机载双天线大气过冷水探测毫米波辐射计的研制

发布时间：2017-10-16 01:33

  本文关键词：机载双天线大气过冷水探测毫米波辐射计的研制

  更多相关文章： 机载双天线辐射计 毫米波 大气过冷水探测 自动增益补偿 温度修正 噪声耦合

【摘要】：微波辐射计是高灵敏度噪声接收机，通过接收被探测目标的微波辐射信息，并进行有效的反演能够获取相应的物理特性。近几十年来，微波辐射计已被广泛地应用于陆地、海洋、大气遥感并拓展至军事、医疗、安全检测等众多领域。 云液态含水量是一个极为重要的云物理参数，而云中过冷水含量则是人工影响天气领域中受到特别关注的物理量。目前由于测量手段不多，已有的仪器又各有其局限，结果造成云液态水和过冷水含量定量资料十分缺乏。在已有的探测手段中，地基（地对空）微波辐射计以其高时间分辨率、高探测精度、可无人值守连续工作、在一定条件下可以从混合相态的云中探测出过冷液水含量等一系列特点，在中小尺度和人工增雨领域得到广泛的应用，成为一种新型的测量云液水的工具。但是，，地基仪器难以快速移动，限制了它的探测范围，难以满足中小尺度研究的需要。相较于地基微波辐射计，机载微波辐射计不仅继承了前者的高时间分辨率、高探测精度、可自动连续工作等一系列优点，更能够直接飞入目标区域进行探测，极大地扩展了探测的范围及灵活性，是近年来的研究热点。 研制机载对空毫米波辐射计时，首先遇到的挑战是微弱信号的测量问题：仪器在几公里的高度上接收到的冷空背景向下的辐射亮温，要比在地面接收到的更低，有时可能只有几K(开尔文)。因此，机载对空探测对仪器测量微弱信号的能力要求特别高，制造这种仪器至今仍是国内外技术上的难点。 论文在中国科学院知识创新工程重要方向项目“航空多频被动微波遥感器的集成与升级”（KZCX2-YW-JS30）资助下，以及中国科学院大气物理研究所和吉林省人工影响天气办公室的协助下展开研究工作，完成的主要工作如下： 1.在深入分析已有多种型式微波辐射计工作原理的基础上，采用了基于软件补偿算法的数字增益自动补偿技术方案，有效消除了系统增益波动带来的不利影响。同时，为了实现在冷空背景下检测出过冷水亮温的变化小量，提出并采用了噪声注入技术。将固态噪声源产生的部分噪声信号直接耦合到天线端，适当地提高了接收信号的强度。 2.依据层析法反演高空云液水二维或三维空间分布的原理，提出了双天线观测体制，即由两个成固定夹角的介质透镜天线组成了辐射计的天线系统。并通过仿真实验对两个天线的观测仰角进行了优化，优化后的角度分别为(30,90)。 3.在进行机载遥感观测时，机箱内的物理温度从地面的高温快速变化到高空的低温。针对这一温度条件的变化，提出了对微波辐射计探测数据进行单点和多点环境温度变化修正方法。利用最小二乘回归法建立接收机内各温度敏感元件的物理温度与测量误差之间的关系，在两点定标方程表达式基础上获得双天线的温度修正方程，有效减小了由于辐射计工作环境温度变化引起的器件性能漂移所导致的测量误差。 4.在上述工作的基础上，成功研制出一台机载双天线大气过冷水探测毫米波辐射计，其工作中心频率为31.65GHz，灵敏度优于0.2K，线性度优于0.9995，亮度温度测量范围10～350K，系统稳定性优于1.5K，天线波束角4.2，工作环境温度-20～+50℃。 论文的研究工作为云中液态水和过冷水含量定量测量提供了新的技术手段和设备，将提高人工增雨作业的效率和有效性，更好地服务于大气科学研究和农业生产。
【关键词】：机载双天线辐射计 毫米波 大气过冷水探测 自动增益补偿 温度修正 噪声耦合
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH765.6
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-21
• 1.1 机载双天线辐射计的研究背景及意义11-14
• 1.2 微波辐射计的发展历程14-17
• 1.3 论文主要研究内容与结构安排17-21
• 第2章 微波辐射计的基本原理与技术发展21-49
• 2.1 黑体辐射理论21-28
• 2.1.1 Planck 黑体辐射定律21-22
• 2.1.2 Wien 辐射定律22
• 2.1.3 Rayleigh-Jeans 定律22-23
• 2.1.4 亮度温度23-24
• 2.1.5 温度与功率的关系24-28
• 2.2 机载微波辐射计遥感方程28-29
• 2.3 全功率微波辐射计29-31
• 2.4 Dicke 微波辐射计31-33
• 2.5 零平衡 Dicke 微波辐射计33-38
• 2.5.1 参考通道控制法33-34
• 2.5.2 天线通道噪声注入法34-35
• 2.5.3 脉冲噪声注入法35-38
• 2.6 双参考温度微波辐射计38-41
• 2.7 Graham 型接收机41-42
• 2.8 相关微波辐射计42-43
• 2.9 数字增益自动补偿辐射计43-44
• 2.10 实时定标微波辐射计44-46
• 2.11 小结46-49
• 第3章 机载双天线毫米波辐射计硬件设计49-75
• 3.1 引言49-51
• 3.2 双天线夹角的优化设计51-54
• 3.3 辐射计系统组成及技术指标54-56
• 3.4 辐射计天线馈源设计56-59
• 3.5 辐射计射频前端参数59-60
• 3.6 中频放大器的设计60-61
• 3.7 平方律检波器的设计61-62
• 3.8 低频放大器和积分器设计62-64
• 3.9 数字电路单元主控电路设计64-66
• 3.10 噪声耦合技术研究及辐射计微波网络传输模型66-73
• 3.11 供电单元设计73-74
• 3.12 小结74-75
• 第4章 机载辐射计软件设计及性能分析75-89
• 4.1 引言75-76
• 4.2 主控单片机程序设计76-79
• 4.3 上位机程序设计79-80
• 4.4 辐射计系统参数及性能测试80-87
• 4.4.1 辐射计接收机噪声系数测试80-81
• 4.4.2 接收机带宽测试81
• 4.4.3 接收机工作频率测试81-82
• 4.4.4 接收机线性度测量82-84
• 4.4.5 接收机灵敏度测量84-86
• 4.4.6 接收机稳定性测量86-87
• 4.5 小结87-89
• 第5章 机载微波辐射计温度修正方法研究89-103
• 5.1 引言89
• 5.2 单点温度修正方法及户外温度实验89-95
• 5.2.1 单点温度修正方法89-92
• 5.2.2 单点温度修正方法户外温度实验92-95
• 5.3 多点温度修正方法及户外温度实验95-102
• 5.3.1 多点温度修正方法95-98
• 5.3.2 多点温度修正方法户外温度实验98-102
• 5.4 小结102-103
• 第6章 机载双天线毫米波辐射计大气过冷水探测实验103-111
• 6.1 辐射计系统气象定标103-105
• 6.2 车载大气过冷水探测实验105-106
• 6.3 机载大气过冷水探测实验106-109
• 6.4 小结109-111
• 第7章 总结和展望111-113
• 7.1 主要研究成果111-112
• 7.2 未来工作展望112-113
• 参考文献113-122
• 作者简介及科研成果122-124
• 致谢124

