K波段微波輻射計(jì)通道優(yōu)化和定標(biāo)研究

何杰穎 張升偉

(1.中國(guó)科學(xué)院微波遙感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心，北京 100190； 2.中國(guó)科學(xué)院研究生院，北京 100190)

引 言

微波輻射計(jì)是一種被動(dòng)式的微波遙感設(shè)備，被動(dòng)接收觀測(cè)場(chǎng)景輻射的微波能量來(lái)探測(cè)目標(biāo)特征[1-2]。由于觀測(cè)目標(biāo)自身所輻射的微波能量是非相干的極其微弱的信號(hào)，這種信號(hào)比輻射計(jì)本身的噪聲功率小得多，所以微波輻射計(jì)實(shí)質(zhì)上是對(duì)靈敏度要求很高的接收機(jī)。根據(jù)熱輻射理論，任何溫度處于絕對(duì)零度以上的物體都存在熱輻射。由于物體本身的幾何特性和介電特性不同，不同物質(zhì)輻射強(qiáng)度會(huì)有差別[3]。

由于輻射計(jì)的工作環(huán)境特殊，不同類型和不同用途的微波輻射計(jì)采取不同的定標(biāo)方式。對(duì)于星載微波輻射計(jì)[4-5]，通常采用在軌高低溫兩點(diǎn)定標(biāo)，結(jié)合發(fā)射前熱真空定標(biāo)試驗(yàn)確定的系統(tǒng)非線性特征進(jìn)行修正，高溫參考源為星載吸收黑體，低溫參考源為宇宙冷空背景的微波輻射。地基微波輻射計(jì)的定標(biāo)與星載微波輻射計(jì)定標(biāo)具有相同的思路，但由于大氣衰減的影響，在地面沒(méi)有宇宙冷空背景可以利用，所以高溫參考源為內(nèi)定標(biāo)單元的噪聲輸入，低溫參考源為探測(cè)儀內(nèi)置的定標(biāo)黑體[6]。由于這兩個(gè)參考源的亮度溫度要高于探測(cè)目標(biāo)的亮度溫度，因此，產(chǎn)品出廠前確定系統(tǒng)的非線性特性是非常關(guān)鍵的工作。

大氣濕度與人們的日常生活息息相關(guān)，是氣象預(yù)報(bào)的最重要因素，同時(shí)也是軍事、科學(xué)研究、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域必須考慮的關(guān)鍵因素[7-8]。因此，利用地基多通道微波輻射計(jì)反演大氣溫濕度廓線具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 地基微波輻射計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

1.1 接收機(jī)

地基微波輻射計(jì)K波段接收機(jī)共21個(gè)通道，采用超外差體制，包括接收機(jī)、射頻放大、混頻器、本振、帶通濾波器、平方率檢波器和積分器。天線接收到的目標(biāo)信號(hào)經(jīng)過(guò)混頻變換、中頻放大后進(jìn)行檢波，再經(jīng)過(guò)視頻放大器積分后量化處理，如圖1所示。K波段利用單一的射頻及中頻信道實(shí)現(xiàn)多通道探測(cè)，本振信號(hào)不能通過(guò)單一頻率的連續(xù)波信號(hào)實(shí)現(xiàn)，必須采用頻率跳變的本振實(shí)現(xiàn)。這種接收機(jī)形式簡(jiǎn)單，信道單一，在每個(gè)探測(cè)頻點(diǎn)上通道帶寬一致[9]。

圖1 超外差體制接收機(jī)原理框圖

1.2 接收機(jī)指標(biāo)

微波輻射計(jì)最重要的指標(biāo)是亮溫靈敏度和線性度，因?yàn)殪`敏度決定了系統(tǒng)分辨最小目標(biāo)變化的能力，而線性度則決定了系統(tǒng)的非線性誤差。

1) 靈敏度

亮溫靈敏度ΔT(輻射分辨率)，又稱“噪聲等效亮溫差(NEDT)”，被定義為微波輻射計(jì)接收機(jī)能夠檢測(cè)到的最小天線溫度的變化，用下面的公式表示：

(1)

式中：B為檢波前帶寬；t為積分時(shí)間；G為檢波前增益； ΔG/G表示系統(tǒng)兩點(diǎn)定標(biāo)之間的增益穩(wěn)定度；Tsys為天線溫度TA與接收機(jī)等效溫度Trec之和。對(duì)于實(shí)時(shí)兩點(diǎn)定標(biāo)的輻射計(jì)系統(tǒng)，增益波動(dòng)的影響基本消除。在系統(tǒng)噪聲一定的前提下，接收機(jī)帶寬越寬靈敏度越高，積分時(shí)間越長(zhǎng)靈敏度越高。圖2(看1064頁(yè))是K波段21通道高低溫目標(biāo)實(shí)測(cè)電壓值及不同積分時(shí)間的靈敏度，其中，積分器采用反相輸入型積分電路，電阻R和電容C確定時(shí)間常數(shù)為5 ms，其中輸入電阻為51 K.

