高靈敏度、高穩(wěn)定度微波輻射計技術(shù)研究與實驗驗證

牛立杰 劉 浩 吳 季

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高靈敏度、高穩(wěn)定度微波輻射計技術(shù)研究與實驗驗證

牛立杰①②劉 浩*①吳 季①

①(中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心微波遙感重點(diǎn)實驗室 北京 100190)②(中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

使用星載綜合孔徑輻射計進(jìn)行海洋鹽度探測是微波遙感領(lǐng)域的一個研究熱點(diǎn)。為了達(dá)到海洋鹽度探測所需準(zhǔn)確度指標(biāo)，綜合孔徑輻射計的輻射計單元需要同時具有非常高的靈敏度及定標(biāo)穩(wěn)定度。該文研究了一種兼顧高靈敏度和高穩(wěn)定度的輻射計技術(shù)，通過實時定標(biāo)的方法保證穩(wěn)定度指標(biāo)，通過定標(biāo)數(shù)據(jù)平均的方法提高靈敏度指標(biāo)。首次通過頻域分析得到最優(yōu)定標(biāo)數(shù)據(jù)平均時間。完成了長時間穩(wěn)定度實驗，實驗結(jié)果表明：該輻射計穩(wěn)定度在3天(3 d)內(nèi)優(yōu)于0.12 K，靈敏度優(yōu)于0.1 K，達(dá)到了海洋鹽度探測綜合孔徑輻射計對輻射計單元的需求。

高穩(wěn)定度輻射計；L波段微波輻射計；噪聲注入式輻射計；海洋鹽度

1 引言

星載微波輻射計技術(shù)使全球海洋鹽度測量成為可能[1]。海洋鹽度探測輻射計需要有很高的靈敏度、穩(wěn)定度、空間分辨率、刈幅指標(biāo)。2009年歐空局發(fā)射了SMOS衛(wèi)星，采用Y型陣2維綜合孔徑體制；2011年美國發(fā)射了Aquarius衛(wèi)星，采用“推帚式”真實孔徑體制。兩者發(fā)揮了重要作用，也發(fā)現(xiàn)了一些問題。文獻(xiàn)[2,3]介紹了SMOS載荷及最新的數(shù)據(jù)處理結(jié)果，文獻(xiàn)[4,5]介紹Aquarius載荷、狀態(tài)及測量結(jié)果。文獻(xiàn)[6]對比了兩顆衛(wèi)星數(shù)據(jù)，總結(jié)問題：(1)2顆衛(wèi)星都未采用海溫同步測量手段；(2)都未解決RFI問題；(3) 2維綜合孔徑輻射計體制可實現(xiàn)大刈幅高分辨率，但系統(tǒng)復(fù)雜，誤差大；(4)實孔徑體制空間分辨率低，觀測刈幅小，不能滿足應(yīng)用需求。

中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心吸取經(jīng)驗，提出“主被動聯(lián)合微波成像儀”(Microwave Imager Combined Active and Passive: MICAP)方案[7,8]。主載荷是一臺L波段1維綜合孔徑輻射計，可實現(xiàn)高空間分辨率及觀測刈幅指標(biāo)，同時避免復(fù)雜度過高的難題。1維綜合孔徑輻射計由15個輻射計單元組成，要求3天(3 d)內(nèi)穩(wěn)定度優(yōu)于0.12 K，靈敏度優(yōu)于0.1 K。

國內(nèi)研究方面，文獻(xiàn)[9]提出使用實時定標(biāo)提高輻射計穩(wěn)定度。文獻(xiàn)[10]采用一種數(shù)字增益波動自動補(bǔ)償微波輻射計，航空實驗證明能達(dá)到0.2 psu的鹽度分辨率。本文研究一種兼顧靈敏度和穩(wěn)定性的輻射計，實時定標(biāo)實現(xiàn)高穩(wěn)定度，定標(biāo)平均方法提高靈敏度。頻域分析得到最優(yōu)定標(biāo)平均時間，并完成時序與注入噪聲的優(yōu)化及輻射計實驗，指標(biāo)達(dá)到了MICAP的輻射計單元要求。本文研究為MICAP計劃奠定基礎(chǔ)，同時還將應(yīng)用于“全球水循環(huán)衛(wèi)星探測計劃”(Global Water Cycle Observation Mission: WCOM)的L/S/C三頻全極化綜合孔徑輻射計系統(tǒng)中[11]。

2 高靈敏度、高穩(wěn)定度輻射計理論基礎(chǔ)

2.1輻射計的靈敏度

2.2輻射計的穩(wěn)定度

輻射計的不穩(wěn)定性主要由系統(tǒng)參數(shù)變化帶來：增益和接收機(jī)噪聲溫度漂移；定標(biāo)平面前天線、無源器件及電纜物理溫度波動導(dǎo)致的自身噪聲波動；定標(biāo)源(負(fù)載、噪聲源)噪聲溫度波動。精密溫控、高穩(wěn)定噪聲源、實時定標(biāo)等可以減小這些不穩(wěn)定性。

