陆地/海洋辐射信号并发送至极化分离器；
所述极化分离器，用于对接收到的辐射信号进行极化分离，分别得到垂直极化信号和水平极化信号；
所述垂直极化馈源，用于接收垂直极化信号并馈入接收机单元；
所述水平极化馈源，用于接收水平极化信号并馈入接收机单元。
作为上述高频微波辐射计的一种改进，所述平面镜，还用于在电机驱动控制下转动，获取高频微波辐射计的热定标源的辐射信号并反射至偏置抛物面反射面天线，获取冷空辐射信号并反射至偏置抛物面反射面天线。
作为上述高频微波辐射计的一种改进，所述天线单元包括：偏置抛物面反射面天线、馈源和极化分离器；其中，
所述偏置抛物面反射面天线，用于在电机驱动控制下扫描，获取陆地/海洋辐射信号；
所述馈源，用于将接收到的辐射信号馈入到极化分离器；
所述极化分离器，用于对接收到的辐射信号进行极化分离，分别得到垂直极化信号和水平极化信号，并分别传输至垂直极化接收机单元和水平极化接收机单元；
作为上述高频微波辐射计的一种改进，所述偏置抛物面反射面天线，还用于在电机驱动控制下扫描，获取高频微波辐射计的热定标源的辐射信号并发送至极化分离器，获取冷空辐射信号并发送至极化分离器。
作为上述高频微波辐射计的一种改进，所述接收机单元包括垂直极化接收机单元和水平极化接收机单元；其中，
所述垂直极化接收机单元，用于对收到的目标场景的垂直极化信号进行分离得到垂直极化的75GHz、89GHz和119GHz的辐射信号，再分别经低噪放的放大、混频和放大处理，输出设定频率和带宽的垂直极化信号至对应的中频单元；
所述水平极化接收机单元，用于对收到的目标场景的水平极化信号进行分离得到水平极化的75GHz、89GHz和119GHz的辐射信号，再分别经低噪放的放大、混频和放大处理，输出设定频率和带宽的水平极化信号至对应的中频单元。
作为上述高频微波辐射计的一种改进，所述垂直极化接收机单元包括：分工器和三路接收通道；其中，
所述分工器，用于分离得到频率分别为75GHz、89GHz和119GHz的垂直极化射频信号，并按不同频率分别输入三路接收通道；
每路接收通道包括依次串联的低噪放、混频器和前端放大器；其中，
所述低噪放，用于对收到的垂直极化射频信号进行放大；
所述混频器，用于对放大的信号进行混频，提取设定频率和带宽的信号；
所述前端放大器，用于对设定频率和带宽的信号进行放大达到检波要求，并输入对应的中频单元。
作为上述高频微波辐射计的一种改进，所述水平极化接收机单元包括：分工器和三路接收通道；其中，
所述分工器，用于分离得到频率分别为75GHz、89GHz和119GHz的水平极化射频信号，并按不同频率分别输入三路接收通道；
每路接收通道包括依次串联的低噪放、混频器和前端放大器；其中，
所述低噪放，用于对收到的水平极化射频信号进行放大；
所述混频器，用于对放大的信号进行混频，提取设定频率和带宽的信号；
所述前端放大器，用于对设定频率和带宽的信号进行放大达到检波要求，并输入对应的中频单元。
作为上述高频微波辐射计的一种改进，所述中频单元包括检波器和中频放大器；其中，
所述检波器，用于使输出的电压信号的幅度与中频信号的功率成线性关系；
所述中频放大器，用于对检波器输出的电压信号进行中频放大后输出，并同步传输至数控单元。
作为上述高频微波辐射计的一种改进，所述高频微波辐射计还包括电源，用于为所述高频微波辐射计供电。
与现有技术相比，本发明的优势在于：
本发明提出了一种新型的高频微波辐射计，体积小、双极化设计、天线多角度交轨扫描观测、对卫星平台扰动可忽略不计、可以实现海洋和陆地宽幅大气路径延迟的校正；解决了现有校正辐射计大口径、固定天底角观测、仅适用于海洋以及观测范围小的问题。
附图说明
图1是现有技术的校正辐射计结构组成图；
图2是本发明的用于大气湿路径延迟校正的高频微波辐射计结构组成图；
图3是本发明实施例1提供的用于大气湿路径延迟校正的高频微波辐射计的天线单元布局图；
图4是本发明实施例2提供的用于大气湿路径延迟校正的高频微波辐射计的天线单元布局图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。
实施例1
如图2所示，本发明的实施例1提出的一种用于大气湿路径延迟校正的高频微波辐射计，该高频微波辐射计由天线单元、接收机单元、6个中频单元、数控单元和电源组成。
高频微波辐射计天线只有平面镜扫描，通过电机驱动实现扫描方式控制；通过热定标源和冷空实现定标；通过极化分离器进行极化分离，双极化接收来自地球表面和大气的辐射，实现海洋和陆地探测兼顾；三个频段接收机共用一个馈源，两组馈源共计6台接收机；电源用于系统供电；数控单元实现数据的采集和通讯。
