机载双天线大气过冷水探测毫米波辐射计的研制

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1、机载双天线大气过冷水探测毫米波辐射计的研制ResearchonAirborneDouble-AntennaAtmosphericSupercooledWaterDetectingMillimeterWaveRadiometer作者姓名：孙健专业名称：电路与系统研究方向：天线与微波遥感技术指导教师：田小建教授赵凯研究员学位类别：工学博士培养单位：电子科学与工程学院论文答辩日期：2015年5月27日授予学位日期：年月日论文评阅人：答辩委员会组成：姓名职称工作单位姓名职称工作单位张兴敢教授南京大学主席赵凯研究员

2、中国科学院东北地理杨国敏副教授复旦大学与农业生态研究所蔡敏教授华南理工大学委员王晓曼教授长春理工大学卫金茂教授南开大学郭树旭教授吉林大学郭树旭教授吉林大学田小建教授吉林大学王一丁教授吉林大学摘要机载双天线大气过冷水探测毫米波辐射计的研制微波辐射计是高灵敏度噪声接收机，通过接收被探测目标的微波辐射信息，并进行有效的反演能够获取相应的物理特性。近几十年来，微波辐射计已被广泛地应用于陆地、海洋、大气遥感并拓展至军事、医疗、安全检测等众多领域。云液态含水量是一个极为重要的云物理参数，而云中过冷水含量则是人工影响天

3、气领域中受到特别关注的物理量。目前由于测量手段不多，已有的仪器又各有其局限，结果造成云液态水和过冷水含量定量资料十分缺乏。在已有的探测手段中，地基（地对空）微波辐射计以其高时间分辨率、高探测精度、可无人值守连续工作、在一定条件下可以从混合相态的云中探测出过冷液水含量等一系列特点，在中小尺度和人工增雨领域得到广泛的应用，成为一种新型的测量云液水的工具。但是，地基仪器难以快速移动，限制了它的探测范围，难以满足中小尺度研究的需要。相较于地基微波辐射计，机载微波辐射计不仅继承了前者的高时间分辨率、高探测精度、可自

4、动连续工作等一系列优点，更能够直接飞入目标区域进行探测，极大地扩展了探测的范围及灵活性，是近年来的研究热点。研制机载对空毫米波辐射计时，首先遇到的挑战是微弱信号的测量问题：仪器在几公里的高度上接收到的冷空背景向下的辐射亮温，要比在地面接收到的更低，有时可能只有几K(开尔文)。因此，机载对空探测对仪器测量微弱信号的能力要求特别高，制造这种仪器至今仍是国内外技术上的难点。论文在中国科学院知识创新工程重要方向项目“航空多频被动微波遥感器的集成与升级”（KZCX2-YW-JS30）资助下，以及中国科学院大气物理研

5、究所和吉林省人工影响天气办公室的协助下展开研究工作，完成的主要工作如下：1.在深入分析已有多种型式微波辐射计工作原理的基础上，采用了基于软件补偿算法的数字增益自动补偿技术方案，有效消除了系统增益波动带来的不利影响。同时，为了实现在冷空背景下检测出过冷水亮温的变化小量，提出并采用了噪声注入技术。将固态噪声源产生的部分噪声信号直接耦合到天线端，适当地提高了接收信号的强度。2.依据层析法反演高空云液水二维或三维空间分布的原理，提出了双天线观I测体制，即由两个成固定夹角的介质透镜天线组成了辐射计的天线系统。并通过

6、仿真实验对两个天线的观测仰角进行了优化，优化后的角度分别为(30,90)。3.在进行机载遥感观测时，机箱内的物理温度从地面的高温快速变化到高空的低温。针对这一温度条件的变化，提出了对微波辐射计探测数据进行单点和多点环境温度变化修正方法。利用最小二乘回归法建立接收机内各温度敏感元件的物理温度与测量误差之间的关系，在两点定标方程表达式基础上获得双天线的温度修正方程，有效减小了由于辐射计工作环境温度变化引起的器件性能漂移所导致的测量误差。4.在上述工作的基础上，成功研制出一台机载双天线大气过冷水探测毫米波辐

7、射计，其工作中心频率为31.65GHz，灵敏度优于0.2K，线性度优于0.9995，亮度温度测量范围10～350K，系统稳定性优于1.5K，天线波束角4.2，工作环境温度-20～+50℃。论文的研究工作为云中液态水和过冷水含量定量测量提供了新的技术手段和设备，将提高人工增雨作业的效率和有效性，更好地服务于大气科学研究和农业生产。关键词：机载双天线辐射计，毫米波，大气过冷水探测，自动增益补偿，温度修正，噪声耦合IIAbstractResearchonAirborneDouble-AntennaAtmosp

8、hericSupercooledWaterDetectingMillimeterWaveRadiometerMicrowaveradiometerisahighsensitivitynoisereceiver,whichcanobtainphysicalcharacteristicsofthetargetbytheradiationinformationreceivedfromthetargetandtheretrieving