大氣微波遙感輻射計(jì)天線指標(biāo)設(shè)計(jì)分析

程顯海，康士峰，曹仲晴

（中國電波傳播研究所 電波環(huán)境特性與?；夹g(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266107）

大氣微波遙感輻射計(jì)天線指標(biāo)設(shè)計(jì)分析

程顯海，康士峰，曹仲晴

（中國電波傳播研究所 電波環(huán)境特性與模化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266107）

用于被動(dòng)式大氣遙感測量和對流層電波折射誤差高精度實(shí)時(shí)修正的地基微波輻射計(jì)，需采用窄波束、高效率和低旁瓣天線。根據(jù)微波輻射計(jì)天線傳遞函數(shù)和大氣輻射測量方程，提出了天線設(shè)計(jì)中主波束寬度的選擇依據(jù)，同時(shí)還提出了可根據(jù)太陽在輻射計(jì)工作頻段內(nèi)的射電輻射流量密度指導(dǎo)天線設(shè)計(jì)，即可根據(jù)太陽掃過天線旁瓣時(shí)所引起的輻射亮度溫度的附加貢獻(xiàn)和微波輻射計(jì)系統(tǒng)測量精度要求，確定歸一化天線功率方向圖中最大旁瓣的可允許值。

微波輻射計(jì)；大氣遙感；太陽射電輻射；天線增益；天線歸一化方向圖

0 引言

微波輻射計(jì)是一種用于測量場景（目標(biāo)）微波熱輻射的高靈敏度接收機(jī)。地基大氣遙感微波輻射計(jì)常用于測量反演大氣溫度廓線、水汽廓線、大氣水汽總含量、云中液態(tài)水含量、測量降雨和降雨分布等［1］，應(yīng)用于天氣預(yù)報(bào)和指導(dǎo)人工影響天氣選擇最佳作業(yè)時(shí)機(jī)；還可以用于預(yù)報(bào)飛機(jī)飛行潛在積冰區(qū)和積冰等級等。

以微波輻射計(jì)為基礎(chǔ)的被動(dòng)式大氣遙感測量系統(tǒng)，在無線電測控工程中也獲得了廣泛的應(yīng)用，可以在電波傳播路徑上通過測量大氣輻射亮溫直接進(jìn)行對流層大氣折射誤差實(shí)時(shí)修正，由于這種方法是在電波實(shí)際傳播路徑上直接取得折射修正信息樣品的，不受大氣時(shí)變特性和水平不均勻性的影響，因此，可有很高的修正精度［2，3］；還可以通過測量大氣輻射亮溫反演對流層大氣折射率剖面用于折射誤差實(shí)時(shí)修正［4－6］；也可以用于測量研究大氣和降雨對電波的衰減等［7］。

由于微波輻射計(jì)測量接收的是場景（目標(biāo)）的微波熱輻射信號(hào)，通過接收天線饋送到輻射計(jì)接收機(jī)輸入端的信號(hào)，既包括天線主瓣接收部分，同時(shí)還包括來自天線旁瓣（包括后瓣）接收的雜散輻射和天線本身損耗產(chǎn)生的熱輻射，而輻射計(jì)接收機(jī)本身又不能區(qū)分出哪些是來自天線主瓣接收的輻射，哪些是來自天線旁瓣接收的雜散輻射和天線本身產(chǎn)生的熱輻射，因此，為了提高測量路徑上大氣輻射亮溫的測量精度和大氣參數(shù)的反演精度，用于大氣遙感測量和進(jìn)行電波折射誤差實(shí)時(shí)修正的微波輻射計(jì)，應(yīng)采用窄波束、高效率、低旁瓣天線［8，9］。因此，文中所給出的對天線主波束寬度的選擇理論基礎(chǔ)和天線旁瓣電平要求的設(shè)計(jì)依據(jù)，對指導(dǎo)大氣遙感微波輻射計(jì)天線設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的。

1 天線傳遞函數(shù)

微波輻射計(jì)測量系統(tǒng)，經(jīng)天線接收并傳遞到輻射計(jì)接收機(jī)輸入端的熱輻射溫度信號(hào)，包括3部分：天線主瓣接收部分、旁瓣（包括后瓣）接收部分和自身損耗產(chǎn)生的熱輻射部分。測量天線傳遞函數(shù)流程示意圖如圖1所示。

圖1 微波輻射計(jì)天線對測量信號(hào)的傳遞流程

式中，TB（θ，φ）為天線指向范圍的亮溫分布；P（θ，φ）為接收天線歸一化功率方向圖；Ωm為接收天線方向圖主瓣立體角；Ωa為天線立體角；為天線主瓣接收的加權(quán)平均亮溫；為天線旁瓣（包括后瓣）接收的雜散輻射加權(quán)平均亮溫；ηm為天線主波束效率；ηl為天線歐姆效率（或功率傳輸系數(shù)），對于無耗天線ηl＝1；T0為天線本身物理溫度。

