微波遙感技術(shù)在對(duì)地觀測(cè)、大氣探測(cè)、天氣系統(tǒng)監(jiān)測(cè)與氣象災(zāi)害預(yù)警等方面發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。目前我國(guó)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(yùn)行模式的制約,其時(shí)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(jì)的空間分辨率相對(duì)較低,如果要達(dá)到幾十公里量級(jí)的空間分辨率,需要大口徑天線,給機(jī)械制造和在軌掃描帶來(lái)極大挑戰(zhàn)。微小衛(wèi)星星座是兼顧時(shí)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(jì)并組成星座的方式對(duì)大氣進(jìn)行探測(cè),可實(shí)現(xiàn)時(shí)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(duì)小型化微波輻射計(jì)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)、射頻前端的太赫茲頻率分離技術(shù)和基于自抗擾控制的天線掃描驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)展研究,進(jìn)行理論分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、仿真模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。主要研究?jī)?nèi)容如下:(1)提出針對(duì)微小衛(wèi)星平臺(tái)的小型化微波輻射計(jì)系統(tǒng)方案。開(kāi)展了微波輻射計(jì)頻率通道選擇、指標(biāo)論證和頂層方案設(shè)計(jì)研究,詳細(xì)分析了射頻前端的頻率分離方案、對(duì)地成像觀測(cè)幾何和天線掃描模式。小型化微波輻射計(jì)包括四個(gè)探測(cè)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(gè)探測(cè)通道。四個(gè)探測(cè)頻率采用多頻段共饋源、共用偏饋拋物面天線技術(shù)。單通道窗區(qū)探測(cè)頻率接收機(jī)采用直接檢波體制,水汽和氧氣吸收峰探測(cè)頻率接收機(jī)采用超外差混頻體制。采用極化分離器和波導(dǎo)雙工器實(shí)現(xiàn)射頻的頻率分離。該設(shè)計(jì)方案比國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的同類型微波輻射計(jì)在體積、重量、功耗上都更有優(yōu)勢(shì),更適合搭載在微小衛(wèi)星平臺(tái)。(2)開(kāi)展了太赫茲頻段的頻率分離技術(shù)研究,在國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了89/118GHz和166/183GHz雙工器的設(shè)計(jì)、加工與測(cè)試。采用網(wǎng)絡(luò)綜合法和模式匹配法對(duì)雙工器進(jìn)行仿真設(shè)計(jì),并利用HFSS軟件對(duì)兩個(gè)波導(dǎo)雙工器模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證。從機(jī)械加工的角度,對(duì)166/183GHz雙工器進(jìn)行表面材質(zhì)、電感膜片厚度、電感膜片陡直度以及尺寸靈敏度分析。從測(cè)試的角度,采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和頻率拓展模塊對(duì)兩個(gè)雙工器進(jìn)行驗(yàn)證。經(jīng)測(cè)試,兩個(gè)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(dá)到25dB以上。測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合,證明了雙工器設(shè)計(jì)方法的可行性。(3)開(kāi)展了微波輻射計(jì)天線掃描機(jī)構(gòu)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(shí)現(xiàn)方案,提高了伺服系統(tǒng)的魯棒性。通過(guò)對(duì)永磁同步電機(jī)d-q軸數(shù)學(xué)模型以及矢量控制策略的分析,設(shè)計(jì)了電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)的PI(Proportional-Integral,PI)控制器,并對(duì)勻速掃描、變速掃描和定點(diǎn)觀測(cè)三種工作模式進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。從仿真結(jié)果可知,對(duì)于定點(diǎn)觀測(cè)模式,可以實(shí)現(xiàn)無(wú)超調(diào)、無(wú)靜差控制。對(duì)于勻速和變速模式,系統(tǒng)的過(guò)渡時(shí)間較短、超調(diào)小,但是當(dāng)系統(tǒng)突加擾動(dòng)時(shí),速度的干擾大并且需要較長(zhǎng)的時(shí)間才能恢復(fù)到原始狀態(tài)。針對(duì)PI控制抗干擾能力差的缺點(diǎn),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(duì)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(yīng)特性進(jìn)行仿真對(duì)比。結(jié)果表明當(dāng)系統(tǒng)存在擾動(dòng)時(shí),二階速度自抗擾控制系統(tǒng)的超調(diào)量最小以及恢復(fù)時(shí)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(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)的硬件平臺(tái),完成了永磁同步電機(jī)的控制算法、信號(hào)接口模塊的軟件設(shè)計(jì)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)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(yīng)特性,在階躍響應(yīng)特性、變速響應(yīng)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(duì)地觀測(cè)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(diǎn)觀測(cè)模式的定位精度≤0.00206o,三種掃描模式都具有良好的動(dòng)靜態(tài)特性以及很高的控制精度。
【學(xué)位單位】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TP722.6;P407.7
【部分圖文】：

6圖 1.1 RACE 輻射計(jì)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(jì)(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(jì)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(xué)研制的 6U 立方體衛(wèi)星 TEMPEST功發(fā)射。該衛(wèi)星的主要任務(wù)是驗(yàn)證 5 頻率(89GHz、165GHz、176GHz、180G 182GHz)的毫米波輻射計(jì)的可行性，以便減少未來(lái) 5 顆用于觀測(cè)全球降水時(shí)
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本文編號(hào)：2878456