基于微小卫星的小型化微波辐射计关键技术研究

论文摘要

微波遥感技术在对地观测、大气探测、天气系统监测与气象灾害预警等方面发挥着越来越重要的作用。目前我国气象卫星主要包括极轨气象卫星和静止轨道气象卫星。极轨气象卫星受到运行模式的制约,其时间分辨率不高。而静止轨道气象卫星由于轨道高度高,微波辐射计的空间分辨率相对较低,如果要达到几十公里量级的空间分辨率,需要大口径天线,给机械制造和在轨扫描带来极大挑战。微小卫星星座是兼顾时间分辨率和空间分辨率的有效手段。论文基于微小卫星搭载微波辐射计并组成星座的方式对大气进行探测,可实现时间分辨率30分钟和空间分辨率15千米的期望。本论文主要对小型化微波辐射计系统方案设计、射频前端的太赫兹频率分离技术和基于自抗扰控制的天线扫描驱动伺服系统三个关键技术开展研究,进行理论分析、系统设计、仿真模拟和实验验证。主要研究内容如下:（1）提出针对微小卫星平台的小型化微波辐射计系统方案。开展了微波辐射计频率通道选择、指标论证和顶层方案设计研究,详细分析了射频前端的频率分离方案、对地成像观测几何和天线扫描模式。小型化微波辐射计包括四个探测频率:89GHz（窗区频率,单通道）、118GHz（氧气吸收频率,五通道）、166GHz（窗区频率,单通道）和183GHz（水汽吸收频率,三通道）,一共十个探测通道。四个探测频率采用多频段共馈源、共用偏馈抛物面天线技术。单通道窗区探测频率接收机采用直接检波体制,水汽和氧气吸收峰探测频率接收机采用超外差混频体制。采用极化分离器和波导双工器实现射频的频率分离。该设计方案比国内现有的同类型微波辐射计在体积、重量、功耗上都更有优势,更适合搭载在微小卫星平台。（2）开展了太赫兹频段的频率分离技术研究,在国内首次实现了89/118GHz和166/183GHz双工器的设计、加工与测试。采用网络综合法和模式匹配法对双工器进行仿真设计,并利用HFSS软件对两个波导双工器模型进行仿真验证。从机械加工的角度,对166/183GHz双工器进行表面材质、电感膜片厚度、电感膜片陡直度以及尺寸灵敏度分析。从测试的角度,采用矢量网络分析仪和频率拓展模块对两个双工器进行验证。经测试,两个双工器的插入损耗都小于1.5dB,输入端口的回波损耗大于15dB,带外抑制也达到25dB以上。测试结果与仿真结果基本吻合,证明了双工器设计方法的可行性。（3）开展了微波辐射计天线扫描机构伺服系统多扫描模式控制算法研究,提出了将二阶速度自抗扰控制器引入扫描控制的实现方案,提高了伺服系统的鲁棒性。通过对永磁同步电机d-q轴数学模型以及矢量控制策略的分析,设计了电流环、速度环和位置环的PI（Proportional-Integral,PI）控制器,并对匀速扫描、变速扫描和定点观测三种工作模式进行了仿真验证。从仿真结果可知,对于定点观测模式,可以实现无超调、无静差控制。对于匀速和变速模式,系统的过渡时间较短、超调小,但是当系统突加扰动时,速度的干扰大并且需要较长的时间才能恢复到原始状态。针对PI控制抗干扰能力差的缺点,将二阶速度自抗扰控制器引入匀速和变速扫描控制中,并对二阶速度自抗扰控制器、二阶速度线性自抗扰控制器和PI控制的响应特性进行仿真对比。结果表明当系统存在扰动时,二阶速度自抗扰控制系统的超调量最小以及恢复时间最短,具有很好的鲁棒性和抗扰能力。（4）搭建了天线扫描驱动伺服系统的硬件平台,完成了永磁同步电机的控制算法、信号接口模块的软件设计。通过实验对比了匀速和变速模式下二阶速度自抗扰控制器和PI控制器的响应特性,在阶跃响应特性、变速响应特性、稳态性能以及抗扰能力等方面,二阶速度自抗扰控制器都具有良好的控制性能。匀速模式的控制精度为1.78%,变速模式对地观测阶段的控制精度为3.5%,并且两种扫描模式的扫描周期误差都小于等于1ms,定点观测模式的定位精度≤0.00206o,三种扫描模式都具有良好的动静态特性以及很高的控制精度。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 论文研究的背景及意义
•   1.2 微波辐射计国内外研究现状
•     1.2.1 星载微波辐射计国内外研究现状
•     1.2.2 基于微小卫星的微波辐射计国内外研究现状
