一种大气水汽辐射时变特性全向测量系统

1.本发明涉及太赫兹波段大气测量技术领域，特别涉及一种大气水汽辐射时变特性全向测量系统。


背景技术：

2.太赫兹（thz）波段宽松定义为0.1-10 thz 的频率区间，与部分毫米波，亚毫米波交叠。具有强分子吸收和色散、低光子能量等特点，在天文学、大气科学等领域具有重要应用前景。
3.太赫兹波受到大气特别是大气中水汽的强烈吸收导致信号途径衰减严重而急剧变弱。由于大气水汽处于不饱和状态，且是唯一三态同时存在的物质，大气水汽在时间和空间分布非常不均匀，给大气中传输的太赫兹波带来了时间和空间双方面严重影响，导致该波段天文信号（例如非常微弱信号的cmb极化b模信号）的有效探测效率大为降低。因此，在微弱天文信号应用中，需要解决大气对探测的影响，因此对大气特别是大气水汽含量进行定量监测成了一项重要工作。
4.目前，有多种技术方法对pwv进行直接或间接的测量，这些技术方法主要包括无线探空仪方法、gps气象学方法以及辐射计或傅立叶光谱仪技术。近年来，基于卫星气象数据的和大气再分析资料提供系统性大气水汽含量数据，也可用区域性的大气水汽特性评估。无线电探空仪测量大气随高度变化的气象要素，其对大气气象要素的垂直分布直接测量，因此多年来一直被视为测量大气水汽含量的标准，无线电探空仪有限探测次数（一般每日两次），探测时间分辨率低，难于反演大气水汽短时标特性变化，同时也无法对某个观测方位的大气水汽变化特性进行测量。地基gps气象学利用大气水汽对gps信号传输产生延迟的原理来测量pwv。地基gps测量pwv的时间分辨率约为几十分钟量级，具有相对较高的时间分辨率，而pwv测量精度约为1~2mm，对测量精度要求更高（在0.1mm量级）的太赫兹天文站址大气水汽特性测量应用受到了一定的限制。传统的辐射计用于测量天顶大气不透明度，并利用特定频率下的大气不透明度与大气水汽含量关系模型反演出天顶方向大气水汽含量。由于辐射计具有高探测灵敏度，可实现高精度测量，测量大气水汽含量精度可优于0.1mm量级，且具有高时间分辨率测量性能(达到10分钟量级)，因此常用于高海拔台址的大气水汽含量的测量。而与辐射计类似的是傅立叶变换光谱仪，它可视为工作频段更宽的辐射计，通过测量宽带大气透过率，进而间接测量大气水汽含量。同样地傅立叶变换光谱仪探测灵敏度高，且测量时间分辨与辐射计相当。卫星气象数据和大气再分析资料很多产品均包含大气水汽含量pwv数据，因其具有全球或大区域覆盖能力，提供的数据具有良好的系统性，因此越来越多地被用于区域性的大气水汽含量评估。受限于较低时间分辨率和较低空间分辨率，卫星气象数据和大气再分析资料难于实现大气水汽含量短时标（比如分钟量级）变化特性测量。
5.从上述大气水汽含量的测量技术方法中，均可实现天顶方向的大气水汽测量，从测量时间分辨率和测量精度看，传统辐射计和傅立叶变换光谱仪在实现高时间分辨(10分
钟量级)和高精度（0.1mm量级）测量具有优势。由于传统的辐射计一般需要通过俯仰扫描来实现大气不透明度测量，而傅立叶变换光谱仪需要通过扫描移动镜实现信号干涉接收。目前它们的这种工作方式在实现完整一次测量天顶方向的大气水汽含量测量时间约为10分钟量级，难于满足更短时间（分钟量级）、更多观测区域（如360
°
全方位）的大气水汽辐射时变特性快速测量需求。


技术实现要素：

6.本发明针对现有技术中的不足，提供一种大气水汽辐射时变特性全向测量系统；以解决背景技术中所提出的目前方法难以在更短时间内以及更多的观测区域对大气水汽辐射时变特性快速测量的问题。
