多通道微波輻射計(jì)

安徽四創(chuàng)電子股份有限公司 孫華磊 陳曉輝 郝立勇 程海平

多通道微波輻射計(jì)

安徽四創(chuàng)電子股份有限公司 孫華磊 陳曉輝 郝立勇 程海平

本文介紹了一款被動(dòng)式地基多通道微波輻射計(jì),該輻射計(jì)利用被動(dòng)的接收各個(gè)高度傳來的溫度輻射的微波信號來測量大氣特性.地基微波輻射計(jì)可反演得到從地面至10 km 高度的溫度、濕度和水汽廓線等大氣信息,其觀測是準(zhǔn)連續(xù)的,觀測時(shí)間步長小于3 min,可以彌補(bǔ)常規(guī)探空因觀測間隔較長而獲取大氣信息的不足,有利于分析降水過程對流層快速變化的熱力學(xué)信息和微尺度及中尺度現(xiàn)象的溫度、濕度變化.

地基;多通道;波紋饋電

1 背景與現(xiàn)狀

多通道微波輻射計(jì)是大氣探測的重要手段之一,與地基探空雷達(dá)相比,成本低,無電磁污染,與探空氣球相比,具有可以進(jìn)行連續(xù)不間斷觀測的優(yōu)點(diǎn),能夠?qū)崿F(xiàn)其覆蓋區(qū)域內(nèi)氣象要素的不間斷觀測,可應(yīng)用于探測大氣溫度廓線、濕度廓線、水汽、云水含量、降水和大氣成分等重要大氣參數(shù),在天氣預(yù)報(bào)、大氣科學(xué)研究領(lǐng)域具有巨大的市場需求.

2 多通道微波輻射計(jì)

多通道微波輻射計(jì)(以下簡稱"輻射計(jì)")結(jié)合當(dāng)前先進(jìn)的電子技術(shù),借鑒成熟的被動(dòng)遙感探測技術(shù),采用多通道反演大氣溫濕廓線,可以同時(shí)K波段和V波段兩個(gè)頻段的輻射信息.

該輻射計(jì)開展數(shù)據(jù)的時(shí)空匹配、集成融合、質(zhì)量互控技術(shù)研究,細(xì)化云屬性分類及相態(tài)結(jié)構(gòu)特征,提高反演溫濕廓線及云中含水量特性分布的準(zhǔn)確性,實(shí)現(xiàn)在氣象研究、大氣探測、航空保障及人工影響天氣等領(lǐng)域的應(yīng)用.

輻射計(jì)采用波紋饋電喇叭天線.波紋饋電喇叭的反射損失小,結(jié)構(gòu)緊湊,它可提供一個(gè)較寬的帶寬、低的交叉極化電平和旋轉(zhuǎn)對稱的波束形式.天線覆蓋的投影直徑250mm,可在各個(gè)仰角上進(jìn)行波束掃描.

多通道輻射計(jì)有兩個(gè)工作頻率:

K波段22~32 GHz (含7個(gè)直接濾波器通道,反演濕度廓線);

V波段5~59 GHz (含7個(gè)直接濾波器通道,反演溫度廓線).

輻射計(jì)在設(shè)計(jì)是采用了成熟的可靠性設(shè)計(jì)、電磁兼容性設(shè)計(jì)、安全性設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì),其平均無故障時(shí)間(MTBF)可以達(dá)到2500小時(shí).

該產(chǎn)品的接收器設(shè)計(jì)建立在不使用混頻和本地振蕩器進(jìn)行下變頻的直接檢測技術(shù)的基礎(chǔ)上,與采用傳統(tǒng)的單檢測器掃頻微波輻射計(jì)相比,多通道并行濾波接收器組的特點(diǎn)是更精確、更穩(wěn)定和更快速.大氣輻射分頻后分別進(jìn)入K波段和V波段接收機(jī),兩個(gè)獨(dú)立的接受模塊(包括RF放大器、濾波器和檢波二極管),允許同時(shí)測量大氣溫度和濕度,最大限度減小測量時(shí)間.

3 多通道微波輻射計(jì)的工作原理

當(dāng)輻射計(jì)的天線主波束指向目標(biāo)時(shí),天線接收到目標(biāo)輻射能量,引起天線視在溫度的變化.反饋信號被天線接收后、經(jīng)饋線進(jìn)入接收分系統(tǒng)天線.接收的信號經(jīng)過放大、濾波、檢波和再放大后,以電壓的形式給出.對微波輻射計(jì)的輸出電壓進(jìn)行溫度絕對定標(biāo),即建立輸出電壓與天線視在溫度的關(guān)系之后,就可確定天線視在溫度,也就可以確定所觀測目標(biāo)的亮溫度.該溫度值就包含了輻射體和傳播介質(zhì)的一些物理信息,通過數(shù)字信號處理系統(tǒng)輸出數(shù)字信號就可以了解被探測目標(biāo)的一些物理特性.

信號處理輸出數(shù)據(jù)至監(jiān)控,監(jiān)控將目標(biāo)仰角、方位角的數(shù)字角度信號與繁衍出的亮溫信號進(jìn)行綜合打包,送數(shù)據(jù)處理系統(tǒng).監(jiān)控同時(shí)控制伺服驅(qū)動(dòng)完成天線掃描控制.

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理,以各種掃描方式,實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)信息.并可將數(shù)據(jù)存儲下來.

圖1 多通道微波輻射計(jì)系統(tǒng)原理圖

4 結(jié)束語

微波輻射計(jì)是基于大氣微波遙感技術(shù)的氣象觀測設(shè)備,可實(shí)現(xiàn)對中尺度強(qiáng)天氣系統(tǒng)大氣層結(jié)的監(jiān)測和預(yù)警、云物理特征的監(jiān)測和人工影響天氣科研及業(yè)務(wù)的應(yīng)用、霧霾天氣等邊界層大氣環(huán)境質(zhì)量的監(jiān)測.