地球靜止軌道微波輻射計(jì)技術(shù)

謝振超,李秀偉,姚崇斌,姜麗菲,李向芹

(1. 上海航天電子技術(shù)研究所,上海 201109；2. 上海航天技術(shù)研究院,上海 201109)

0 引言

靜止軌道微波氣象衛(wèi)星采用被動(dòng)微波遙感原理，可實(shí)現(xiàn)光學(xué)遙感和紅外遙感所不具備的全天時(shí)、全天候觀測(cè)[1]，可實(shí)現(xiàn)極軌微波遙感所不具備的高頻次觀測(cè)，可對(duì)臺(tái)風(fēng)、流域性降水進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，同時(shí)獲得大氣溫濕度廓線數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值天氣預(yù)報(bào)。

靜止軌道微波輻射計(jì)技術(shù)是靜止軌道微波氣象衛(wèi)星的重要技術(shù)，美國和歐洲都致力于發(fā)展該技術(shù)。美國開展了GEM[2]和GeoStar[3-4]項(xiàng)目的研究，GEM采用孔徑為2 m的卡塞格倫天線，考慮到頻段內(nèi)吸收系數(shù)峰值的強(qiáng)弱及受臨近譜線干擾的程度，GEM選擇的頻段為54,118,183,380,425 GHz；GeoStar采用固定式的Y形天線稀疏陣列的綜合孔徑微波輻射計(jì)方案，于54 GHz和183 GHz兩個(gè)探測(cè)頻點(diǎn)工作，每個(gè)探測(cè)頻段約需300個(gè)單元的天線接收機(jī)，該項(xiàng)目完成了54 GHz地面縮比樣機(jī)的研制。歐洲開展了GOMAS[5-6]和GAS項(xiàng)目的研究， GOMAS完全涵蓋了GEM的概念，采用實(shí)孔徑的技術(shù)體系，選擇54,118,183,380,425 GHz作為靜止軌道微波探測(cè)的預(yù)選頻點(diǎn)；GAS項(xiàng)目由歐洲航空局資助，于2007年底完成地面原理樣機(jī)的研制，為減少天線陣列單元和接收機(jī)數(shù)量，GAS項(xiàng)目采用自旋的Y形天線陣列旋轉(zhuǎn)成像，頻率為54～380 GHz，每個(gè)探測(cè)頻段所需的天線單元數(shù)約為100個(gè)。由于該技術(shù)難度巨大，美國與歐洲均未啟動(dòng)星載項(xiàng)目。

靜止軌道微波輻射計(jì)的主要功能是：通過地球靜止軌道全天時(shí)、全天候、高頻次對(duì)大氣進(jìn)行三維觀測(cè)，開展臺(tái)風(fēng)跟蹤監(jiān)測(cè)，提高臺(tái)風(fēng)路徑、強(qiáng)度預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性；用于流域性強(qiáng)降水觀測(cè)和預(yù)報(bào)；對(duì)大氣溫度廓線、濕度廓線進(jìn)行探測(cè)，滿足全球數(shù)值和區(qū)域數(shù)值預(yù)報(bào)的需求。

靜止軌道微波輻射計(jì)不同于極軌輻射計(jì)，需進(jìn)行二維波束掃描。由于星下圓盤內(nèi)指定區(qū)域需要高時(shí)間分辨率探測(cè)，傳統(tǒng)逐行機(jī)械掃描方式需要整個(gè)載荷實(shí)現(xiàn)極快的運(yùn)動(dòng)速度，這將給平臺(tái)帶來10 N·m以上量級(jí)力矩干擾，使平臺(tái)無法補(bǔ)償。由于軌道高度高，為提高空間分辨率，輻射計(jì)探測(cè)頻段需達(dá)到毫米波和亞毫米波，如采用陣列電掃的方式，難以控制振元相位的一致性，由此將嚴(yán)重影響探測(cè)精度，亦無法使用。儀器覆蓋范圍寬，且需要在衛(wèi)星有限的空間包絡(luò)內(nèi)實(shí)現(xiàn)，頻段的數(shù)量與布局空間局限性難以兼顧。與此同時(shí)，在輻射計(jì)二維掃描中，難以找到實(shí)時(shí)定標(biāo)窗口，而定標(biāo)頻次過低又將嚴(yán)重影響觀測(cè)精度。靜止軌道微波輻射計(jì)的主要技術(shù)指標(biāo)如下。

