一种太赫兹冰云机载探测系统

技术领域

本发明属于空间微波遥感技术领域，涉及一种太赫兹冰云机载探测系统的设计。

背景技术

对地观测体系中，云是最重要也是最难确定的气象要素之一，特别是上对流层的冰云，在地球表面覆盖率高，对地球能量平衡、气候变化以及天气演变具有重要的影响。

截至目前，国外针对太赫兹冰云探测技术开展了大量理论和实验研究，进行了机载验证载荷的飞行试验。International SubMillimeter Airborne Radiometer(简称ISMAR)是UK Met Office和ESA联合研制的一款机载太赫兹冰云探测仪。ISMAR采用反射面天线和馈源阵接收方式，沿着飞行方向圆周扫描进行机载观测，载荷尺寸大约为1.1*0.4*0.5m，重量约为90kg。由于ISMAR采用馈源阵接收方式，导致反射面到馈源阵口面距离较大，并且顺轨圆周扫描幅宽窄，有效观测区域少有效更少，数据预处理过程复杂。

国内在太赫兹冰云辐射传输模拟等方面也进行了大量理论研究，但国内尚无公开报道的机载太赫兹冰云探测系统。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种太赫兹冰云机载探测系统，采用旋转平面镜和准光馈电网络的接收方式，一体化结构设计，垂直飞行方向变速圆周扫描体制，解决了国内尚无机载太赫兹冰云探测系统的技术空白，同时解决了ISMAR系统探测幅宽窄、有效数据量少、体积和重量大的问题，使得系统更加灵活，可适配各种有人、无人飞机平台。

本发明的技术解决方案是：一种太赫兹冰云机载探测系统，包括天线子系统、多频段太赫兹接收子系统、定标子系统和综合处理与控制配电器，其中：

天线子系统：在综合处理与控制配电器的控制下，采用360°变速圆周扫描的方式对目标区域进行探测，获取接收观测视场内的太赫兹辐射信号，对所述太赫兹辐射信号按极化方向和频率进行区分后得到多路射频信号送入多频段太赫兹接收子系统；

多频段太赫兹接收子系统：采用直接混频双边带接收方式，分别对各路的射频信号进行混频、中频滤波、放大和检波后得到各路检波信号，发送至综合处理与控制配电器；

定标子系统：在综合处理与控制配电器的控制下，对探测系统进行定标；

综合处理与控制配电器：为天线子系统、多频段太赫兹接收子系统、定标子系统供电；根据传来的各路检波信号，反演获得观测区域的冰云信息。

进一步的，所述的天线子系统包括平面镜、扫描机构、准光馈电网络、伺服控制器，平面镜安装在扫描机构上，伺服控制器在综合处理与控制配电器的控制下，驱动扫描机构带动平面镜沿着平面镜中心轴进行变速圆周扫描；平面镜将接收观测视场内的太赫兹辐射信号反射进入准光学馈电网络，准光学馈电网络采用极化线栅将平面镜接收的太赫兹辐射信号进行极化分离，将分离得到的不同极化方向不同频率的信号通过椭球镜反射进入各个支路的馈源喇叭，得到多路射频信号送入多频段太赫兹接收子系统。

进一步的，所述的不同极化方向不同频率的信号，包括H极化方向664GHz和243GHz，V极化方向664GHz、448GHz、325GHz、243GHz和183GHz。

进一步的，所述的多频段太赫兹接收子系统包括七台接收机，分别对应接收不同极化方向不同频率的信号。

进一步的，所述的定标子系统包括两套太赫兹定标源源体，分别为常温源和热定标源，其中常温源温度-30℃保持，放置在126.2°～143.8°与观测视场垂直的位置；热定标源温度40℃保持，放置在216.2°～233.8°与观测视场垂直的位置。

进一步的，所述的定标源源体的口径大于平面镜的尺寸，确保在观测热定标源和常温源提供两个观测所需的高低辐射亮温度实现两点定标。

优选的，所述的反演获得观测区域的冰云信息，包括：利用先验数据库和贝叶斯反演算法获得观测区域的冰云高度、冰水路径和冰云有效半径。

本发明与现有技术相比的优点在于：针对太赫兹冰云探测，本发明在国内首次提出了一种太赫兹冰云机载探测系统，采用旋转平面镜和准光馈电网络结合的方式，解决了ISMAR幅宽窄，系统体积大、重量重、适配不高的问题，可以获得更多有效观测数据，并且降低了数据的预处理难度。本发明探测系统具备与不同飞机平台适配性安装的能力，并得到了试验验证。

