一種基于氣象探測(cè)的地基多通道微波輻射計(jì)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及氣象探測(cè)中的微波輻射計(jì)領(lǐng)域，特別涉及一種基于氣象探測(cè)的地基多 通道微波輻射計(jì)。
【背景技術(shù)】
[0002] 大氣溫度和濕度廓線作為重要的氣象參數(shù)，目前主要通過(guò)兩種探測(cè)手段：一種是 在地面上采用無(wú)線電探空儀(雷達(dá)）進(jìn)行測(cè)量，其特點(diǎn)是體積龐大、成本較高而且需要復(fù)雜 的安裝和運(yùn)行條件，并且空間分辨率和時(shí)間分辨率都較低；另一種是在高空間軌道采用衛(wèi) 星遙感手段，其特點(diǎn)是具有較高的空間分辨率，探測(cè)覆蓋面廣，尤其在海洋上空和人跡罕至 的陸地地區(qū)；但是由于受到觀測(cè)幾何限制，衛(wèi)星遙感對(duì)于高空具有較高的垂直分辨率，而對(duì) 于低空的垂直分辨率較差，特別是云的遮擋和強(qiáng)吸收，以及大氣對(duì)于毫米波波段電磁波的 不透明性，衛(wèi)星遙感對(duì)于對(duì)流層底部的探測(cè)性能很差。
[0003] 與探空雷達(dá)相比，地基微波/毫米波輻射計(jì)具有維護(hù)成本低、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)，因 此近年來(lái)其作為一種可靠的大氣溫度、濕度廓線的探測(cè)技術(shù)得到發(fā)展，逐漸成為一種提供 業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)服務(wù)的手段。地基微波輻射計(jì)的另一優(yōu)點(diǎn)在于對(duì)云中液態(tài)水的靈敏度較高，在陸 地上空，被動(dòng)微波遙感是目前最準(zhǔn)確、成本最低的垂直液態(tài)水通量測(cè)量的手段。
[0004] 目前國(guó)際上主流的地基微波福射計(jì)主要有兩種：一種是美國(guó)Radiometrics公司 生產(chǎn)的MP系列微波輻射計(jì)，配置了K波段21個(gè)頻率探測(cè)通道和V波段14個(gè)頻率探測(cè)通 道，實(shí)現(xiàn)了溫度和濕度的同步探測(cè)反演；另一種是德國(guó)RPG公司生產(chǎn)的微波輻射計(jì)，配置了 K波段7個(gè)通道和V波段7個(gè)通道，同樣實(shí)現(xiàn)了溫度和濕度廓線的同步反演；但這兩種微波 輻射計(jì)在天線與饋電單元設(shè)計(jì)中均采用了雙頻共用反射面的方式，導(dǎo)致這兩種微波輻射計(jì) 的缺點(diǎn)在于：1)雙頻共用反射面所需的極化柵網(wǎng)加工難度大，導(dǎo)致成本增加；2)極化柵網(wǎng) 會(huì)引入系統(tǒng)損耗，不利于提高系統(tǒng)靈敏度；3)由于K、V兩個(gè)頻段頻率跨度較大，天線反射面 必然要兼顧頻率的全部范圍，從而導(dǎo)致饋電單元指標(biāo)下降，不利于提高系統(tǒng)精度；4)天線罩 和定標(biāo)黑體同樣要兼顧兩個(gè)頻段，可選材料受限且成本較高。
[0005] 目前另一種改進(jìn)的地基微波輻射計(jì)天線與饋電單元設(shè)計(jì)中雖然采用了雙頻獨(dú)立 反射面的方式，對(duì)每個(gè)頻率的天線進(jìn)行獨(dú)立的優(yōu)化和設(shè)計(jì)，彌補(bǔ)了上述雙頻共用反射面帶 來(lái)的缺點(diǎn)，但該地基微波輻射計(jì)接收機(jī)設(shè)計(jì)采用了單一超外差射頻前端，中頻公分多路體 制，配置固定為K波段7個(gè)探測(cè)通道和V波段7個(gè)探測(cè)通道，既沒(méi)有如射頻直接檢波體制接 收機(jī)一樣節(jié)省混頻器使設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)單；也沒(méi)有如超外差本振跳頻體制接收機(jī)一樣節(jié)省中低 頻器件成本，且不能靈活配置探測(cè)通道數(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于，為了解決上述微波輻射計(jì)采用雙頻共用反射導(dǎo)致系統(tǒng)靈敏度 及精度低，而采用雙頻獨(dú)立反射又導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種地基多 通道微波輻射計(jì)，該地基微波輻射計(jì)具有可移植性強(qiáng)、高性能、低功耗的特點(diǎn)。