2 天線設(shè)計(jì)參數(shù)選擇分析

2.1 天線主波束寬度和口徑

根據(jù)圖1可以寫出天線溫度Ta的計(jì)算表達(dá)式：

若用θm表示天線方向圖離主波束中心軸的角距離，則式（6）可改寫成：

顯然，只有在θm這個(gè)角增量范圍內(nèi)測量場景的亮溫分布可視為常量時(shí)，式（7）才能簡化為：

在式（8）中第一項(xiàng)中，除TB外其余部分就是天線主波束效率ηm，即

將式（9）代入式（8）可以得到：

由式（7）和式（11）可見，若由天線溫度的測量值Ta，精確估算出測量方向上的大氣輻射亮溫TB，則就要求在2θm角度范圍內(nèi)大氣亮溫分布TB（θ，φ）近似為常數(shù)，則可以根據(jù)這一原則，由測量方向上大氣亮溫分布特性和要求的TB測量精度來確定θm，已知θm則可將2θm作為所要求的天線半功率波束寬度，再由半功率波束寬度確定天線口徑D。

用作大氣遙感測量的微波輻射計(jì)多工作在K波段（對大氣中水汽和云中液態(tài)水含量敏感）和V波段（對大氣溫度敏感），并且多采用圓形孔徑天線，則天線半功率波束寬度2θm可用下式估算：

式中，k為與天線口徑電流分布和接收的極化方式有關(guān)的常數(shù)（通常k≈65°～70°）；λ為工作波長；D為天線直徑。選定θm就可由（13）式估算出要求的天線口徑D：

已知天線口徑D就可以估算出天線的最大增益Gmax：

式中，A為天線口面面積；ν為口面利用系數(shù)；ηl為天線歐姆效率。

2.2 天線旁瓣

用于測量反演大氣物理參數(shù)和進(jìn)行對流層電波折射誤差高精度修正的微波輻射計(jì)，工作頻率多選擇在K波段和V波段，在上述兩頻段內(nèi)選20 GHz和50 GHz兩個(gè)頻率為代表，用來說明實(shí)際大氣輻射亮溫在不同測量仰角上的變化特性由圖2所示，在天頂方問20 GHz和50 GHz頻點(diǎn)，大氣向下輻射亮溫分別為47.1 K和104.7 K。

圖2 不同測量仰角上大氣向輻射亮溫

當(dāng)微波輻射計(jì)選用俯仰掃角測量方式時(shí)，在低仰角天線旁瓣會(huì)指向地面，上例中地面溫度可達(dá)297 K左右，地面可視為灰體，本身的熱輻射可大于測量方向上大氣的輻射，顯然，當(dāng)天線旁瓣電平不是足夠低，旁瓣接收的地面輻射不能忽略則就要引起測量誤差；然而這里必須提及地面的熱輻射并非是最大的干擾輻射源，在上述兩頻段太陽射電輻射要大于地面的熱輻射才是最大的干擾輻射源。對于20 GHz和50 GHz兩頻點(diǎn)，在太陽黑子數(shù)分別為0和100時(shí)的寧靜太陽射電輻射流量密度由表1所示［10］。

表1 寧靜太陽射電輻射

采用工作頻率為23.8 GHz的微波輻射計(jì)，天線口徑為0.8 m，當(dāng)天線主瓣指向太陽方向時(shí)，測量得到的輻射亮溫有時(shí)可達(dá)498 K，遠(yuǎn)大于地面的熱輻射。顯然當(dāng)太陽掃過天線最大旁瓣才是輻射計(jì)測量的最大干擾源，因此，可根據(jù)太陽的射電輻射水平確定天線對旁瓣指標(biāo)的要求。

當(dāng)太陽掃過天線最大旁瓣時(shí)，最大旁瓣接收的功率Psn計(jì)算表達(dá)式可寫為：

式中，Aen為在最大旁瓣方向上的天線有效面積；Ssun為太陽在輻射計(jì)接收頻率上輻射流量密度；ΔF為輻射計(jì)測量帶寬。

假設(shè)天線最大旁瓣的增益為Gslmax，工作波長為λ，Psn還可以寫為：

由式（16）就可以得到最大旁瓣增益Gslmax計(jì)算表達(dá)式為：

可見已知輻射計(jì)工作波長λ和該波長上太陽輻射流量密度Ssun，以及輻射計(jì)測量帶寬ΔF和要求限制的最小接收功率Psn（可由測量誤差分配給旁瓣接收的亮度溫度限值換算），即可利用式（17）求出可允許的最大旁瓣增益Gslmax，已知Gmax和Gslmax即可求出允許的天線規(guī)一化方向圖中最大旁瓣P(guān)slmax：

上例中采用的23.8 GHz微波輻射計(jì)，天線口徑D＝0.8 m，最大增益Gmax＝44 dB，若要求太陽掃過天線最大旁瓣時(shí)產(chǎn)生的亮溫貢獻(xiàn)小于0.5 K，則就要求天線最大旁瓣P(guān)slmax≤－30 dB。

