一种通道参数可调节的精细谱段微波辐射计系统
技术领域
本发明属于空间微波遥感技术领域，尤其涉及一种通道参数可调节的精细谱段微波辐射计系统。
背景技术
国民经济和社会的发展对气象业务尤其是气象预报的要求越来越高。气象预报的准确率和精细化程度是国家和人民群众关注的重点。大气温度和湿度廓线是描述大气热力和动力状态必不可少的参数，为数值天气预报提供了驱动大气动力学模型的边界条件。更加准确的大气温湿度廓线将会提高数值天气预报精度，对天气预报和气候变化研究具有重要意义，对于我国这样一个气候模式多样、灾害性天气多发的国家来讲具有不可估量的价值。
目前，星载高光谱红外探测仪和微波辐射计是进行大气温度和湿度廓线探测的重要遥感手段，是气象卫星的重要遥感载荷，但都存在各自的不足：(1) 高光谱红外探测仪易受云层和雨区的影响，在高水汽含量和有云液态水情况下探测精度不高，具有一定局限性；(2)传统的微波辐射计虽然可以全天候、全天时工作，但是受限于较少的通道数目，已逐渐不能满足越来越高的大气探测精度需求(特别是垂直分辨率)，并且采用传统模拟方式实现中频处理的系统结构也决定了系统通道参数一旦确定就无法进一步调整。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种通道参数可调节的精细谱段微波辐射计系统，具有通道数目多、频谱分辨率高等特点，显著提高了大气垂直温度和湿度廓线探测精度；并且可根据应用需求适时调整通道参数，具有很强的灵活性和适应性。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种通道参数可调节的精细谱段微波辐射计系统，包括：
天线子系统，用于控制天线的圆锥扫描，将接收到的微波信号转换成不同频段的信号输出；
接收机子系统，用于对接收到的各个频段的信号进行检波采集或者频谱细分处理，输出各通道的遥感数据；
综合处理器，用于将接收机子系统输出的遥感数据发送给卫星平台；以及，接收卫星平台的控制指令，根据控制指令完成对所述通道参数可调节的精细谱段微波辐射计系统的控制。
在上述通道参数可调节的精细谱段微波辐射计系统中，热定标源源体和定标源控制器；
定标源控制器，用于接收综合处理器输出的温度控制指令，根据所述温度控制指令对热定标源源体进行控温；以及，对热定标源源体的温度进行实时测量，将温度测量结果反馈给综合处理器。
在上述通道参数可调节的精细谱段微波辐射计系统中，天线子系统，包括：天线、扫描机构和伺服控制器；
天线，包括：平面反射镜、抛物面反射镜和准光馈电网络；其中，天线作变速的圆周扫描时，平面反射镜绕馈源轴线旋转，抛物反射镜固定不动；
伺服控制器，用于通过扫描机构驱动天线作变速的圆周扫描；
准光馈电网络，用于将平面反射镜接收的微波信号进行频率分离，转换成四组不同频段的信号输出。
在上述通道参数可调节的精细谱段微波辐射计系统中，准光馈电网络输出的四组不同频段的信号为：50～60GHz频段信号、89GHz频段信号、118.75GHz 频段信号和183.31GHz频段信号；其中，50～60GHz频段信号和118.75GHz频段信号为氧气吸收带，用于大气温度廓线探测；183.31GHz频段信号为水汽吸收带，用于大气湿度廓线探测；89GHz频段信号为大气窗区通道，用于探测地表的背景微波辐射，辅助大气温度廓线探测和大气湿度廓线探测。
在上述通道参数可调节的精细谱段微波辐射计系统中，综合处理器在将接收机子系统输出的遥感数据发送给卫星平台时，包括：
接收机子系统输出的遥感数据；
接收定标源控制器输出的温度测量结果；
通过伺服控制器，获取天线作变速的圆周扫描的角度信息；
将遥感数据、温度测量结果和角度信息，进行排打包发送给卫星平台。
在上述通道参数可调节的精细谱段微波辐射计系统中，接收机子系统，包括：
射频接收机I，用于接收50～60GHz频段信号，对50～60GHz频段信号进行低噪声放大和镜相抑制滤波处理，将50～60GHz频段信号转换为中频信号Ⅰ输出；
中频接收机I，用于对中频信号Ⅰ进行放大后功分为5路信号，并对功分后的5路信号分别进行滤波和二次下变频处理，输出5路带宽为2GHz的下变频处理信号Ⅰ；
