海洋遥感综合孔径微波辐射计系统误差的降低

被动微波遥感是海洋遥感的一项重要手段,可以测量一些重要的海洋参数,如海表面盐度、海表面风矢量等。综合孔径微波辐射计是目前被动微波遥感领域的一个研究热点。然而,由于综合孔径辐射计在空间频率上只能覆盖有限的带宽,无法获取观测目标的高频分量,所以即使不存在G矩阵误差和辐射噪声情况下,依然存在固有的系统误差。针对固有的系统误差,提出了一种系统误差降低方法应用于FPIR系统中。仿真结果表明：该方法能够有效降低FPIR系统误差,获取高精确度的亮温数据以满足测量海表面盐度和海表面风矢量等应用需求。

固定指向型微波辐射计辐射传输模型分析

固定指向型微波辐射计通常采用多支路法进行定标,传输路径上的各微波组件存在一定的插入损耗,且组件间还存在阻抗失配,因此需要首先建立信号源经馈源口面至接收机输入端口处的辐射传输模型,然后结合两点定标法确定固定指向型微波辐射计的定标模型。首先对同类型微波辐射计的辐射传输模型进行叙述,然后采用正交试验设计法定量地分析了辐射传输模型中各组件对接收机等效输入噪声温度误差影响的大小以及主次关系,为同类型微波辐射计的辐射传输模型建立和定标模型初始参数的选取提供参考。

风云气象卫星微波大气探测回顾与展望

基于风云三号(FY-3)三个批次极轨气象卫星微波湿度计的研制历程,取得的技术突破与研制进展,涵盖关键技术实现以及关键技术指标的设计与测试评估,微波湿度计在数值天气预报、台风暴雨等灾害性天气预报与监测等方面的科学应用,阐述了星载被动微波大气探测技术的提升。分析微波大气探测的研究现状与发展趋势,重点展望了极轨气象卫星微波大气探测在气象参数探测能力、探测精度、时空分辨率、应用效能等方面的潜力。对标世界气象组织(WMO)2040年愿景规划,针对中国风云五号新一代极轨气象卫星,提出了具有跨代表征的高性能新体制微波大气综合探测系统——高光谱微波大气探测仪,简要陈述了在轨定量化提升的技术途径与应用前景,为风云五号气象卫星微波大气探测载荷研制奠定基础。

毫米波大气臭氧探测辐射计系统设计

平流层臭氧浓度对于地球气候变化和生态环境有着重要影响.具有谱分析能力的高光谱毫米波辐射计是一种用来探测大气痕量气体的被动式微波遥感器,能够有效探测大气臭氧垂直廓线,在空间地球科学领域中具有十分重要的应用价值.本文研制了一种探测平流层大气臭氧吸收谱线的新型高光谱毫米波臭氧辐射计系统,该系统结构包括射频接收机和数字后端谱分析仪.射频接收机部分采用超外差结构获取142.175 GHz±100 MHz带宽信号,数字后端谱分析部分采用高性能模数转换器对输入模拟信号进行5×108 sample·s^(–1)采样,14 bit量化,输入信号3 dB带宽200 MHz,通过高性能现场可编程门阵列(FPGA)获取信号功率谱,实现了探测通道数16384,谱分辨率12.2 kHz.根据辐射计系统关键模块的设计方案、器件选型和测试方法,开展大气探测实验,并将实验结果与大气辐射传输模拟软件(ARTS)仿真结果进行对比,得出系统灵敏度及各项指标可以满足大气臭氧反演需求,验证了系统设计的正确性,满足平流层臭氧浓度监测、预警及其导致的气候变化研究的应用需求.

基于电磁计算的同时极化雷达成像仿真

雷达信号的电磁(EM)仿真对新体制雷达技术的研究具有重要价值。文中针对新体制同时极化雷达(SPR)回波信号开展EM仿真,提出了快速仿真方法,并在此基础上进行了高分辨雷达成像。首先,利用FEKO构建了雷达目标在4π空间里所有入射角度下的宽带全极化EM散射数据库;接着,在推导SPR目标回波信号模型的基础上,基于优化最小化方法以最小化互补积分旁瓣电平为准则设计了H、V发射通道的正交互补序列波形。最后,根据实际雷达对目标的视角和频率范围以调用数据库的方式“装配”得到相应的雷达回波信号。为了进一步验证所提方法,该文以F22模型为例开展了SPR成像仿真实验,并通过Pauli分解分析了幅相误差对目标极化散射特性测量的影响。