7.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种大气水汽辐射时变特性全向测量系统，包括天线扫描及校准组件、接收机组件、常温中频组件、数据采集及系统控制组件；所述天线扫描及校准组件包括有平台，平台底面设置有全向旋转机构azr，平台顶面设置有俯仰扫描的金属反射镜m1、折转金属反射镜m2、折转金属反射镜m3、校准单元；所述全向旋转机构azr用于对整个平台进行旋转，以使俯仰扫描的金属反射镜m1接收不同范围内的大气信号；所述平台顶面设置的各部件连接关系为：俯仰扫描的金属反射镜m1通过液压机构实现俯仰角度的调节，并接收大气信号反射给折转金属反射镜m2；折转金属反射镜m2通过液压机构实现折转的角度调节以接收俯仰扫描的金属反射镜m1反射过来的大气信号，接收完毕后反射给折转金属反射镜m3；其中校准单元用于实现对输入的大气信号辐射温度进行标定，包括位于折转金属反射镜m2与折转金属反射镜m3的反射路径之间的三相斩波轮c、高温黑体校准源h1、高温黑体校准源h2；通过三相斩波轮c的周期性旋转，实现周期性的放行折转金属反射镜m2所反射的大气信号至折转金属反射镜m3中、周期性的反射高温黑体校准源h1所发出的信号至折转金属反射镜m3中、以及周期性的反射高温黑体校准源h2所发出的信号至折转金属反射镜m3中；而所述折转金属反射镜m3将接收过来的大气信号、高温黑体校准源h1所发出的信号、高温黑体校准源h3所发出的信号均反射至接收机组件中；所述接收机组件，用于对折转金属反射镜m3反射过来的各个信号进行处理，包括将信号混频至中频，然后进行超宽带低噪声放大，以输出超宽带中频信号；所述常温中频组件，用于对接收机组件输出的超宽带中频信号进行处理，包括将超宽带中频信号公分多路后，分别以不同带宽进行滤波检波和直流放大，形成多路直流检波信号输出，完成大气中水汽辐射特性的测量；数据采集及系统控制组件，用于对常温中频组件中输出的信号进行采集，并对天线扫描及校准组件、接收机组件、常温中频组件中的各部件进行协同控制。
8.为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：进一步地，所述三相斩波轮c的具体结构包括主体矩形板，主体矩形板的两端分别固定安装有两个扇形叶片，且两个扇形叶片上分别设置有锥形阳截面和锥形阴截面，其中所述锥形阳截面的表面为外凸结构，锥形阴截面的表面为内凹结构。
9.进一步地，所述通过三相斩波轮c的周期性旋转，实现周期性的放行折转金属反射
镜m2所反射的大气信号至折转金属反射镜m3中、周期性的反射高温黑体校准源h1所发出的信号至折转金属反射镜m3中、以及周期性的反射高温黑体校准源h2所发出的信号至折转金属反射镜m3中的具体内容为：通过三相斩波轮c中主体矩形板绕着中心点的转动，当主体矩形板旋转到遮挡住折转金属反射镜m2所反射的大气信号时，主体矩形板端部设置的扇形叶片也对应旋转至指定位置，此时高温黑体校准源h1和高温黑体校准源h2均发出信号；若此时扇形叶片上是锥形阳截面，则顺利的将与其适配角度符合的高温黑体校准源h1所发出信号反射至折转金属反射镜m3中，而高温黑体校准源h2发出信号与锥形阳截面的适配角度不一致，无法将对应信号反射至折转金属反射镜m3中；若此时扇形叶片上是锥形阴截面，则顺利的将与其适配角度符合的高温黑体校准源h2发出的信号反射至折转金属反射镜m3中，而高温黑体校准源h1发出信号与锥形阴截面的适配角度不一致，无法将对应信号反射至折转金属反射镜m3中；当主体矩形板旋转到不能遮挡住折转金属反射镜m2所反射的大气信号时，主体矩形板端部设置的扇形叶片也脱离指定位置，此时高温黑体校准源h1和高温黑体校准源h2发出信号均不能反射至折转金属反射镜m3中；由于三相斩波轮c是周期性的旋转，以此实现周期性的放行折转金属反射镜m2所反射的大气信号至折转金属反射镜m3中、周期性的反射高温黑体校准源h1所发出的信号至折转金属反射镜m3中、以及周期性的反射高温黑体校准源h2所发出的信号至折转金属反射镜m3中。
