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

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式地基多通道微波輻射計,該輻射計利用被動的接收各個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,其觀測是準連續(xù)的,觀測時間步長小于3 min,可以彌補常規(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

多通道微波輻射計是大氣探測的重要手段之一,與地基探空雷達相比,成本低,無電磁污染,與探空氣球相比,具有可以進行連續(xù)不間斷觀測的優(yōu)點,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),在天氣預報、大氣科學研究領(lǐng)域具有巨大的市場需求.

2 多通道微波輻射計

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

該輻射計開展數(shù)據(jù)的時空匹配、集成融合、質(zhì)量互控技術(shù)研究,細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確性,實現(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,可在各個仰角上進行波束掃描.

多通道輻射計有兩個工作頻率:

K波段22~32 GHz (含7個直接濾波器通道,反演濕度廓線);

V波段5~59 GHz (含7個直接濾波器通道,反演溫度廓線).

輻射計在設(shè)計是采用了成熟的可靠性設(shè)計、電磁兼容性設(shè)計、安全性設(shè)計和標準化設(shè)計,其平均無故障時間(MTBF)可以達到2500小時.

該產(chǎn)品的接收器設(shè)計建立在不使用混頻和本地振蕩器進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相比,多通道并行濾波接收器組的特點是更精確、更穩(wěn)定和更快速.大氣輻射分頻后分別進入K波段和V波段接收機,兩個獨立的接受模塊(包括RF放大器、濾波器和檢波二極管),允許同時測量大氣溫度和濕度,最大限度減小測量時間.

3 多通道微波輻射計的工作原理

當輻射計的天線主波束指向目標時,天線接收到目標輻射能量,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.對微波輻射計的輸出電壓進行溫度絕對定標,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)控將目標仰角、方位角的數(shù)字角度信號與繁衍出的亮溫信號進行綜合打包,送數(shù)據(jù)處理系統(tǒng).監(jiān)控同時控制伺服驅(qū)動完成天線掃描控制.

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行實時處理,以各種掃描方式,實時顯示數(shù)據(jù)信息.并可將數(shù)據(jù)存儲下來.

圖1 多通道微波輻射計系統(tǒng)原理圖

4 結(jié)束語

微波輻射計是基于大氣微波遙感技術(shù)的氣象觀測設(shè)備,可實現(xiàn)對中尺度強天氣系統(tǒng)大氣層結(jié)的監(jiān)測和預警、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.