专利名称：一种基于地基的大气廓线微波探测仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种系统装置及其方法，特别涉及一种基于地基的大气廓线微波探测仪。
背景技术：
微波辐射计是一种被动式的微波遥感器，能穿透云层和雨区，并能穿透一定深度的地表或植被获取被植被覆盖的地面信息以及地表下一定深度目标的信息，用于全天时、 全天候地观测全球大气温度和湿度、水汽含量、降雨量等空间气象资料，以及地质与资源调查、海洋环境与海况检测、灾害性天气预报与检测等，在大气探测及海洋观测中具有重要作用。从大的方面来说，微波辐射计主要应用于大气微波遥感、海洋微波遥感和陆地微波遥感；以具体内容来看，微波辐射计主要应用于气象、农林、地质、目前还用于天文、医疗和导弹的末制导等方面。地基大气廓线微波辐射计(地基大气廓线微波探测仪)作为微波辐射计的一种， 与其他类型相比，具有功耗低、体积小、质量轻和工作稳定，维护成本低，运行可靠等特点， 是一种成熟可靠的探测大气温度、湿度廓线的业务数据服务手段。优点其一是弥补了星载微波辐射计在低空垂直分辨率差，尤其是云的遮挡和强吸收以及大气对毫米波波段电磁的不透明性。优点其二是对云中液态水的灵敏度较高，在陆地上空，是目前最准确成本最低的垂直液态水通量测量的手段。地基大气廓线微波探测仪将作为一种业务运行观测设备使用，地域宽广，环境条件千差万别，长寿命可靠运行、环境适应性强是关键的使用要求。传统的单通道超外差微波辐射计由接收机，射频放大、混频器、本振、带通滤波器、 平方律检波器、积分器等组成。天线接收到的目标经过混频下变换，经过中频放大后进行检波，再经过视频放大器积分后进行量化处理。利用单一射频及中频信道实现多通道探测，那么本振信号不能是单一频率的连续波信号，必须使用频综器，利用频率跳变信号作为本振。在这种体制中，探测通道的数目可以根据需要增加或减少，取决于频率跳变的间隔。这种体制信道单一，射频及中频接收通道组成简单，但由于增加了频综器实现频率跳变，接收机硬件复杂度及开销并没有实质性降低，而且系统控制逻辑比较复杂。另外，这种体制的通道带宽在每个探测频点上保持一致。图3是现有的基于地基大气廓线微波探测仪的超外差混频接收机示意图，噪声注入模块集成在接收机单元中，但按照其功能作用划分属于内定标单元的一部分，单通道超外差微波辐射计由接收机，射频放大、混频器、本振、带通滤波器、平方律检波器、积分器等组成。天线接收到的目标经过混频下变换，经过中频放大后进行检波，再经过视频放大器积分后进行量化处理。当利用单一射频及中频信道实现多通道探测，此时本振信号不能是单一频率的连续波信号，必须使用频综器，利用频率跳变信号作为本振。在这种体制中，探测通道的数目可以根据需要增加或减少，取决于频率跳变的间隔。这种体制信道单一，射频及中频接收通道组成简单，但由于增加了频综器实现频率跳变，接收机硬件复杂度及开销并没有实质性降低，而且系统控制逻辑比较复杂。另外，这种体制的通道带宽在每个探测频点
上保持一致。目前处于国际先进水平的射频直接检波体制，主要由定向耦合器、射频放大、功分器、带通滤波器、平方律检波器、积分器和视频放大器组成。天线接收到的目标信号不经过混频处理，经过放大后利用功分器分成若干个射频子通道，在每个子通道中利用带通滤波器的频率选择性固定其探测通道的频率，根据需要每个通道的带宽可以不一致。采用这种接收机体制，各通道同时观测，提高了观测效率。但由于器件水平和技术水平的限制，在国内还不能普遍使用。在结构配置方面，Radiometrics公司的MP30000A采用的是双频共用反射面的方式，其优点是系统的横向体积较小，但如果考虑到增加一个极化分离栅网后需要一定的安装空间等要求，实际横向尺寸缩小的程度有限，而且在高度方向上尺寸会增加。