静止轨道微波卫星热带气旋观测数值模拟及时空分辨率分析:以台风“菲特”为例

观测热带气旋所需的空间分辨率以及识别出变化所需的时间分辨率对于用于观测热带气旋的辐射计的指标设计有重要意义.利用美国国家环境预报中心6h全球最终分析资料作为初始场,通过中尺度数值天气预报模式输出不同时刻水凝物含量和温湿度廓线等参数,使用欧洲中期数值天气预报中心发展建立的快速辐射传输模式输出亮温,分析了不同时刻及不同空间分辨率下氧气吸收频段和水汽吸收频段的静止轨道探测模拟亮温.结果表明:热带气旋等级越高,观测的空间分辨率需求越高,氧气吸收频率、水汽吸收频率、窗区频率对空间分辨率敏感度依次增大;短时间内低等级热带气旋的观测时间分辨率需求越高,水汽吸收频段探测频率所需时间分辨率高于氧气吸收频段.

行星大气1～3000GHz微波-亚毫米波辐射模拟

为模拟行星大气在微波-亚毫米波波段的辐射传输特性,利用逐线积分方法计算行星大气中各气体成分在1~3000 GHz的吸收系数.基于HITRAN数据库中各气体分子的跃迁频率及线强等参数,有效模拟了各气体分子在此频段内的吸收特征,并与常用的微波-亚毫米波大气辐射传输模式进行对比.分析地球大气的组成及特性,利用辐射传输方程模拟临边探测方式下不同频段的大气辐射亮温.研究结果可为后续地球乃至行星大气成分探测模拟、频带选择以及大气成分廓线反演提供模型及理论依据.

中法海洋卫星微波散射计风场反演残差特性研究

2018年10月发射的中法海洋卫星散射计(CSCAT)是国际上首个扇形波束旋转扫描微波散射计。本文以最大似然估计风场反演算法为基线,详细分析了中法海洋卫星微波散射计海面风场反演代价函数的残差特性,重点研究了新的观测几何对风场反演残差以及风场质量的影响,并建立了风场模糊解的似然概率模型函数。结果表明,CSCAT风场反演的残差特性随风矢量单元在刈幅交轨方向位置的变化而变化,模糊解似然概率模型函数的指数分布在−0.4~−1.8之间。分析结果为CSCAT风场质量控制和二维变分分析去模糊算法的精细化调整提供了重要的参考。

空间流体回路单点恒温控制方案

空间流体回路的载荷支路来流温度在一定范围内随机变化,需采取有效热控措施消除来流温度变化对回路单点位置处恒温工作载荷的热影响.传统电加热方式需要额外能耗并且会产生废热,本文提出一个PID控制下的冷热回路交混控温方案,在充分利用工质吸收的废热、提高机柜内能源利用率的同时,实现对恒温设备冷板入口温度的精确控制,以满足冷板上载荷的恒温工作需求;设计流体回路组成与控制方案,并通过仿真分析对方案进行了验证.结果表明,该流体回路系统可以满足对来流温度的高精度控制要求,且相比于PID控制算法,模糊PID的控制效果更好,具有响应快、超调量小、控制精度高等特点,应优先选择模糊PID作为控制算法.

基于Qt的微波辐射计数据采集系统上位机软件设计

微波辐射计是测量目标微波辐射特性的被动式遥感器。微波辐射计数据采集系统根据系统工作模式的选择,利用模数转换器以及可编程逻辑器件FPGA对信号分别进行量化和控制,再通过RS232接口和以太网口与远程计算机系统进行通信,完成对信号的采集和数字化处理。本文基于Qt平台开发上位机软件,依赖第三方串口类QextSerialPort和自带的QUdpSocket类,完成了数据的传输、显示和存储功能,再通过解析数据包提取目标的微波极化信息,利用QwtPlot控件完成二维曲线和三维散点图的绘制。该软件提高了数据采集和处理的效率。