10.进一步地，所述接收机组件包括超导sis混频器、低噪声放大器、本振信号源、4k杜瓦；超导sis混频器、低噪声放大器位于4k杜瓦提供的低温真空环境中，而本振信号源采用微波基准源为参考源并进行多次倍频放大方式产生一定频段毫米波参考源；所述超导sis混频器用于在接收折转金属反射镜m3传输过来的信号后与该频段的本振信号源进行混频至中频，中频信号经过低温下低噪声放大器的放大处理输出至常温中频组件中。
11.进一步地，所述常温中频组件包括公分器、和四个不同中心频率和带宽组合的中频处理单元；所述公分器用于接收低噪声放大器输出的信号并进行功率平均分配为四路至各个中频处理单元，每个中频处理单元内部的带通滤波器器、检波器和直流放大器依次对传入的信号进行处理，最终形成四路直流电压信号完成大气中水汽辐射特性的测量，并输出至数据采集及系统控制组件中。
12.进一步地，所述数据采集及系统控制组件包括由四个高动态的adc芯片组成的四路数据采集单元、以及嵌入式控制器；其中每个adc芯片对应连接一个中频处理单元，以对每个中频处理单元处理后的数据信息进行采集和模数转换，并传输至嵌入式控制器进行后续分析；所述嵌入式控制器还用于对系统中各类器件参数进行调节，包括金属反射镜m1的俯仰扫描角度、折转金属反射镜m2的反射角度、折转金属反射镜m3的反射角度、三相斩波轮c的斩波启停以及斩波速率、全向旋转机构azr启动及全向扫描速率、本振信号源频率和功率大小、超导sis混频器偏置、低噪声放大器偏置、4k杜瓦制冷启动以及四路数据采集的启停。
13.本发明的有益效果是：采用具有俯仰扫描（俯仰扫描的金属反射镜m1）和全方位扫描以及双温标自校准于一体的扫描校准机构（全向旋转机构azr、三相斩波轮c、高温黑体校
准源h1、高温黑体校准源h2），结合超高灵敏度超导sis混频接收机超宽带接收和处理，实现183ghz频段大气水汽辐射特性的快速（分钟量级）全向（方位360
°
）测量，同时装置将采用具有俯仰扫描和全方位扫描以及双温标自校准于一体与装置其他组件（包接收机组件、常温中频组件和系统控制组件等）进行动、静分离，减小天线扫描及校准组件运转负荷，同时避免了非运行部件的机械运行，提高了装置整体力学及电学特性的稳定性。
附图说明
14.图1是本发明整个系统的结构示意图。
15.图2是本发明斩波轮结构示意图。
16.图3是本发明斩波轮周期性旋转时，大气信号、高温黑体校准源h1的信号、高温黑体校准源h2的信号以此变换示意图。
具体实施方式
17.现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。
18.本技术的整体技术方案如下：一种大气水汽辐射时变特性全向测量系统：包括天线扫描及校准组件；接收机组件；常温中频组件；数据采集及系统控制组件。
19.所述天线扫描及校准组件通过m1的俯仰旋转机构和全方位旋转机构azr以及三个折转镜将某个俯仰角度的大气水汽信号进行光路调整为垂直向下并进行全方位扫描，同时内部具有三相斩波机构和双温标黑体校准源实现大气辐射特性自校准，为天线扫描和自校准一体化设计。
20.所述接收机组件将所述的天线扫描及校准组件输出的信号进行接收并与本振信号源进行混频至中频并进行超宽带低噪声放大，输出超宽带中频信号。
21.所述常温中频组件将所述接收机组件输出的超宽带宽中频信号功分四路后，分别以不同带宽进行滤波检波和直流放大，形成四路直流检波信号输出。
22.所述数据采集及系统控制组件对所述的常温中频组件输出的四路直流信号进行高动态数据采集和存储。所述数据采集及系统控制组件还设置和控制天线扫描机校准组件的俯仰扫描、方位扫描、斩波轮启停以及斩波速率、接收机组件中的本振信号源频率和功率、超导sis混频器偏置、低温低噪声放大器偏置、4k杜瓦制冷启动以及本组件内数据采集的启停。