[0007] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種基于氣象探測(cè)的地基多通道微波輻射計(jì)，包 括：馬達(dá)、定標(biāo)單元、供電單元、天線與饋電單元、接收機(jī)單元、數(shù)據(jù)采集與系統(tǒng)控制單元； 所述馬達(dá)用于帶動(dòng)天線反射面進(jìn)行大氣探測(cè)掃描和定標(biāo)；所述定標(biāo)單元用于提供周期性的 定標(biāo)數(shù)據(jù)；所述供電單元用于完成交流電壓與直流電壓的AC/DC轉(zhuǎn)換，并為電路提供電壓 輸出；所述天線與饋電單元用于接收來(lái)自大氣和定標(biāo)體的微波輻射信號(hào)，其采用雙頻獨(dú)立 反射面；所述接收機(jī)單元用于對(duì)天線與饋電單元接收到的微波輻射信號(hào)，依次進(jìn)行下變頻、 放大、濾波、檢波、積分及低頻放大處理，生成探測(cè)數(shù)據(jù)，該接收機(jī)單元采用超外差本振跳頻 體制的接收機(jī)；所述數(shù)據(jù)采集與系統(tǒng)控制單元用于根據(jù)上位機(jī)注入的指令，為微波輻射計(jì) 提供正常工作時(shí)序和執(zhí)行相應(yīng)操作，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)傳輸。
[0008] 作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述微波輻射計(jì)還包括溫控單元和除濕單元， 所述溫控單元采用兩級(jí)主動(dòng)溫控措施控制接收機(jī)單元的溫度；該兩級(jí)主動(dòng)溫控措施包括第 一級(jí)溫控和第二級(jí)溫控，所述第一級(jí)溫控通過(guò)加熱片加熱和風(fēng)扇熱循環(huán)，使接收機(jī)單元工 作在±1°C的溫度范圍內(nèi)；所述第二級(jí)溫控通過(guò)TEC半導(dǎo)體進(jìn)行加熱或制冷，使溫度的調(diào)節(jié) 精度小于0.rc;所述除濕單元用于除去天線罩表面的水汽。
[0009] 作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述微波輻射計(jì)還包括輔助探測(cè)單元；所述輔 助探測(cè)單元用于探測(cè)輔助探測(cè)數(shù)據(jù)，該輔助探測(cè)數(shù)據(jù)包括：GPS、紅外、雨量、氣壓和溫濕度 信息。
[0010] 作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述數(shù)據(jù)采集與系統(tǒng)控制單元包括微處理器模 塊、系統(tǒng)控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、AGC控制模塊和總線通訊模塊；所述微處理器模塊用于 根據(jù)上位機(jī)注入的指令，為微波輻射計(jì)提供正常工作時(shí)序和執(zhí)行相應(yīng)操作；所述系統(tǒng)控制 模塊用于對(duì)接收機(jī)噪聲源和天線驅(qū)動(dòng)電路的控制，產(chǎn)生控溫除濕所需的控制信號(hào)；所述數(shù) 據(jù)采集模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)探測(cè)數(shù)據(jù)、定標(biāo)數(shù)據(jù)以及輔助探測(cè)數(shù)據(jù)的采集量化，并將量化后的數(shù)據(jù) 進(jìn)行整合打包；所述總線通訊模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與系統(tǒng)控制單元和上位機(jī)的通訊，接收上 位機(jī)的控制指令及注入數(shù)據(jù)，并通過(guò)RS485接口向上位機(jī)發(fā)送經(jīng)數(shù)據(jù)采集模塊打包的數(shù) 據(jù)；所述AGC控制|吳塊實(shí)現(xiàn)對(duì)接收機(jī)的AGC控制。
[0011] 作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述接收機(jī)單元包括K波段22-30GHZ接收機(jī) 和V波段51-59GHZ接收機(jī)，兩個(gè)接收機(jī)分別用于接收水汽廓線22GHz-30GHz和氧氣廓線 51GHz-59GHz兩種探測(cè)頻率的微波輻射信號(hào)；通過(guò)探測(cè)微波/毫米波段大氣氧氣、水汽吸收 譜及窗口頻率的輻射亮溫，反演大氣溫度和濕度廓線。