•   1.3 微波频率分离技术国内外研究现状
•   1.4 天线扫描驱动伺服系统国内外研究现状
•     1.4.1 位置传感器
•     1.4.2 电力电子器件
•     1.4.3 永磁同步电机控制策略
•   1.5 论文主要研究内容
• 第2章 基于微小卫星的微波辐射计系统方案设计
•   2.1 引言
•   2.2 微波辐射计系统设计
•     2.2.1 微波辐射计性能指标设计
•     2.2.2 微波辐射计系统硬件设计
•     2.2.3 微波辐射计接收机系统设计
•   2.3 微波辐射计频率分离技术
•   2.4 成像几何与扫描模式
•     2.4.1 成像几何
•     2.4.2 扫描模式
•   2.5 本章小结
• 第3章 太赫兹频率分离技术研究
•   3.1 引言
•   3.2 双工器分析理论
•     3.2.1 网络综合法分析滤波器
•     3.2.2 模式匹配法分析双工器
•   3.3 太赫兹波导双工器设计与仿真
•     3.3.1 166/183GHz双工器设计与仿真
•     3.3.2 89/118GHz双工器设计与仿真
•     3.3.3 166/183GHz双工器灵敏度与金属表面材质分析
•   3.4 太赫兹波导双工器加工与测试
•     3.4.1 太赫兹双工器加工
•     3.4.2 太赫兹双工器测试
•   3.5 本章小结
• 第4章 天线扫描驱动伺服系统矢量控制研究
•   4.1 引言
•   4.2 永磁同步电机的基本结构
•   4.3 永磁同步电机的数学模型
•     4.3.1 坐标变换
•     4.3.2 永磁同步电机基本方程
•     4.3.3 永磁同步电机d-q轴数学模型
•   4.4 矢量控制原理及SVPWM技术
•     4.4.1 矢量控制原理
•     4.4.2 SVPWM技术
•   4.5 微波辐射计天线扫描驱动伺服系统矢量控制策略
•     4.5.1 电流环设计与仿真
•     4.5.2 速度环设计与仿真
•     4.5.3 位置环设计与仿真
•   4.6 本章小结
• 第5章 基于自抗扰控制的天线扫描驱动伺服系统研究
•   5.1 引言
•   5.2 自抗扰控制理论
•     5.2.1 PID与自抗扰控制比较
•     5.2.2 自抗扰控制器基本形式
•   5.3 永磁同步电机一阶速度自抗扰控制器研究
•   5.4 永磁同步电机二阶速度自抗扰控制器研究
•     5.4.1 永磁同步电机系统模型改造
•     5.4.2 二阶速度自抗扰控制器设计
•     5.4.3 二阶速度自抗扰控制器参数整定
•   5.5 仿真验证
•   5.6 本章小结
• 第6章 天线扫描驱动伺服系统实验分析
•   6.1 引言
•   6.2 天线扫描驱动伺服系统设计
•     6.2.1 天线扫描驱动伺服系统硬件设计
•     6.2.2 天线扫描驱动伺服系统软件设计
•   6.3 天线三种扫描模式实验分析
•     6.3.1 匀速扫描实验分析
•     6.3.2 变速扫描实验分析
•     6.3.3 定点观测实验分析
•     6.3.4 三种扫描模式扫描精度分析
•   6.4 本章小结
• 第7章 总结与展望
•   7.1 论文主要工作与创新点
•   7.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 王婧

导师: 张升伟

关键词: 小型化微波辐射计,太赫兹波导双工器,模式匹配法,永磁同步电机,自抗扰控制

来源: 中国科学院大学(中国科学院国家空间科学中心)

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑,信息科技

专业: 气象学,工业通用技术及设备,自动化技术

单位: 中国科学院大学(中国科学院国家空间科学中心)

分类号: TP722.6;P407.7

总页数: 145

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