23.进一步，天线扫描及校准组件与装置其他组件包括所述的接收机组件、所述的常温中频组件、所述的数据采集及系统控制组件分离，确保旋转结构及电学结构的动静分离，提高装置整体运行时力学和电学工作稳定性；所述天线扫描及校准组件采用了三相斩波轮，在一个斩波周期中，实现大气水汽信号、高温黑体校准信号h1、大气水汽信号、高温黑体校准信号h2，三种信号斩波切换，进行双温标自校准的同时，大大简化了校准机构体积；所述接收机组件组件采用超导sis混频器，实现大气水汽信号高灵敏度探测，即提高测量精度，同时缩短大气有效检测的积分时间，从而可大大提高全向扫描的速率。
24.进一步，天线扫描及校准组件包括俯仰扫描的金属反射镜m1、折转金属反射镜m2
和m3、三相斩波轮c，双主动加热黑体校准源h1和h2，以及可360
°
全向扫描旋转机构azr。
25.进一步，接收机组件包括超导sis混频器、本振信号源、低温低噪声放大器以及4k杜瓦。
26.进一步，常温中频组件包括功分器、和四个不同中心频率和带宽组合的中频处理单元。
27.进一步，数据采集及系统控制组件包括四路数据采集单元，以及嵌入式控制器及应用软件。
28.下面以具体实施例进行说明：如图1所示，大气水汽辐射时变特性全向测量装置包括：天线扫描及校准组件、接收机组件、常温中频组件、数据采集及系统控制组件。
29.所述天线扫描及校准组件，包括俯仰扫描的金属反射镜m1、折转金属反射镜m2和m3、三相斩波轮c，双主动加热黑体校准源h1和h2 ，以及全向旋转机构 azr。所述的俯仰扫描金属反射镜m1旋转在一定俯仰角（比如仰角50
°
）后，该方向大气水汽信号通过m1镜的反射后水平传输至m2镜，经过m2镜的90
°
水平折转后，传输至m3反射镜，再经过m3镜垂直折转后，传输至接收机组件中。其中所述的三相斩波轮c与双主动加热黑体校准源h1和h2组成校准单元，实现对输入大气水汽信号辐射温度进行标定。如图2所示；其中的三相斩波轮c，采用90
°
扇形双叶片结构，两扇形叶片以锥形阳截面和阴界面分别将处于不同输入方向的双主动加热黑体校准源h1和h2 辐射信号反射折转为水平传输信号传输至折转镜m3。如图3所述；通过三相斩波轮周期转动，可对输入大气水汽信号（无遮挡通过）、高温黑体校准源h1（斩波轮一叶片反射）、输入大气水汽信号（无遮挡通过）和高温黑体校准源h2（斩波轮另一叶片反射）依次切换输入信号 ，并通过折转镜m3反射垂直折转后传输至接收机组件中。三相斩波轮c以5~10hz的斩波频率（信号切换频率），在一个转动周期内将大气水汽信号-高温黑体校准源h1-大气水汽信号-高温黑体校准源h2进行分时切换传输至接收机组件进行接收处理。其中的全向旋转机构azr（如一种旋转电机）固定在所述天线扫描及校准组件折转镜m3正下方底板平台上，旋转轴与折转镜m3光轴重合。在三相斩波轮c进行斩波切换大气水汽信号、高温黑体校准源h1和h2的同时，全向旋转机构 azr以1~2分钟的旋转周期进行360
°
全方位周期性旋转，可对已设定仰角位置的大气辐射信号进行全向扫描探测。
30.接收机组件包括超导sis混频器、本振信号源、低温低噪声放大器以及4k杜瓦。其中的超导sis混频器为工作在4k杜瓦提供的低温真空环境中的高灵敏度超外差接收机，工作频段为183ghz频段；所述的本振信号源采用微波基准源为参考源并进行多次倍频放大方式产生183ghz频段毫米波参考源，所述的低温低噪声放大器采用超宽带宽hemt放大器。超导sis混频器在4k工作环境下处于超导状态，可高灵敏度接收从天线扫描及校准组件输入的信号，与该频段的本振信号源进行混频至中频，中频信号经过低温低噪声hemt放大器进行放大后输出至常温中频组件中。由于装置所测量183ghz大气水汽辐射的廓线带宽较宽，有效实现该水汽廓线接收和处理，超导sis混频器带宽和低温低噪声放大器的中频带宽需要具有超宽带特性（8ghz带宽）。
