一种星载微波大气温度和湿度探测仪

摘要

本发明涉及一种星载微波大气温度和湿度探测仪，该探测仪包括：马达、天线与馈电单元、接收机单元、定标体、数据管理单元和供电单元；其特征在于，所述的天线与馈电单元，包括：两个天线反射面，该天线反射面为90°偏馈抛物面形式，分别设置在马达输出轴的两端，分别用于接收大气温度和湿度的亮温信号；所述的每个天线反射面的反射路径上各设置有一个极化栅网，用于实现探测频率的分离，经极化栅网分离为透射的水平极化波和折射的垂直极化波；其中，透射的水平极化波经馈源被接收机接收，折射的垂直极化波经二次反射面反射至馈源被另一接收机接收。

说明书

技术领域

本发明涉及微波遥感技术领域中的大气温度和湿度探测仪，特别涉及一种星载微波大气温度和湿度探测仪。 

背景技术

星载微波大气温度和湿度探测仪是一种被动式的微波遥感器，也就是用于在卫星平台上对大气温度和湿度进行测量的微波辐射计。星载微波大气温度和湿度探测仪能够全天时、全天候地观测全球大气温度和湿度、水汽含量、降雨量等气象资料，以及热带气旋和台风等灾害性天气，在大气探测中具有重要作用；对全球气候及环境变化研究，提高天气预报的准确性，以及防灾减灾，减少台风暴雨等灾害性天气所导致的生命及经济财产损失具有重要应用价值。 

对于星载微波大气温度和湿度探测仪来说，除了探测精度高、系统工作稳定、可靠性高等要求以外，由于卫星平台空间尺寸、重量、功耗等资源的有限性，其小型化、低重量、低功耗设计显得尤为珍贵。在此之前，国际及国内用于大气温度和湿度探测的星载微波辐射计皆采用独立的系统设计，也就是说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，相互独立，各自有独立的供电系统及数据管理系统。 

发明内容

本发明的目的在于，提供一种将大气温度和湿度探测功能集成为一体、高性能、低重量、低功耗、小型化的探测仪。 

为了实现上述目的，本发明设计了一种星载微波大气温度和湿度探测仪。 

所述的星载微波大气温度和湿度探测仪包括：数据管理单元、马达、天线与馈电单元、接收机单元、定标体和供电单元； 

所述的数据管理单元，用于负责完成数据的量化采样，控制系统工作状态，向卫星数管计算机发送数据并进行通讯，接收并解译、执行卫星数管计算机的控制指令； 

所述的马达，用于在数据管理单元的控制下，带动天线反射面进行大气探测扫描及定标； 

所述的天线与馈电单元，接收大气及定标体的微波辐射； 

所述的定标体，用于提供卫星在轨运行环境下的亮温定标数据； 

所述的接收机单元，用于对天线与馈电单元接收到的微波辐射信号进行频率下变换、放大、滤波、检波、积分及低频放大处理； 

所述的供电单元，用于完成卫星一次母线电压与二次电压的DC/DC转换，为上述单元提供所需要的各路电压输出；其特征在于， 

所述的天线与馈电单元，包括：两个天线反射面，该天线反射面为90°偏馈抛物面形式，分别设置在马达输出轴的两端，分别用于接收大气温度和湿度的亮温信号； 

所述的每个天线反射面的反射路径上设置有一个极化栅网，经极化栅网分离为透射的水平极化波和折射的垂直极化波，其中，透射的水平极化波经馈源被接收机接收，折射的垂直极化波经二次反射面反射至馈源被接收机接收。 

所述的两路透射的水平极化波分别经馈源由118GHz接收机和183GHz接收机接收，两路折射的垂直极化波经过二次反射面的反射后经馈源由89GHz接收机和150GHz接收机接收； 

其中，89GHz和118GHz接收机构成大气温度探测仪，118GHz是主探测频率，探测要素为大气温度的垂直分布，89GHz是辅助探测频率，探测要素为卷云、液水含量和强降雨； 

150GHz和183GHz接收机构成大气湿度探测仪，183GHz是主探测频率，探测要素为大气湿度的垂直分布，150GHz是辅助探测频率，探测要素为卷云、液水含量和强降雨。 