1)工作頻段：50～60,89,118,166,183,425 GHz；

2)空間分辨率：50 km(地球靜止軌道);

3)掃描干擾力矩：≤0.2 N·m;

4)主波束效率：≥90%;

5)靈敏度：≤0.5 K(50～60 GHz),≤1.0 K(118 GHz),≤1.8 K(425 GHz)。

由以上分析和技術(shù)指標(biāo)可見，只有解決靜止軌道微波輻射計(jì)波束掃描、多頻段復(fù)用、系統(tǒng)定標(biāo)等難題，靜止軌道微波遙感載荷才具有工程實(shí)現(xiàn)的可能。

本文首先對(duì)靜止軌道微波探測(cè)需求進(jìn)行分析，給出建議探測(cè)頻段，然后對(duì)載荷系統(tǒng)組成進(jìn)行設(shè)計(jì)，并針對(duì)波束掃描、多頻段復(fù)用、系統(tǒng)定標(biāo)等問題提出相應(yīng)的解決方案，最后通過原理樣機(jī)測(cè)試對(duì)方案進(jìn)行驗(yàn)證，并給出結(jié)論。

1 靜止軌道微波探測(cè)需求分析

由于強(qiáng)對(duì)流天氣的典型生命史僅有5～6 h，往往會(huì)在短時(shí)間內(nèi)形成災(zāi)害性的天氣，影響人們的生活，因此臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)測(cè)、流域性降水連續(xù)跟蹤是氣象預(yù)報(bào)和監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)項(xiàng)目。然而，較長的重訪周期限制了極軌氣象衛(wèi)星載荷探測(cè)資料在災(zāi)害性天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警中的作用，靜止軌道光學(xué)氣象載荷無法全天時(shí)、全天候提供大氣三維內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息。因而，發(fā)展靜止軌道微波探測(cè)載荷可以有效提升我國應(yīng)對(duì)臺(tái)風(fēng)、流域性降水等災(zāi)害性氣候的能力。

靜止軌道微波輻射計(jì)利用大氣吸收頻段可進(jìn)行溫濕度廓線探測(cè)，利用窗口頻段地表輻射進(jìn)行訂正和降水探測(cè)。圖1為微波大氣吸收譜線圖，共有10個(gè)頻段可供選擇：23.8,31.4,54,89,118,166,183,340,380,425 GHz。除118 GHz和340,380,425 GHz 3個(gè)亞毫米波段外，其余頻段均為先進(jìn)技術(shù)微波輻射計(jì)(Advanced Technology Microwave Sounder，ATMS)已有頻段，具備國際上成熟的產(chǎn)品反演和應(yīng)用方式，便于產(chǎn)品的檢驗(yàn)、交叉定標(biāo)和推廣應(yīng)用。

以下從應(yīng)用出發(fā)，對(duì)靜止軌道微波輻射計(jì)工作頻段進(jìn)行分析。54,118,425 GHz為氧氣吸收頻段，23.8,183,380 GHz為水汽吸收頻段，31.4,89,166,340 GHz為窗區(qū)或準(zhǔn)窗區(qū)頻段。

