[论文解读] CubeSounder: Low SWaP-C 180 GHz Radiometer for Atmospheric Sensing Tested on High Altitude Balloons

Kyle D. Massingill, Tyler M. Karasinski+15 more|arXiv (Cornell University)|Feb 26, 2026

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一句话总结

CubeSounder 提出了一种低 SWaP-C 的毫米波辐射计，采用被动波导滤波器组用于水汽测量，已在多次高空气球飞行中验证，达到 TRL 6.

ABSTRACT

Microwave sounding is the leading driver of global numerical weather forecasting, but is limited by the scalability of such instruments. With modern machining and commercial microwave components, it is now possible to design low size, weight, power, and cost (SWaP-C) microwave spectrometers while maintaining wide bandwidth performance. Here we report on the status of CubeSounder, a spectrometer tailored for water vapor radiometry that utilizes passive wave guide filter banks. After developing a prototype and high altitude balloon payload, we demonstrated CubeSounder on commercial stratospheric balloon flights. We report on our design process, especially the simulation and fabrication of the custom millimeter-wave filter banks. We also report the initial results of the data collected from the balloon flights.

研究动机与目标

• 开发一个可扩展的、低 SWaP-C 的毫米波光谱仪，专为水汽辐射测量而设计。
• 用被动波导滤波器组替代传统异频架构，以降低复杂性和功耗。
• 在高空气球任务中证明原型性能和飞行就绪性。
• 评估端到端的实验室与飞行性能，以在降低质量和功耗的同时接近最先进的灵敏度。

提出的方法

• 用宽带 LNAs 放大场景信号，并用自定义毫米波滤波器组分频道。
• 直接使用二极管对每个通道进行检测，并使用低成本、现成的电子系统进行读取。
• 通过端到端 S-matrix级联和 CST Studio EM 仿真结合 Python 优化来模拟滤波器组性能。
• 构建用于 G-band 和 V-band 通道的分块铝材滤波器组，并与商用探测器（PMP）和 LNA 集成。
• 通过实验室的 S-matrix、光学效率和通道噪声等测量来证明辐射计性能，随后利用 NASA Flight Opportunities 气球任务的飞行数据。
• 在飞行中使用两点 LN2/标定方案和振动梳调解调，将电压转化为亮温。

Figure 1: Drawing of spectrometer system. Broadband signal enters the feed horn, is then amplified by LNAs and finally divided by filter-bank. The filter-bank is a passive component of directly milled metal based on a novel design.

实验结果

研究问题

• RQ1 一个低 SWaP-C 的毫米波光谱仪是否能够在 60/180 GHz 波段利用被动波导滤波器组实现具有竞争力的亮温灵敏度？
• RQ2 为面向气球与太空平台的可扩展多通道 60/180 GHz 辐射计，设计、制造和读出方面存在哪些挑战？
• RQ3 CubeSounder 的飞行性能与实验室测量相比如何，主导噪声和无线干扰因素是什么？
• RQ4 考虑到质量、功率和数据处理需求，CubeSounder 的架构是否适合未来的小型卫星演示？

主要发现

• G-band 通道在每通道的噪声等效温度接近 200 mK√s，处于该波段辐射计量子极限的一个数量级内。
• G-band 滤波器组的光学效率约为 20%，在实验室测试中辐射计总体增益约为 36 dB。
• V-band 原型在实验室初步灵敏度约为 400 mK√s，正在进行飞行测试以解决读出与增益调谐问题。
• 四次高空气球飞行展示了从单带到双带运行的进展，并在最终飞行中达到 TRL 6，且在飞行的一个月内获得数据。
• 该仪器受益于商用组件与定制滤波器组架构，在实现低 SWaP-C 的同时保持了宽带性能。
• 飞行数据处理包括故障检测与去故障、振动梳调解调，以及基于线性 LN2 的标定，以推导亮温。

Figure 2: An example of the waveguide filter-bank concept. Broadband light propagates through the waveguide and different frequency bands are selected off of the main waveguide by the five channels. Center frequency of each channel is defined by length of resonant cavity.