3 結(jié)束語

用于被動(dòng)式地基大氣遙感測量和電波折射誤差高精度實(shí)時(shí)修正的微波輻射計(jì)，根據(jù)天線傳遞函數(shù)和大氣輻射測量方程進(jìn)行分析得出，應(yīng)選用窄波束、高效率和低旁瓣天線。

文中給出了天線主要設(shè)計(jì)指標(biāo)的設(shè)計(jì)依據(jù)，其中天線主波束寬度的選擇應(yīng)滿足在主波束寬度范圍內(nèi)，大氣的亮溫分布能近似看作常量；而當(dāng)輻射計(jì)進(jìn)行方位和俯仰掃描測量時(shí)，由于天線旁瓣不僅指向大氣，有時(shí)還會(huì)指向地面或太陽，因此，天線旁瓣設(shè)計(jì)指標(biāo)的確定就比較復(fù)雜。由于太陽射電輻射大于地面輻射，則文中提出了可根據(jù)太陽在輻射計(jì)工作頻段內(nèi)產(chǎn)生的射電輻射作為天線旁瓣指標(biāo)的設(shè)計(jì)依據(jù)，即當(dāng)太陽掃過輻射計(jì)天線最大旁瓣時(shí)，輻射計(jì)接收機(jī)接收到的射電輻射，應(yīng)小于輻射計(jì)系統(tǒng)測量亮溫總誤差中，分配給天線旁瓣接收的亮溫作為最大旁瓣電平要求的設(shè)計(jì)依據(jù)，經(jīng)在實(shí)際輻射計(jì)測量系統(tǒng)中的使用，表明采用上述天線設(shè)計(jì)依據(jù)在工程設(shè)計(jì)中是可行的。

［1］張培昌，王振會(huì).大氣微波遙感基礎(chǔ)［M］.北京：氣象出版社，1995：254－343.

［2］RABINSON S E.The Profile Algorithm for Microwave Delay Estimation from Water Radiometer Data［J］.Radio science，1988，23（3）：401－408.

［3］程顯海，邢小星.微波輻射計(jì)在電波折射修正中的應(yīng)用［J］.微波學(xué)報(bào)，1995，11（1）：61－65.

［4］趙振維，王 寧.微波輻射計(jì)反演大氣折射率剖面技術(shù)研究［J］.電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2010，25（1）：132－137.

［5］劉宗偉，劉夫體，甘友誼，等.微波輻射計(jì)在雷測數(shù)據(jù)折射誤差修正中的應(yīng)用［J］.電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2011，26（12）：1 153－1 157.

［6］武 征，潘佳梁，胡夢中.測量雷達(dá)對流層大氣折射誤差修正方法研究［J］.無線電工程，2014，44（2）：73－76.

［7］程顯海，王 寧，曹培培.微波輻射計(jì)在大氣遙感和電波傳播中的應(yīng)用［C］∥2011年全國微波毫米波會(huì)議論文集（下冊），2011：1 754－1 757.

［8］烏拉比，著.微波遙感，（笫9卷）［M］.北京：科學(xué)出版社，1988：137－139.

［9］康小勇，路志勇，宋長宏.前饋偏移卡塞格倫天線低輪廓設(shè)計(jì)［J］.無線電工程，2011，41（12）：44－46.

［10］C W艾倫.物理量和天體物理量［M］.楊 建，譯.北京：人民出版社，1976.

Design and Analysis of Antenna Specifications in Atmospheric Microwave Radiometers

CHENG Xian-hai，KANG Shi-feng，CAO Zhong-qing
（National Key Laboratory of Electromagnetic Environment，China Research Institute of Radiowave Propagation，Qingdao Shandong 266107，China）

Ground-based Microwave Radiometers（MWR）are often used for passive atmospheric remote sensing and measurement，or high accuracy，real time error correction of radio wave refraction in troposphere.For such applications，narrow beam，high efficiency and low-sidelobe antennas are required.Based on the antenna transfer function in MWR and the atmospheric radiation measurement equation，the paper presents a set of selection criteria on main lobe width in antenna design，and proposes a method for antenna design that takes into account the solar radiation flux density within the operating frequency bands of MWR.This method determines the allowable maximum sidelobe of normalized antenna radiation pattern on the basis of two factors：one is the additional contribution to the radiance temperature by the sun passing the antenna sidelobes，the other is the requirement on the MWR measuring accuracy.

microwave radiometer；atmospheric remote sensing；solar radiation；antenna gain；normalized antenna radiation pattern

P414.5

A

1003－3106（2015）10－0052－03

10.3969／j.issn.1003－3106.2015.10.14

程顯海，康士峰，曹仲晴.大氣微波遙感輻射計(jì)天線指標(biāo)設(shè)計(jì)分析［J］.無線電工程，2015，45（10）：52－54.

程顯海男，（1940—），高級工程師。主要研究方向：微波遙感、電波傳播、無線電測量、電磁環(huán)境和測量評價(jià)研究。

2015-07-06

康士峰男，（1966—），博士，研究員。主要研究方向：電波環(huán)境及傳播特性研究。