23.8 GHz為水汽總量探測(cè)頻段，31.4 GHz為23.8 GHz的輔助地表輻射訂正通道，因此23.8,31.4 GHz主要探測(cè)大氣中水汽總量，對(duì)臺(tái)風(fēng)和流域性降水探測(cè)作用不大。54 GHz頻段為大氣溫度廓線頻段，是最為重要的溫度廓線頻段，可通過觀測(cè)大氣溫度廓線獲得臺(tái)風(fēng)內(nèi)部溫度分布。89 GHz為地表輻射訂正頻段，可利用水滴對(duì)輻射的散射作用觀測(cè)降水及臺(tái)風(fēng)發(fā)生時(shí)的螺旋雨帶，同時(shí)可用于地標(biāo)導(dǎo)航。118 GHz為大氣溫度廓線頻段，可對(duì)中層大氣溫度廓線進(jìn)行探測(cè)。166 GHz頻段為準(zhǔn)窗區(qū)通道，可用于水汽廓線探測(cè)，同時(shí)可用作臺(tái)風(fēng)螺旋雨帶觀測(cè)，也可用于地標(biāo)導(dǎo)航。183 GHz頻段為中低層大氣濕度廓線探測(cè)頻段，是最為重要的濕度廓線頻段，可觀測(cè)大氣濕度廓線。380 GHz為大氣濕度廓線探測(cè)頻段，對(duì)水汽探測(cè)有一定幫助，但作用有限。340 GHz為380 GHz的背景微波輻射訂正通道。由于340,380,425 GHz亞毫米波段國際上目前沒有應(yīng)用模式，425 GHz為大氣溫度廓線探測(cè)，可與54 GHz聯(lián)合提高空間分辨率，觀測(cè)頂層冰云，對(duì)臺(tái)風(fēng)觀測(cè)具有一定作用，因此亞毫米波段選擇425 GHz開展在軌應(yīng)用研究。各頻段用途及重要性分析如表1所示。

根據(jù)以上分析，建議選擇54,89,118,166,183,425 GHz 6個(gè)頻段作為靜止軌道輻射計(jì)工作頻段。

表1 地球靜止軌道微波輻射計(jì)頻段選擇分析

2 靜止軌道微波輻射計(jì)系統(tǒng)組成

靜止軌道微波輻射計(jì)采用電大尺寸天線，六頻段復(fù)合準(zhǔn)光學(xué)饋電網(wǎng)絡(luò)，載荷整體二維慢運(yùn)動(dòng)與載荷運(yùn)動(dòng)部件一維快運(yùn)動(dòng)結(jié)合波束掃描，定標(biāo)與快掃描同周期、共活動(dòng)部件方案。系統(tǒng)由天線、定標(biāo)、準(zhǔn)光學(xué)饋電網(wǎng)絡(luò)、接收機(jī)、信息處理、熱控等6個(gè)子系統(tǒng)組成[7]。載荷系統(tǒng)組成如圖2所示。

場(chǎng)景輻射亮溫信號(hào)首先進(jìn)入天線子系統(tǒng)，通過天線子系統(tǒng)各反射面依次反射后，進(jìn)入定標(biāo)子系統(tǒng)。定標(biāo)子系統(tǒng)將熱參考源、冷參考源、場(chǎng)景不同位置的輻射亮溫信號(hào)周期性饋入準(zhǔn)光學(xué)饋電網(wǎng)絡(luò)，其中冷空定標(biāo)鏡反射冷空信號(hào)作為冷參考源，溫度為2.7 K，熱參考源由高發(fā)射率、物理溫度精密受控材料制成。準(zhǔn)光學(xué)饋電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通過頻率選擇表面、極化柵網(wǎng)等部件將信號(hào)進(jìn)行頻段、極化分離，通過反射鏡進(jìn)行波束反射與聚焦后，分頻段、極化饋入各頻段接收機(jī)。接收機(jī)通過低噪聲放大、混頻、功分、濾波、檢波、積分、低頻放大后將各頻段、各通道輻射能量轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)電壓值，并輸入信息處理子系統(tǒng)。信息處理單元對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣和組幀，通過衛(wèi)星數(shù)傳分系統(tǒng)傳輸?shù)降孛娼邮照尽?/p>

針對(duì)載荷波束掃描、多頻段復(fù)用、系統(tǒng)定標(biāo)等問題進(jìn)行研發(fā)攻關(guān)，研制1 m口徑波束掃描原理樣機(jī)和接收定標(biāo)原理樣機(jī)進(jìn)行技術(shù)驗(yàn)證，樣機(jī)具體指標(biāo)如表2和表3所示。

