用于静止气象卫星的亚毫米波探测器初探.pdf

2 O 0 3年第 3 期 空间电子技术 用于静止气象卫星的亚毫米波探测器初探 陈文新(西安空 间无线 电技术研究所，西安 7 1 0 0 0 0 摘要 星载微 波遥感 已发展 成为观测大气与地球表面的重要手段。文中叙述 了静止轨 道 气象卫星上装载使 用亚毫米波探测 器的必要性，提 出了静止 气象卫重 亚毫米波探测 器的 系统参数要求，讨论了系统初步方案和关键技术。主题词静止气象卫星微波遥感微波辐射计 1 前 言 随着计算机技术的飞速发展，高分辨率数值预报(N WP)模式和短时预报迅速发展，从而使天气预 报和灾害性天气预测 的准确度大为提高。为了使 高分辨率数值预报充分发挥作用，必须借助于卫星 观测 网来提供相适应 的高分辨率的时间和空 间观测资料。与极轨气象卫星相比，静止气象卫星具有实时获取某一固定区域高分辨率时间和空间观测资料 的能力，因而可用于观测各种气象要素的时间和空间的变化，从而达到监测大、小尺度 的天气演变过 程的 目的。利用静止气象卫星对大气探测具有十分重要的意义。静止气象卫星可对短时间尺度天气 系统，特别是强对流天气，例如强热带风暴、暴雨等灾害性天气状况进行动态 的实时的观测，这是其它 探测手段所不能代替的。为了满足 N WP模式和短时预报的要求，必须探测大气的温度和湿度的垂直分布。V A S是第一个 搭载在静止卫 星(G O E S一5和 6)上的垂直探测器。它由 1 2 个红外探测通道组成，可提供 同一地区上 空的大气温度和湿度垂直分布及 图像资料，这些资料对于中、小尺度的天气分析和预报尤其重要。然 而，V A S不能提供云区的大气温度和湿度垂直分布的连续资料，而这些资料对于预报来说是非常重要 的。V A S的经验表明，如果 只有红外探测通道，就不可能提供诸如锋面结构、气旋生成、强对 流等天气 现象的信息，而微波探测通道可 以深入观测云层 内部气象条件 的变化_ 2 J。极轨气象卫星观测资料 的应用表 明，红外和微波通道 的组合有助于解决云 区的探测 问题。T O V S 是 T I R O S N N O A A极轨气象 卫星上 的垂 直探测器。它 由 3个仪 器组成：(1)高分 辨率红外探 测仪(HI R S 2)，由 1 9 个 红外通道和 1 个可见光通道组成；(2)微波探测仪(M S U)，由4个微波通道组成；(3)平流层探测仪(s s u)，由 3个红外通道组成。H I R S 2和 M S U通道的结合，在某种程度上说，可 以提供 晴空区和有云 区大气温、湿垂直结构_ 2 J。实践证明，MS U在 T O V S资料处理中起着重要 的作用。在新 一代静止气象卫星上可 以同时搭载微波辐射计和红外辐射计来提 高观测 的有效性 和全面性，特别加 强台风等强对流天气现象 的预报。2 亚毫米波探测器 系统参数的考虑 2 1 接收频率 对于静止气象卫星来说，首先接收频率的选择必须满足温度和湿度探测 以及成像 的需要，同时为 收稿 日期：2 O O 30 61 6 维普资讯 http:/ 空 间电子技术 2 0 03年第 3期 了保证较高的空间分辨率，减小天线的孔径，接收频率需选择高频段。对于 1 G H z 1 0 0 0 G H z 频段 的微波，大气主要吸收气体是水气(I-I 2 O)和氧所(o 2)，通过对氧气吸收 谱线 的测量，可以反演大气温度的垂直分布廓线；通过对水汽 吸收谱线 的测量，可 以反演大气湿度的 垂直分布廓线。图 1 是微波 5 0 G H z 6 0 0 G H z 频段的水汽和氧气的吸收谱线，有 3 条较强的氧气吸收 线，分别在 5 7 2 9 G H z、1 1 8 7 5 G H z和 4 2 4 7 6 G H z，有 1 8 3 3 1 G H z和 3 8 0 2 0 G H z 两条较强的水汽吸收线。另外，8 9 G H z、1 1 0 G H z、1 5 0 G H z、2 2 0 G H z 和 3 4 0 G H z 等是较理想的窗区通道，可用于对地表降水和水汽含 量 的探测 1 l。矗 邑 额率(GHz)图 1 微 波 5 0 G H z 6 0 0 G H z 频段 的水汽和氧 气的吸收谱 线 根据不同吸收谱线的权函数分布情况，初步确定的静止气象卫星微波辐射计接收通道的中心频 率、接收带宽和探测用途如表 1 所示。