嫦娥一号和二号卫星微波探测仪数据的交叉定标与一致性

嫦娥一号(CE-1)和嫦娥二号(CE-2)卫星分别于2007年和2010年发射,其上搭载着相同的微波探测仪(CELMS).由于在轨定标和探测时间不同,两星的CELMS数据存在差异.为了提高数据的一致性,基于月球极区永久阴影区(PSR),利用两步定标法对两星的CELMS数据进行交叉定标和时间校正.通过对不同纬度的亮温进行分析可知:两星的CELMS数据在3 GHz,19.35 GHz和37 GHz通道的一致性良好;在中低纬度区域,CE-2卫星7.8 GHz通道的亮温较CE-1卫星高,随着纬度的升高,差异逐渐变小并趋于一致.为避免经度跨度大对亮温的影响,选取云海盆地对交叉定标结果进行定量分析,结果表明两星在该区域的一致性良好,平均误差小于0.2 K.由此可知,交叉定标和时间校正明显提高了两次观测数据的一致性,减小了由测量误差和时间变化引起的差异.

高光谱微波辐射计宽带高速数字系统设计

高光谱微波辐射计是基于频谱分析技术的精细谱段微波辐射计,通过增加探测通道实现高垂直分辨率大气探测,解决传统微波辐射计通道数少,频谱分辨率低的问题.该系统采用高性能模数转换器(Analog-to-Digital Converter,ADC)实现对模拟输入信号进行10Gsps采样,8bit量化,并基于高性能现场可编程门阵列(Field Programming Gate Array,FPGA)芯片获取输入信号的功率谱.文章详细介绍了宽带高速数字系统设计、器件选型和测试方法,给出了测试结果,分析表明硬件系统设计符合设计要求.

高光谱微波辐射计系统中2GHz带宽数字谱仪设计

高光谱微波辐射计是一种用于探测大气痕量气体的新型被动微波遥感器,数字谱仪是高光谱微波辐射计的核心部件.本文提出了一种新型宽带、实时数字谱仪的设计和实现方案,通过改进、结合快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform,FFT)的并行处理和复数处理,形成了核心的基16实时复数FFT算法,最终得到信号的功率谱结果.数字谱仪采样率4.8 GHz,采用8 bit量化,输入3 dB带宽2 GHz,实现了1 024(1k)个频谱通道的结果.本文利用大气辐射传输模拟器(Atmospheric Radiative Transfer Simulator,ARTS)模拟了真实大气亮温谱并进行了仿真分析,随后通过输入的点频信号进行了测试,结果表明,核心算法子带亮温偏差最大值为0.02 K左右,核心算法子带灵敏度与理想子带灵敏度相比恶化程度低于20%,数字谱仪的有效位数(Effective Number Of Bits,ENOB)优于3 bit,信噪比(Signal to Noise Ratio,SNR)优于20 dB,谱分辨率恒定为2.3 MHz,可以有效满足辐射计中高层大气谱线探测的需求.

太赫兹大气临边探测仪遥感中高层大气风仿真

太赫兹大气临边探测仪(TALIS)是中国正在预研的第一台THz频段的临边探测仪,主要用于高精度、高分辨率的大气遥感测量.TALIS的观测目标主要包括大气温度、大气压强、大气成分(例如H_(2)O,O_(3),HCl,ClO,N_(2)O,HNO_(3)等)的垂直分布以及长期变化趋势.由于TALIS的频段覆盖了许多重要的吸收谱线,其观测数据中包含大气风的多普勒信息,因此可以用于反演中高层风的廓线.本文针对TALIS视线多普勒风的观测进行仿真,利用辐射传输模型(ARTS)评估了TALIS测风的潜力和相应的反演精度.结果表明,TALIS的118 GHz谱仪具有较好的测量精度,在70 km处的精度为12 m·s^(-1).183 GHz,633 GHz和658 GHz谱仪也有一定的测量信息,反演精度分别为19 m·s^(-1)(60km),19 m·s^(-1)(50 km),16 m·s^(-1)(50km).TALIS有一个候选的测风谱仪位于655 GHz频段,其在55 km处的反演精度为11m·s^(-1).此外,虽然降低谱分辨率能有效提高系统灵敏度,但并不能提高反演精度,需要通过降低系统噪声来提高测风的精度.