2) 線性度

微波輻射計(jì)靈敏度與線性度測(cè)試方法如圖3所示。接收機(jī)與天線之間串入精密可調(diào)衰減器，通過(guò)改變衰減器的衰減系數(shù)來(lái)改變接收機(jī)的等效輸入噪聲溫度。

接收機(jī)的等效輸入噪聲溫度TIN為

(2)

式中：TN為低溫噪聲源亮度溫度；L為衰減系數(shù)；T0為環(huán)境溫度。低溫噪聲源使用經(jīng)過(guò)計(jì)量的俄制HWU-300型，當(dāng)噪聲源注入液氮并達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)其輸出亮度溫度為81 K，接收機(jī)線性度如圖4所示。

圖3 微波輻射計(jì)靈敏度與線性度測(cè)量示意圖

圖4 微波輻射計(jì)線性度測(cè)量結(jié)果

1.3 定標(biāo)單元

內(nèi)定標(biāo)單元由與接收機(jī)集成為一體的噪聲注入模塊和系統(tǒng)內(nèi)置定標(biāo)黑體組成，注入噪聲與內(nèi)置黑體為系統(tǒng)內(nèi)校準(zhǔn)提供穩(wěn)定的參考信號(hào)。

噪聲注入模塊如圖5所示，由一個(gè)噪聲源(噪聲二極管)、開(kāi)關(guān)和用于噪聲信號(hào)注入的定向耦合器組成。其中噪聲源產(chǎn)生所需要的定標(biāo)噪聲信號(hào)； 開(kāi)關(guān)用于實(shí)現(xiàn)噪聲信號(hào)通斷，技術(shù)實(shí)現(xiàn)上可以采用微波開(kāi)關(guān)，也可以對(duì)噪聲源供電電源進(jìn)行通斷控制，在對(duì)接收機(jī)(包括噪聲源)恒穩(wěn)措施的情況下，控制其電源通斷更有利于保證注入噪聲的穩(wěn)定；定向耦合器用于實(shí)現(xiàn)噪聲信號(hào)的饋入，饋入噪聲溫度為40～100 K.內(nèi)置定標(biāo)黑體，提供相當(dāng)于環(huán)境溫度的標(biāo)準(zhǔn)亮溫。

圖5 噪聲注入模塊

2 地基微波輻射計(jì)通道選擇

K波段輻射計(jì)接收機(jī)是21個(gè)通道，在反演大氣水汽密度廓線時(shí)，由于通道之間有一定的相關(guān)性，因此，只在K頻段范圍內(nèi)通道數(shù)的增加對(duì)反演精度的提高可能并不明顯，增加V波段通道會(huì)有助于反演精度的提高，但目前又受限于國(guó)內(nèi)V波段器件水平和成本。因此，只利用K頻段輻射計(jì)反演大氣水汽密度廓線時(shí)對(duì)通道頻率和通道數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，具體優(yōu)化結(jié)果及反演均方差(RMS)見(jiàn)表1.

表1 K波段水汽通道頻率及通道數(shù)目?jī)?yōu)化組合

優(yōu)化結(jié)果證明：探測(cè)通道頻率、數(shù)目與反演性能密切相關(guān)，在滿足權(quán)重函數(shù)近似均勻分布的前提下，分別討論了水汽5至10個(gè)通道的優(yōu)化組合，反演結(jié)果如表1所示。大氣溫濕度廓線反演RMS均隨著通道數(shù)目增多而減小，但訓(xùn)練時(shí)間也增長(zhǎng)，且隨著通道個(gè)數(shù)增加，反演性能優(yōu)化能力逐漸減弱。在地基微波輻射計(jì)實(shí)際應(yīng)用時(shí)，綜合考慮各種組合的反演結(jié)果，選取組合4作為實(shí)際應(yīng)用。

3 地基微波輻射計(jì)定標(biāo)