表 1 静止气 象卫星微 波辐 射计的接 收通道 中心频 率 通道频 率偏移 通道 带宽 通道序 号 探 测 用途(G H z)(G H z)(G H z)1 3 4 0 0 8 0 窗区 2 3 8 0 1 9 7 0 8 5 0 7 水汽垂 直分布 3 1 8 0 1 2 水汽垂 直分布 4 3 3 5 1 9 水汽 垂直分布 5 6 1 5 3 7 水 汽垂直分布 6 4 2 4 7 6 3 0 1 6 0 1 0 垂 直温度分布 7 0 2 8 5 0 1 5 垂 直温度分布 8 0 5 3 5 0 2 1 垂直温度分布 9 0 8 4 0 0 4 垂直温度分 布 1 0 1 4 8 0 0 6 4 垂直温度分 布 l 1 2 3 1 0 垂直温度 分布 1 2 4 0 2 0 垂直 温度 和水汽分 布 维普资讯 http:/ 2 0 0 3 年第 3 期 陈文新：用于静止气象卫星的亚毫米波探测器初探 3 1 3 8 0 G H z 通道的权 函数如图 2(a)所示，4 2 4 G H z 通道的权 函数如图 2(b)所示。E E E 、-一 懋(a)水 汽含量权 函数 图 (b)压强权 函数 图 图 2权 函数 图 2 2 测温灵敏度和测温精度 从对微波大气探测器 M S U和 A M S U的资料处理结果来看，微波辐射计 现有 的技术指标 能够满足 反演的要求。因此，为 了不使设备研制的难度过大，不宜对测温灵敏度和测温精度做过高要求，可维 持现有仪器水平，测温灵敏度指标为：O 5 1 5 K，测温精度指标为：1 0 2 O K。2 3 星下点水平分辨率 星下点水平分辨率与工作频率和天线孔径密切相关，如式(1)所示：R=(1)式 中：R，星下水平分辨率(k m)；日，卫星轨道高度(k m)，静止轨道卫星 H=3 5 8 0 0公里；厂，工作频率()；D，天线 口径(m)；k，系数，取决于天线口面上场的分布，为保证主波束效率，k=0 3 7。从数值天气预报对测量的要求来说，地面分辨率应优于 7 5 k m，天线 口径的确定取决于运载能力 和技术上的可行性。对于 O 7 m口径 的天线，各频段星下点水平分辨率初步计算如表 2所示。表 2 星 下点水平分 辨率 通道频 率(G H z)3 4 0 3 8 0 4 2 4 星 下点水平分辨 率(k m)5 5 6 4 9 8 4 4 6 _ 2 4 微波辐射计的主要系统指标 综上所述，静止气象卫星的亚毫米波探测器的主要技术参数如下：工作频段 3 4 0 G H z 4 2 4 G H z 通道数 l 2 测温灵敏度0 51 5 K 测温精度 1 02 O K 地面分辨率9 5 观测周期 可以进行全圆盘扫描，也可以进行局部扫描。维普资讯 http:/ 3 2 空间电子技术 2 0 0 3 年第3期 3 系统技术方案和关键技术 3 1 系统方案 静止气象卫星亚毫米波探测器的系统方案要点主要有：a 采用周期定标的全功率型接收机；b 多频 多极化共用天线；C 机械二维扫描天线系统；d 馈源 口面端到端定标。亚毫米波探测器由天线和扫描子系统、接收机子系统、信息处理子系统、系统控制和配电单元、热 辐射定标源等构成。3 2天线和伺服子 系统 由于静止卫星的轨道相当高，为了保证一定 的空间分辨率，天线尺寸 比较 大，不可能同时装备几 副天线，同时微波辐射计的工作频段为 3 4 0 G H z 4 2 4 G H z，因此必须进行多频多极化共用天线设计。在毫米波 系统中通常使用波导及波导元件，而在亚毫米波频段，波导的传输损耗和连接损耗都很 大，采用波导型耦合器不能满足多频段 信号分离的需要。在亚毫米波频段将采用毫米波准光学设计 方法，基于准光学棱镜技术进行频谱 的分离，降低不同频段信号分离的损耗，实现多频多极化接收。天线 系统采用多反射面设计，主反射面是大 口径卡塞格林反射面，次反射面是一个小反射面，此 反射面可以移动，以适应小波束局部扫描。主反射面扫描慢，次反射 面扫描较快，共 同完成大 区域扫 描。第三个反射面位于主反射面的后面，可以扫描，以使馈 源能够看到次反射面和两个定标源(热辐 射定标源和冷空间)，实现在轨端到端定标。由于亚毫米波 的波长很短，天线部件的热变形和受力变形将对天线 的性能产生很大的影响，同时 天线反射面需要有很高的形 面精度。为了保证天线反射 面的性能，反射面采用光学材料制造，如碳化 硅材料。天线和伺服子系统的关键技术有：亚毫米波天线准光学设计技术，多反射 面组合天线设计技术，准光学频率分离技术，高精度轻量化天线制造和装配技术，精密二维扫描伺服技术。