同时，双频公用反射面所需的极化栅网会带来如下问题加工难度大，而且导致成本增加；极化栅网会引入系统损耗，不利于提高系统灵敏度；由于两个频段频率跨度较大，天线反射面势必要兼顾频率高低端，导致天馈系统指标下降，不利于提高系统精度；天线罩、定标黑体性能要兼顾两个波段，参数指标受限。现有的基于地基大气廓线微波探测仪的天馈系统双频共用反射面配置示意图，它具有横向尺寸小，纵向尺寸大的特点，要兼顾双频要求低副瓣实现难度大，需采用极化分离栅网实现双频观测，增加一定的损耗，双频共用定标黑体，对黑体性能要求较高，要兼顾双频性能，要求使用工作频段宽的天线罩，此时透波损耗较大，采用此配置方式系统扩展性差，不能进行多极化测量扩展。

发明内容
本发明的目的在于，为克服上述多通道地基微波辐射计系统装置在天馈系统设计，辐射计接收机，扫描模式以及现有的超外差混频接收机等方面存在的问题，从而提供一种基于地基的大气廓线微波探测仪。为了实现上述目的，本发明提供一种基于地基的大气廓线微波探测仪，包括双频独立反射面天馈系统部分，中频功分直接检波接收机部分，扫描工作模式和数字单元部分。本发明提供一种基于地基的大气廓线微波探测仪，该探测仪包括天馈单元、定标单元、辐射计接收机单元、扫描机构单元和数字单元，其特征在于两个波段的天馈系统各自独立，由扫描机构带动两个反射面圆周扫描，两个波段的接收机位于扫描机构两侧；所述天馈单元，包括针对两个波段的独立的天馈子单元且采用双频独立反射面， 所述的两个独立的天线反射面分别安装在扫描电机输出轴两端，通过电机旋转实现波束扫描，用于接收大气及内校准参考源的微波辐射；所述的辐射计接收单元，包含针对两个接收波段的辐射计接收单元，该辐射计接收单元采用中频功分直接检波型辐射计接收机单元，具体包含定向耦合器、射频放大、 功分器、带通滤波器、平方律检波器、积分器和视频放大器，用于实现对接收信号的中频检波；所述扫描机构单元，包括扫描轴、扫描步进电机、两个前端和SMA连接器，其中所述的扫描轴在扫描电机得驱动下带动所述的两个反射面圆周扫描，且所述的扫描机构单元的驱动电机经过齿轮减速传递驱动，用于驱动天线实现对天空不同入射角的观测和内定标黑体进行测量，获取测量和周期内定标单元获得的数据。作为本发明的一个改进，所述的天馈单元还包含一馈源和一天线罩；所述的双频独立反射面，均采用90°偏置抛物反射面，分别用于反射K波段和V波段电磁波；所述的馈源采用圆锥波纹喇叭，该喇叭馈源与接收机射频前端集成为一体；所述的天线罩安装在结构支架上，用于将所述的探测仪的内部与外部环境隔离。所述的K波段的抛物反射面的口径尺寸为0. 2m，对应于5°的半功率波束宽度；所述的V波段的抛物反射面的口径尺寸为 0. 15m，对应于2. 5°的半功率波束宽度。上述技术方案，所述的中频功分直接检波型辐射计接收机单元，包含混频放大子单元，用于将天线接收到的目标信号经过固定本振进行混频和放大处理；功分器子单元，用于将混频放大后得信号分成若干个中频子通道；带通滤波器子模块， 用于将在每个中频子通道中利用带通滤波器固定探测通道的频率，每个探测通道的带宽可根据需要自由选择。上述技术方案，所述的扫描机构单元，采用垂直平面内的360°圆周扫描方式且所述的扫描方式具体包含三种连续勻速扫描方式、步进角度扫描方式和固定角度观测方式， 用于使天线波束依次指向不同的角和定标黑体完成测量数据和黑体定标数据的获取。所述的数字单元，包括时序信号产生子单元、数据采集与处理子单元和数据接口子单元；所述得时序信号产生子单元，用于产生系统工作的时序信号、实现测量/定标切换和接收机的扫描时序；所述得数据采集与处理子单元，用于实现对探测数据、定标数据以及辅助探测数据的采集量化，采集扫描角度信息，控制扫描机构运转；同时该子单元还产生系统温控所需的控制信号，实现对整个机箱的温度控制和对定标黑体温度梯度的控制；所述的数据接口模块，用于实现对测量所获得的科学数据、工程参数进行格式编排、打包处理，形成满足格式要求的数据包，发送至主控计算机。