所述的极化栅网采用准光学极化分离栅网实现探测频率的分离。 

所述的118GHz接收机包括：混频器、前置中频放大器、功分器、主中放、滤波器、检波器、积分器、低频放大器。 

所述的118GHz接收机采用单一超外差射频前端中频、功分多路体制，首先由混频器完成射频至中频的频率下变换，然后经过前置中频放大后，由功分器分配为8个接收通道，通道数根据需要进行增加或者减少；然后由主中放放大后，经过带通滤波器选频实现多通道同步探测后由检波器完成中频至低频的转换，再经过积分器对低频信号进行平滑处理，最后经过低频放大输出至数字系统进行量化处理。 

所述的183GHz接收机采用5个接收通道，通道数可根据需要进行增加或减少；采用单一超外差射频前端、中频功分多路体制，利用带通滤波器选频实现多个通道同步探测。 

目前国内外在轨运行的星载微波大气湿度探测仪，183GHz接收机皆采用3个探测通道；本探测仪183GHz接收机采用了5个探测通道，相对于3个探测通道而言探测更加细致，具有更高的探测精度。 

本发明的优点在于，星载微波大气温度和湿度探测仪不仅实现了大气温度和湿度的同步探测，满足了低功耗、低重量和小型化的要求，而且温度探测采用了118GHz，与国内外目前采用的50-60GHz相比具有更高的空间分辨率，183GHz采用了5个探测通道，相对于国内外目前采用的3个探测通道而言探测更加细致，具有更高的探测精度，满足高性能探测的要求。 

附图说明

图1大气温度和湿度探测仪系统框图； 

图289GHz接收机组成框图； 

图3150GHz接收机组成框图； 

图4118GHz接收机框图； 

图5183GHz接收机框图。 

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明的结构进行进一步详细的说明。 

该星载大气温度和湿度探测仪系统框图，如图1所示，该星载微波大气温度和湿度探测仪系统包括：数据管理单元、马达、定标体、天线与馈电单元、接收机单元和供电单元。数据管理单元负责完成数据的量化采样，控制系统工作状态，向卫星数管计算机发送数据并进行通讯，接收并解译、执行卫星数管计算机的控制指令；马达在数据管理单元的控制下，带动天线反射面进行大气探测扫描及定标；定标体提供卫星在轨运行环境下的亮温定标数据；天线与馈电单元由天线反射面、极化栅网、二次反射面和馈源组成，天线反射面为90°偏馈抛物面形式，接收大气及定标体的微波辐射，经极化栅网分离为透射的水平极化波和折射的垂直极化波，其中透射波由118GHz和183GHz馈源接收，折射波经过二次反射面的反射后由89GHz接收机和150GHz接收机馈源接收。反射面和二次反射面的形状和尺寸，根据不同星载系统的具体要求进行设计，材料可选用LY12铝合金或根据不同卫星型号的设计和建造规范要求选用；接收机单元由89GHz、118GHz、150GHz和183GHz四个频率的接收机组成，其中89GHz和118GHz接收机构成大气温度探测仪，118GHz是主探测 频率，探测要素为大气温度的垂直分布，89GHz是辅助探测频率，探测要素为卷云、液水含量和强降雨等；150GHz和183GHz接收机构成大气湿度探测仪，183GHz是主探测频率，探测要素为大气湿度的垂直分布，150GHz是辅助探测频率，探测要素为卷云、液水含量和强降雨等；供电单元完成卫星一次母线电压与二次电压的DC/DC转换，为上述五个单元提供所需要的各路电压输出。 

89GHz接收机框图，如图2所示，包括射频低噪放大器、混频器、中频放大器、滤波器、检波器、积分器、低频放大器。馈源接收到的信号，经过射频放大以后由混频器完成射频至中频的频率下变换，然后经过中频放大、滤波器选频以后由检波器完成中频至低频的转换，再经过积分器对低频信号进行平滑处理，最后经过低频放大输出至数字系统进行量化处理。 

150GHz接收机框图，如图3所示，与89GHz接收机的区别在于没有射频低噪放大器，而是采用直接混频接收体制，其他组成部件的功能与89GHz接收机对应的部件功能相同。 

