基于微小卫星的小型化微波辐射计关键技术研究

发布时间：2020-11-10 23:31

　　 微波遥感技术在对地观测、大气探测、天气系统监测与气象灾害预警等方面发挥着越来越重要的作用。目前我国气象卫星主要包括极轨气象卫星和静止轨道气象卫星。极轨气象卫星受到运行模式的制约,其时间分辨率不高。而静止轨道气象卫星由于轨道高度高,微波辐射计的空间分辨率相对较低,如果要达到几十公里量级的空间分辨率,需要大口径天线,给机械制造和在轨扫描带来极大挑战。微小卫星星座是兼顾时间分辨率和空间分辨率的有效手段。论文基于微小卫星搭载微波辐射计并组成星座的方式对大气进行探测,可实现时间分辨率30分钟和空间分辨率15千米的期望。本论文主要对小型化微波辐射计系统方案设计、射频前端的太赫兹频率分离技术和基于自抗扰控制的天线扫描驱动伺服系统三个关键技术开展研究,进行理论分析、系统设计、仿真模拟和实验验证。主要研究内容如下:(1)提出针对微小卫星平台的小型化微波辐射计系统方案。开展了微波辐射计频率通道选择、指标论证和顶层方案设计研究,详细分析了射频前端的频率分离方案、对地成像观测几何和天线扫描模式。小型化微波辐射计包括四个探测频率:89GHz(窗区频率,单通道)、118GHz(氧气吸收频率,五通道)、166GHz(窗区频率,单通道)和183GHz(水汽吸收频率,三通道),一共十个探测通道。四个探测频率采用多频段共馈源、共用偏馈抛物面天线技术。单通道窗区探测频率接收机采用直接检波体制,水汽和氧气吸收峰探测频率接收机采用超外差混频体制。采用极化分离器和波导双工器实现射频的频率分离。该设计方案比国内现有的同类型微波辐射计在体积、重量、功耗上都更有优势,更适合搭载在微小卫星平台。(2)开展了太赫兹频段的频率分离技术研究,在国内首次实现了89/118GHz和166/183GHz双工器的设计、加工与测试。采用网络综合法和模式匹配法对双工器进行仿真设计,并利用HFSS软件对两个波导双工器模型进行仿真验证。从机械加工的角度,对166/183GHz双工器进行表面材质、电感膜片厚度、电感膜片陡直度以及尺寸灵敏度分析。从测试的角度,采用矢量网络分析仪和频率拓展模块对两个双工器进行验证。经测试,两个双工器的插入损耗都小于1.5dB,输入端口的回波损耗大于15dB,带外抑制也达到25dB以上。测试结果与仿真结果基本吻合,证明了双工器设计方法的可行性。(3)开展了微波辐射计天线扫描机构伺服系统多扫描模式控制算法研究,提出了将二阶速度自抗扰控制器引入扫描控制的实现方案,提高了伺服系统的鲁棒性。通过对永磁同步电机d-q轴数学模型以及矢量控制策略的分析,设计了电流环、速度环和位置环的PI(Proportional-Integral,PI)控制器,并对匀速扫描、变速扫描和定点观测三种工作模式进行了仿真验证。从仿真结果可知,对于定点观测模式,可以实现无超调、无静差控制。对于匀速和变速模式,系统的过渡时间较短、超调小,但是当系统突加扰动时,速度的干扰大并且需要较长的时间才能恢复到原始状态。针对PI控制抗干扰能力差的缺点,将二阶速度自抗扰控制器引入匀速和变速扫描控制中,并对二阶速度自抗扰控制器、二阶速度线性自抗扰控制器和PI控制的响应特性进行仿真对比。结果表明当系统存在扰动时,二阶速度自抗扰控制系统的超调量最小以及恢复时间最短,具有很好的鲁棒性和抗扰能力。(4)搭建了天线扫描驱动伺服系统的硬件平台,完成了永磁同步电机的控制算法、信号接口模块的软件设计。通过实验对比了匀速和变速模式下二阶速度自抗扰控制器和PI控制器的响应特性,在阶跃响应特性、变速响应特性、稳态性能以及抗扰能力等方面,二阶速度自抗扰控制器都具有良好的控制性能。匀速模式的控制精度为1.78%,变速模式对地观测阶段的控制精度为3.5%,并且两种扫描模式的扫描周期误差都小于等于1ms,定点观测模式的定位精度≤0.00206o,三种扫描模式都具有良好的动静态特性以及很高的控制精度。
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院国家空间科学中心)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TP722.6;P407.7
【部分图文】：

6图 1.1 RACE 辐射计有效载荷示意图Figure 1.1 Schematic view of the RACE radiometer payload

图 1.2 纳卫星 MicroMAS 概念图Figure 1.2 Notional view of the MicroMAS nanosatellite017 年 11 月，由麻省理工研制的 3U 立方体卫星 MiRaTA 发射升空三频段微波辐射计(Microwave Radiometer, MWR)，如图 1.3 所示，2～58GHz，175～191GHz 和 206～208GHz[45]

图 1.3 MiRaTA 微波辐射计组成部件示意图Figure 1.3 Illustration of the MiRaTA MWR instrument components2018 年 5 月 21 日，由科罗拉多州立大学研制的 6U 立方体卫星 TEMPEST功发射。该卫星的主要任务是验证 5 频率(89GHz、165GHz、176GHz、180G 182GHz)的毫米波辐射计的可行性，以便减少未来 5 颗用于观测全球降水时
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本文编号：2878456