基于GNSS掩星资料的风云卫星微波载荷产品质量验证与分析

聚焦新一代国产极轨气象卫星微波载荷和全球导航卫星系统(GNSS)掩星临边观测的探测机理,及其各自仪器的性能指标和在轨运行的特点,利用2019年1月1日到12月31日的全球数据,开展基于GNSS掩星资料的风云气象卫星微波观测亮温对比和反演廓线产品质量检验研究。在匹配数据时间分辨率为30 min和经纬度分辨率为0.5°的情况下,亮温偏差小于5 K,大气温湿度探测精度分别为1.92 K和22.8%,同时分析了2019年青藏高原地区大气温湿度的时空分布规律。结果表明:风云气象卫星微波辐射计具有全球全天候探测大气温湿度的功能,在近地面具有丰富的反演数据,而对于GNSS掩星探测资料,3 km以上探测精度优于微波湿度计,近地面数据较少,两者联合,既可以互相补充和验证,又能以青藏高原为例,分析长时间序列气象和气候数据,为后续的气候研究提供基础数据集。

中国自主木星冰卫星冰下液态海洋探测刍议

木星冰卫星(尤其是"木卫2")在整个太阳系中有非常独特的探测价值,也是当前国际深空探测最前沿、最受关注的领域之一。在对国外相关探测技术归纳总结的同时,结合木星冰卫星冰下海洋探测的若干科学问题,次表层模型、温度廓线及探测深度、电离层的影响等方面,提供了几种木星冰卫星冰下液态水海洋探测的新思路,并给出了一些初步的系统框架设计和次表层介电特性仿真分析等结果。通过对新方法、新模式的探索,有望对我国自主木星冰卫星的次表层液态海洋探测起到良好的借鉴作用。

蜂窝夹层板横向切应力研究

蜂窝夹层板的研究主要集中在等效模型的刚度等效研究上,而对于蜂窝板及等效模型的切应力研究相对较少。文中建立了蜂窝夹层板的有限元模型,研究了蒙皮厚度对蜂窝切应力的影响,当蒙皮厚度与蜂窝夹层板厚度之比较大时,忽略蒙皮切应力会使蜂窝芯子切应力偏大;研究了通过三明治夹芯板等效模型仿真得到的应力数据换算为蜂窝芯子切应力的方法;最后分析得到了不同约束条件下三明治夹芯板剪力的分布,并计算了切应力。

335 GHz非平衡式肖特基二极管三倍频器

基于混合集成的方式,采用对称锥形渐变线匹配结构设计了335 GHz非平衡式三倍频器。在保证单模传输的条件下,该匹配结构不仅能够固定二极管位置,而且可以增大匹配效果,解决了高频段倍频器3 dB带宽较窄的问题。实测结果表明,该倍频器在330~356 GHz频率范围内输出功率均大于5 mW。驱动功率为220 mW时,有最高输出功率11.2 mW,由它作为核心器件组成的固态太赫兹本振源,能够驱动超外差接收机中670 GHz二次谐波混频器。

基于尺寸渐变超表面宽带高增益低剖面天线

设计了一种基于尺寸渐变超表面的宽带高增益低剖面天线,该天线由双层超表面和一层微带缝隙组合而成。双层超表面由分别印刷在2个介质板上的尺寸渐变六边形阵列贴片组成,贴片之间存在非等距间隙。超表面单元尺寸渐变设计能够使天线产生多个邻近的谐振点,从而展宽带宽。通过改变超表面天线尺寸结构,分析天线的宽带辐射特性。为获得最佳宽带性能,采用遗传算法优化天线几何参数。制作并测试了一款边长为43.3 mm,厚度为4.853 mm的样本天线用于验证仿真结果。实测结果显示,该天线-10 dB阻抗带宽达到了54%(3.99~6.93 GHz),最高增益达到12.05 dB,在4~6 GHz范围内增益保持在8 dB以上。该天线实现了宽频带、高增益、低剖面的特点,适用于宽带高速率无线通信的诸多领域。

大型星载Ku波段波导缝隙阵列天线—宽频带设计及热变形分析

高度计波导缝隙阵列天线是高增益、低副瓣天线子系统,其宽频带、窄波束等特点对天线设计将提出较高要求.天线阵面较大,在空间环境冷热交替的作用下会发生形变,因此,有必要研究形变对天线电性能的影响.本文采用天线阵分区馈电、波导中心馈电以及加载元件等技术,解决了天线宽频带设计问题,并针对热变形问题,提出一种分析天线热变形对其电性能影响的新方法.现已加工出8×10阵列天线实验件,实测结果表明,1.3以下驻波带宽为340 MHz,E面副瓣电平为-25.9 dB,H面副瓣电平为-27.2 dB,满足实际要求,验证了设计方法的有效性.