附图说明

图1为本发明系统工作状态示意图；

图2为本发明系统定标温度范围示意图；

图3为本发明系统扫描方案示意图；

图4为本发明系统的组成原理框图；

图5为本发明系统的准光馈电网络示意图；

图6为本发明系统的两点定标原理示意图。

具体实施方式

本发明提出了一种太赫兹冰云机载探测系统，该方案采用了一副平面镜和准光学馈电网络的接收前端设计方案，通过旋转平面镜变速圆周扫描实现对云中冰晶粒子的观测。

太赫兹冰云机载探测系统是一种周期定标的全功率型太赫兹辐射计，是通过接收被观测场景辐射的冰云辐射或者散射能量来探测冰云大风微物理特性。当系统天线主波束指向冰云时，天线收到地面或者海面、低层云、冰云辐射、散射以及大气辐射等辐射流量，引起天线视在温度的变化。天线接收的信号经放大、滤波、检波和再放大后，以电压的形式给出。对系统的输出电压进行两点定标后，即建立输出电压与天线视在温度的关系，就可以确定所观测目标的亮温度，该亮温度包含了辐射体和传播介质的一些物理信息，通过建立辐射传输模型和反演，确定所观测区域的冰水路径、冰晶粒子尺寸、云高等冰云参数。

由于冰云探测难度较大，为了增加冰云探测概率，结合国内校飞飞机的巡航高度，本发明系统采用变速圆周扫描，既增大了幅宽，而且获得了多角度的观测数据，对太赫兹辐射传输理论研究提供了更多的研究数据，提升了太赫兹辐射传输模型精度，解决了ISMAR系统幅宽不足，而且增加了多入射角观测数据，如图1所示。机载系统采用了圆周扫描代替星载的圆锥圆周，除了观测角度与星载系统不同，其它接收链路完全共用，更近一步验证冰云辐射探测对观测角度的敏感性以及满足机载安装的适应性和灵活性。

系统的集成一体化设计以及观测视场不确定性引入的误差，采用两套太赫兹定标源源体，分别在126.2°～143.8°和216.2°～233.8°与观测视场垂直的位置放置，如图2所示。在飞行过程中通过定标源控制器设置默认工作状态，通过高空环境温度(舱外温度约-50°左右)把常温定标源体温度控制在-30℃，热定标源体通过内部加热片和保温措施使得热定标源源体保持在40℃，进一步提升系统定标。

现有资料表明，飞机(有人、无人)最快巡航速度约580km/h，考虑系统通用性，系统采用最快巡航速度设计扫描方案。以664GHz频段3dB波束宽度为最小不漏扫波束宽度设计，计算得到系统扫描观测重复覆盖大于35％，观测周期为3s，匀速转速：68.75°/s，具体如图3所示。

根据冰云的辐射特性，太赫兹冰云机载探测系统选择了敏感性高的183～664GHz频段进行探测，总共包含有13个探测通道。系统进行了集成一体化的设计，采用了一副平面镜和准光学馈电网络的接收前端设计方案，并通过旋转平面镜做变速圆周扫描，既增加了系统布局的灵活性，又方便实现天线口面两点定标。

如图4所示，本发明太赫兹冰云机载探测系统主要由以下几个功能模块组成：天线子系统(包括平面镜、扫描机构、准光馈电网络、伺服控制器)、多频段太赫兹接收子系统、定标子系统(包括定标源控制器、常温源、热定标源)、综合处理与控制配电器。

