一种毫米波高光谱大气温度探测仪及探测方法技术

本发明专利技术公开了一种毫米波高光谱大气温度探测仪及方法，包括：定标体、马达、平面镜、扫描驱动单元、馈源、抛物面反射单元；所述探测仪还包括依次连接的：分频器单元、接收机单元和精细频谱分析单元；所述分频器单元将馈源接收到的不同频段的电磁波信号分离成不同波段；所述接收机单元接收与其频率相匹配的电磁波信号并将接收到的电磁波信号变换至满足精细频谱分析单元所需的中频信号；所述精细频谱分析单元，包括多个精细频谱分析子单元，用于对相应的接收机子单元发送的中频信号进行多个采样中心频点的高频率分辨率的处理，得到高分辨率的功率谱密度。该系统具有探测频带宽、探测通道数多，频率分辨率高，结构简单和集成度高的优点。

A millimeter wave hyperspectral atmospheric temperature detector and its detection method

【技术实现步骤摘要】
一种毫米波高光谱大气温度探测仪及探测方法
本专利技术涉及微波遥感
中的大气温度探测仪，特别涉及一种毫米波高光谱大气温度探测仪及探测方法。
技术介绍
大气温度廓线作为重要的气象参数，目前星载或地基微波大气温度廓线探测仪为主要的大气温度廓线探测手段；通过获取探测大气的亮温信息，从而获得大气的温度信息。该探测仪不仅能全天候获取全球大气垂直温度廓线，还能在前人的基础上提高大气探测精度和大气探测垂直分辨率，满足天气预报和极端天气探测的需求。目前，国内外的大气温度探测仪主要呈现大气探测频带窄，探测频带不连续、探测通道数少，系统集成度低、结构复杂、大气垂直探测分辨率低的特点。大气温度探测目前局限于传统的探测方法，高光谱新技术的应用仅在大气湿度探测上有初步应用。如在2011年前后，伯尔尼大学和林肯实验室各自研制出了自己的高光谱辐射计，其中伯尔尼大学研制出的微波辐射计MIAWARA-C，虽然通道数16384(16k)，频率分辨率达到31.25kHz，但其观测频带范围只有500MHz。而我国北京航空航天大学于2013年基于滤波器组的方法研究与实现了一种地基式K波段18-26GHz共80个通道的微波高光谱辐射计，但其结构复杂，频率分辨率低。国家空间科学中心在2015年实现了通道数为16384，频率分辨率为15kHz的数字谱分析系统设计，但主要用于捕捉单频点22.235GHz处的大气参数。且上述高光谱辐射计工作于K波段，用于探测大气湿度，不能探测大气温度。而传统的大气温度探测仪探测频带离散、不连续，探测通道数更少(通常为7-13个探测通道)，大气垂直探测分辨率更低。专利技术内容本专利技术的目的在于，解决现有的微波大气温度廓线探测仪探测频带窄，探测通道数少，探测频谱不连续、大气垂直探测分辨率低的技术问题。为了实现上述目的，本专利技术提出一种毫米波高光谱大气温度探测仪，包括：定标体、马达、平面镜、扫描驱动单元、馈源、抛物面反射单元；还包括依次连接的：分频器单元、接收机单元和精细频谱分析单元。所述的分频器单元，用于将馈源接收到的不同频段的电磁波信号分离成不同波段；所述接收机单元包括多个与分频器输出端并联的接收机子单元，接收与其频率相匹配的电磁波信号并将接收到的电磁波信号变换至满足精细频谱分析单元所需的中频信号；所述的精细频谱分析单元，包括多个精细频谱分析子单元，用于对相应的接收机子单元发送的中频信号进行多个采样中心频点的高频率分辨率的处理，得到高分辨率的功率谱密度。作为上述装置的一种改进，所述探测仪还包括：数据管理单元；所述的数据管理单元分别与扫描驱动单元、精细频谱分析单元相连，用于控制马达带动平面镜的转动，还用于实现对精细频谱分析单元工作的控制和对其输出数据的显示和传输；所述数据管理单元还用于与服务端建立通信和数据传输，接收并解译和执行服务端的控制指令，并向服务端发送数据。作为上述装置的一种改进，所述的分频器单元包括宽带低噪声放大器和多工器。