[0012] 作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述K波段22-30GHZ接收機(jī)和V波段51-59GHZ 接收機(jī)均包括：頻綜器、低噪放大器、混頻器、中頻放大器、濾波器、檢波器、積分器和低頻放 大器；通過(guò)所述數(shù)據(jù)采集與系統(tǒng)控制單元對(duì)頻綜器進(jìn)行頻率控制，輸出頻率跳變信號(hào)作為 本振，饋源接收到的信號(hào)，經(jīng)射頻放大以后由混頻器完成射頻至中頻的頻率下變換，然后由 中頻放大器放大，經(jīng)過(guò)帶通濾波器選頻實(shí)現(xiàn)多通道同步探測(cè)后由檢波器完成中頻至低頻的 轉(zhuǎn)換，在經(jīng)過(guò)積分器對(duì)低頻信號(hào)進(jìn)行平滑處理，最后經(jīng)過(guò)低頻放大輸出至數(shù)據(jù)采集與系統(tǒng) 控制單元進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
[0013] 作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述K波段22-30GHZ接收機(jī)包括21個(gè)探測(cè)通 道；所述V波段51-59GHZ接收機(jī)包括14個(gè)探測(cè)通道。其中探測(cè)通道的數(shù)目可根據(jù)實(shí)際需 要靈活增加或減少，僅取決于頻率跳變的間隔。
[0014] 作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述K波段22-30GHZ接收機(jī)和V波段51-59GHZ接收機(jī)均采用單邊帶工作方式。
[0015] 作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述定標(biāo)單元包括定標(biāo)黑體、噪聲二極管、微波 開(kāi)關(guān)和定向耦合器；所述定標(biāo)黑體為系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)亮溫；所述噪聲二極管用于產(chǎn)生定標(biāo)噪 聲信號(hào)；所述微波開(kāi)關(guān)用于實(shí)現(xiàn)噪聲信號(hào)的通斷；所述定向耦合器用于實(shí)現(xiàn)噪聲信號(hào)的饋 入；所述噪聲二極管通過(guò)微波開(kāi)關(guān)與定向耦合器連接，定向耦合器與接收機(jī)單元相連，通過(guò) 獲取的定標(biāo)數(shù)據(jù)，校準(zhǔn)接收機(jī)通道增益及接收機(jī)噪聲，保證探測(cè)精度不受系統(tǒng)增益波動(dòng)和 噪聲飄移的影響。
[0016] 作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述天線與饋電單元中的天線罩采用納米材料 圖層，所述接收機(jī)單元采用高密度泡沫保溫板進(jìn)行包裹密封。
[0017] 本發(fā)明的一種基于氣象探測(cè)的地基多通道微波輻射計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0018] 可測(cè)量從地表到10公里大氣層的垂直廓線，不僅能夠提供高分辨率的溫度、相對(duì) 濕度和水汽廓線，而且可實(shí)現(xiàn)連續(xù)不間斷的觀測(cè)，提供天氣過(guò)程演化的全過(guò)程數(shù)據(jù)；另外， 滿足了維護(hù)成本低、運(yùn)行可靠且環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的需求，能夠覆蓋區(qū)域的連續(xù)觀測(cè)及提供對(duì) 流層較高的分辨率和探測(cè)精度；天線采用雙頻獨(dú)立反射面的設(shè)計(jì)方式，對(duì)雙頻天線能夠進(jìn) 行獨(dú)立優(yōu)化和設(shè)計(jì)，進(jìn)而保證了較低的副瓣電平，減少了極化柵網(wǎng)帶來(lái)了系統(tǒng)損耗和成本； 接收機(jī)單元采用超外差本振跳頻體制的接收機(jī)，降低了接收通道的成本，并實(shí)現(xiàn)了探測(cè)通 道