射频接收机II，用于接收183.31GHz频段信号，对183.31GHz频段信号进行低噪声放大和镜相抑制滤波处理，将183.31GHz频段信号转换为中频信号Ⅱ输出；
中频接收机II，用于对中频信号Ⅱ进行放大后功分为5路信号，并对功分后的5路信号分别进行滤波和二次下变频处理，输出5路带宽为2GHz的下变频处理信号II；
频谱细分接收机，用于对5路带宽为2GHz的下变频处理信号Ⅰ并行进行 FFT处理，细分带宽为5MHz，输出2048路细分通道的遥感数据Ⅰ；以及，对 5路带宽为2GHz的下变频处理信号II并行进行FFT处理，细分带宽为5MHz，输出2048路细分通道的遥感数据II；
接收机Ⅰ，用于接收89GHz频段信号，对89GHz频段信号进行低噪声放大、滤波、检波处理后输出直流电压Ⅰ；
接收机Ⅱ，用于接收118.31GHz频段信号，对118.31GHz频段信号进行低噪声放大、滤波、检波处理后输出直流电压Ⅱ；
信息采集器，用于对直流电压I和直流电压II分别进行偏置放大，然后经过AD采样后，通过异步串行数据总线发送给综合处理器。
在上述通道参数可调节的精细谱段微波辐射计系统中，
中频接收机I对中频信号Ⅰ进行放大后功分的5路信号，包括：6.5～8.5GHz 频段信号、8.5～10.5频段信号、10.5～12.5频段信号、12.5～14.5频段信号和 14.5～16.5频段信号；
中频接收机II对中频信号Ⅱ进行放大后功分的5路信号，包括：6.5～8.5GHz 频段信号、8.5～10.5频段信号、10.5～12.5频段信号、12.5～14.5频段信号和 14.5～16.5频段信号。
在上述通道参数可调节的精细谱段微波辐射计系统中，综合处理器，还用于：
根据遥感数据Ⅰ、遥感数据II和信息采集器的AD采样结果，对所述通道参数可调节的精细谱段微波辐射计系统的细分带宽进行调节，以平衡通道细分数量和通道灵敏度。
在上述通道参数可调节的精细谱段微波辐射计系统中，准光馈电网络，用于：
通过极化栅网，将平面反射镜接收的微波信号分离为第一组微波信号和第二组微波信号；其中，第一组微波信号包括：50～60GHz频段信号和118.75GHz 频段信号，第二组微波信号包括：89GHz频段信号和183.31GHz频段信号；
通过频率选择滤波器FSS#1对第一组微波信号进行频率分离；其中， 118.31GHz频段信号完全透射通过频率选择滤波器FSS#1进入射频接收机Ⅱ， 50～60GHz频段信号完全反射进入射频接收机Ⅰ；
通过频率选择滤波器FSS#2对第二组微波信号进行频率分离；其中，89GHz 频段信号完全透射通过频率选择滤波器FSS#2进入接收机Ⅰ，118.31GHz频段信号完全反射进入接收机Ⅱ。
在上述通道参数可调节的精细谱段微波辐射计系统中，微波信号，包括：目标的微波信号、热源的微波信号和冷空辐射的微波信号。
本发明具有以下优点：
(1)频谱细分接收机采用数字FFT方式实现超宽带频谱细分技术，同时能够实现2048通道的频谱细分，谱分辨率能够达到5MHz，优于国外同类产品，可以满足越来越高的大气探测精度需求。
(2)可根据应用需求适时调整频谱细分接收机通道参数，具有很强的灵活性和适应性，有利于提高不同天气条件下的大气温湿廓线探测精度。
(3)频谱细分接收机采用ADC+FPGA构架，由于FPGA具备并行数据处理的能力，这种构架在高速数据采集系统中更具有优势，同时，还可以实现对采集数据的实时接收、处理以及外围电路的控制。
(4)四个频段公用一副天线反射面，通过准光馈电网络实现不同频段信号的分离，准光馈电网络包含极化栅网和频率选择滤波器，从而实现不同频段同源观测。
(5)采用一体化设计，重量轻、体积小，可同时满足大气温度廓线和湿度廓线的探测需求，满足小卫星平台搭载的需求。
附图说明
图1是本发明实施例中一种通道参数可调节的精细谱段微波辐射计系统的结构框图；
图2是本发明实施例中一种天线频率分离方案示意图；
图3是本发明实施例中一种50～60GHz射频接收机的结构框图；
图4是本发明实施例中一种频谱细分接收机的结构框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公开的实施方式作进一步详细描述。
如图1，在本实施例中，该通道参数可调节的精细谱段微波辐射计系统，包括：天线子系统、接收机子系统、综合处理器、热定标源源体和定标源控制器。
