一种基于气象探测的地基多通道微波辐射计的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及气象探测中的微波辐射计领域，特别涉及一种基于气象探测的地基多 通道微波辐射计。
【背景技术】
[0002] 大气温度和湿度廓线作为重要的气象参数，目前主要通过两种探测手段：一种是 在地面上采用无线电探空仪(雷达）进行测量，其特点是体积庞大、成本较高而且需要复杂 的安装和运行条件，并且空间分辨率和时间分辨率都较低；另一种是在高空间轨道采用卫 星遥感手段，其特点是具有较高的空间分辨率，探测覆盖面广，尤其在海洋上空和人迹罕至 的陆地地区；但是由于受到观测几何限制，卫星遥感对于高空具有较高的垂直分辨率，而对 于低空的垂直分辨率较差，特别是云的遮挡和强吸收，以及大气对于毫米波波段电磁波的 不透明性，卫星遥感对于对流层底部的探测性能很差。
[0003] 与探空雷达相比，地基微波/毫米波辐射计具有维护成本低、运行可靠等优点，因 此近年来其作为一种可靠的大气温度、湿度廓线的探测技术得到发展，逐渐成为一种提供 业务数据服务的手段。地基微波辐射计的另一优点在于对云中液态水的灵敏度较高，在陆 地上空，被动微波遥感是目前最准确、成本最低的垂直液态水通量测量的手段。
[0004] 目前国际上主流的地基微波福射计主要有两种：一种是美国Radiometrics公司 生产的MP系列微波辐射计，配置了K波段21个频率探测通道和V波段14个频率探测通 道，实现了温度和湿度的同步探测反演；另一种是德国RPG公司生产的微波辐射计，配置了 K波段7个通道和V波段7个通道，同样实现了温度和湿度廓线的同步反演；但这两种微波 辐射计在天线与馈电单元设计中均采用了双频共用反射面的方式，导致这两种微波辐射计 的缺点在于：1)双频共用反射面所需的极化栅网加工难度大，导致成本增加；2)极化栅网 会引入系统损耗，不利于提高系统灵敏度；3)由于K、V两个频段频率跨度较大，天线反射面 必然要兼顾频率的全部范围，从而导致馈电单元指标下降，不利于提高系统精度；4)天线罩 和定标黑体同样要兼顾两个频段，可选材料受限且成本较高。
[0005] 目前另一种改进的地基微波辐射计天线与馈电单元设计中虽然采用了双频独立 反射面的方式，对每个频率的天线进行独立的优化和设计，弥补了上述双频共用反射面带 来的缺点，但该地基微波辐射计接收机设计采用了单一超外差射频前端，中频公分多路体 制，配置固定为K波段7个探测通道和V波段7个探测通道，既没有如射频直接检波体制接 收机一样节省混频器使设计更为简单；也没有如超外差本振跳频体制接收机一样节省中低 频器件成本，且不能灵活配置探测通道数。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于，为了解决上述微波辐射计采用双频共用反射导致系统灵敏度 及精度低，而采用双频独立反射又导致系统结构复杂的技术问题，本发明提供一种地基多 通道微波辐射计，该地基微波辐射计具有可移植性强、高性能、低功耗的特点。
[0007] 为了实现上述目的，本发明提供一种基于气象探测的地基多通道微波辐射计，包 括：马达、定标单元、供电单元、天线与馈电单元、接收机单元、数据采集与系统控制单元； 所述马达用于带动天线反射面进行大气探测扫描和定标；所述定标单元用于提供周期性的 定标数据；所述供电单元用于完成交流电压与直流电压的AC/DC转换，并为电路提供电压 输出；所述天线与馈电单元用于接收来自大气和定标体的微波辐射信号，其采用双频独立 反射面；所述接收机单元用于对天线与馈电单元接收到的微波辐射信号，依次进行下变频、 放大、滤波、检波、积分及低频放大处理，生成探测数据，该接收机单元采用超外差本振跳频 体制的接收机；所述数据采集与系统控制单元用于根据上位机注入的指令，为微波辐射计 提供正常工作时序和执行相应操作，进行数据采集、数据存储和数据传输。