作为上述装置的一种改进，所述的接收机子单元包括依次连接的混频器、放大器和滤波器，对接收到的五个频段的电磁波信号依次进行频率下变频、信号放大和滤波处理，输出满足精细频谱分析单元所需的5个0-4GHz中频信号，所述五个频段为50-54GHz、54-58GHz、58-62GHz、62-66GHz和66-70GHz。作为上述装置的一种改进，所述的精细频谱分析单元包括5个相同的精细频谱分析子单元，所述精细频谱分析子单元包括：ADC采样电路和高速数字信号处理电路；所述的ADC采样电路将所述接收机子单元输出的0-4GHz的中频信号进行10Gsps速率的采样；所述的高速数字信号处理电路，包括5片用于高速数字信号处理的FPGA芯片A#、1片用于控制和数据传输的FPGA芯片B#和外部时钟电路。基于上述装置，本专利技术还提出一种的毫米波高光谱大气温度探测方法，所述方法包括：步骤1)所述马达带动平面镜转动，将探测到的大气的电磁波经抛物面反射单元反射至馈源；来自馈源的电磁波经宽带低噪声放大器的处理成为50-70GHz频段的接收机单元的输入信号,步骤2)所述接收机单元经过分频、混频变换、放大和滤波处理，将输入信号下变频转换成5个0-4GHz的中频信号；步骤3)所述5个0-4GHz中频信号经过精细频谱分析单元进行多通道的功率谱密度分析处理，得到的功率谱密度。作为上述方法的一种改进，所述步骤1)具体包括：步骤1-1)当扫描驱动单元在指令的控制下驱动马达对地观测区域进行扫描时，平面镜对准大气，来自大气的电磁波信号通过平面镜反射到抛物面反射单元；抛物面反射器将平面镜输出的平面波进行二次反射后送至馈源内；步骤1-2)当马达对定标体进行扫描时，平面镜对准定标体，来自定标体的电磁波定标信号通过平面镜反射到抛物面反射单元，抛物面将此电磁波信号反射到馈源内；馈源对接收到的电磁波进行收集整理，处理成为50-70GHz频段的接收机单元的输入信号。作为上述方法的一种改进，其特征在于，所述步骤2)具体包括：步骤2-1)所述的分频器将馈源输出的50-70GHz频段20GHz带宽输入信号分成50-54GHz、54-58GHz、58-62GHz、62-66GHz、66-70GHz的5个频段的射频信号，分别送入5个相同结构的接收机子单元；步骤2-2)所述的接收机子单元将接收到的50-54GHz、54-58GHz、58-62GHz、62-66GHz、66-70GHz的5个频段的射频信号送入所述混频器；步骤2-3)所述混频器将这5个射频信号下变频至中频信号；步骤2-4)所述放大器将混频器输出的5个射频信号放大输出给滤波器；步骤2-5)所述滤波器将所述放大器输出的5个信号进行滤波，滤波处理成5个0-4GHz的中频信号，传送至精细频谱分析单元。作为上述方法的一种改进，所述步骤3)的具体实现过程为：所述的精细频谱分析单元接收来自所述接收机单元的5个0-4GHz中频信号，每个精细频谱分析子单元将来自接收机子单元的0-4GHz中频信号通过编程设定为40个采样中心频点，然后进行高频率分辨率的处理，进行采样量化和功率谱密度分析处理，获取处理后的功率谱密度数据。作为上述方法的一种改进，所述方法还包括：所述数据管理单元显示和存储步骤3)获取的功率谱密度数据，并将数据发送至服务端。本专利技术的优点在于：1、探测频带宽、探测通道数多：本专利技术提出的探测仪采用宽带低噪声放大器和分频器将20GHz带宽的信号进行低噪声放大并将输入信号分成5个4GHz带宽的信号，将5个频带的信号通过一次下变频和滤波处理后输出中频信号，精细频谱分析单元直接对滤波处理后输出的中频信号进行采样、功率谱密度分析，不需再次进行下变频和滤波处理，也避免了传统辐射计的检波、低频放大处理。