微波輻射計(jì)定標(biāo)注入噪聲特性分析與校正

張 野 ，張升偉 ，何杰穎

（1.中國(guó)科學(xué)院微波遙感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室國(guó)家空間科學(xué)中心，北京100190；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)北京100049）

微波輻射計(jì)是一種被動(dòng)式的微波遙感設(shè)備，它本身并不發(fā)射電磁波，而是通過被動(dòng)接收觀測(cè)場(chǎng)景的微波輻射來探測(cè)目標(biāo)特性[1-2]。而定標(biāo)是微波輻射計(jì)進(jìn)行絕對(duì)測(cè)量的重要步驟之一，通過定標(biāo)可以確定輻射計(jì)系統(tǒng)輸出與所接收的目標(biāo)亮溫之間的傳遞關(guān)系，是輻射計(jì)數(shù)據(jù)定量化應(yīng)用的基礎(chǔ)，因此提高定標(biāo)精度是輻射計(jì)測(cè)量研究的一項(xiàng)重要內(nèi)容。

不同類型的微波輻射計(jì)采取不同的定標(biāo)方式，對(duì)于星載輻射計(jì)通常采用在軌高低溫兩點(diǎn)定標(biāo)[3]，低溫參考源為宇宙冷空背景輻射，高溫參考源通常為星載微波輻射計(jì)內(nèi)置吸收黑體；而地基輻射計(jì)由于沒有宇宙冷空背景的輻射作為低溫參考，通常利用內(nèi)置定標(biāo)黑體和噪聲源[4]注入噪聲進(jìn)行定標(biāo)。

在本文中，介紹了一種K波段微波輻射計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和其定標(biāo)方法。外置微波吸收黑體作為常溫參考源，系統(tǒng)內(nèi)置噪聲源通過定向耦合器向接收機(jī)注入一定量的噪聲從而得到定標(biāo)的高溫參考源。此外本文還從微波網(wǎng)絡(luò)角度對(duì)接收機(jī)的注入噪聲進(jìn)行了分析與修正，使注入噪聲的偏差在1K以內(nèi)從而提高定標(biāo)精度。

1 輻射計(jì)系統(tǒng)組成

圖1為K波段地基微波輻射計(jì)的系統(tǒng)框圖。它由天線，隔離器，噪聲注入模塊，接收機(jī)和數(shù)據(jù)采集控制模塊構(gòu)成。噪聲注入模塊由定向耦合器、開關(guān)和噪聲源構(gòu)成；數(shù)據(jù)采集控制模塊由D/A轉(zhuǎn)換器，A/D轉(zhuǎn)換器和PC計(jì)算機(jī)構(gòu)成，噪聲源可通過定向耦合器向接收機(jī)的各個(gè)接收通道內(nèi)注入一定量的噪聲，為輻射計(jì)定標(biāo)提供參考輸入信號(hào)；數(shù)據(jù)采集控制模塊對(duì)接收機(jī)單元輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行量化采集，并且可控制噪聲注入模塊開關(guān)的狀態(tài)。

圖1 噪聲注入微波輻射計(jì)系統(tǒng)框圖

K波段微波輻射計(jì)接收機(jī)共5個(gè)通道，其原理框圖如圖2所示。天線接收到的信號(hào)經(jīng)過隔離器后在定向耦合器中與噪聲源注入的噪聲疊加在一起（當(dāng)開關(guān)打開時(shí)注入的

是低溫噪聲，開關(guān)關(guān)閉時(shí)注入的是高溫噪聲）；射頻低噪放大器對(duì)定向耦合器輸出的信號(hào)進(jìn)行放大處理后，由功分器分成五路功率信號(hào)輸入至對(duì)應(yīng)的五個(gè)接收通道內(nèi)。每一接收通道內(nèi)均設(shè)有帶通濾波器、檢波器、積分器和低頻放大器。帶通濾波器對(duì)功分器輸出的功率信號(hào)進(jìn)行選頻后，由檢波器將功率信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟妷盒盘?hào)，再經(jīng)過積分器對(duì)該直流電壓信號(hào)進(jìn)行平滑處理，最后經(jīng)過低頻放大器將電壓信號(hào)進(jìn)行放大，以輸出達(dá)到數(shù)字信號(hào)處理要求的信號(hào)。