其中，所述的数据采集与处理子单元采用CPU完成数据采集与处理；所述的时序信号产生子单元采用FPGA产生所需要的工作时序。所述内定标装置包括噪声注入模块和系统内置定标黑体两部分。通过对高低温两点定标，确定系统的定标方程，从而反演出微波辐射计的观测亮温。地基大气廓线微波探测仪的系统配置结构在K波段和V波段采用独立的天馈系统，此双频独立反射面的方案优点在于可以对每个频率的天线进行独立的优化和设计，也可以尽量减小天线的轴向(横向)尺寸，在一定程度上弥补由于增加一个天线所带来的体积的增加。同时避免了采用双频共用反射面所需的极化栅网带来的如下问题(1)加工难度大，而且会导致成本增加；(2)化栅网会引入系统损耗，不利于提高系统灵敏度；(3)由于两个频段频率跨度较大，天线反射面势必要兼顾频率高低端，导致天馈系统指标下降，不利于提高系统精度；(4)天线罩、定标黑体性能要兼顾两个波段，参数指标受限。为了满足宽频带、圆对称特性，以及高辐射效率、高极化纯度和低旁瓣电平的需要，天馈系统采用90°偏置抛物面反射器和圆锥波纹喇叭作馈源的实现形式。天线反射面安装在扫描电机输出轴上，通过电机旋转实现波束扫描；天线馈源采用宽频带、高级化纯度
6的喇叭馈源，馈源与接收机射频前端集成为一体；天线罩安装在结构支架上，在两个探测波段上达到0. IdB损耗的透波要求。抛物面天线的投影口径上的电场幅度尽量呈对称分布，以保证天线主波束方向性的对称。馈源设计是扫描偏馈抛物面天线设计中最重要的部分，需要解决的主要问题是波束宽度及相位中心在工作频带内变化小，并且具有圆对称的方向图特性，以使得抛物面投影口径基本成圆形。K波段天线的口径尺寸为0.2m，对应于5°的半功率波束宽度；V波段天线的口径尺寸为0. 15m，对应于2. 5°的半功率波束宽度；两个波段的波束宽度在沿迹和横迹方向均不大于5°和2.5°。仿真设计中要求馈源方向图的E和H面等化，以满足天线的旋转对称特点，并使天线尽可能得到较高的主波束效率和较低的交叉极化电平。所述中频功分直接检波接收机是多通道地基大气廓线微波探测仪的核心组成部分，是本发明的又一改进，其功能是将天馈系统接收到的目标(来自大气或定标黑体)辐射信号，转换为低频信号并进行量化，再经定标过程将量化信号转换为目标的亮度温度。因此，接收机的性能水平的高低决定了探测仪系统的性能。 地基大气廓线微波探测仪，选取K波段水汽吸收线探测大气水汽廓线，选取V波段氧气吸收线探测大气温度廓线。根据吸收线波谱特性，接收机均采用单边带(SSB)工作体制。早期的微波辐射计当中，接收机基本采用传统的超外差体制，将射频信号变换到中频进行处理。随着微波器件技术水平的不断提高，目前微波辐射计已经实现了在射频频段直接检波的方式。欧美等技术发达国家直接检波型微波辐射计最高频率已经达到 150GHz。但是，由于我国器件水平和技术水平的限制，射频检波还不能普遍采用。本装置辐射计接收机采用中频功分直接检波式接收机，主要由固定本振，混频器， 定向耦合器、射频放大、功分器、带通滤波器、平方律检波器、积分器和视频放大器组成。天线接收到的目标信号经过固定本振混频处理，再经过放大后利用功分器分成若干个中频子通道，在每个子通道中利用带通滤波器的频率选择性固定其探测通道的频率，根据需要每个通道的带宽可以不一致。在这种体制中，探测通道的多少取决于功分网络，但探测通道数过多，会造成探测仪接收机硬件开销大。与超外差体制相比，由于不需要控制本振频率的变化，因此不需要增加频综器，只需要固定频率的本振，系统的控制逻辑简单。所述扫描机构单元，扫描机构驱动天线实现对天空不同入射角的观测和对内置定标黑体的测量，获取测量和周期内定标数据。