一种多频段高频谱分辨率地基微波辐射计

1.本发明涉及微波辐射计技术领域，具体涉及一种多频段高频谱分辨率地基辐射计。


背景技术：

2.大气温度和湿度是非常重要的气象参数，微波辐射计是探测大气温度和湿度的重要技术手段。星载微波辐射计已经广泛应用于对全球大范围区域内的气候/气象学研究和气象预报，但针对于局部区域短时间范围内大气参数探测，由于星载微波辐射计的时间分辨率、空间分辨率限制，以及受高层大气的影响，其测量的精度有限。为了弥补此问题，地基辐射计孕运而生。
3.对于大气温度和湿度廓线的垂直探测而言，需要接收大气多个频段的辐射信号进行探测，比如20～30ghz频段(k波段)用于探测大气中的水分子含量，从而探测大气湿度；而50～60ghz频段(v波段)用于探测大气的温度；同时，在某一探测频段内，细分的探测通道数越多，其频谱分辨率越高，从而可以获得更细的大气垂直参数分布曲线。
4.本发明一种多频段高频率分辨率地基微波辐射计，采用准光网络设计思路，实现多频段对大气探测的路径是完全相同的，相比于采用多台不同频段的地基微波辐射计来说，具有同视轴、同时观测的特点，原理上可获得更高的大气参数反演精度。同时，系统采用超外差结构，通过改变本振频率实现射频频带切换，通过中频滤波实现频率细分的方式，相对于在射频上进行滤波检测的方式，具有高频率分辨率、低成本的优势。