31.所述的常温中频组件包括功分器、和四个不同中心频率和带宽组合的中频处理单元。其中功分器接收机组件输出的低噪声超宽带信号（8ghz带宽）进行功率平均分为四路，之后，分别输出至四个不同中心频率和带宽组合的中频处理单元进行带通滤波、检波和直
流放大，形成四路直流电压信号输出至数据采集及系统控制组件中。为了有效实现对183ghz频段大气水汽廓线辐射特性处理，根据大气水汽廓线的特征，可将混频后的水汽廓线信号进行1.5ghz带宽（中心频率为1.25ghz）、1.5ghz带宽（中心频率为3.25ghz）、2ghz（中心频率为5.5ghz）以及1.5ghz（中心频率为7.25ghz）的不同带宽检波处理，以有效实现不同辐射温度下的大气水汽辐射特性测量。
32.数据采集及系统控制组件包括四路数据采集单元，以及嵌入式控制器及应用软件。其中四路数据采集单元由四个高动态的adc芯片组成，分别对来自常温中频组件四路中频检测输出直流信号（对应中频信号功率）进行数据采集和模数转换，形成数字电压信号供嵌入式控制器中的应用软件进行后续处理。嵌入式控制器为小型化智能单板机并配置简化操作系统，而运行于嵌入式控制器上的应用软件将实现对装置整体进行参数设置和控制，包括设置和控制天线扫描机校准组件的俯仰金属反射境m1的俯仰扫描、三相斩波轮c的斩波启停以及斩波速率、全向旋转机构 azr启动及全向扫描速率、接收机组件中的本振信号源频率和功率、超导sis混频器偏置、低温低噪声放大器偏置、4k杜瓦制冷启动以及本组件内数据采集的启停等。
33.总之，数据采集及系统控制组件设置其他三个组件的工作参数及控制其他组件的工作启停。天线扫描及校准组件将某一俯仰方向的大气水汽信号，进行折转至接收机组件被超导接收机所接收。天线扫描及校准组件内置两个主动加热高温黑体校准，以斩波轮转动切换方式用于短时标的大气水汽信号辐射温度校准。同时通过全向旋转机构周期性360
°
旋转实现在该俯仰方向的大气水汽信号全向扫描。接收机组件将天线扫描及校准组件输入的大气水汽信号或高温黑体校准信号进行高灵敏度接收，并通过内置的本振信号源双边带下变频至基带8ghz频段范围内，供后续的常温中频组件进行进一步处理。常温中频组件接受接收机组件输出的基带8ghz信号分成四个不同带宽的通带信号，分别进行中频功率的检波，变成直流信号输出，供数据采集及系统控制组件数据采集。数据采集及系统控制组件分别接受常温中频组件输出的输出中频检波直流电压信号，进行数据采集和模数变换形成数字信号，为组件内的应用软件进行处理，并根据扫描方位和俯仰信息以及大气水汽信号、高温黑体信号h1和h2进行分类标记及数据文件存盘，完成观测大气水汽信号的全向扫描、接收、下变频、数据采集及大气水汽信号辐射温度定标，从而实现大气水汽信号辐射特性的全向测量。
34.本实施例中，为了确保数据采集及系统控制组件中的数据采集信号与天线扫描及校准组件中的斩波信号的同步，需要将斩波轮c的状态信号连接至系统控制组件中，以便在后者中的应用软件处理时，加以辨别区分。
35.本实施例中，为了确保数据采集的数据与观测方位相同步，需要将天线扫描及校准组件中方位扫描结构的方位信息同步送至数据采集及系统控制组件中。
36.本实施例中，数据采集及系统控制组件的应用软件提取天线扫描及校准组件中的斩波轮c的状态信号以及对应的采集数据，并根据双高温黑体校准源，校准出观测的183ghz频段大气水汽辐射谱，并根据方位信息以及俯仰信息，处理并形成某一俯仰角下全向的大气水汽辐射特性图，完成大气水汽辐射时变特性的快速、高精度、全向扫描测量。
37.需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无
实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
38.以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。