[發明專利]一種用于毫米波和亞毫米波的雙模輻射計系統

有效

• 申請號: 201110163880.0
• 申請日: 2011-06-17
• 公開（公告）號: CN102253387A
• 公開（公告）日: 2011-11-23
• 發明（設計）人: 吳季;劉浩;張成;張升偉
• 申請（專利權）人: 中國科學院空間科學與應用研究中心
• 主分類號: G01S13/90
• 分類號: G01S13/90;G01S7/02;G01S13/95
• 代理公司: 北京法思騰知識產權代理有限公司 11318
• 代理人: 楊小蓉;高宇

技術領域

本發明主要涉及航天遙感領域內的被動微波成像儀，尤其涉及一種利用干涉式綜合孔徑成像技術與大口徑真實孔徑成像相結合來實現寬頻帶高分辨率地球同步軌道對地觀測的輻射計系統，即一種用于毫米波和亞毫米波的雙模輻射計系統。

背景技術

目前靜止軌道氣象衛星主要采用紅外和可見光探測技術。與紅外和可見光不同，毫米波/亞毫米波對云雨大氣有一定的穿透作用，云雨大氣會通過吸收、發射和散射作用對微波輻射的傳輸產生影響，這與大氣的熱力結構和微物理特性有關，因此可以通過毫米波/亞毫米波探測反演出云雨大氣的熱力結構和微物理特性。在靜止平臺上搭載微波大氣遙感儀器將在提高觀測頻次的同時，提高氣象衛星對云雨大氣的探測能力，在靜止軌道上實現對大氣溫度/濕度廓線，以及強降水等災害性天氣的全天候、全天時連續監測，提高氣象預報的準確性和時效性，具有非常重要的意義。因此，世界氣象衛星大國都提出了在靜止軌道氣象衛星上實現毫米波、亞毫米波輻射探測的明確需求，我國氣象衛星發展規劃也將發展以毫米波/亞毫米波探測成像儀為主要有效載荷的風云四號地球同步軌道氣象衛星。

目前國際上對地球靜止軌道毫米波輻射計的實現方案主要有以下兩條技術途徑：

其一是將極軌氣象衛星所采用的傳統的單天線機械掃描毫米波、亞毫米波輻射計應用到地球靜止軌道，典型代表是美國提出的靜止軌道微波輻射計(GEM)和歐洲提出的靜止軌道毫米波/亞毫米波探測儀(GOMAS)(B?Bizzarri，A?Gasiewsk，and?D?staelin，Observing?Rain?by?Millimetre-Submillimetre?Wave?Sounding?from?Geostationary?Orbit，Measuring?Precipitation?from?Space：EURAINSAT?and?Beyond，2007，Volume?28，Section?8，pp.675-692)。該方案的主要技術難度在于大口徑反射面天線的研制、運載及機械掃描，其主要優點是便于實現多頻聯合觀測，適用于頻率較高的短毫米波和亞毫米波段(100GHz以上頻率)；

其二是采用干涉式綜合孔徑成像技術，將天線接收口面有效稀疏為多個小口徑的單元天線。典型代表是美國提出的靜止軌道稀疏綜合孔徑輻射計(GeoSTAR)(B.H.Lambrigtsen，S.T.Brown，et?al.“GeoSTAR：a?geostationary?microwave?sounder?for?the?future”，Proceedings?of?SPIE，Vol.6677，2007，pp.66771B)及歐洲提出的靜止軌道大氣探測儀(GAS)(J.Christensen，A.Carlstrom，et?al.“GAS：the?Geostationary?Atmospheric?Sounder”，Proceeding?ofIGARSS，2007，pp.223-226)。該方案的主要技術難度在于所需的單元天線/接收機數目過于龐大，系統復雜，保持各單元天線/接收機之間的一致性難度高，定標困難。其主要優點是能夠在較低的頻率(如50～56GHz)實現較高的分辨率。

由于大氣中水汽和氧氣的吸收譜線跨度很大(從50GHz到425GHz)，因此大氣探測需要覆蓋很寬的探測頻段，同時大氣探測還需要滿足一定的空間分辨率，這給同步軌道輻射計系統提出了很高的要求。根據大氣探測的需求，美國國家海洋大氣局(NOAA)及歐洲航天局(ESA)對上述兩種技術途徑均開展了詳細的前期論證及預研工作，但由于兩種體制各自固定的優缺點使得難以在兩者之間進行取舍，對兩種方案的選擇至今仍然在爭議中搖擺不定。例如，要實現全波段的地球同步軌道大氣成像探測，則至少要在氧氣的53GHz和118GHz以及水汽的183GHz和380GHz四個頻道內實現優于50Km空間分辨率的成像探測。此時，如果采用真實孔徑輻射計系統，則需要直徑為5米的反射面天線，并且反射面的加工誤差要小于0.08毫米，這給天線的制作、加工、運載以及掃描控制等方面都會帶來難以克服的問題；如果采用綜合孔徑輻射計系統，對于美國提出的GeoSTAR系統則需要約2500個單元天線，對于歐洲提出的GAS系統則需要約450個單元天線，這種極高的系統復雜度會給星載應用帶來極大挑戰。

如果能將兩種體制結合起來，揚長避短，將會是地球同步軌道大氣成像探測的最佳方案。但是GeoSTAR系統和GAS系統的天線陣都是“Y”字型天線陣，雖然這種天線陣方便折疊和展開，有利于火箭運輸，但是根本無法實現與真實孔徑天線的組合，必須尋找其它的解決途徑。