圖2 輻射計(jì)接收機(jī)原理框圖

該地基輻射計(jì)可利用外置黑體和噪聲源進(jìn)行實(shí)時(shí)定標(biāo)[5]；而接收機(jī)采用直接檢波體制，由于不需要本振，從而降低了系統(tǒng)復(fù)雜度；接收機(jī)輸入端安裝低噪聲放大器，從而降低了系統(tǒng)噪聲溫度，有利于提高接收機(jī)靈敏度。

2 非線性定標(biāo)方法

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)就是通過對(duì)已知的或可控的輸入響應(yīng)的分析給出系統(tǒng)輸入和輸出的定量關(guān)系，亦即構(gòu)造出輻射計(jì)電信號(hào)輸出與接收到的輻射量值之間的定量關(guān)系。地基輻射計(jì)采用的定標(biāo)方法可以分為兩大類，一類是多點(diǎn)定標(biāo)法[6]，另一類是針對(duì)窗區(qū)探測(cè)頻率進(jìn)行大氣定標(biāo)法[7-8]。理想的微波輻射計(jì)，系統(tǒng)輸出與輸入之間為線性關(guān)系，而實(shí)際的輻射計(jì)系統(tǒng)通常具有非線性特征。地基微波輻射計(jì)在建立系統(tǒng)輸入與輸出之間的傳遞關(guān)系時(shí)，可通過分別觀測(cè)液氮冷源、液氮冷源加注入噪聲、常溫黑體、常溫黑體加注入噪聲，而求解系統(tǒng)的非線性因子[9]，這屬于多點(diǎn)定標(biāo)方法的一種，其具體方法如下：根據(jù)Plank定律，在微波波段輻射功率和亮度溫度成正比關(guān)系，因而輻射計(jì)接收機(jī)輸出電壓和輸入功率之間可以表示為

式（1）中，U為接收機(jī)的輸出電壓，G為輻射計(jì)系統(tǒng)的增益系數(shù)，TREC為接收機(jī)的等效噪聲溫度，TINJ為接收機(jī)等效注入噪聲溫度，TA為從饋源輸入到接收機(jī)的噪聲溫度，α為輻射計(jì)系統(tǒng)的非線性因子。

定標(biāo)時(shí)將天線對(duì)準(zhǔn)外置液氮冷源，并分別關(guān)閉和打開噪聲源，記錄對(duì)應(yīng)接收機(jī)單元輸出的電壓數(shù)值U1和U2，可以獲得兩組定標(biāo)參考點(diǎn)Tc～U1和Tc+TINJ～U2；將天線對(duì)準(zhǔn)常溫環(huán)境下的黑體，并分別關(guān)閉和打開噪聲源，記錄對(duì)應(yīng)接收機(jī)單元輸出的電壓數(shù)值U3和U4，可以獲得另外兩組定標(biāo)參考點(diǎn)Th～U3和Th+TINJ～U4；將4組定標(biāo)參考點(diǎn)代入公式（1），解方程得到4個(gè)未知量，即可獲得微波輻射計(jì)的定標(biāo)方程。

非線性定標(biāo)方法的優(yōu)點(diǎn)在于，它充分考慮接收機(jī)中檢波二極管的非線性，從而可以有效的減少接收機(jī)的非線性對(duì)定標(biāo)所造成的誤差[10]。另外，輻射計(jì)系統(tǒng)的非線性因子α和等效注入噪聲TINJ在確定后較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不會(huì)發(fā)生變化，而接收機(jī)噪聲溫度TREC和增益G的漂浮可利用一外置黑體和噪聲源而進(jìn)行周期性校準(zhǔn)，這樣可以實(shí)時(shí)更新輻射計(jì)的定標(biāo)方程從而提高定標(biāo)精度。

3 噪聲注入分析

3.1 系統(tǒng)輻射傳輸模型分析

非線性定標(biāo)過程中天線分別對(duì)準(zhǔn)液氮冷源和常溫黑體，要求噪聲源在這兩種情況下向接收機(jī)注入的噪聲是一致的，其注入噪聲偏差需在1K以內(nèi)，否則會(huì)影響式（1）中系統(tǒng)非線性因子α的求解從而導(dǎo)致輻射計(jì)定標(biāo)精度下降。下面從微波網(wǎng)絡(luò)[11-12]角度分析系統(tǒng)的噪聲注入值。