本发明的一种基于地基的大气廓线微波探测仪包括天馈系统，辐射计接收机，扫描机构单元，内定标单元，数字单元。本发明在系统配置上，两个波段的天馈系统各自独立， 由扫描机构带动两个反射面圆周扫描，两个波段的接收机也位于扫描机构两侧。接收机通过比较超外差混频和射频直接检波两种形式，采用中频功分直接检波方式。在数字单元的控制下，扫描机构带动天线完成周期性的大气观测和定标；噪声源和吸收体为探测仪系统的内定标提供了稳定的高温和环境温度的参考源。天馈系统接收大气及内校准参考源的微波辐射，接收机单元将射频信号放大并完成射频至中频的频率变换，信号经再放大、检波及积分后，输出至数字单元进行量化及数据处理。数字单元对信号进行采集、量化处理；产生系统工作时序及扫描时序；控制频综器的频率跳变产生接收机所需的本振信号，使用单一接收机信道实现多通道大气探测；采集扫描机构角度信息，控制扫描机构运转；对探测数据及辅助探测数据进行格式编排、打包，与主控计算机进行数据传输与通讯。本发明的多通道地基大气廓线微波探测仪的系统控制装置及控制方法，能够提高系统的灵敏度和系统精度，提高观测效率，减小装置的重量和体积，从而提高地基大气廓线微波探测仪的探测精度，更准确的探测大气温度廓线，湿度廓线，水汽含量，云液水含量等等。本发明的天馈系统双频独立反射面配置示意图，它具有横向尺寸大，纵向尺寸小的特点，天线双频独立设计，低副瓣要求易实现，不需要极化分离栅网进行频率分离，双频采用独立的定标黑体，提高了定标精度。天线罩工作频段窄，透波损耗小，采用此配置方案有很好的系统可扩展性，可实现多极测量；直接检波接收机采用宽带中频接收机，利用滤波器组实现多通道探测，控制逻辑简单，与超外差接收机相比，最大优点是各通道同时观测， 积分时间长观测效率高，有利于提高系统探测精度。与超外差体制相比，直接检波接收机由于不需要控制本振频率的变化，因此不需要增加频综器，系统的控制逻辑简单。本发明的优点在于，采用天馈系统双频独立反射面，中频功分直接检波接收机和多方式扫描部分的设备装置。运用本发明的装置和控制方法能够有效提高系统的灵敏度和系统精度，提高观测效率，减小装置的重量和体积。从而提高地基大气廓线微波探测仪的探测精度，更准确的探测大气温度廓线，湿度廓线，水汽含量，云液水含量等等。


图1地基大气廓线微波探测仪电系统结构图；图2是本发明的双频独立反射面天馈系统配置示意图；图3是现有的超外差混频接收机示意图；图4是本发明的直接检波接收机示意图；图5本发明的系统扫描工作模式示意图；图6本发明的扫描机构示意图；图7本发明的数字单元原理组成框图；图8本发明的地基大气廓线微波探测仪信息流程图。附图标志1、基板2、扫描电机 3、扫描轴4、反射面5、前端 6、SMA连接器
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方案对本发明的一种多通道地基大气廓线微波探系统装置及其控制方法进行详细的说明。天馈单元采用偏置抛物面天线，天线的热损耗对测量影响很小，并且_30dB的旁边电平也可以实现，从而当天线副瓣掠过太阳时，太阳辐射对测量亮温的影响将小于0. 2K。表1是多通道地基大气廓线微波探测仪天馈系统指标表1探测仪天馈系统指标
权利要求
1.一种基于地基的大气廓线微波探测仪，该探测仪包括天馈单元、定标单元、辐射计接收机单元、扫描机构单元和数字单元，其特征在于所述天馈单元，包括针对两个波段的独立的天馈子单元且采用双频独立反射面，所述的两个独立的天线反射面分别安装在扫描电机输出轴两端，通过电机旋转实现波束扫描， 用于接收大气及内校准参考源的微波辐射；所述的辐射计接收单元，包含针对两个接收波段的辐射计接收单元，该辐射计接收单元采用中频功分直接检波型辐射计接收机单元，具体包含定向耦合器、射频放大、功分器、 带通滤波器、平方律检波器、积分器和视频放大器，用于实现对接收信号的中频检波；所述扫描机构单元，包括扫描轴、扫描步进电机、两个前端和SMA连接器，其中所述的扫描轴在扫描电机得驱动下带动所述的两个反射面圆周扫描，且所述的扫描机构单元的驱动电机经过齿轮减速传递驱动，用于驱动天线实现对天空不同入射角的观测和内定标黑体进行测量，获取测量和周期内定标单元获得的数据；其中，所述的两个波段的天馈单元各自独立，由扫描机构带动两个反射面圆周扫描，两个波段的辐射计接收单元位于扫描机构两侧。