天线子系统，用于控制天线的圆锥扫描，将接收到的微波信号转换成不同频段的信号输出。
在本实施例中，接收到的微波信号具体可以包括：目标的微波信号、热源的微波信号和冷空辐射的微波信号。
优选的，天线子系统具体可以包括：天线、扫描机构和伺服控制器。进一步的，天线可以包括：平面反射镜、抛物面反射镜和准光馈电网络；天线作变速的圆周扫描时，平面反射镜绕馈源轴线旋转，抛物反射镜固定不动，并采取相应的技术措施来保证得到足够高的天线主波束效率，降低天线旁瓣的电平，提高定标精度。其中，伺服控制器，用于通过扫描机构驱动天线作变速的圆周扫描；准光馈电网络，用于将平面反射镜接收的微波信号进行频率分离，转换成四组不同频段的信号输出。其中，准光馈电网络输出的四组不同频段的信号可以为：50～60GHz频段信号、89GHz频段信号、118.75GHz频段信号和 183.31GHz频段信号。其中，50～60GHz频段信号和118.75GHz频段信号为氧气吸收带，用于大气温度廓线探测；183.31GHz频段信号为水汽吸收带，用于大气湿度廓线探测；89GHz频段信号为大气窗区通道，用于探测地表的背景微波辐射，辅助大气温度廓线探测和大气湿度廓线探测。需要说明的，50～60GHz 频段信号和183.31GHz频段信号在后续的接收机子系统中还可以进一步的进行频谱细分，改善了大气各层次上温湿度廓线的探测精度。
优选的，如图2，准光馈电网络，具体可以用于：
通过极化栅网，将平面反射镜接收的微波信号分离为第一组微波信号和第二组微波信号；其中，第一组微波信号包括：50～60GHz频段信号和118.75GHz 频段信号，第二组微波信号包括：89GHz频段信号和183.31GHz频段信号。
通过频率选择滤波器FSS#1对第一组微波信号进行频率分离；其中， 118.31GHz频段信号完全透射通过频率选择滤波器FSS#1进入射频接收机Ⅱ， 50～60GHz频段信号完全反射进入射频接收机Ⅰ。
通过频率选择滤波器FSS#2对第二组微波信号进行频率分离；其中，89GHz 频段信号完全透射通过频率选择滤波器FSS#2进入接收机Ⅰ，118.31GHz频段信号完全反射进入接收机Ⅱ。
接收机子系统，用于对接收到的各个频段的信号进行检波采集或者频谱细分处理，输出各通道的遥感数据。
在本实施例中，接收机子系统具体可以包括：射频接收机I、中频接收机I、射频接收机II、中频接收机II、频谱细分接收机、接收机Ⅰ、接收机Ⅱ和信息采集器。
优选的，除接收机Ⅰ采用直接检波式外，其余通道均采用超外差式结构。对于50～60GHz、183.31GHz两个通道而言，首先将超宽带射频信号进行低噪声放大、镜像抑制滤波后，然后进行下变频，并进行功分、滤波、二次下变频，再送入频谱细分接收机进行频谱细分处理。对于118.75GHz通道，射频信号依次经过低噪声放大、镜像抑制滤波、下变频、功分、滤波，然后进行检波处理，之后低通滤波输出直流电压，并由信息采集器进行AD变换。对于89GHz通道，采用直接检波式接收，没有本振和变频器，直接将射频信号低噪声放大和滤波后进行检波，之后低通滤波输出直流电压，并由信息采集器进行AD变换。
优选的，频谱细分接收机采用数字FFT的方式实现，在50～60GHz和 183.31GHz两个通道上分别进行处理，每个通道设计使用5路中频处理模块并行处理10GHz带宽的信号，每路中频处理模块实时分析2GHz带宽信号，谱分辨率能够达到5MHz，同时能够实现2048通道的频谱细分。进一步的，为了满足不同观测场景下最优化的通道参数组合需求，可先对特定类型的天气情况进行仿真分析计算，然后根据分析结果对频谱细分接收机参数进行调节，改变其带宽和频谱分辨率，以获取最佳的探测效果。
具体的：
50～60GHz通道：
如图3，射频接收机I，用于接收50～60GHz频段信号，对50～60GHz频段信号进行低噪声放大和镜相抑制滤波处理，将50～60GHz频段信号转换为中频信号Ⅰ输出；中频接收机I，用于对中频信号Ⅰ进行放大后功分为5路信号，并对功分后的5路信号分别进行滤波和二次下变频处理，输出5路带宽为2GHz 的下变频处理信号Ⅰ(0～2GHz的信号)。其中：中频接收机I对中频信号Ⅰ进行放大后功分的5路信号分别：6.5～8.5GHz频段信号、8.5～10.5频段信号、10.5～12.5频段信号、12.5～14.5频段信号和14.5～16.5频段信号。
