發(fā)布時間：2017-10-16 01:33

  本文關(guān)鍵詞：機載雙天線大氣過冷水探測毫米波輻射計的研制

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【摘要】：微波輻射計是高靈敏度噪聲接收機，通過接收被探測目標的微波輻射信息，并進行有效的反演能夠獲取相應(yīng)的物理特性。近幾十年來，微波輻射計已被廣泛地應(yīng)用于陸地、海洋、大氣遙感并拓展至軍事、醫(yī)療、安全檢測等眾多領(lǐng)域。 云液態(tài)含水量是一個極為重要的云物理參數(shù)，而云中過冷水含量則是人工影響天氣領(lǐng)域中受到特別關(guān)注的物理量。目前由于測量手段不多，已有的儀器又各有其局限，結(jié)果造成云液態(tài)水和過冷水含量定量資料十分缺乏。在已有的探測手段中，地基（地對空）微波輻射計以其高時間分辨率、高探測精度、可無人值守連續(xù)工作、在一定條件下可以從混合相態(tài)的云中探測出過冷液水含量等一系列特點，在中小尺度和人工增雨領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，成為一種新型的測量云液水的工具。但是，，地基儀器難以快速移動，限制了它的探測范圍，難以滿足中小尺度研究的需要。相較于地基微波輻射計，機載微波輻射計不僅繼承了前者的高時間分辨率、高探測精度、可自動連續(xù)工作等一系列優(yōu)點，更能夠直接飛入目標區(qū)域進行探測，極大地擴展了探測的范圍及靈活性，是近年來的研究熱點。 研制機載對空毫米波輻射計時，首先遇到的挑戰(zhàn)是微弱信號的測量問題：儀器在幾公里的高度上接收到的冷空背景向下的輻射亮溫，要比在地面接收到的更低，有時可能只有幾K(開爾文)。因此，機載對空探測對儀器測量微弱信號的能力要求特別高，制造這種儀器至今仍是國內(nèi)外技術(shù)上的難點。 論文在中國科學(xué)院知識創(chuàng)新工程重要方向項目“航空多頻被動微波遙感器的集成與升級”（KZCX2-YW-JS30）資助下，以及中國科學(xué)院大氣物理研究所和吉林省人工影響天氣辦公室的協(xié)助下展開研究工作，完成的主要工作如下： 1.在深入分析已有多種型式微波輻射計工作原理的基礎(chǔ)上，采用了基于軟件補償算法的數(shù)字增益自動補償技術(shù)方案，有效消除了系統(tǒng)增益波動帶來的不利影響。同時，為了實現(xiàn)在冷空背景下檢測出過冷水亮溫的變化小量，提出并采用了噪聲注入技術(shù)。將固態(tài)噪聲源產(chǎn)生的部分噪聲信號直接耦合到天線端，適當?shù)靥岣吡私邮招盘柕膹姸取?2.依據(jù)層析法反演高空云液水二維或三維空間分布的原理，提出了雙天線觀測體制，即由兩個成固定夾角的介質(zhì)透鏡天線組成了輻射計的天線系統(tǒng)。并通過仿真實驗對兩個天線的觀測仰角進行了優(yōu)化，優(yōu)化后的角度分別為(30,90)。 3.在進行機載遙感觀測時，機箱內(nèi)的物理溫度從地面的高溫快速變化到高空的低溫。針對這一溫度條件的變化，提出了對微波輻射計探測數(shù)據(jù)進行單點和多點環(huán)境溫度變化修正方法。利用最小二乘回歸法建立接收機內(nèi)各溫度敏感元件的物理溫度與測量誤差之間的關(guān)系，在兩點定標方程表達式基礎(chǔ)上獲得雙天線的溫度修正方程，有效減小了由于輻射計工作環(huán)境溫度變化引起的器件性能漂移所導(dǎo)致的測量誤差。 4.在上述工作的基礎(chǔ)上，成功研制出一臺機載雙天線大氣過冷水探測毫米波輻射計，其工作中心頻率為31.65GHz，靈敏度優(yōu)于0.2K，線性度優(yōu)于0.9995，亮度溫度測量范圍10～350K，系統(tǒng)穩(wěn)定性優(yōu)于1.5K，天線波束角4.2，工作環(huán)境溫度-20～+50℃。 論文的研究工作為云中液態(tài)水和過冷水含量定量測量提供了新的技術(shù)手段和設(shè)備，將提高人工增雨作業(yè)的效率和有效性，更好地服務(wù)于大氣科學(xué)研究和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。
【關(guān)鍵詞】：機載雙天線輻射計 毫米波 大氣過冷水探測 自動增益補償 溫度修正 噪聲耦合