因此系统具有结构简单、体积小、重量低且探测频带宽的优点；探测通道数可根据用于高速数字信号处理的高性能FPGA芯片的资源确定，通道数能达到数千个；2、频率分辨率高、频率分辨率可调、探测频带连续、大气温度分层数多、探测的垂直分辨率高：本专利技术提出的探测仪所述精细频谱分析单元对经过高速ADC处理后的高速数字信号在FPGA硬件上编程进行功率谱密度分析，频率分辨率(Δf＝fs/N)由采样速率fs和采样中心频点数N决定，采样中心频点数N即是采样的探本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种毫米波高光谱大气温度探测仪，包括：定标体、马达、平面镜、扫描驱动单元、馈源、抛物面反射单元；其特征在于，所述毫米波高光谱大气温度探测仪还包括依次连接的：分频器单元、接收机单元和精细频谱分析单元；所述的分频器单元，用于将馈源接收到的不同频段的电磁波信号分离成不同波段；所述接收机单元包括多个与分频器输出端并联的接收机子单元，接收与其频率相匹配的电磁波信号并将接收到的电磁波信号变换至满足精细频谱分析单元所需的中频信号；所述的精细频谱分析单元，包括多个精细频谱分析子单元，用于对相应的接收机子单元发送的中频信号进行多个采样中心频点的高频率分辨率的处理，得到高分辨率的功率谱密度。

【技术特征摘要】
1.一种毫米波高光谱大气温度探测仪，包括：定标体、马达、平面镜、扫描驱动单元、馈源、抛物面反射单元；其特征在于，所述毫米波高光谱大气温度探测仪还包括依次连接的：分频器单元、接收机单元和精细频谱分析单元；所述的分频器单元，用于将馈源接收到的不同频段的电磁波信号分离成不同波段；所述接收机单元包括多个与分频器输出端并联的接收机子单元，接收与其频率相匹配的电磁波信号并将接收到的电磁波信号变换至满足精细频谱分析单元所需的中频信号；所述的精细频谱分析单元，包括多个精细频谱分析子单元，用于对相应的接收机子单元发送的中频信号进行多个采样中心频点的高频率分辨率的处理，得到高分辨率的功率谱密度。2.根据权利要求1所述的毫米波高光谱大气温度探测仪，其特征在于，所述探测仪还包括：数据管理单元；所述的数据管理单元分别与扫描驱动单元、精细频谱分析单元相连，用于控制马达带动平面镜的转动，还用于实现对精细频谱分析单元工作的控制和对其输出数据的显示和传输；所述数据管理单元还用于与服务端建立通信和数据传输，接收并解译和执行服务端的控制指令，并向服务端发送数据。3.根据权利要求1所述的毫米波高光谱大气温度探测仪，其特征在于，所述的分频器单元包括宽带低噪声放大器和多工器。4.根据权利要求1所述的毫米波高光谱大气温度探测仪，其特征在于，所述的接收机子单元包括依次连接的混频器、放大器和滤波器，对接收到的五个频段的电磁波信号依次进行频率下变频、信号放大和滤波处理，输出满足精细频谱分析单元所需的5个0-4GHz中频信号，所述五个频段为50-54GHz、54-58GHz、58-62GHz、62-66GHz和66-70GHz。5.根据权利要求1或4所述的毫米波高光谱大气温度探测仪，其特征在于，所述的精细频谱分析单元包括5个相同的精细频谱分析子单元，所述精细频谱分析子单元包括：ADC采样电路和高速数字信号处理电路；所述的ADC采样电路将所述接收机子单元输出的0-4GHz的中频信号进行10Gsps速率的采样；所述的高速数字信号处理电路，包括5片用于高速数字信号处理的FPGA芯片A#、1片用于控制和数据传输的FPGA芯片B#和外部时钟电路。6.一种基于权利要求1-5之一所述的探测仪实现的毫米波高光谱大气温度探测方法，所述方法包括：步骤1)所述马达带动平面镜转动，将探测到的大气的电磁波经抛物面反射单元反射至馈源；来自馈源的电磁波经宽带低噪声放大器的...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗阳锦，张升伟，陆浩，张瑜，何杰颖，
申请(专利权)人：中国科学院国家空间科学中心，
类型：发明
国别省市：北京,11