表2 波束掃描原理樣機(jī)性能指標(biāo)表

表3 接收定標(biāo)原理樣機(jī)性能指標(biāo)表

3 靜止軌道微波輻射計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 波束掃描技術(shù)

在傳統(tǒng)的機(jī)械掃描方式中，由伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)天線、定標(biāo)、準(zhǔn)光學(xué)饋電網(wǎng)絡(luò)和接收機(jī)子系統(tǒng)一起運(yùn)動(dòng)。由于靜止軌道微波輻射計(jì)需要對(duì)地二維掃描，時(shí)間分辨率高，如采用這種掃描方式，運(yùn)動(dòng)部分的質(zhì)量大、速度快，產(chǎn)生的干擾力矩極大，將超出星載可實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償?shù)姆秶?，故無法采用。如完全靠天線系統(tǒng)中小質(zhì)量部件運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)波束掃描，最直接的辦法就是采用拋物面天線并移動(dòng)饋源[8-9]。然而隨著頻段的增高和口徑的增大，天線方向圖惡化較為嚴(yán)重。以拋物面作為主反射面的雙反射鏡天線中，由于使用了雙反射鏡系統(tǒng)，其掃描范圍相較單反射面天線增大，但當(dāng)主反射面焦徑比小于0.5、且需掃描7個(gè)波束寬度以上時(shí)，性能惡化更嚴(yán)重[10-11]。另一種方式是使用饋源陣列加反射面進(jìn)行電掃描，這種方式的優(yōu)勢(shì)是最大掃描角與反射面尺寸及天線增益無關(guān)[12]。然而由于輻射計(jì)頻段達(dá)到亞毫米波段，各頻段陣列饋電網(wǎng)絡(luò)損耗極大，且保持相位精度十分困難，因此也不適用。

為解決靜止軌道微波遙感載荷窄波束、大范圍、低擾動(dòng)力矩掃描等難題，實(shí)現(xiàn)輻射計(jì)高主波束效率觀測(cè)、高時(shí)間分辨率兩維波束掃描，設(shè)計(jì)了載荷整體二維慢運(yùn)動(dòng)與天線部件一維快運(yùn)動(dòng)結(jié)合的波束掃描方式，輻射計(jì)整體作慢速運(yùn)動(dòng)，完成東西方向循環(huán)往返、南北方向步進(jìn)的二維粗掃描；同時(shí)天線中運(yùn)動(dòng)部件作快速運(yùn)動(dòng)，形成圓環(huán)形細(xì)掃描。

載荷整體作二維慢運(yùn)動(dòng),具體過程如下：先在東西方向加速運(yùn)動(dòng)，然后進(jìn)入東西方向勻速運(yùn)動(dòng)結(jié)合快掃描形成一個(gè)由部分圓環(huán)組成的掃描條帶，此后再于東西方向作減速運(yùn)動(dòng)。在東西方向加速和減速時(shí)間內(nèi)，南北方向步進(jìn)一個(gè)條帶位置(含加減速時(shí)間)。掃描一個(gè)條帶后，東西方向再反向掃描形成另一個(gè)條帶，重復(fù)以上步驟直至完成全區(qū)域掃描。

由于快掃描周期僅為秒級(jí)，掃描速度快且活動(dòng)部件質(zhì)量小，載荷整體運(yùn)動(dòng)速度僅為0.01(°)/s左右即可滿足觀測(cè)時(shí)間分辨率要求，形成的干擾力矩小于0.2 N·m。掃描軌跡示意如圖3所示。

場(chǎng)景輻射電磁波在天線子系統(tǒng)內(nèi)變化的理論計(jì)算方法如下：設(shè)E0,θp,φq、H0,θp,φq分別為輻射計(jì)天線口面{θp,φq}(p=1,2,…,P;q=1,2,…,Q)方向入射的平面波在天線主反射面處的電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度，P為掃描錐角計(jì)算個(gè)數(shù)、Q為周向計(jì)算點(diǎn)數(shù)，E0,θp,φq，H0,θp,φq表達(dá)式為

(1)

其中

(2)