183.31GHz通道：
射频接收机II，用于接收183.31GHz频段信号，对183.31GHz频段信号进行低噪声放大和镜相抑制滤波处理，将183.31GHz频段信号转换为中频信号Ⅱ输出。中频接收机II，用于对中频信号Ⅱ进行放大后功分为5路信号，并对功分后的5路信号分别进行滤波和二次下变频处理，输出5路带宽为2GHz的下变频处理信号II(0～2GHz的信号)。其中，中频接收机II对中频信号Ⅱ进行放大后功分的5路信号分别为：6.5～8.5GHz频段信号、8.5～10.5频段信号、10.5～12.5 频段信号、12.5～14.5频段信号和14.5～16.5频段信号。
89GHz通道：
接收机Ⅰ，用于接收89GHz频段信号，对89GHz频段信号进行低噪声放大、滤波、检波处理后输出直流电压Ⅰ。
118.31GHz通道：
接收机Ⅱ，用于接收118.31GHz频段信号，对118.31GHz频段信号进行低噪声放大、滤波、检波处理后输出直流电压Ⅱ。
进一步的：
频谱细分接收机，用于对5路带宽为2GHz的下变频处理信号Ⅰ并行进行FFT处理，细分带宽为5MHz，输出2048路细分通道的遥感数据Ⅰ；以及，对 5路带宽为2GHz的下变频处理信号II并行进行FFT处理，细分带宽为5MHz，输出2048路细分通道的遥感数据II。
信息采集器，用于对直流电压I和直流电压II分别进行偏置放大，然后经过AD采样后，通过异步串行数据总线发送给综合处理器。
定标源控制器，用于接收综合处理器输出的温度控制指令，根据所述温度控制指令对热定标源源体进行控温；以及，对热定标源源体的温度进行实时测量，将温度测量结果反馈给综合处理器。
在本实施例中，定标源控制器可以通过异步串行总线与综合处理器进行通信和数据交互。
综合处理器，用于将接收机子系统输出的遥感数据发送给卫星平台；以及，接收卫星平台的控制指令，根据控制指令完成对所述通道参数可调节的精细谱段微波辐射计系统的控制。
在本实施例中，综合处理器主要负责完成通道参数可调节的精细谱段微波辐射计系统与卫星平台之间的通信，一方面将通道参数可调节的精细谱段微波辐射计系统的各数据上传给卫星平台，另一方面，接收卫星平台的下传数据；最终，实现通道参数可调节的精细谱段微波辐射计系统的工作状态控制，以及对外遥感、遥测、遥控等信息的交换。
优选的，综合处理器在将接收机子系统输出的遥感数据发送给卫星平台时，具体可以包括：接收机子系统输出的遥感数据；接收定标源控制器输出的温度测量结果；通过伺服控制器，获取天线作变速的圆周扫描的角度信息；将遥感数据、温度测量结果和角度信息，进行排打包发送给卫星平台。
优选的，综合处理器可以根据遥感数据Ⅰ、遥感数据II和信息采集器的 AD采样结果，对所述通道参数可调节的精细谱段微波辐射计系统的细分带宽进行调节，以平衡通道细分数量和通道灵敏度，也即在通道细分数量和通道灵敏度之间找到一个平衡点，在满足通道细分数量需求的同时保证一定的通道灵敏度。
在发明的一优选实施例中，如图4，频谱细分接收机采用时间交替并行采样的架构，包括：模拟输入前端、ADC、多相时钟发生器、负责数据接收与存储的FPGA以及进行数据后处理的DSP组成，对中频信号进行细分处理。其中，模拟输入前端负责将输入的单端模拟信号转换为多路差分信号送入各ADC中，并保证各通道信号在幅度和相位上一致。多相时钟发生器为采样阵列提供低抖动的采样时钟信号，同时还用于严格控制采样通道问的相位延时，ADC和FPGA 构成高速采样通道，DSP进行数后处理，完成通道失配误差校正。
综上所述，本发明提供了一种通道参数可调节的精细谱段微波辐射计系统，工作在50～60GHz、89GHz、118.75GHz、183.31GHz四个频段，其中在50～60GHz 和183.31GHz两个频段采用超宽带频谱细分技术，具有通道数目多、频谱分辨率高等特点，显著提高了大气垂直温度和湿度廓线探测精度。并且可根据应用需求适时调整通道参数，具有很强的灵活性和适应性。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