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TH765.6
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 緒論11-21
• 1.1 機載雙天線輻射計的研究背景及意義11-14
• 1.2 微波輻射計的發(fā)展歷程14-17
• 1.3 論文主要研究內(nèi)容與結(jié)構(gòu)安排17-21
• 第2章 微波輻射計的基本原理與技術(shù)發(fā)展21-49
• 2.1 黑體輻射理論21-28
• 2.1.1 Planck 黑體輻射定律21-22
• 2.1.2 Wien 輻射定律22
• 2.1.3 Rayleigh-Jeans 定律22-23
• 2.1.4 亮度溫度23-24
• 2.1.5 溫度與功率的關(guān)系24-28
• 2.2 機載微波輻射計遙感方程28-29
• 2.3 全功率微波輻射計29-31
• 2.4 Dicke 微波輻射計31-33
• 2.5 零平衡 Dicke 微波輻射計33-38
• 2.5.1 參考通道控制法33-34
• 2.5.2 天線通道噪聲注入法34-35
• 2.5.3 脈沖噪聲注入法35-38
• 2.6 雙參考溫度微波輻射計38-41
• 2.7 Graham 型接收機41-42
• 2.8 相關(guān)微波輻射計42-43
• 2.9 數(shù)字增益自動補償輻射計43-44
• 2.10 實時定標微波輻射計44-46
• 2.11 小結(jié)46-49
• 第3章 機載雙天線毫米波輻射計硬件設(shè)計49-75
• 3.1 引言49-51
• 3.2 雙天線夾角的優(yōu)化設(shè)計51-54
• 3.3 輻射計系統(tǒng)組成及技術(shù)指標54-56
• 3.4 輻射計天線饋源設(shè)計56-59
• 3.5 輻射計射頻前端參數(shù)59-60
• 3.6 中頻放大器的設(shè)計60-61
• 3.7 平方律檢波器的設(shè)計61-62
• 3.8 低頻放大器和積分器設(shè)計62-64
• 3.9 數(shù)字電路單元主控電路設(shè)計64-66
• 3.10 噪聲耦合技術(shù)研究及輻射計微波網(wǎng)絡(luò)傳輸模型66-73
• 3.11 供電單元設(shè)計73-74
• 3.12 小結(jié)74-75
• 第4章 機載輻射計軟件設(shè)計及性能分析75-89
• 4.1 引言75-76
• 4.2 主控單片機程序設(shè)計76-79
• 4.3 上位機程序設(shè)計79-80
• 4.4 輻射計系統(tǒng)參數(shù)及性能測試80-87
• 4.4.1 輻射計接收機噪聲系數(shù)測試80-81
• 4.4.2 接收機帶寬測試81
• 4.4.3 接收機工作頻率測試81-82
• 4.4.4 接收機線性度測量82-84
• 4.4.5 接收機靈敏度測量84-86
• 4.4.6 接收機穩(wěn)定性測量86-87
• 4.5 小結(jié)87-89
• 第5章 機載微波輻射計溫度修正方法研究89-103
• 5.1 引言89
• 5.2 單點溫度修正方法及戶外溫度實驗89-95
• 5.2.1 單點溫度修正方法89-92
• 5.2.2 單點溫度修正方法戶外溫度實驗92-95
• 5.3 多點溫度修正方法及戶外溫度實驗95-102
• 5.3.1 多點溫度修正方法95-98
• 5.3.2 多點溫度修正方法戶外溫度實驗98-102
• 5.4 小結(jié)102-103
• 第6章 機載雙天線毫米波輻射計大氣過冷水探測實驗103-111
• 6.1 輻射計系統(tǒng)氣象定標103-105
• 6.2 車載大氣過冷水探測實驗105-106
• 6.3 機載大氣過冷水探測實驗106-109
• 6.4 小結(jié)109-111
• 第7章 總結(jié)和展望111-113
• 7.1 主要研究成果111-112
• 7.2 未來工作展望112-113
• 參考文獻113-122
• 作者簡介及科研成果122-124
• 致謝124

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