設(shè)天線共有M個(gè)反射面，如圖4所示。由于各反射面電尺寸大，第m+1個(gè)反射面的反射場(chǎng){Em+1,θp,φq,Hm+1,θp,φq}(m=0,1,…,M-1)可采用物理光學(xué)法由第m個(gè)反射面的入射場(chǎng){Em,θp,φq,Hm,θp,φq}計(jì)算獲得，具體公式為

(3)

式中：Jm+1,θp,φq為第m+1個(gè)反射面上的面電流；nm+1為第m+1個(gè)反射面的法矢量；Am+1,θp,φq為電矢位；r′為坐標(biāo)原點(diǎn)到源點(diǎn)的矢量；R為源點(diǎn)到場(chǎng)點(diǎn)的矢量(R為其大小)；k為傳播矢量的模;μ0為真空中磁導(dǎo)率；ds′為面積分單位面元；ω為工作角頻率。

天線波束掃描可根據(jù)以下步驟設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)：

1)在微波輻射計(jì)天線口面，根據(jù)式(1)、式(2)設(shè)置各入射角{θp,φq}(p=1,2,…,P;q=1,2,…,Q)下的平面波入射場(chǎng)。

2)根據(jù)式(3)，依次計(jì)算平面波經(jīng)過天線各反射面后的電場(chǎng)與磁場(chǎng){Em,θp,φq,Hm,θp,φq}。

3)求出接收平面上最大反射電場(chǎng)|EM,θp,φq|對(duì)應(yīng)的點(diǎn)Fθp,φq，下標(biāo)θp,φq表示入射平面波的錐角θp和方位角φq(見圖4)。

4)將不同入射角度下的Fθp,φq擬合成圓周，此圓周即為環(huán)形區(qū)域內(nèi)各足跡輻射能量依次通過輻射計(jì)天線接收后的聚焦點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡。

5)設(shè)計(jì)具有能量傳播方向偏軸變換功能的運(yùn)動(dòng)部件(見圖5)，使部件運(yùn)動(dòng)時(shí)圓周上各點(diǎn)的能量均可聚束到固定的饋電位置，即可實(shí)現(xiàn)波束環(huán)形細(xì)掃描。通過載荷輻射性能仿真計(jì)算，可求出載荷輻射性能處于指標(biāo)臨界狀態(tài)時(shí)的錐角θP，θP即為最大掃描錐角，對(duì)應(yīng)可實(shí)現(xiàn)最大圓環(huán)半徑。

研制了一臺(tái)包含天線主反射面、第一副反射面、第二副反射面、運(yùn)動(dòng)部件、測(cè)試饋源的波束掃描原理樣機(jī)，通過尺寸大小為200 mm×200 mm×240 mm，質(zhì)量為2 kg，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為0.2 N·m的運(yùn)動(dòng)部件，實(shí)現(xiàn)了天線波束偏軸0.9°錐角的圓周掃描，配合載荷整體二維慢速掃描可實(shí)現(xiàn)對(duì)星下圓盤任意區(qū)域掃描覆蓋。

3.2 系統(tǒng)定標(biāo)技術(shù)

微波輻射計(jì)一般需要秒級(jí)定標(biāo)周期，以修正輻射計(jì)接收電平隨環(huán)境的變化，獲得亮溫與電壓準(zhǔn)確的對(duì)應(yīng)關(guān)系。微波輻射計(jì)定標(biāo)可分為內(nèi)定標(biāo)和外定標(biāo)兩種方式，由于靜止軌道微波輻射計(jì)最高工作頻段需達(dá)到亞毫米波段，當(dāng)前內(nèi)定標(biāo)部件尚未成熟應(yīng)用于該頻段，故宜采用外定標(biāo)方式。在外定標(biāo)中又可分為天線口面和饋源口面定標(biāo)，天線口面定標(biāo)需要研制和天線口徑大小相同的熱反射鏡和冷空反射鏡，系統(tǒng)包絡(luò)尺寸大大增加，故宜采用饋源口面定標(biāo)。