技术实现要素：

5.本发明主要解决的技术问题是：克服现有地基微波辐射计不同频段大气观测路径不同，以及频率分辨率不足的问题，提出了一种多频段高频率分辨率地基微波辐射计，采用准光馈电网络实现多频段同视轴同时观测；采用超外差接收机结构改变本振实现视频频率切换，在中频滤波器检测的方式，实现高频率分辨率。
6.为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术实现方案：一种多频段高频谱分辨率地基微波辐射计由反射面天线、波束分离器、宽带波纹喇叭馈源、宽带超外差接收机、可变本振源、中频滤波及检波器组、伺服结构、冷/热定标源、温度监控及恒温控制模块、ad采集/控制及信号处理模块构成。
7.反射面天线为旋转抛物面的一部分，抛物面的焦点与馈源喇叭的相位中心重合。反射面天线背后安装旋转轴，此旋转轴与伺服结构相连。伺服结构带动抛物面天线旋转。使得抛物线可以依次观察大气辐射亮温和冷、热定标源辐射亮温。
8.波束分离器将反射面天线同时接收到的多个频段的微波辐射信号根据频段或者极化方式进行分离。频率选择表面用来分离频率间隔相隔较远的两个频段，频率选择表面可以使高频段的辐射信号透射通过，而频率较低的辐射信号被完全反射回来。极化分离器可以用来分离两种不同极化的电磁波。
9.波纹喇叭馈源用于接收波束分离后的微波辐射信号。波纹喇叭馈源具有宽频带，相位中心稳定，方向图旋转对称的优势，常常作为宽频带接收机的馈源喇叭。
10.宽带超外差接收机的特点是具有低噪声、高增益，并且有宽的射频频率输入范围和宽的本振频率输入范围。通过改变本振频率，可以实现对接收射频频率的切换，中频输出有足够的带宽。
11.可变本振源用来给宽带超外差接收机提供频率可变的本振信号，从而实现不同频段辐射信号的接收。
12.中频滤波器组位于超外差接收机中频输出的后面，用于对固定频率范围的中频信号进行若干频带的精细细分，从而实现高频率分辨率测量。每个滤波器后都接有检波器，实现该细分频率的功率测量。
13.冷定标源为辐射计两点定标提供冷源参考。冷定源由保温桶、浸泡液氮的吸波材料、防止水汽凝结的透波材料构成，位于抛物面天线的正下方。热定标源由涂覆有吸波材料的金属椎体、温度传感器构成，位于抛物面天线的侧面。当抛物面天线在伺服结构的带动下旋转一周时，天线依次观察天空亮温，热定标源的亮温和冷定标源的亮温。通过两点定标，即可获得天气的等效辐射亮温。
14.ad采集理模块将检波器组输出的模拟电压转换成数字信号进行存储和发送；控制模块实现伺服结构的旋转控制及角度信息反馈，并且反馈的角度信息与采集的电压信息具有同步对应关系。信号处理模块完成辐射计接收信号的定标处理和天空亮温显示。
15.温度监测和控制模块将超外差接收机、中频滤波器/检波器组、ad采集模块等模拟部件包围在内，通过一定的温度控制策略将整个接收机链路的温度控制在很小的温度波动范围内，降低环境温度变化对接收机增益的影响，提高辐射计测量的精度。
16.与现有的地基辐射计相比，本发明的优点在于：
17.(1)采用准光网络设计思路，多个不同频段的大气辐射信号被同时、同视轴地被观测，理论上可提升了大气参数的反演精度。
18.(2)采用超外差接收机结构，通过改变本振切换射频频率，通过中频滤波器组进行频率细分的方式可以实现低成本、高频率分辨率观测。
附图说明
19.图1为本发明一种多频段高频谱分辨率地基微波辐射计结构示意图；
具体实施方式
20.如图1所示，本发明提供的一种多频段高频谱分辨率地基微波辐射计包括：反射面天线1、波束分离器2、宽带波纹喇叭馈源3、宽带超外差接收机4、可变本振源5、中频滤波及检波器组6、ad采集模块7、伺服结构8、冷定标源9、热定标源10、温度监控及恒温控制模块11和控制处理处理模块12。
21.反射面天线1为旋转抛物面的一部分，抛物面的焦点与宽带波纹喇叭馈源3的相位中心重合。反射面天线背后安装旋转轴，此旋转轴与伺服结构8相连。伺服结构8带动抛物面天线旋转。使得抛物线可以依次观察大气辐射亮温、冷定标源9辐射亮温和热定标源10辐射亮温。
22.波束分离器2将反射面天线1同时接收到的多个频段的微波辐射信号根据频段或者极化方式进行分离。频率选择表面用来分离频率间隔相隔较远的两个频段，频率选择表面可以使高频段的辐射信号透射通过，而频率较低的辐射信号被完全反射回来。极化分离器可以用来分离两种不同极化的电磁波。
23.宽带波纹喇叭馈源3用于接收波束分离后的微波辐射信号。波纹喇叭馈源3具有宽频带，相位中心稳定，方向图旋转对称的优势，常常作为宽频带接收机的接收天线。
24.宽带超外差接收机4的特点是具有低噪声、高增益，并且有宽的射频频率输入范围和宽的本振频率输入范围。通过改变本振频率5，可以实现对接收射频频率的切换，中频输出有足够的带宽。
25.可变本振源5用来给宽带超外差接收机提供频率可变的本振信号，从而实现不同频段辐射信号的接收。
26.中频滤波器组及检波器组位6于超外差接收机中频输出的后面，用于对固定频率范围的中频信号进行若干频带的精细细分，从而实现高频率分辨率测量。每个滤波器后都接有检波器，实现该细分频率的功率测量。
27.冷定标源9为辐射计两点定标提供冷源参考。冷定标源9由保温桶、浸泡液氮的吸波材料、防止水汽凝结的透波材料构成，位于抛物面天线的正下方。热定标源10由涂覆有吸波材料的金属椎体、温度传感器构成，位于抛物面天线的侧面。当反射面天线1在伺服结构8的带动下旋转一周时，天线依次观察天空辐射亮温，冷定标源9和热定标源10的辐射亮温。通过两点定标，即可获得天气的等效辐射亮温。
28.ad采集模块7将检波器组输出的模拟电压转换成数字信号进行存储和发送到控制/处理模块12。控制/处理模块12实现伺服结构8的旋转控制及角度信息反馈，并且反馈的角度信息与采集的电压信息进行同步对应；控制/处理模块12同时完成辐射计接收信号的定标处理和天空亮温显示。
29.温度监测/控制模块11将超外差接收机4、可变频率源5、中频滤波器/检波器组6、ad采集模块7等模拟部件包围在内，通过一定的温度控制策略将整个接收机链路的温度控制在很小的温度波动范围内，降低环境温度变化对接收机增益的影响，提高辐射计测量的精度。
30.与现有的地基辐射计相比，本发明的优点在于：
31.(1)采用准光网络设计思路，多个不同频段的大气辐射信号被同时、同视轴地被观测，理论上可提升了大气参数的反演精度。
32.(2)采用超外差接收机结构，通过改变本振切换射频频率，通过中频滤波器组进行频率细分的方式可以实现低成本、高频率分辨率观测。