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 席志红;耿更飞;付存利;;一种基于双天线的北斗定位系统设计与实现[J];电子科技;2014年08期

2 孙中昶;郭华东;焦孟梅;刘广;;机载双天线InSAR复图像自动配准研究[J];国土资源遥感;2010年01期

3 王通;郭华东;梁菲;孙中昶;;基于机载InSAR生成DEM技术研究试验[J];微计算机信息;2012年03期

4 张薇;向茂生;吴一戎;;基于三维重建模型的机载双天线干涉SAR外定标方法及实现[J];遥感技术与应用;2009年01期

5 韩松涛;韦立登;向茂生;;一种适用于双天线InSAR系统的成像定位算法[J];中国科学院研究生院学报;2010年02期

6 陈立福;汪丙南;向茂生;;机载双天线InSAR系统干涉条纹实时生成算法[J];遥感技术与应用;2011年01期

7 张坚;颜毅华;王威;刘飞;;双天线干涉实验中的数据处理[J];天文研究与技术.国家天文台台刊;2006年02期

8 王晓光;杨新;王治强;;星载双天线干涉SAR基线高精度测定[J];遥感信息;2010年04期

9 王晓光;王治强;杨新;;基于Kalman滤波的星载双天线InSAR基线误差估计[J];测绘学报;2010年06期

10 丛秋波;;双天线输入GPS接收器IC解决嵌入式GPS应用难题[J];电子设计技术;2008年08期

中国重要会议论文全文数据库 前5条

1 王富;江修富;郝建华;许斌;;一种基于双天线测向的救生定向算法研究与实现[A];全国第二届嵌入式技术联合学术会议论文集[C];2007年

2 李志;何宗波;陈瑶;王爱明;;双天线干涉SAR卫星动力学与控制问题研究[A];第二届微波遥感技术研讨会摘要全集[C];2006年

3 唐繁荣;向征;刘兴钊;;双天线InSAR桅杆抖动的影响[A];全国第二届信号处理与应用学术会议专刊[C];2008年

4 杜丹;龚学余;曹锦佳;王振华;郑平卫;扬文超;;ICRH带状双天线的间距对等离子体耦合特性的影响[A];中国核科学技术进展报告（第二卷）——中国核学会2011年学术年会论文集第7册（核电子学与核探测技术分卷、脉冲功率技术及其应用分卷、核聚变与等离子体物理分卷）[C];2011年

5 何伟;廉保旺;唐成凯;;基于载波相位的GNSS双天线定姿系统的研究[A];第三届中国卫星导航学术年会电子文集——S01北斗/GNSS导航应用[C];2012年

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 孙健;机载双天线大气过冷水探测毫米波辐射计的研制[D];吉林大学;2015年

中国硕士学位论文全文数据库 前5条

1 罗俊p

本文编号：1039888