文獻(xiàn)[13]中提出了漂移方差的概念，表示輻射計積分時間為時，周期為的漂移的大?。?/p>

其中，

2.3高靈敏度、高穩(wěn)定度輻射計類型的選擇

輻射計實現(xiàn)高穩(wěn)定度需要實時定標(biāo)，但實時定標(biāo)會增加噪聲，降低靈敏度。噪聲注入輻射計實時定標(biāo)修正增益和接收機(jī)噪聲溫度的漂移，穩(wěn)定度高，但定標(biāo)噪聲導(dǎo)致靈敏度比全功率輻射計差。本文選用噪聲注入式輻射計，在獲得高穩(wěn)定度的同時通過特定的定標(biāo)數(shù)據(jù)平均方法(詳細(xì)見3.4節(jié))減小定標(biāo)噪聲，可以兼顧高靈敏度和高穩(wěn)定性的指標(biāo)需求。

3 高靈敏度、高穩(wěn)定度噪聲注入式輻射計理論分析

3.1 噪聲注入式輻射計原理

傳統(tǒng)噪聲注入輻射計使用硬件技術(shù)實現(xiàn)檢波電壓抵消，通過脈寬反推天線溫度?，F(xiàn)在可以使用數(shù)字技術(shù)對電壓采樣后直接數(shù)字處理，簡化系統(tǒng)[14]。原理框圖如圖1所示。工作時序如圖2所示。

圖1 噪聲注入式輻射計原理框圖

3.2 噪聲注入式輻射計靈敏度計算

3.3噪聲注入式輻射計穩(wěn)定度計算

3.4定標(biāo)數(shù)據(jù)平均技術(shù)

圖2 應(yīng)用定標(biāo)數(shù)據(jù)平均技術(shù)的輻射計時序

圖3 應(yīng)用定標(biāo)數(shù)據(jù)平均技術(shù)的輻射計時序與噪聲源溫度優(yōu)化

圖4 VO與VON的功率譜密度

(7)

(9)

(11)

3.5 靈敏度仿真與時序、注入噪聲優(yōu)化

表1 L波段輻射計主要參數(shù)

4 輻射計實驗驗證

4.1輻射計實驗過程

實驗輻射計參數(shù)如表1所示。頻率1400~1427 MHz,為50%。完成了8天(8 d)穩(wěn)定性實驗。精密溫控系統(tǒng)將輻射計工作溫度穩(wěn)定在范圍內(nèi)。觀測目標(biāo)為一個溫控在343 K的恒溫匹配負(fù)載，溫控精度，精密測溫實現(xiàn)天線溫度補(bǔ)償。

4.2 實驗數(shù)據(jù)分析

圖5 輻射計8天(8 d)穩(wěn)定性實驗得到的天線溫度

圖6 輻射計漂移標(biāo)準(zhǔn)差

5 結(jié)束語

本文研究了一種兼有高靈敏度及高穩(wěn)定度指標(biāo)的噪聲注入輻射計技術(shù)，通過實時定標(biāo)保證高穩(wěn)定度指標(biāo)，通過定標(biāo)平均進(jìn)一步提高靈敏度指標(biāo)。通過實驗驗證了采用精密溫度控制，定標(biāo)平均技術(shù)的L波段輻射計靈敏度優(yōu)于0.1 K(4 s積分時間)，3天(3 d)內(nèi)穩(wěn)定度優(yōu)于0.12 K，達(dá)到了海洋鹽度探測綜合孔徑輻射計對輻射計單元的需求。

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Research and Experimental Verification on High Sensitivity and High Stability Microwave Radiometer

NIU Lijie①②LIU Hao①WU Ji①

①(,,,100190,)②(,100049,)

Global measurement of ocean salinity using satellite borne synthetic aperture radiometer is one of the research focuses in the field of microwave remote sensing. In order to achieve the accuracy of the ocean salinity detection, the radiometer units of the synthetic aperture radiometer need to have very high sensitivity and very high calibration stability. In this paper, the technique of the radiometer with high sensitivity and high stability is researched. High stability is realized by the real-time calibration method, and the sensitivity is effectively improved by the calibration data average technology. The optimal average time is obtained by the frequency domain analysis for the first time. Long time stability experiments are completed to demonstrate its performance. Experimental results show that the stability of this L-band radiometer reaches 0.12 K (in 3 days), and the sensitivity reaches 0.1 K, which can reach the requirement of the synthetic aperture radiometer for ocean salinity detection.

High stability radiometer; L-band microwave radiometer; Noise injection radiometer; Ocean salinity

TP732.1

A

1009-5896(2017)08-2028-05

10.11999/JEIT161112

2016-10-20；

改回日期：2017-02-21；

2017-04-14

劉浩 liuhao@mirslab.cn

牛立杰： 男，1974年生，博士生，副研究員，研究方向為輻射計系統(tǒng)及定標(biāo)技術(shù).

劉 浩： 男，1978年生，研究員，研究方向為干涉式綜合孔徑輻射計的系統(tǒng)和信號處理.

吳 季： 男，1958年生，研究員，主要從事微波遙感及空間探測方面研究.