由于載荷工作于地球靜止軌道，需連續(xù)二維掃描，如對(duì)某個(gè)區(qū)域完成掃描觀測(cè)后再進(jìn)行定標(biāo)，則2次定標(biāo)間隔時(shí)間達(dá)到分鐘級(jí)，影響定標(biāo)精度。為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)秒級(jí)周期定標(biāo)，在不增加額外裝置的條件下，設(shè)計(jì)了與快掃描同周期、共活動(dòng)部件的系統(tǒng)定標(biāo)方案。利用天線波束掃描部件的圓周運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)在場(chǎng)景、冷、熱定標(biāo)源之間的觀測(cè)切換。冷空定標(biāo)鏡以反射宇宙背景微波輻射信號(hào)作為冷參考源，溫度約為2.7 K。熱參考源由反射率已知的材料組成，通過控制其物理溫度作為熱定標(biāo)源。將冷空反射鏡和熱源安裝在接收平面的能量聚焦圓周上，通過計(jì)算電磁場(chǎng)束腰寬度得出冷鏡與熱源的最佳尺寸。在快掃描360°圓周中，根據(jù)慢掃描粗條帶寬度確定用于場(chǎng)景觀測(cè)的角度范圍，同時(shí)確定兩個(gè)角度范圍分別用于冷、熱定標(biāo)，由此實(shí)現(xiàn)快掃描與系統(tǒng)定標(biāo)結(jié)合。由于子掃描周期為秒級(jí)，即實(shí)現(xiàn)了秒級(jí)周期定標(biāo)，掃描定標(biāo)區(qū)域如圖6所示。

定標(biāo)裝置如圖7所示。每個(gè)掃描周期熱定標(biāo)源提供的熱定標(biāo)信號(hào)、冷空反射鏡組合提供的冷定標(biāo)信號(hào)和主反射面接收到的觀測(cè)目標(biāo)信號(hào)通過運(yùn)動(dòng)部件反射至準(zhǔn)光學(xué)網(wǎng)絡(luò)，從而達(dá)到對(duì)接收的地面遙感信息進(jìn)行標(biāo)定的目的。定標(biāo)實(shí)現(xiàn)步驟如下：

1)當(dāng)波束照射至熱定標(biāo)源時(shí)，熱定標(biāo)源的熱輻射通過運(yùn)動(dòng)部件饋入準(zhǔn)光學(xué)網(wǎng)絡(luò)和接收機(jī)，從而獲得高溫定標(biāo)信號(hào)。

2)當(dāng)波束照射至冷空反射鏡時(shí)，宇宙背景輻射通過冷空反射鏡反射到運(yùn)動(dòng)部件再饋入準(zhǔn)光學(xué)網(wǎng)絡(luò)和接收機(jī)，這時(shí)接收機(jī)接收到的是宇宙背景輻射亮溫，用作低溫定標(biāo)信號(hào)。

3)當(dāng)波束照射至天線時(shí)，天線接收大氣和地球表面的微波輻射能量，通過獲得的高、低溫定標(biāo)信號(hào)對(duì)其定標(biāo)，通過反演獲得場(chǎng)景信息。

研制包括54～425 GHz準(zhǔn)光學(xué)饋電網(wǎng)絡(luò)、118 GHz接收機(jī)、425 GHz接收機(jī)、54～425 GHz熱定標(biāo)輻射源及載荷運(yùn)動(dòng)部件、冷空定標(biāo)鏡、信息單元等的接收及定標(biāo)原理樣機(jī)，樣機(jī)按照預(yù)定工作時(shí)序依次接收觀測(cè)場(chǎng)景輻射、寬口徑冷定標(biāo)輻射源輻射和熱定標(biāo)輻射源輻射，輻射信號(hào)經(jīng)準(zhǔn)光學(xué)饋電網(wǎng)絡(luò)傳輸并饋送至各接收系統(tǒng)中進(jìn)行處理。

3.3 頻段復(fù)用技術(shù)