如图3所示，天线单元包括平面镜、偏置抛物面反射面天线、极化分离器、垂直极化馈源和水平极化馈源。平面镜通过电机驱动控制扫描方式，获取陆地/海洋辐射信号，并反射至偏置抛物面反射面天线；极化分离器，用于对接收到的信号进行极化分离，分别得到垂直极化信号和水平极化信号；垂直极化馈源，用于接收垂直极化信号并馈入垂直极化分工器；水平极化馈源，用于接收水平极化信号并馈入水平极化分工器。
接收机单元包括垂直极化接收机单元和水平极化接收机单元。其中，垂直极化接收机单元，用于对收到的目标场景的垂直极化信号进行分离得到垂直极化的75GHz、89GHz和119GHz的辐射信号，再分别经低噪放放大、混频和放大处理后输出设定频率和带宽的信号至该接收通道对应的中频单元；水平极化接收机单元，用于对收到的目标场景的水平极化信号进行分离得到水平极化的75GHz、89GHz和119GHz的辐射信号，再分别经低噪放放大、混频、放大处理后输出设定频率和带宽的信号至该接收通道对应的中频单元。
每个接收机单元都包括分工器和三路接收通道。其中，分工器用于分离得到频率分别为75GHz、89GHz和119GHz的信号并按不同频率分别输入三路接收通道。每路接收通道包括依次串联的低噪放、混频、前端放大器。其中，低噪放，用于对收到的射频信号进行放大；混频器，用于对放大的信号进行混频，提取设定频率和带宽的信号；前端放大器，用于对设定频率和带宽的信号进行放大达到检波要求，并输入对应的中频单元。每个中频单元由检波器和中频放大器组成。其中，检波器用于使微波辐射计输出电压与输入信号功率成线性关系，中频放大器用于对检波后的中频信号进行放大输出，并同步传输至数控单元。
数控单元主要由两部分构成，一部分负责接收数据的采集和系统控制，包括系统工作过程控制和通道参数控制；另一部分负责与卫星系统的数据传输和通讯，包括下传科学数据和工程参数，接收卫星时间码和其它卫星辅助信息，接收通过总线传输的数据注入等。
高频辐射计选择75GHz、89GHz和119GHz作为探测频率的原因：首先，75GHz和89GHz为亮温与路径延迟正相关性变化较平稳区间内的两个频点，119GHz是一个负相关性频点，这三个频点均为窗区频率，且彼此间有一定间隔，通过三个频率的双极化亮温可以较好地获得大气湿路径延迟校正；其次，这三个频率的地面分辨率大小近似，减少面元匹配误差；最后，这三个更高频率的组合，使得天线口径减小，便于交轨扫描的同时，辐射计整体体积缩小很多，对卫星平台扰动可忽略不计，易于实现宽幅观测。根据器件噪声和灵敏度需求，以75GHz，89GHz和119±4GHz为中心频率，三个频点均设置1-2GHz带宽。
高频辐射计天线可以设定在-55°到55°(天底方向为0°)范围内进行交轨方向扫描观测。随着天线扫描角的增大，垂直极化与水平极化亮温差异增大。而且，随着扫描角的增大,垂直极化亮温对海面温度的敏感性增强，对海面风场的敏感性相对减弱，水平极化亮温则相反。高频辐射计在进行海洋探测的基础上，通过双极化设计，可以实现陆地的大气路径延迟校正，而且海洋和陆地的路径延迟反演精度均优于2cm。
实施例2
本发明的实施例2提出了一种用于大气湿路径延迟校正的高频微波辐射计，该高频微波辐射计由天线单元、接收机单元、6个中频单元、数控单元和电源组成。与实施例1的区别在于天线单元的组成不同，天线单元包括偏置抛物面反射面天线、馈源和极化分离器。该天线单元不包含平面镜，反射通过偏置抛物面反射面天线的旋转实现。而且，该天线单元仅包含1组馈源。其它单元同实施例1。
如图4所示，该高频微波辐射计的天线单元包括：偏置抛物面反射面天线、馈源和极化分离器。偏置抛物面反射面天线通过电机驱动控制扫描方式，获取陆地/海洋辐射信号，通过馈源馈入到极化分离器，进而通过极化分离器分别得到垂直极化和水平极化信号。
其它单元同实施例1。
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 (8)

1.一种用于大气湿路径延迟校正的高频微波辐射计，用于实现陆地/海洋宽幅大气路径延迟信号的探测，其特征在于，所述高频微波辐射计包括：天线单元、接收机单元、6个中频单元和数控单元；其中，
所述天线单元，用于获取陆地/海洋辐射信号，通过极化分离分别得到垂直极化信号和水平极化信号，馈入接收机单元；