2.根据权利要求1所述的基于地基大气廓线微波探测仪装置，其特征在于，所述的天馈单元还包含一馈源和一天线罩；所述的双频独立反射面，均采用90°偏置抛物反射面，分别用于反射K波段和V波段电磁波；所述的馈源采用圆锥波纹喇叭，该喇叭馈源与接收机射频前端集成为一体；所述的天线罩安装在结构支架上，用于将所述的探测仪的内部与外部环境隔离。
3.根据权利要求2所述的基于地基大气廓线微波探测仪装置，其特征在于，所述的K波段的抛物反射面的口径尺寸为O.aii，对应于5°的半功率波束宽度；所述的V波段的抛物反射面的口径尺寸为0. 15m，对应于2. 5°的半功率波束宽度。
4.根据权利要求1所述的基于地基大气廓线微波探测仪装置，其特征在于，所述的中频功分直接检波型辐射计接收机单元，包含混频放大子单元，用于将天线接收到的目标信号经过固定本振进行混频和放大处理；功分器子单元，用于将混频放大后得信号分成若干个中频子通道；带通滤波器子模块，用于将在每个中频子通道中利用带通滤波器固定探测通道的频率，每个探测通道的带宽可根据需要自由选择。
5.根据权利要求1所述的基于地基大气廓线微波探测仪装置，其特征在于，所述的扫描机构单元，采用垂直平面内的360°圆周扫描方式且所述的扫描方式具体包含三种连续勻速扫描方式、步进角度扫描方式和固定角度观测方式，用于使天线波束依次指向不同的角和定标黑体完成测量数据和黑体定标数据的获取。
6.根据权利要求1所述的基于地基大气廓线微波的探测仪装置，其特征在于，所述的数字单元，包括时序信号产生子单元、数据采集与处理子单元和数据接口子单元；所述得时序信号产生子单元，用于产生系统工作的时序信号、实现测量/定标切换和接收机的扫描时序；所述得数据采集与处理子单元，用于实现对探测数据、定标数据以及辅助探测数据的采集量化，采集扫描角度信息，控制扫描机构运转；同时该子单元还产生系统温控所需的控制信号，实现对整个机箱的温度控制和对定标黑体温度梯度的控制；所述的数据接口模块，用于实现对测量所获得的科学数据、工程参数进行格式编排、打包处理，形成满足格式要求的数据包，发送至主控计算机。
7.根据权利要求6所述的基于地基大气廓线微波的探测仪，其特征在于，所述的数据采集与处理子单元采用CPU完成数据采集与处理；所述的时序信号产生子单元采用FPGA产生所需要的工作时序。
全文摘要
本发明提供一种基于地基的大气廓线微波探测仪，其特征在于所述天馈单元，包括针对两个波段的独立的天馈子单元且采用双频独立反射面，所述的两个独立的天线反射面分别安装在扫描电机输出轴两端，通过电机旋转实现波束扫描，用于接收大气及内校准参考源的微波辐射；所述的辐射计接收单元，具体包含定向耦合器、射频放大、功分器、带通滤波器、平方律检波器、积分器和视频放大器，用于实现对接收信号的中频检波；所述扫描机构单元，包括扫描轴、扫描步进电机、两个前端和SMA连接器，其中所述的扫描轴在扫描电机得驱动下带动所述的两个反射面圆周扫描实现对天空不同入射角的观测和内定标黑体进行测量，获取测量和周期内定标单元获得的数据。
文档编号G01S13/95GK102243304SQ20101017816
公开日2011年11月16日 申请日期2010年5月14日 优先权日2010年5月14日
发明者何杰颖, 刘和光, 孙波, 张升伟, 董晓龙 申请人:中国科学院空间科学与应用研究中心