微波輻射計(jì)要實(shí)現(xiàn)對(duì)觀測(cè)目標(biāo)的精確測(cè)量，需要對(duì)其進(jìn)行定標(biāo)。所謂定標(biāo)，就是通過(guò)系統(tǒng)對(duì)已知或可控輸入的相應(yīng)分析給出系統(tǒng)輸入和輸出的定量關(guān)系。微波輻射計(jì)定標(biāo)就是用微波輻射計(jì)去接收微波輻射特征(亮度溫度)精確已知的定標(biāo)源的輻射信號(hào)以構(gòu)造出輻射計(jì)電信號(hào)輸出與接收到的輻射量之間的定量關(guān)系。定標(biāo)是輻射計(jì)數(shù)據(jù)定量化的基礎(chǔ)，是輻射計(jì)高質(zhì)量數(shù)據(jù)的依據(jù)和保障。

3.1 非線性定標(biāo)

接收機(jī)檢波線性度在指定范圍內(nèi)滿足線性度優(yōu)于0.999 96，但由于內(nèi)定標(biāo)噪聲注入模塊噪聲源溫度標(biāo)注不準(zhǔn)確和阻抗失配等，會(huì)導(dǎo)致接收工作區(qū)間呈非線性，且非線性誤差往往達(dá)到1 K量級(jí)。

噪聲源的超噪比為REN，單位為dB，定義為

(3)

所以

(4)

如果假設(shè)耦合器的耦合系數(shù)為α，單位為dB，則耦合的溫度ΔTH為

(5)

因此，噪聲源注入噪聲與超噪比和耦合系數(shù)密切相關(guān)，而耦合系數(shù)與超噪比、環(huán)境溫度及溫度梯度等密切相關(guān)，充分考慮噪聲源及阻抗匹配因素，內(nèi)定標(biāo)過(guò)程采用非線性定標(biāo)模式。

3.2 確定非線性因子

外定標(biāo)的目的就是在設(shè)備正常使用前確定系統(tǒng)輸入與輸出之間定標(biāo)關(guān)系，為實(shí)時(shí)觀測(cè)作準(zhǔn)備，具體外定標(biāo)過(guò)程采用液氮冷卻的定標(biāo)黑體以及位于天底點(diǎn)的常溫黑體。噪聲注入多點(diǎn)測(cè)量的非線性定標(biāo)方法優(yōu)點(diǎn)在于，它認(rèn)為地基微波輻射計(jì)不是一個(gè)理想的線性微波輻射計(jì)系統(tǒng)，充分考慮檢波二極管的功率的非線性特征，從而有效的減少或消除由檢波二極管功率的非線性特征造成的系統(tǒng)非線性誤差，非線性定標(biāo)曲線如圖6所示。

圖6 非線性定標(biāo)曲線

具體步驟為：根據(jù)Plank定律，在微波波段輻射功率與亮度溫度成正比關(guān)系，因而檢波輸出電壓與輸入功率之間可以表示為

U=G(Trec+Tinj+TA)α

(6)

式中：Trec為接收機(jī)噪聲溫度；Tinj為注入噪聲溫度；TA為天線溫度；G為檢波系數(shù)；α為非線性因子。天線觀測(cè)低溫和常溫黑體，可以獲得兩個(gè)定標(biāo)點(diǎn)Tc～U1和Th～U2，注入一定數(shù)值噪聲TN后可以獲得另外兩個(gè)定標(biāo)點(diǎn)Tc+TN～U3和Th+TN～U4，求解方程獲得包括Trec、G和α 3個(gè)定標(biāo)參數(shù)和注入噪聲TN的值。K波段21通道非線性定標(biāo)結(jié)果表2所示。

表2 K波段21通道非線性定標(biāo)結(jié)果

3.3 定標(biāo)系數(shù)誤差定量化分析

非線性定標(biāo)過(guò)程確定系統(tǒng)定標(biāo)方程的系數(shù)，在短時(shí)間內(nèi)假設(shè)系統(tǒng)非線性工作區(qū)間穩(wěn)定不變，從而可以利用定標(biāo)系數(shù)將實(shí)測(cè)電壓值轉(zhuǎn)換為亮溫值，實(shí)現(xiàn)周期定標(biāo)。因此，非線性定標(biāo)誤差是實(shí)時(shí)周期定標(biāo)誤差的主要來(lái)源。假設(shè)系統(tǒng)注入噪聲穩(wěn)定性滿足±5 K的偏差，則系統(tǒng)工作區(qū)間非線性因子和實(shí)測(cè)亮溫誤差分布如圖7所示。

