一种基于超导探测器的太赫兹波段大气发射谱线测量装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种基于超导探测器的太赫兹波段大气发射谱线测量装置，其特征在于，包括运行控制模块和分别与其连接的天线模块、温控模块、接收机模块。本发明专利技术大气发射谱线测量装置基于超外差接收和超导探测的原理，通过栅网进行极化分离，再配合与对应极化波匹配的波导耦合方式，实现了两个波段信号的同时观测接收，通过合理的规划和改进，与现有技术相比，在实现双波段同时观测的基础上，还具有系统灵敏度和稳定性高，谱线宽带和频率分辨率高的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种基于超导探测器的太赫兹波段大气发射谱线测量装置
本专利技术属于太赫兹技术和大气科学
，具体涉及一种基于超导探测器的太赫兹波段大气发射谱线测量装置。
技术介绍
大气科学是研究大气的各种现象(包括结构、组成、物理现象、化学反应、运动规律等)，这些现象的演化规律，以及如何利用这些规律为人类服务的科学。地球大气中除了N2和O2外，其它总量占1％的剩余气体都被称为痕量气体。一些影响人类生态系统的事件如光化学烟雾、酸雨、温室效应、臭氧层破坏等，以及近些年关注度较高的雾霾，无不与痕量气体相关。太赫兹波段覆盖了大气成分中重要的痕量气体分子，如水汽、O3、CO2的分子转动发射谱线，使得该波段的大气观测显得尤为重要，已成为开展地球大气研究的重要手段。根据探测原理的不同，太赫兹信号探测可分为相干探测与非相干探测。相干探测又称为外差探测，利用混频器和本振信号，将较高频率射频信号下变频到较低频率中频信号，再对中频信号进行放大滤波及频谱处理，这种探测方式保留了被探测信号的幅度和相位信息，但实现方式较复杂，适合高频谱分辨率探测场合。非相干探测又称直接探测，利用检波器件直接将检测到的信号转化为电压或电流信号，得到被测信号的幅度信息，这种探测方式实现较简单，动态范围较大，适合大规模成像探测。另外，根据探测器种类和工作环境不同，又可分为常温探测器，低温探测和低温超导探测器，通常情况下，低温超导探测器的探测灵敏度最高。现有的太赫兹波段大气谱线测量装置主要是基于常温探测器，观测的谱线频率固定。原理上是采用常温混频器将太赫兹波段射频信号下变频到中频，再使用带通滤波器组进行滤波分频处理，最后对不同频率通道信号进行放大检波，最终得到目标频率大气辐射谱廓线；或是直接使用观测频率附近的多通道射频带通滤波器组对大气辐射信号进行滤波，再使用常温太赫兹探测器进行直接检波探测，例如，德国RPG公司研制的各类常温辐射计即采用以上两种技术路线。这种技术路线的优点是系统结构简单，缺点是探测灵敏度低，得到的谱线频率分辨率差，基于此类观测数据反演得到的痕量气体分布精度较差。
技术实现思路
针对现有技术中存在问题，本专利技术的技术目的是提供一种探测灵敏度高和稳定性高的基于超导探测器的太赫兹波段大气发射谱线测量装置，其技术方案为：一种基于超导探测器的太赫兹波段大气发射谱线测量装置，其特征在于，包括运行控制模块和分别与其连接的天线模块、温控模块、接收机模块；所述天线模块设有准光学单元和伺服跟踪单元，准光学单元设有反射元件和太赫兹线栅，伺服跟踪单元设有自动调节俯仰角度的第一反射镜，待测信号通过所述第一反射镜进入到准光学单元中，按照所述反射元件规划的路径传播，通过第一反射镜的角度调整，可使不同方向入射信号最终入射到太赫兹线栅上的角度恒定，所述太赫兹线栅用于对入射信号进行极化分离，太赫兹线栅的后方设有第二反射镜，在线栅处被全反射的极化波束传播方向对准接收机模块的低频段信号接收窗口，透过线栅继续传播的极化波束则通过所述第二反射镜的反射，入射到接收机模块的高频段信号接收窗口中；所述温控模块包括制冷单元，所述制冷单元设有真空杜瓦和冷头；所述接收机模块设有超导混频单元、本振单元、中频单元和后端频谱处理单元，所述超导混频单元设置在真空杜瓦内，其输入信号从杜瓦窗口中进入，通过冷头形成的热沉，使其工作在4K温区；超导混频单元对应两路极化波束分别设有混频器基座和超导混频器，耦合