[0008] 作为上述技术方案的进一步改进，所述微波辐射计还包括温控单元和除湿单元， 所述温控单元采用两级主动温控措施控制接收机单元的温度；该两级主动温控措施包括第 一级温控和第二级温控，所述第一级温控通过加热片加热和风扇热循环，使接收机单元工 作在±1°C的温度范围内；所述第二级温控通过TEC半导体进行加热或制冷，使温度的调节 精度小于0.rc;所述除湿单元用于除去天线罩表面的水汽。
[0009] 作为上述技术方案的进一步改进，所述微波辐射计还包括辅助探测单元；所述辅 助探测单元用于探测辅助探测数据，该辅助探测数据包括：GPS、红外、雨量、气压和温湿度 信息。
[0010] 作为上述技术方案的进一步改进，所述数据采集与系统控制单元包括微处理器模 块、系统控制模块、数据采集模块、AGC控制模块和总线通讯模块；所述微处理器模块用于 根据上位机注入的指令，为微波辐射计提供正常工作时序和执行相应操作；所述系统控制 模块用于对接收机噪声源和天线驱动电路的控制，产生控温除湿所需的控制信号；所述数 据采集模块实现对探测数据、定标数据以及辅助探测数据的采集量化，并将量化后的数据 进行整合打包；所述总线通讯模块实现数据采集与系统控制单元和上位机的通讯，接收上 位机的控制指令及注入数据，并通过RS485接口向上位机发送经数据采集模块打包的数 据；所述AGC控制|吴块实现对接收机的AGC控制。
[0011] 作为上述技术方案的进一步改进，所述接收机单元包括K波段22-30GHZ接收机 和V波段51-59GHZ接收机，两个接收机分别用于接收水汽廓线22GHz-30GHz和氧气廓线 51GHz-59GHz两种探测频率的微波辐射信号；通过探测微波/毫米波段大气氧气、水汽吸收 谱及窗口频率的辐射亮温，反演大气温度和湿度廓线。
[0012] 作为上述技术方案的进一步改进，所述K波段22-30GHZ接收机和V波段51-59GHZ 接收机均包括：频综器、低噪放大器、混频器、中频放大器、滤波器、检波器、积分器和低频放 大器；通过所述数据采集与系统控制单元对频综器进行频率控制，输出频率跳变信号作为 本振，馈源接收到的信号，经射频放大以后由混频器完成射频至中频的频率下变换，然后由 中频放大器放大，经过带通滤波器选频实现多通道同步探测后由检波器完成中频至低频的 转换，在经过积分器对低频信号进行平滑处理，最后经过低频放大输出至数据采集与系统 控制单元进行数据处理。
[0013] 作为上述技术方案的进一步改进，所述K波段22-30GHZ接收机包括21个探测通 道；所述V波段51-59GHZ接收机包括14个探测通道。其中探测通道的数目可根据实际需 要灵活增加或减少，仅取决于频率跳变的间隔。
[0014] 作为上述技术方案的进一步改进，所述K波段22-30GHZ接收机和V波段51-59GHZ接收机均采用单边带工作方式。
[0015] 作为上述技术方案的进一步改进，所述定标单元包括定标黑体、噪声二极管、微波 开关和定向耦合器；所述定标黑体为系统提供标准亮温；所述噪声二极管用于产生定标噪 声信号；所述微波开关用于实现噪声信号的通断；所述定向耦合器用于实现噪声信号的馈 入；所述噪声二极管通过微波开关与定向耦合器连接，定向耦合器与接收机单元相连，通过 获取的定标数据，校准接收机通道增益及接收机噪声，保证探测精度不受系统增益波动和 噪声飘移的影响。
[0016] 作为上述技术方案的进一步改进，所述天线与馈电单元中的天线罩采用纳米材料 图层，所述接收机单元采用高密度泡沫保温板进行包裹密封。
[0017] 本发明的一种基于气象探测的地基多通道微波辐射计的优点在于：
[0018] 可测量从地表到10公里大气层的垂直廓线，不仅能够提供高分辨率的温度、相对 湿度和水汽廓线，而且可实现连续不间断的观测，提供天气过程演化的全过程数据；另外， 满足了维护成本低、运行可靠且环境适应性强的需求，能够覆盖区域的连续观测及提供对 流层较高的分辨率和探测精度；天线采用双频独立反射面的设计方式，对双频天线能够进 行独立优化和设计，进而保证了较低的副瓣电平，减少了极化栅网带来了系统损耗和成本； 接收机单元采用超外差本振跳频体制的接收机，降低了接收通道的成本，并实现了探测通 道