(a) 情況1

(b) 情況2圖7 注入噪聲穩(wěn)定性對(duì)非線性度和實(shí)測(cè)亮溫的影響

由圖7可見(jiàn)，如果噪聲穩(wěn)定性較差，存在±5 K的偏差時(shí)，定標(biāo)系數(shù)會(huì)發(fā)生明顯變化，例如情況1：非線性因子α為0.90、注入噪聲TN=116.9、定標(biāo)亮溫TB=15.4 K時(shí)，非線性因子有0.02的偏差，實(shí)測(cè)亮溫誤差為2.5 K.而對(duì)于情況2:α=0.72、TN=25.4、TB=78.8 K時(shí)，非線性因子有0.015的偏差，實(shí)測(cè)亮溫誤差為8 K.

可見(jiàn)，對(duì)于地基微波輻射計(jì)系統(tǒng)，利用非線性定標(biāo)能夠減小或消除由于工作區(qū)間非線性產(chǎn)生的誤差，但此方法引入的定標(biāo)誤差仍是影響實(shí)測(cè)亮溫準(zhǔn)確性的主要因素。非線性定標(biāo)后對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步校正是十分必要的。

3.4 準(zhǔn)實(shí)時(shí)定標(biāo)

微波輻射計(jì)的內(nèi)定標(biāo)方式主要采用內(nèi)部的環(huán)境黑體定標(biāo)源的實(shí)時(shí)定標(biāo)實(shí)現(xiàn)。低端定標(biāo)源是參考負(fù)載溫度，另一個(gè)定標(biāo)源是參考負(fù)載加上耦合進(jìn)來(lái)噪聲源溫度的和。接收機(jī)的輸入端通過(guò)開(kāi)關(guān)周期地在天線單元和定標(biāo)單元之間切換就可以獲得實(shí)時(shí)定標(biāo)曲線。

3.5 周期校驗(yàn)

周期校驗(yàn)是針對(duì)地基微波輻射計(jì)運(yùn)行一段時(shí)間后的周期性校驗(yàn)和性能驗(yàn)證，是保證設(shè)備數(shù)據(jù)準(zhǔn)確和可靠的基礎(chǔ)，包括液氮定標(biāo)和大氣定標(biāo)兩種。

1) 液氮定標(biāo)

周期校驗(yàn)就是利用產(chǎn)品配套的外置低溫(液氮制冷)黑體進(jìn)行周期為半年至一年的周期性檢驗(yàn)維護(hù)，目的是對(duì)系統(tǒng)的非線性特征參數(shù)進(jìn)行重新確認(rèn)，并將新的確認(rèn)結(jié)果輸入到探測(cè)儀運(yùn)行軟件中，具體步驟與外定標(biāo)過(guò)程中利用多點(diǎn)亮溫變化確定與系統(tǒng)定標(biāo)曲線的非線性參數(shù)一致。

2) 大氣定標(biāo)

大氣定標(biāo)方法是對(duì)系統(tǒng)非線性定標(biāo)誤差進(jìn)行校正的有效方法，主要適用于透明度高的K波段，定標(biāo)條件是晴朗無(wú)云且大氣均勻分層。大氣定標(biāo)的原理是下行大氣輻射隨著天頂角的變化而變化，而這個(gè)過(guò)程可以用模式來(lái)模擬[9]。通過(guò)對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的調(diào)整，使得它們滿足這個(gè)規(guī)律，從而得到關(guān)于輻射計(jì)系統(tǒng)響應(yīng)的方程，也就是大氣定標(biāo)的方程。

利用從測(cè)量的亮溫得出大氣光學(xué)厚度，而大氣光學(xué)厚度是大氣質(zhì)量的函數(shù)，這樣就可以得出定標(biāo)因子。把兩個(gè)不同角度θ1，θ2的亮溫值TDN(θ1)、TDN(θ2)變形為A1、A2.如果A1、A2用它們對(duì)應(yīng)的大氣質(zhì)量歸一化，t1=A1/a1，t2=A2/a2，那么理論上歸一化的光學(xué)厚度t1應(yīng)該等于t2.而其中的任何差異都是由于不正確的定標(biāo)引起的。為了減少測(cè)量的不確定因素，大氣定標(biāo)至少應(yīng)該在兩個(gè)角度以上。