天线模块输出信号的波纹喇叭和耦合本振单元输出信号的对角喇叭以背靠背的形式设置，并与混频器基座连接，两路信号通过混频器基座内的定向耦合器耦合后，最终馈入超导混频器；超导混频器完成基波混频后，通过工作在4K温区的低温放大器将输出信号放大，再通过绝热电缆向真空杜瓦外的中频单元输出；所述中频单元对其输入信号进行预处理后，通过定向耦合器进行不等功分，直接输出宽带中频信号或进行平方律检波器检波后输出电压信号，所述宽带中频信号输出至后端频谱处理单元中，通过频谱仪的实时分析处理将获得的频谱数据向运行控制模块输出，所述电压信号则经过模数转换后直接向运行控制模块输出。在上述方案的基础上，进一步改进或优选的方案还包括：所述超导混频器的基座固定在4K冷板上，所述冷板与冷头之间通过无氧铜带进行热传导，以减少冷头机械振动对系统稳定性的影响。所述制冷单元为50K和4K两级GM循环制冷系统，两级之间使用玻璃钢绝热支撑，中频信号和向超导混频器施加的直流偏置通过绝热电缆传输，并在各冷级设置充分热沉，实现4K冷级与50K冷级之间信号的绝热传输。所述中频单元在对输入信号的预处理中，采用滤波放大链路，滤波放大链路包括低通滤波到2GHz带宽的滤波器、位于50K冷级的低温SiGe型HBT放大器和室温中频链路，所述低温SiGe型HBT放大器的增益为35dB；所述室温中频链路由多级放大器和电调衰减器构成，增益调整范围为25～55dB。所述反射元件包括主镜和副镜，所述主镜为抛物面镜，将入射信号会聚传向共焦点的副镜；所述副镜为双曲面镜，其一侧的焦点与主镜焦点重合，将入射信号传向太赫兹线栅。所述主镜优选采用300mm口径、1200mm焦距的抛物面镜，副镜优选采用口径64mm的双曲面镜。所述天线模块设有定标校准单元，所述定标校准单元包括设置在第一反射镜周围的高温和/或常温校准黑体，其中高温校准黑体保持在350K的恒定温度，所述常温校准黑体随外部环境温度变化，校准时，转动第一反射镜使其对准高温或常温校准黑体。所述接收机模块设有光程调制单元，所述光程调制单元对应入射到接收机模块中的两路极化波束分别设有一组屋面镜结构，所述屋面镜结构由可相对移动的内屋面镜和外屋面镜构成，所述内屋面镜在与外屋面镜相对的一侧设有凸起的三角形反射面，所述凸起的三角形反射面由第一斜面和第二斜面构成；外屋面镜在与内屋面镜相对的一侧设有内凹的三角形反射面，所述内凹的三角形反射面由第三斜面、第四斜面构成，光程调制单元的入射波束依次经过第一斜面、第三斜面、第四斜面、第二斜面的反射后进入超导混频单元，第一斜面上波束的入射方向和第二斜面上波束的反射方向在同一直线上。作为优选，超导混频器采用并联双结超导SIS混频器。作为优选，所述频谱仪采用数字实时傅里叶变换频谱仪。有益效果：本专利技术大气发射谱线测量装置，基于超外差接收和超导探测的原理，通过合理的规划和改进，其整体系统与现有测量系统相比，在实现双波段同时观测的基础上，还具有系统灵敏度和稳定性高，谱线宽带和频率分辨率高的优点。附图说明图1是本专利技术装置的结构框架示意图；图2是本专利技术装置通过线栅极化分离及波导耦合方式信号接收的示意图；图3是本专利技术装置中背靠背喇叭方式耦合信号的示意图；图4是本专利技术装置中减振杜瓦的设计示意图；图5是本专利技术装置中宽带数字实时傅里叶变换频谱仪的工作流程图。具体实施方式为了进一步阐明本专利技术的技术方案和工作原理，下面结合附图与具体实施例对本专利技术作进一步的介绍。如图1所示，一种基于超导探测器的太赫兹波段大气发射谱线测量装置，包括运行控制、天线、温控和接收机等四个模块，集成在一个约6米长的标准方舱内，采用220V交流电作为电源。所述天线模块设有准光学单元1、定标校准单元2、伺服跟踪单元3、环境监测单元4和舱外集中控制单元5。