微波遙感技術在對地觀測、大氣探測、天氣系統(tǒng)監(jiān)測與氣象災害預警等方面發(fā)揮著越來越重要的作用。目前我國氣象衛(wèi)星主要包括極軌氣象衛(wèi)星和靜止軌道氣象衛(wèi)星。極軌氣象衛(wèi)星受到運行模式的制約,其時間分辨率不高。而靜止軌道氣象衛(wèi)星由于軌道高度高,微波輻射計的空間分辨率相對較低,如果要達到幾十公里量級的空間分辨率,需要大口徑天線,給機械制造和在軌掃描帶來極大挑戰(zhàn)。微小衛(wèi)星星座是兼顧時間分辨率和空間分辨率的有效手段。論文基于微小衛(wèi)星搭載微波輻射計并組成星座的方式對大氣進行探測,可實現(xiàn)時間分辨率30分鐘和空間分辨率15千米的期望。本論文主要對小型化微波輻射計系統(tǒng)方案設計、射頻前端的太赫茲頻率分離技術和基于自抗擾控制的天線掃描驅動伺服系統(tǒng)三個關鍵技術開展研究,進行理論分析、系統(tǒng)設計、仿真模擬和實驗驗證。主要研究內容如下:(1)提出針對微小衛(wèi)星平臺的小型化微波輻射計系統(tǒng)方案。開展了微波輻射計頻率通道選擇、指標論證和頂層方案設計研究,詳細分析了射頻前端的頻率分離方案、對地成像觀測幾何和天線掃描模式。小型化微波輻射計包括四個探測頻率:89GHz(窗區(qū)頻率,單通道)、118GHz(氧氣吸收頻率,五通道)、166GHz(窗區(qū)頻率,單通道)和183GHz(水汽吸收頻率,三通道),一共十個探測通道。四個探測頻率采用多頻段共饋源、共用偏饋拋物面天線技術。單通道窗區(qū)探測頻率接收機采用直接檢波體制,水汽和氧氣吸收峰探測頻率接收機采用超外差混頻體制。采用極化分離器和波導雙工器實現(xiàn)射頻的頻率分離。該設計方案比國內現(xiàn)有的同類型微波輻射計在體積、重量、功耗上都更有優(yōu)勢,更適合搭載在微小衛(wèi)星平臺。(2)開展了太赫茲頻段的頻率分離技術研究,在國內首次實現(xiàn)了89/118GHz和166/183GHz雙工器的設計、加工與測試。采用網絡綜合法和模式匹配法對雙工器進行仿真設計,并利用HFSS軟件對兩個波導雙工器模型進行仿真驗證。從機械加工的角度,對166/183GHz雙工器進行表面材質、電感膜片厚度、電感膜片陡直度以及尺寸靈敏度分析。從測試的角度,采用矢量網絡分析儀和頻率拓展模塊對兩個雙工器進行驗證。經測試,兩個雙工器的插入損耗都小于1.5dB,輸入端口的回波損耗大于15dB,帶外抑制也達到25dB以上。測試結果與仿真結果基本吻合,證明了雙工器設計方法的可行性。(3)開展了微波輻射計天線掃描機構伺服系統(tǒng)多掃描模式控制算法研究,提出了將二階速度自抗擾控制器引入掃描控制的實現(xiàn)方案,提高了伺服系統(tǒng)的魯棒性。通過對永磁同步電機d-q軸數(shù)學模型以及矢量控制策略的分析,設計了電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)的PI(Proportional-Integral,PI)控制器,并對勻速掃描、變速掃描和定點觀測三種工作模式進行了仿真驗證。從仿真結果可知,對于定點觀測模式,可以實現(xiàn)無超調、無靜差控制。對于勻速和變速模式,系統(tǒng)的過渡時間較短、超調小,但是當系統(tǒng)突加擾動時,速度的干擾大并且需要較長的時間才能恢復到原始狀態(tài)。針對PI控制抗干擾能力差的缺點,將二階速度自抗擾控制器引入勻速和變速掃描控制中,并對二階速度自抗擾控制器、二階速度線性自抗擾控制器和PI控制的響應特性進行仿真對比。結果表明當系統(tǒng)存在擾動時,二階速度自抗擾控制系統(tǒng)的超調量最小以及恢復時間最短,具有很好的魯棒性和抗擾能力。(4)搭建了天線掃描驅動伺服系統(tǒng)的硬件平臺,完成了永磁同步電機的控制算法、信號接口模塊的軟件設計。通過實驗對比了勻速和變速模式下二階速度自抗擾控制器和PI控制器的響應特性,在階躍響應特性、變速響應特性、穩(wěn)態(tài)性能以及抗擾能力等方面,二階速度自抗擾控制器都具有良好的控制性能。勻速模式的控制精度為1.78%,變速模式對地觀測階段的控制精度為3.5%,并且兩種掃描模式的掃描周期誤差都小于等于1ms,定點觀測模式的定位精度≤0.00206o,三種掃描模式都具有良好的動靜態(tài)特性以及很高的控制精度。
【學位單位】：中國科學院大學(中國科學院國家空間科學中心)
【學位級別】：博士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TP722.6;P407.7
【部分圖文】：

6圖 1.1 RACE 輻射計有效載荷示意圖Figure 1.1 Schematic view of the RACE radiometer payload

圖 1.2 納衛(wèi)星 MicroMAS 概念圖Figure 1.2 Notional view of the MicroMAS nanosatellite017 年 11 月，由麻省理工研制的 3U 立方體衛(wèi)星 MiRaTA 發(fā)射升空三頻段微波輻射計(Microwave Radiometer, MWR)，如圖 1.3 所示，2～58GHz，175～191GHz 和 206～208GHz[45]

圖 1.3 MiRaTA 微波輻射計組成部件示意圖Figure 1.3 Illustration of the MiRaTA MWR instrument components2018 年 5 月 21 日，由科羅拉多州立大學研制的 6U 立方體衛(wèi)星 TEMPEST功發(fā)射。該衛(wèi)星的主要任務是驗證 5 頻率(89GHz、165GHz、176GHz、180G 182GHz)的毫米波輻射計的可行性，以便減少未來 5 顆用于觀測全球降水時
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本文編號：2878456