輻射計(jì)共有54,89,118,166,183,425 GHz 6個(gè)頻段，需要設(shè)計(jì)合適的頻段分離方案，使各通道場(chǎng)景輻射低損耗地饋入各頻段接收機(jī)。準(zhǔn)光學(xué)饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)過程中，為避免波束發(fā)生畸變，頻率選擇表面及反射鏡應(yīng)盡可能小角度入射，并采用平面鏡將部分頻段折返，以實(shí)現(xiàn)雙層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使準(zhǔn)光學(xué)饋電網(wǎng)絡(luò)布局更加緊湊。

饋電網(wǎng)絡(luò)在1 200 mm×1 000 mm×350 mm空間范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了54～425 GHz 6個(gè)頻段復(fù)合饋電，各頻段均使用頻率選擇表面進(jìn)行頻段分離，具備擴(kuò)展為雙極化的條件。采取先粗分毫米波與亞毫米波頻段，后細(xì)分各頻段的分離次序，使每個(gè)頻段透射的頻率選擇表面次數(shù)最少。為保證系統(tǒng)靈敏度，要求各頻段插入損耗小，設(shè)計(jì)了低頻率選擇表面入射角式布局，各頻率選擇表面入射角度小于20°，由于頻率選擇表面插入損耗隨入射角度減小而降低，從而保證了各頻段鏈路插入損耗滿足要求。具體分離方案如下：

1)采用頻率選擇表面FSS1分離425 GHz波束和54～183 GHz波束。

2)采用頻率選擇表面FSS2分離166～183 GHz波束和54～118 GHz波束，其中166 GHz和183 GHz波束經(jīng)平面鏡折返到另外一層，并用極化柵網(wǎng)進(jìn)行分離。

3)采用頻率選擇表面FSS3分離54 GHz波束和89～118 GHz波束，其中89 GHz和118 GHz波束經(jīng)平面鏡折返到另外一層，并用極化柵網(wǎng)進(jìn)行分離，F(xiàn)SS1、FSS2、FSS3入射角均小于20°。

準(zhǔn)光學(xué)饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)模型圖如圖8所示。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

研制了波束掃描原理樣機(jī)和接收及定標(biāo)原理樣機(jī)，完成波束掃描原理樣機(jī)的外場(chǎng)成像試驗(yàn)、輻射方向圖測(cè)試，獲得微波圖像和天線波束掃描各角度時(shí)的輻射方向圖，并對(duì)波束掃描方法進(jìn)行定性和定量驗(yàn)證；研制了接收及定標(biāo)原理樣機(jī)，完成接收及定標(biāo)樣機(jī)定標(biāo)試驗(yàn)，通過測(cè)試118，425 GHz頻段通道插入損耗和靈敏度，對(duì)準(zhǔn)光學(xué)饋電技術(shù)和系統(tǒng)定標(biāo)技術(shù)進(jìn)行定量驗(yàn)證。

4.1 外場(chǎng)成像試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證波束掃描方式，研制了1 m口徑的波束掃描原理樣機(jī)，完成了輻射計(jì)外場(chǎng)成像。通過掃描轉(zhuǎn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)載荷整體二維掃描運(yùn)動(dòng)，掃描驅(qū)動(dòng)控制器控制天線運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行快掃描運(yùn)動(dòng)，并使快慢掃描同步，探測(cè)獲得微波圖像。對(duì)探測(cè)距離1.2 km樓群場(chǎng)景進(jìn)行觀測(cè)，獲得的微波圖像顯示，樓頂部與天空分界明顯，樓群特征清晰，數(shù)量與實(shí)際完全一致，如圖9所示，驗(yàn)證了平臺(tái)與載荷快慢結(jié)合掃描方案的準(zhǔn)確性。

4.2 天線輻射方向圖測(cè)試

對(duì)波束掃描原理樣機(jī)的輻射方向圖進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證了各掃描位置天線性能指標(biāo)的符合性。采用天線近場(chǎng)測(cè)試法，對(duì)波束掃描方位角為0°，45°,90°,180°時(shí)的方向圖進(jìn)行測(cè)試，如圖10所示。天線測(cè)試結(jié)果如圖11所示。