技术特征：
1.一种多频段高频谱分辨率地基微波辐射计，其特征在于：所述多频段高频谱分辨率地基微波辐射计包括：反射面天线、波束分离器、波纹喇叭馈源、宽带超外差接收机、可变本振源、中频滤波及检波器组、ad采集模块、伺服结构、冷/热定标源、温度监控及恒温控制模块、控制及信号处理模块；反射面天线是旋转抛物面，它用于分时接收大气、冷定标源、热定标源辐射的多频段信号，反射面天线与伺服结构连接，通过伺服结构使得反射面天线旋转，在一周内依次观测天空、热定源和冷定标源的辐射信号，反射面天线将目标辐射信号聚焦到反射面天线的焦点处；波束分离器位于反射面天线的反射面与焦点之间，用于将多频段信号进行分离，对于采用频率选择表面来实现波束分离的方式，高频段的信号透过波束分离器进入高频段的波纹喇叭馈源；低频段的信号经过波束分离器反射进入低频段的波纹喇叭馈源；波纹喇叭馈源具有宽频带、相位中心稳定、旋转对称的优势，其相位中心与反射面天线的焦点重合，用于接收通过波束分离器后的辐射信号，传输至超外差接收机；超外差接收机具有低噪声、高增益的特点，并且有宽的射频频率输入和宽的本振频率输入范围，它将某一频带内的宽频信号通过若干次改变本振频率，下变频至一个固定的中频频带；可变本振源在控制与信号处理模块的控制下，可按时序改变本振源的输出频率，从而实现等效接收射频信号频率切换的目的；中频滤波器和检波器组用于将超外差接收机输出的固定中频信号进行多个通道的频带细分，检波器对每一个细分后的通道进行功率检波；ad采集模块用于对检波器的输出模拟信号进行放大及数字采集，传输给控制及信号处理模块；冷/热定标源为地基辐射计的周期两点定标提供参考，其中冷定标源由保温桶和液氮浸泡的吸波材料组成，位于反射面天线的正下方，提供80k左右的冷定标参考温度；热定标源由涂覆有高发射率吸波材料的金属椎体构成，金属椎体背面预留有高精度温度传感器，可通过控制/数据处理模块进行温度的读取；温度监测和控制模块将超外差接收机、中频滤波器/检波器组、ad采集模块等模拟部件包围在内，通过一定的温度控制策略将整个接收机链路的温度控制在很小的温度波动范围内，降低环境温度变化对接收机增益的影响，提高辐射计测量的精度；控制及信号处理模块完成系统控制和信号处理的功能，其中系统控制功能包括实现对伺服结构(用于旋转发射面天线)的控制和角度信息读取；实现可变频率源输出频率的控制；实现热定源温度传感器温度的读取；温度检测及控制模块参数的设置及温度读取；ad采集模块数据的读取，信号处理模块用于实现辐射计接收机信号的观测目标的分离，观测频率的分离，以及对不同频率测量数据的定标处理。2.根据权利要求1所述的多频段高频谱分辨率地基微波辐射计，其特征在于，所述多频段高频谱分辨率地基微波辐射计采用准光馈电网络，实现了目标辐射信号的多频段、同视轴、同时观测；采用宽带超外差接收机结构，通过改变本振源频率的方式实现接收射频信号频带的快速切换，采用窄带中频滤波器组和检波器组同时实现此射频频带范围内信号的高频谱分辨率检测，具系统结构简单、频率分辨率高的优势。

技术总结
本发明公开了一种多频段高频谱分辨率地基微波辐射计，包括反射面天线、波束分离器、波纹喇叭馈源、宽带超外差接收机、可变本振源、中频滤波及检波器组、AD采集模块、伺服结构、冷/热定标源、温度监控及恒温控制模块和控制及信号处理模块，本发明采用准光馈电网络，实现了目标辐射信号的多频段、同视轴、同时观测，提高了采用多频段数据融合反演大气参数的准确性；同时，本发明采用改变本振源频率的方式实现接收射频信号频带的快速切换，采用窄带中频滤波器组和检波器组同时实现此射频带宽范围内信号的高频谱分辨率检测，系统具系统结构简单，频率分辨率高的优势。频率分辨率高的优势。频率分辨率高的优势。


技术研发人员：胡岸勇
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：2022.03.04
技术公布日：2023/9/13