118GHz接收机、183GHz接收机的组成形式与89GHz接收机和150GHz接收机不同。118GHz探测大气温度的垂直分布，183GHz探测大气湿度的垂直分布，二者由多个接收通道组成，接收机框图分别见4、图5所示。 

118GHz接收机框图，如图4所示，包括混频器、前置中频放大器、功分器、主中放、滤波器、检波器、积分器、低频放大器。馈源接收到的信号，首先由混频器完成射频至中频的频率下变换，然后经过前置中频放大后，由功分器分配为8个接收通道，然后经过滤波器选频，使各接收通道工作在不同的频率及带宽，再经过主中放以后由检波器完成中频至低频的转换，再经过积分器对低频信号进行平滑处理，最后经过低频放大输出至数字系统进行量化处理。 

183GHz接收机框图，如图5所示，其构成形式基本与118GHz接收机相同，区别在于工作频率不同，接收通道数为5个。 

新型星载大气温度和湿度探测仪工作频点及各通道频率参数见表1所示。根据不同型号卫星用户的具体要求，118GHz接收机和183GHz接收机探测通道数可以进行增加或减少，各通道的频率及带宽相应地进行适当调整。 

表1新型星载大气温湿度探测仪频率参数 

传统的星载微波大气温度探测仪，探测频率为50-60GHz与89GHz组合；大气湿度探测仪频率为89GHz、150GHz与183GHz组合，二者为两台独立的探测设备，其显著的缺点是占据空间尺寸较大，重量及功耗指标高，而且温度探测频段50-60GHz空间分辨率较低。 

与传统的星载微波大气温度探测仪和大气湿度探测仪相比，本发明提出的星载微波大气温度和湿度探测仪具有以下特点： 

1、探测频率包含四个频点：89GHz、118GHz、150GHz和183GHz，其中118GHz进行大气温度的垂直分布探测，89GHz探测卷云、水汽总量、降雨等，并辅助进行大气温度探测；183GHz进行大气湿度的垂直分布探测，150GHz探测卷云、水汽总量、降雨等，并辅助进大气行湿度探测；与传统的星载微波大气温度探测仪相比， 实现了大气温度与湿度的一体化探测，而且用于大气温度探测的118GHz频率较高，具有较高的空间分辨率； 

2、天线配置采用双天线配置方案，其中用于大气温度探测的89GHz、118GHz公用一个反射面，用于大气湿度探测的150GHz和183GHz公用一个反射面，两个独立的天线反射面分别安装在马达输出轴两端，由一个马达带动两个反射面旋转实现波束扫描，用于接收大气及定标体的微波辐射； 

3、天线与馈电系统采用极化栅网实现极化和频率分离，与传统的微波器件技术相比，对信号的损耗很低，对接收机噪声功率的影响很小，有利于提高系统探测精度； 

4、118GHz、183GHz接收机采用单一超外差射频前端、中频功分多路体制，利用中频滤波器选频实现多通道同步探测，探测效率高，系统控制逻辑简单。 

表2给出了本探测仪与传统的星载微波大气探测仪特点的比较，从表中可以明显地看出它们的不同之处。 

表2与传统的星载微波大气探测仪的比较 

  特性   新型星载微波大气温度和湿度探测仪   传统星载微波大气探测仪   设备(台/套)   一台   两台   功能   大气温度和湿度同步探测   大气温度、湿度独立探测   系统集成度   高   低   占据空间尺寸   小   大   重量   相对较轻   相对较重   功耗   相对较低   相对较高   空间分辨率   温度探测相对较高   温度探测相对较低   系统灵敏度   高   高   探测精度   高(湿度探测相对更高)   高

从表2的对比结果可以看出，在系统灵敏度和探测精度同样高的情况下，新型大气温度和湿度探测仪利用一台设备同时实现大气温度和湿度探测，系统集成度高；温度探测使用118GHz，具有更高的空间分辨率，大气湿度探测采用了更多通道，探测精度相对更高；相对而言重量轻、功耗低，在卫星上占据空间小的优势，更适于被卫星平台搭载。

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。