圖3 K波段輻射計(jì)的輻射傳輸模型

圖3為K波段微波輻射計(jì)的輻射傳輸模型。τ1、τ2為天線和隔離器的傳輸系數(shù)，τ3和τ4分別為定向耦合器主路和支路的傳輸系數(shù)；M3為定向耦合器和接收機(jī)分界面的失配因子；Tin為外部觀測(cè)亮溫；Ta和Tb分別為天線和隔離器的物理溫度；TN為定向耦合器支路的輸入噪聲溫度；T1x為定向耦合器的噪聲溫度貢獻(xiàn)；TR為在定向耦合器方向上接收機(jī)產(chǎn)生的噪聲溫度[13]。則公式（2）為開關(guān)打開時(shí)進(jìn)入到接收機(jī)的有效噪聲溫度。

如圖3所示，噪聲注入模塊中開關(guān)關(guān)閉會(huì)引起系統(tǒng)的以下參數(shù)發(fā)生變化：定向耦合器主路傳輸系數(shù)由τ3變?yōu)?，支路傳輸系?shù)由τ4變?yōu)?；定向耦合器和接收機(jī)分界面的失配因子由M3變?yōu)?；定向耦合器支路的輸入噪聲溫度由TN變?yōu)?；定向耦合器的噪聲溫度貢獻(xiàn)由T1x變?yōu)門2x。公式（3）為開關(guān)關(guān)閉時(shí)進(jìn)入到接收機(jī)的有效噪聲溫度。

由公式（2）和公式（3）可求得輻射計(jì)的有效注入噪聲溫度如公式（4）所示。假設(shè)輻射計(jì)系統(tǒng)溫度恒定，公式（4）中除第一項(xiàng)外其余項(xiàng)皆可看作常量。若，則有效注入噪聲溫度Tinj會(huì)隨著外部觀測(cè)亮溫Tin變化而變化，會(huì)導(dǎo)致噪聲源向接收機(jī)注入的噪聲值不一致從而影響式（1）中輻射計(jì)系統(tǒng)非線性因子α的求解。設(shè)k=τ3M3，稱為噪聲偏差系數(shù)，下面從微波網(wǎng)絡(luò)角度分析定向耦合器傳輸模型中噪聲偏差系數(shù)Δk。

3.2 定向耦合器微波網(wǎng)絡(luò)分析

如圖4所示，將定向耦合器視為一四端口微波網(wǎng)絡(luò)[14]。端口1與噪聲源開關(guān)連接，端口2與匹配負(fù)載連接，端口3與接收機(jī)連接，端口4與隔離器連接。定向耦合器各界面參數(shù)均在圖4中標(biāo)示。

圖4 定向耦合器微波網(wǎng)絡(luò)圖

支路1傳輸系數(shù)τs1、界面3失配因子M3和界面1朝向噪聲源的反射系數(shù)Γ1為

聯(lián)立公式（5）和公式（6）可得

公式（7）中s11、s12、s21和s22均為噪聲源開關(guān)的s參數(shù)，ΓL為噪聲源的反射系數(shù)。噪聲源開關(guān)打開時(shí)注入的是低溫噪聲，開關(guān)關(guān)閉時(shí)注入的是高溫噪聲，這兩種狀態(tài)下開關(guān)的s參數(shù)會(huì)發(fā)生變化。式（7）可知開關(guān)的s參數(shù)變化會(huì)引起反射系數(shù)Γ1發(fā)生變化；式（8）可知反射系數(shù)Γ1變化會(huì)引起，b3，a4均發(fā)生變化從而導(dǎo)致τs1M3變化為即為噪聲偏差系數(shù)Δk，反射系數(shù)的變化ΔΓ1和噪聲偏差系數(shù)Δk的關(guān)系如圖5所示。

圖5 Γ1變化對(duì)噪聲偏差系數(shù)Δk的影響

由圖5中可見，界面1朝向噪聲源的反射系數(shù)Γ1。變化會(huì)影響噪聲偏差系數(shù)Δk的值。例如耦合器的隔離度在20 dB時(shí)，Γ1模值發(fā)生0.1的變化，噪聲偏差系數(shù)約為0.006；從圖5中還可以看出耦合器的隔離度越大，相同ΔΓ1所對(duì)應(yīng)的噪聲偏差系數(shù)Δk模值越小。由公式（4）可推出