波束掃描原理樣機(jī)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)符合性如表4所示。

研制波束掃描原理樣機(jī)并進(jìn)行方向圖測(cè)試，實(shí)測(cè)值與指標(biāo)要求值一致，各掃描角度方向圖一致，主波束效率均大于94%(主波束效率為主波束內(nèi)輻射能量與全空間能量之比[13-14])，驗(yàn)證了快慢結(jié)合掃描方案。未來對(duì)亞毫米波段的測(cè)試也可采用三反射面緊縮場(chǎng)測(cè)試法[15]。

4.3 定標(biāo)試驗(yàn)

研制54～425 GHz準(zhǔn)光學(xué)饋電網(wǎng)絡(luò)、118 GHz接收機(jī)、425 GHz接收機(jī)、54～425 GHz熱定標(biāo)輻射源以及載荷運(yùn)動(dòng)部件、冷空定標(biāo)鏡、信息單元，并集成毫米波和亞毫米波接收及定標(biāo)原理樣機(jī)。利用寬口徑冷定標(biāo)輻射源和儀器自帶熱源對(duì)系統(tǒng)的靈敏度進(jìn)行了測(cè)試(同時(shí)可用Y因子法計(jì)算出準(zhǔn)光學(xué)饋電網(wǎng)絡(luò)插入損耗)，如圖12所示。各通道靈敏度滿足指標(biāo)要求，如表5所示。

表4 測(cè)試結(jié)果指標(biāo)符合性表

測(cè)試結(jié)果顯示，系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)部件旋轉(zhuǎn)1周時(shí)間為2.3 s，實(shí)現(xiàn)了秒級(jí)定標(biāo)的要求。118,425 GHz頻段的插入損耗均低于1.5 dB，系統(tǒng)靈敏度優(yōu)于1 K和1.8 K，均滿足指標(biāo)要求。驗(yàn)證了系統(tǒng)頻段復(fù)用和系統(tǒng)定標(biāo)技術(shù)的符合性。

5 結(jié)束語

在對(duì)地球靜止軌道微波輻射計(jì)探測(cè)需求分析的基礎(chǔ)上，給出了地球靜止軌道微波輻射計(jì)建議頻段，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)總體方案，并對(duì)大口徑低干擾力矩天線波束掃描、系統(tǒng)定標(biāo)、多頻段準(zhǔn)光饋電網(wǎng)絡(luò)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，同時(shí)給出了方案驗(yàn)證樣機(jī)測(cè)試與成像結(jié)果。成像試驗(yàn)獲得了與場(chǎng)景一致的微波圖像，方向圖測(cè)試中89 GHz頻段各掃描角度方向圖一致，并獲得了大于90%的主波束效率。雖然受限于研制費(fèi)用和測(cè)試條件，目前在實(shí)物中只實(shí)現(xiàn)和測(cè)試了部分頻段(包含最高頻段)，但對(duì)關(guān)鍵技術(shù)的解決方法已實(shí)現(xiàn)了驗(yàn)證，為靜止軌道微波探測(cè)衛(wèi)星研制打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

表5 毫米波和亞毫米波接收定標(biāo)樣機(jī)靈敏度指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

探測(cè)儀原理樣機(jī)天線口徑為1 m，如需實(shí)現(xiàn)引言中提出的54 GHz頻段、50 km空間分辨率指標(biāo)，后續(xù)需研制5 m口徑天線系統(tǒng)，天線主反射面電尺寸達(dá)到7 000倍波長，靜止軌道溫度變化范圍較大，達(dá)到-150～120 ℃，因此還需攻關(guān)大口徑高精度天線反射面加工制造、熱變形控制等關(guān)鍵技術(shù)，使微波輻射計(jì)在軌實(shí)現(xiàn)要求的空間分辨率。

在大口徑天線系統(tǒng)研制完成后，考慮到各部件相對(duì)位置的高精度集成要求，及高頻段大口徑系統(tǒng)輻射性能測(cè)試要求，還需對(duì)大尺寸高頻段微波輻射計(jì)高精度集成、測(cè)試技術(shù)進(jìn)行研究。

在上述兩方面技術(shù)攻關(guān)完成后，靜止軌道微波輻射計(jì)即完成全部攻關(guān)工作，具備工程研制條件。

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