4 地基大氣水汽密度反演結(jié)果

基于探空數(shù)據(jù)的預(yù)處理和大氣輻射傳輸模型，運(yùn)用2008年5-12月的探空數(shù)據(jù)訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型[11，13]，加入地基微波輻射計(jì)(GMR)軟件運(yùn)行系統(tǒng)，對(duì)2011年10月16日-10月27日實(shí)時(shí)觀測(cè)和反演結(jié)果進(jìn)行分析，典型反演結(jié)果如圖8和9所示。地基微波輻射計(jì)通過(guò)觀測(cè)大氣微波輻射，轉(zhuǎn)化為0級(jí)數(shù)據(jù)—原始電壓值，經(jīng)過(guò)準(zhǔn)實(shí)時(shí)定標(biāo)，得到1級(jí)數(shù)據(jù)—亮溫值，從而利用已訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系數(shù)，可實(shí)時(shí)反演得到K波段接收機(jī)觀測(cè)到的大氣水汽密度廓線。

圖8 GMR神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反演的大氣水汽密度與探空資料相關(guān)對(duì)比圖

圖9 GMR神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反演的大氣水汽密度與探空資料對(duì)比示意圖

實(shí)驗(yàn)證明：選取2008年5-12月共602組大氣廓線，包含晴天(無(wú)云和薄云)461組、云天141組，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型輸入?yún)?shù)為水汽通道亮溫、地表溫度、水汽密度和氣壓值。水汽密度反演均方差為0.52 g/m3，相關(guān)系數(shù)為0.965.可見(jiàn)，地基微波輻射計(jì)反演的水汽密度廓線與探空數(shù)據(jù)相比具有很好的一致性。為了驗(yàn)證神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反演方法的可靠性和有效性，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型與目前普遍使用的線性統(tǒng)計(jì)回歸模型進(jìn)行比較，統(tǒng)計(jì)樣本與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)一致，輸入?yún)?shù)為各水汽通道亮溫值，經(jīng)過(guò)獨(dú)立測(cè)試樣本驗(yàn)證，線性回歸方法反演均方差為0.902 g/m3，相關(guān)系數(shù)為0.845.兩種方法對(duì)比結(jié)果如圖10和11所示。結(jié)果證明：地面至10 km，垂直分辨率為200 m，GMR采用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的反演性能優(yōu)于統(tǒng)計(jì)回歸算法。

圖10 線性回歸與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反演的大氣水汽密度與探空資料對(duì)比

圖11 線性遞歸與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反演大氣水汽密度與探空資料均方差

圖10中，線性回歸方法只利用水汽通道亮溫值，而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法除采用水汽通道亮溫值外，輸出參數(shù)還包括地表溫度、氣壓和水汽密度，結(jié)果證明，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法反演得到的水汽密度值與探空儀測(cè)量值分布基本一致，而線性回歸法反演值則偏差較大。

地基微波輻射計(jì)反演結(jié)果的誤差來(lái)源于很多方面，也是不可避免的。如① 微波輻射計(jì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反演誤差；② 兩種探測(cè)方式的輸出數(shù)據(jù)在高度上存在誤差；③ 探空數(shù)據(jù)因氣球水平位移帶來(lái)誤差；④ 微波輻射計(jì)校準(zhǔn)不及時(shí)帶來(lái)誤差；⑤ 固定的探測(cè)時(shí)間帶來(lái)誤差；⑥ 探空數(shù)據(jù)帶來(lái)的系統(tǒng)誤差。

5 結(jié) 論

地基微波輻射計(jì)K波段接收機(jī)目的是全天候全天時(shí)探測(cè)大氣濕度的垂直分布(水汽廓線)，為數(shù)值天氣預(yù)報(bào)、氣候變化研究和環(huán)境監(jiān)測(cè)提供重要參數(shù)，從而提高中、長(zhǎng)期數(shù)值天氣預(yù)報(bào)，以及天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。著重分析了K波段水汽通道頻率和個(gè)數(shù)的優(yōu)化組合，并選取最優(yōu)模式進(jìn)行非線性定標(biāo)以及大氣定標(biāo)校正非線性定標(biāo)系數(shù)，消除了由于噪聲注入及阻抗失配引起的接收機(jī)檢波非線性。對(duì)北京地區(qū)2011年10月16日-10月27日水汽密度廓線的實(shí)時(shí)反演精度做了分析，為日后此系列地基微波輻射計(jì)定標(biāo)和數(shù)據(jù)反演工作奠定了基礎(chǔ)。

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