所述接收机单元，用于对收到的目标场景的垂直极化信号进行分离得到垂直极化的75GHz、89GHz和119GHz的辐射信号，对收到的目标场景的水平极化信号进行分离得到水平极化的75GHz、89GHz和119GHz的辐射信号，再对每一路辐射信号分别进行低噪放的放大、混频和放大处理，输出设定频率和带宽的极化信号至对应的中频单元；
所述中频单元，用于对接收的信号进行检波和中频放大，输出幅度与中频信号的功率成线性关系的电压信号，并同步传输至数控单元；
所述数控单元，用于对接收的电压信号进行采集，输出控制信号对接收机单元和天线单元的工作状态进行控制，还用于与卫星系统进行数据传输和通讯；
所述天线单元包括：平面镜、偏置抛物面反射面天线、极化分离器、垂直极化馈源和水平极化馈源；其中，
所述平面镜，用于在电机驱动控制下转动，获取陆地/海洋辐射信号并反射至偏置抛物面反射面天线；
所述偏置抛物面反射面天线，用于接收平面镜反射的陆地/海洋辐射信号并发送至极化分离器；
所述极化分离器，用于对接收到的辐射信号进行极化分离，分别得到垂直极化信号和水平极化信号；
所述垂直极化馈源，用于接收垂直极化信号并馈入接收机单元；
所述水平极化馈源，用于接收水平极化信号并馈入接收机单元；
所述接收机单元包括垂直极化接收机单元和水平极化接收机单元；其中，
所述垂直极化接收机单元，用于对收到的目标场景的垂直极化信号进行分离得到垂直极化的75GHz、89GHz和119GHz的辐射信号，再分别经低噪放的放大、混频和放大处理，输出设定频率和带宽的垂直极化信号至对应的中频单元；
所述水平极化接收机单元，用于对收到的目标场景的水平极化信号进行分离得到水平极化的75GHz、89GHz和119GHz的辐射信号，再分别经低噪放的放大、混频和放大处理，输出设定频率和带宽的水平极化信号至对应的中频单元。
2.根据权利要求1所述的用于大气湿路径延迟校正的高频微波辐射计，其特征在于，所述平面镜，还用于在电机驱动控制下转动，获取高频微波辐射计的热定标源的辐射信号并反射至偏置抛物面反射面天线，获取冷空辐射信号并反射至偏置抛物面反射面天线。
3.根据权利要求1所述的用于大气湿路径延迟校正的高频微波辐射计，其特征在于，所述天线单元包括：偏置抛物面反射面天线、馈源和极化分离器；其中，
所述偏置抛物面反射面天线，用于在电机驱动控制下扫描，获取陆地/海洋辐射信号；
所述馈源，用于将接收到的辐射信号馈入到极化分离器；
所述极化分离器，用于对接收到的辐射信号进行极化分离，分别得到垂直极化信号和水平极化信号，并分别传输至垂直极化接收机单元和水平极化接收机单元。
4.根据权利要求3所述的用于大气湿路径延迟校正的高频微波辐射计，其特征在于，所述偏置抛物面反射面天线，还用于在电机驱动控制下扫描，获取高频微波辐射计的热定标源的辐射信号并发送至极化分离器，获取冷空辐射信号并发送至极化分离器。
5.根据权利要求1所述的用于大气湿路径延迟校正的高频微波辐射计，其特征在于，所述垂直极化接收机单元包括：分工器和三路接收通道；其中，
所述分工器，用于分离得到频率分别为75GHz、89GHz和119GHz的垂直极化射频信号，并按不同频率分别输入三路接收通道；
每路接收通道包括依次串联的低噪放、混频器和前端放大器；其中，
所述低噪放，用于对收到的垂直极化射频信号进行放大；
所述混频器，用于对放大的信号进行混频，提取设定频率和带宽的信号；
所述前端放大器，用于对设定频率和带宽的信号进行放大达到检波要求，并输入对应的中频单元。
6.根据权利要求1所述的用于大气湿路径延迟校正的高频微波辐射计，其特征在于，所述水平极化接收机单元包括：分工器和三路接收通道；其中，
所述分工器，用于分离得到频率分别为75GHz、89GHz和119GHz的水平极化射频信号，并按不同频率分别输入三路接收通道；
每路接收通道包括依次串联的低噪放、混频器和前端放大器；其中，
所述低噪放，用于对收到的水平极化射频信号进行放大；
所述混频器，用于对放大的信号进行混频，提取设定频率和带宽的信号；
所述前端放大器，用于对设定频率和带宽的信号进行放大达到检波要求，并输入对应的中频单元。
7.根据权利要求1所述的用于大气湿路径延迟校正的高频微波辐射计，其特征在于，所述中频单元包括检波器和中频放大器；其中，
所述检波器，用于使输出的电压信号的幅度与中频信号的功率成线性关系；
所述中频放大器，用于对检波器输出的电压信号进行中频放大后输出，并同步传输至数控单元。
8.根据权利要求1所述的用于大气湿路径延迟校正的高频微波辐射计，其特征在于，所述高频微波辐射计还包括电源，用于为所述高频微波辐射计供电。
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