天线子系统包括平面镜、扫描机构、准光馈电网络、伺服控制器。平面镜采用高精度镀金工艺确保镜面型面精度，接收观测视场内的太赫兹辐射信号，反射进入准光馈电网络。准光学馈电网络采用极化线栅将平面镜接收的太赫兹辐射信号进行极化分离，H极化波经过频分器FSS#1分为高低频两个支路，高频支路分离出664GHz H极化探测，低频支路分离出243GHz。V极化波经频分器FSS#2分为高低频两个支路，高频支路分离出664GHz探测支路，而低频支路经频分器FSS#3、FSS#4和FSS#5依次分离出448GHz、325GHz、243GHz和183GHz支路，通过椭球镜反射进入各个支路频率的馈源喇叭，详细设计见图5所示。伺服控制器控制驱动扫描机构实现平面镜沿着平面镜中心轴(与飞行方向平行)进行变速圆周扫描，并通过422同步角度总线将天线转动的角度数据实时反馈给综合处理与控制配电器，其中控制策略详见图3所示。

多频段太赫兹接收子系统共7台接收机，其中183GHz、325GHz、448GHz每台接收机3个通道，共计13路接收通道。采用直接混频双边带接收方式，对准光学馈电网络频分到多频段太赫兹接收通道的各探测支路的射频信号进行混频，之后进行中频滤波、放大和平方律检波后得到各探测支路最终的检波信号，发送至综合处理与控制配电器。

综合处理与控制配电器包括综合处理单元、控制配电单元。其中控制配电单元为伺服控制器、多频段太赫兹接收子系统、定标子系统供电，控制伺服控制器、多频段太赫兹接收子系统、定标源控制器的开关机状态。综合处理单元接收遥感遥测信息，遥感信息包括多频段太赫兹接收子系统检波信号和伺服控制器角度遥感信息；遥测信息包括天线子系统、多频段太赫兹接收子系统、定标子系统的开关机状态信息、温度信息、转速信息。综合处理单元是系统的处理中枢，综合处理单元根据伺服控制器提供的角度数据产生接收遥感信息的起始信号，完成13个接收通道的检波信号的采集处理，接收每一个观测点的遥感数据，每个观测区的遥感数据接收和处理完成后，记录下一个接收的角度值，同时将伺服控制器和定标源控制器的当前遥测记录下来，按照遥感数据包的格式要求填充遥感数据包。

定标子系统包括定标源控制器、热定标源和常温源。定标源控制器通过加热控制源体温度，并通过温度传感器采集源体温度，每一个扫描周期将定标源的温度遥测发送至综合处理与控制配电器，同时综合处理与控制配电器也可以改变定标源的温度阈值。定标源控制器默认状态热定标源加热40℃保持，常温源通过与舱外低温热平衡-30°保持。源体的口径大于平面镜的尺寸，确保在观测热定标源和常温源提供两个观测所需的稳定的高低辐射亮温度实现两点定标，观测与定标示意图见图2所示。

本发明太赫兹冰云机载探测系统的工作过程可描述如下：伺服控制器控制扫描机构驱动旋转扫描镜进行顺时针360°变速圆周扫描。综合处理与控制配电器收到伺服控制器提供的角度信息，并对来自伺服控制器同步422总线的角度数据进行判读。如果连续接收的3个角度数据中至少有两个角度数据均满足(起始角度≤当前角度≤起始角度+0.5°)，开始接收多频段接收通道，起始角度设置为观测区域起点55°，热源起点233.8°，常温源起点143.8°。同理，如果连续接收的3个角度数据中至少有两个角度数据均满足(结束角度≤当前角度≤结束角度+0.5°)，结束接收多频段接收通道，结束角度分别为观测区域终点305°，热源终点216.2°，常温源终点126.2°，开始接收多频段接收子系统数据。每一转动周期匀速分别对目标区域、热定标源和常温源观测，实现周期两点定标，两点定标原理见图6所示。平面镜将太赫兹辐射信号反射进入准光馈电网络，将辐射接收的信号按极化和频率分开，再通过各个支路的馈源喇叭进入多频段接收通道进行接收处理后送到综合处理与控制配电器进行信号处理，同时接收伺服控制器和定标源控制器的数据进行编排打包存储，综合处理与控制配电器可以实现自主控制与存储，也可以进行人机交互。飞机提供1路+28V系统工作一次电源给综合处理与控制配电器，系统其余单机工作与热控所需+28V电源由综合处理与控制配电器转接。综合处理与控制配电器具备多种总线接口，满足与各类机型的总线通信需求。在获得数据后经过数据预处理后，完成定位定标处理。再根据先验数据库和贝叶斯反演算法获得观测区域冰云高度、冰水路径(IWP)、冰云有效半径(Dme)。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。