式（8）中ΔTin為注入噪聲變化值，ΔTin為外部觀測(cè)亮溫的變化值。在輻射計(jì)定標(biāo)過程中天線分別對(duì)準(zhǔn)液氮冷源和常溫黑體，外部觀測(cè)亮溫會(huì)存在200 K左右的差值，若噪聲偏差系數(shù)Δk模值為0.01～0.02，則其造成的注入噪聲偏差約為2～4 K?？梢娸椛溆?jì)系統(tǒng)中，噪聲注入模塊開關(guān)的不同狀態(tài)最終會(huì)導(dǎo)致噪聲源的注入噪聲值存在偏差，在工程實(shí)踐中可選用隔離度大的定向耦合器或吸收式開關(guān)[15]來減小此注入噪聲偏差；若注入噪聲偏差過大則會(huì)對(duì)輻射計(jì)的非線性因子求解造成誤差，對(duì)其進(jìn)行修正是十分有必要的。

3.3 注入噪聲修正

由公式（8）可得注入噪聲變化值ΔTinj與外部觀測(cè)亮溫的變化值ΔTin存在線性關(guān)系，因此可以在非線性定標(biāo)過程中用線性補(bǔ)償?shù)姆椒▉硇拚邮諜C(jī)的噪聲注入值，其具體方法如下：

1）分別記錄天線對(duì)準(zhǔn)液氮冷源T1和常溫黑體T2時(shí)接收機(jī)的輸出電壓，并求得各自的ΔU值（ΔU為接收機(jī)因注入噪聲引起的輸出電壓變化值），記作ΔU1和 ΔU2；計(jì)算系數(shù) Δk'

2）注入噪聲后根據(jù)外部觀測(cè)亮溫值對(duì)接收機(jī)的輸出電壓進(jìn)行線性補(bǔ)償。若外部觀測(cè)亮溫為Ta，該點(diǎn)的線性補(bǔ)償為

3）運(yùn)用公式（1）及其所述方法求得輻射計(jì)的非線性因子α和等效注入噪聲值TINJ。

圖6 噪聲注入測(cè)量實(shí)驗(yàn)圖

為驗(yàn)證線性補(bǔ)償方法的可行性，將各器件按圖6所示連接。使天線對(duì)準(zhǔn)液氮冷源，將衰減器器依次旋轉(zhuǎn)至不同衰減值從而改變輻射計(jì)接收機(jī)的有效輸入噪聲溫度（相當(dāng)于改變輻射計(jì)外部觀測(cè)亮溫值），在每個(gè)衰減點(diǎn)下記錄因注入噪聲而引起的接收機(jī)輸出電壓變化值ΔU。圖7為K波段接收機(jī)各通道的注入噪聲原始值、修正值和各自的偏差（為方便分析，已將ΔU值轉(zhuǎn)化為ΔK）。

圖7中可以看出，在未修正前，接收機(jī)各通道的注入噪聲值會(huì)隨著輸入噪聲溫度的增大而減小，其偏差會(huì)在2K-8K左右，這說明開關(guān)的不同狀態(tài)使式（8）中噪聲偏差系數(shù)Δk小于0從而造成注入噪聲值隨外部觀測(cè)亮溫呈遞減關(guān)系；經(jīng)過修正后的注入噪聲值基本一致，其偏差在0.5K左右，符合輻射計(jì)定標(biāo)對(duì)注入噪聲精度的要求；實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明以理論分析為基礎(chǔ)的線性補(bǔ)償方法對(duì)接收機(jī)的注入噪聲偏差修正起到良好的作用，因此可以在輻射計(jì)定標(biāo)過程中將注入噪聲值修正后與所述的非線性定標(biāo)方法結(jié)合來提高輻射計(jì)的定標(biāo)精度。

4 結(jié)論

K波段地基微波輻射計(jì)目的是全天候全天時(shí)探測(cè)大氣濕度的垂直分布，為數(shù)值天氣預(yù)報(bào)，人工降雨和飛行安全等提供重要的氣象參數(shù)[16]。本文著重分析了K波段輻射計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和定標(biāo)方法，并以微波網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)深入分析了接收機(jī)的注入噪聲，發(fā)現(xiàn)噪聲注入模塊開關(guān)的不同狀態(tài)最終會(huì)造成接收機(jī)噪聲注入值存在偏差，即隨著外部觀測(cè)目標(biāo)輻射亮溫的不同而發(fā)生變化；為修正其造成的噪聲注入偏差，本文在理論分析的基礎(chǔ)上使用了線性補(bǔ)償方法，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看出，本文所采用的方法能夠較好的修正接收機(jī)的注入噪聲使其偏差在1K以內(nèi)。

圖7 各通道的注入噪聲原始值和修正值

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