所述准光学单元1用于射频信号的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于超导探测器的太赫兹波段大气发射谱线测量装置，其特征在于，包括运行控制模块和分别与其连接的天线模块、温控模块、接收机模块；所述天线模块设有准光学单元和伺服跟踪单元，准光学单元设有反射元件和太赫兹线栅，伺服跟踪单元设有自动调节俯仰角度的第一反射镜，待测信号通过所述第一反射镜进入到准光学单元中，按照所述反射元件规划的路径传播，通过第一反射镜的角度调整，可使不同方向的入射信号最终入射到太赫兹线栅上的角度恒定，所述太赫兹线栅用于对入射信号进行极化分离，太赫兹线栅的后方设有第二反射镜，在线栅处被全反射的极化波束传播方向对准接收机模块的低频段信号接收窗口，透过线栅继续传播的极化波束则通过所述第二反射镜的反射，入射到接收机模块的高频段信号接收窗口中；所述温控模块包括制冷单元，所述制冷单元设有真空杜瓦和冷头；所述接收机模块设有超导混频单元、本振单元、中频单元和后端频谱处理单元，所述超导混频单元设置在真空杜瓦内，其输入信号从杜瓦窗口中进入，通过冷头形成的热沉，使其工作在4K温区；超导混频单元对应两路极化波束分别设有混频器基座和超导混频器，耦合天线模块输出信号的波纹喇叭和耦合本振单元输出信号的对角喇叭以背靠背的形式设置，并与混频器基座连接，两路信号通过混频器基座内的定向耦合器耦合后，最终馈入超导混频器；超导混频器完成基波混频后，通过工作在4K温区的低温放大器将输出信号放大，再通过绝热电缆向真空杜瓦外的中频单元输出；所述中频单元对其输入信号进行预处理后，通过定向耦合器进行不等功分，直接输出宽带中频信号或进行平方律检波器检波后输出电压信号，所述宽带中频信号输出至后端频谱处理单元中，通过频谱仪的实时分析处理将获得的频谱数据向运行控制模块输出，所述电压信号则经过模数转换后直接向运行控制模块输出。...

【技术特征摘要】
1.一种基于超导探测器的太赫兹波段大气发射谱线测量装置，其特征在于，包括运行控制模块和分别与其连接的天线模块、温控模块、接收机模块；所述天线模块设有准光学单元和伺服跟踪单元，准光学单元设有反射元件和太赫兹线栅，伺服跟踪单元设有自动调节俯仰角度的第一反射镜，待测信号通过所述第一反射镜进入到准光学单元中，按照所述反射元件规划的路径传播，通过第一反射镜的角度调整，可使不同方向的入射信号最终入射到太赫兹线栅上的角度恒定，所述太赫兹线栅用于对入射信号进行极化分离，太赫兹线栅的后方设有第二反射镜，在线栅处被全反射的极化波束传播方向对准接收机模块的低频段信号接收窗口，透过线栅继续传播的极化波束则通过所述第二反射镜的反射，入射到接收机模块的高频段信号接收窗口中；所述温控模块包括制冷单元，所述制冷单元设有真空杜瓦和冷头；所述接收机模块设有超导混频单元、本振单元、中频单元和后端频谱处理单元，所述超导混频单元设置在真空杜瓦内，其输入信号从杜瓦窗口中进入，通过冷头形成的热沉，使其工作在4K温区；超导混频单元对应两路极化波束分别设有混频器基座和超导混频器，耦合天线模块输出信号的波纹喇叭和耦合本振单元输出信号的对角喇叭以背靠背的形式设置，并与混频器基座连接，两路信号通过混频器基座内的定向耦合器耦合后，最终馈入超导混频器；超导混频器完成基波混频后，通过工作在4K温区的低温放大器将输出信号放大，再通过绝热电缆向真空杜瓦外的中频单元输出；所述中频单元对其输入信号进行预处理后，通过定向耦合器进行不等功分，直接输出宽带中频信号或进行平方律检波器检波后输出电压信号，所述宽带中频信号输出至后端频谱处理单元中，通过频谱仪的实时分析处理将获得的频谱数据向运行控制模块输出，所述电压信号则经过模数转换后直接向运行控制模块输出。2.根据权利要求1所述的一种基于超导探测器的太赫兹波段大气发射谱线测量装置，其特征在于，所述混频器基座固定在4K冷板上，所述冷板与冷头之间通过无氧铜带进行热传导，以减少冷头机械振动对系统稳定性的影响。3.根据权利要求1或2所述的一种基于超导探测器的太赫兹波段大气发射谱线测量装置，其特征在于，所述制冷单元为50K和4K两级GM循环制冷系统，两级之间使用玻璃钢绝热支撑，中频信号和向超导混频器施加的直流偏置通过绝热电缆传输，并在各冷级设置充分热沉，实现4K冷级与50K冷级之间信号的...

【专利技术属性】
技术研发人员：李升，姚骑均，刘冬，段文英，张坤，林镇辉，金骏达，吴枫，杨瑾屏，缪巍，史生才，
申请(专利权)人：中国科学院紫金山天文台，
类型：发明
国别省市：江苏,32