3 3 接收机子 系统 微波辐射计接收机子系统采用周期定标全功率型接收机。由于亚毫米波频段没有低噪声放大器 可用，采用直接混频双边带接收方式。低噪声接收机 由低噪声高频前端和高稳定性 中低频接收机组 成，其中低噪声 高频前端 由亚毫米波低 噪声混频器和亚毫米波高稳振荡器组成，中低频通道 由中放、检波、低放、积分 以及数据采集等组成。采用周期定标方式来 消除系统长期工作的慢漂移所引起的测 量误差，提高绝对测量精度。混频器的噪声系数是制约亚毫米波探测器测温灵敏度指标的重要因素。混频器采用角方混频器 结构(C o me r C u b e Mi x e r)，混频 管采用低 容值 的 肖特基 势垒二极管。角方混频 器的结构 相对 比较简 单，适于与准光学天线系统配合使用。接收机子系统的关键技术主要有：低噪声接收机 的设计和制造技术，低 噪声混频器技术，亚毫米 波本振技术等。3 4 定标技术 采用周期定标方式 以消除系统长期工作的慢漂移所引起的测量误差是必要 的。采用馈源 口面的 端到端的二点定标，低 温端是宇宙冷空辐射，辐射亮温度约为 2 7 K；高温端采用研制的热辐射源，辐 射亮温度约为 3 3 0 K。在 系统设计时，要尽可能缩短定标 的周期，以提高测量精度。热辐射源 由尖劈阵组成，其上涂敷高衰减微波吸收材料，依靠微波吸收材料与尖劈几何形状的共 维普资讯 http:/ 2 0 0 3年第 3期 陈文新：用于静止气象卫星的亚毫米波探测器初探 同作用达到近似黑体的辐射率。采用多点加权测温方案提高物理 温度 的测量精度，获得高精度 的辐 射亮温度。主要关键技术有：亚毫米波吸波材料的研制和涂敷工艺研究，高精度 的测试测量和控制技术。4 结束语 静止气象卫星的微波辐射计使用亚毫米波探测频率，可以有效地提高地面分辨率，大大降低天线 的 口径，完成大气垂直温度分布和垂直湿度分布的测量，实 现全天候探测，以及实现对灾害性天气 的 连续观测，可以大大提高卫星的探测功能。需要解决天线和扫描子 系统、接收机子系统和定标子系统 三个方面的关键技术，研制技术难度较大。建议尽早开展关键技术研究，加大投入，完成静止气象卫 星微波辐射计的研制，投入星载应用，为中长期数值天气预报服务。参考文献 1 陈洪滨 利 用高频微波被 动遥感探 测大 气 遥感技 术与应 用 V o 1 1 4，N o 2，J u n 1 9 9 9 2 张文健，黎光清 “风云四号”微波成像探测仪应用需求初步分析 2 0 0 0 作者简介 陈文新1 9 6 9年生，1 9 9 1 年毕业于西安 交通 大学半 导体物 理专业，1 9 9 4年获西安 交通 大学系统 工程专业硕士学位，高级工程师。目前主要从事微波遥感技术研究。(上接 第 8页)地基反卫星激光武器用 以毁灭敌方低轨道卫星，致盲或摧毁敌方军用卫星；战术防空用的车载和舰截激光武器用 以拦截大量入侵 的精确制导武器，用 以保 护舰船、机场、指 挥中心和作 战部队等重要的小型 目标；战区机载激光武器主要用 于防御射程 5 0 0 k in1 0 0 0 k in的来袭 导弹对 战区的攻击，对战区来袭 的 导弹进行助推段 的拦截；天基战略防御激光武器是把激光器和跟踪 瞄准 系统集成到卫星平 台上，构成部署在空间轨道上 的天基激光武器，其有效射程达 4 0 0 0 k in5 0 0 0 k in，在空间部署 由 2 4个卫 星平 台构成的星座，实现连 续 的全球覆盖，可用 于拦截全球范围内的携带核、生化弹头的弹道导弹，以及遏制战略导弹的威胁，或 者用于攻击敌方在轨 的军用卫星。综上所述，在 2 l 世纪初期，在制定我国的空间战略 防御计划时，应吸取前 苏联 战略思维僵化、错 判 国际形势、上 了美国“星球大战”的当、军费开支过大、造成 国力衰退 而解体 的教训；对美 国的 N MD 和 T MD计划要有清醒 的认识；认清我国是发展 中国家 的现实，把握好 分寸和力度，量力而行，有所为 有所不为。抓住 2 1 世纪初期二十年 的机遇期，迎接世界新军事变革的挑战，建议研制一种实战 的、具 有威慑力的空间防御系统，例如研发我国的反导和反卫星武器，研制发射导弹预警卫星，提高我国战 略导弹的突防能力，开展多弹头技术研究和试验，增强战略威慑力量，使之成为真正的“杀手锏”。参考文献(略)作者简介 王明远1 9 4 2年生，1 9 6 5年毕业 于中国科 学技 术大学无线电电子学 系，研 究员。现主要 从事空 间遥感数据传输 与处理方 面的研究。维普资讯 http:/