天線形變對風(fēng)云衛(wèi)星遙感圖像的影響

王 璐,胡偉東,安大偉,季金佳,陳 實,LIGTHART Leo P.

(1. 北京理工大學(xué)，北京 100081； 2. 國家衛(wèi)星氣象中心，北京 100081； 3. 代爾夫特理工大學(xué)，荷蘭 代爾夫特 2628 CN)

0 引言

隨著對宇宙探索和地球探測的深入，衛(wèi)星系統(tǒng)對天線性能的要求越來越高。在氣象觀測方面，風(fēng)云系列衛(wèi)星是我國自主研制的氣象衛(wèi)星，毫米波和亞毫米波成像儀(MMSI)是中國風(fēng)云四號地球同步軌道氣象衛(wèi)星上的重要載荷，在天氣預(yù)報、災(zāi)難預(yù)警和環(huán)境監(jiān)測等方面，MMSI極具潛力。天線的性能直接影響MMSI的成像質(zhì)量，為提高接收機的靈敏度和分辨率，需增大天線的有效接收面積并降低天線系統(tǒng)的噪聲溫度，而大口徑反射面天線是增大天線有效接收面積的有效途徑之一[1-2]。然而此類天線由于體積較龐大,易受重力、溫度、風(fēng)荷和表面加工誤差等因素的影響，反射面表面發(fā)生形變，進(jìn)而對衛(wèi)星成像質(zhì)量產(chǎn)生影響[3-4]。因此探究不同類型的天線形變對衛(wèi)星成像的影響十分必要。

在天線形變方面，前人研究主要集中于反射面隨機表面誤差對天線電性能的影響[5]，以及反射面由于重力和熱效應(yīng)產(chǎn)生的微小形變對天線輻射特性的影響,以上兩者都可歸為全局形變。近年來，天線的局部形變問題日益凸顯，在衛(wèi)星上，裸露在外的反射面天線易被太空垃圾等飛行物撞擊，造成表面凸起或凹陷，形成局部形變。文獻(xiàn)[6-7]中對實際應(yīng)用中的局部形變已做深入研究?；诖?，本文將反射面天線形變與MMSI的亮溫圖像處理結(jié)合,仿真不同形變程度的反射面天線，運用基于表面電流積分的物理光學(xué)(physical optics，PO)方法計算得出天線輻射方向圖，對比分析天線的關(guān)鍵指標(biāo)[6-9]。通過較為全面地仿真與整合分析，建立主要指標(biāo)與MMSI所成亮溫圖像間的聯(lián)系，目的在于分析和預(yù)判衛(wèi)星系統(tǒng)。因風(fēng)云四號衛(wèi)星的數(shù)據(jù)無法獲得，且風(fēng)云三號微波成像儀的幾個頻段的通道在風(fēng)云四號衛(wèi)星中均有保留，故本文使用風(fēng)云三號衛(wèi)星的模擬仿真數(shù)據(jù)。

1 設(shè)計思路與方法

分析天線形變對輻射計工作性能的影響，首先需明確輻射計天線的工作原理，天線的作用主要包含3方面:

1) 主瓣的作用。主瓣貢獻(xiàn)的溫度TML為通過天線主波束立體角觀測的視在溫度，包括目標(biāo)直接輻射的亮溫TB和天線主波束方向上經(jīng)目標(biāo)區(qū)域其它輻射源引起的間接輻射。

2) 旁瓣的作用。旁瓣貢獻(xiàn)的溫度TSL為在天線主波束立體角以外方向上所觀測的視在溫度，主導(dǎo)因素是目標(biāo)背景產(chǎn)生的輻射能量。

3)天線傳遞函數(shù)。天線作為入射TML和TSL與輻射計接收機輸入間的接口，當(dāng)入射的輻射亮溫被天線收集后，被天線方向圖函數(shù)加權(quán)。

無耗天線溫度為

式中:Fn(θ,φ)為天線總的功率方向圖；TAP(θ,φ)為黑體等效輻射溫度；θ,φ為電磁場球面坐標(biāo)系的坐標(biāo)；ΩM為天線主瓣立體角；ΩS為天線旁瓣立體角。則天線主瓣和旁瓣的加權(quán)視在溫度分別為

而天線的主波束效率ηM可表示為

(4)

通過以上分析，并且假設(shè)輻射計輸入端分別接到2個溫度為Th和Tl的高溫源和低溫源，得到其輸出端電壓分別為Vh和Vl，最終得到輻射計輸出端的電壓與天線主瓣所貢獻(xiàn)的溫度之間的關(guān)系式

式中：η為天線的輻射效率；T0為有損天線的物理溫度。

2 仿真實驗及結(jié)果分析

2.1 反射面天線形變對于天線性能的影響

運用HFSS(High Frequency Structure Simulator)作為仿真工具，利用物理光學(xué)法計算局部凸起形變反射面天線的方向圖[9-11]，仿真形變面積、形變位置和副反射面晃動。仿真過程中選用正饋雙反射面天線，工作頻段為94 GHz，饋源為喇叭天線，主反射面直徑為260 mm，副反射面直徑為51 mm，焦徑比為0.4。天線模型如圖1所示。

1)形變面積對反射面天線電性能的影響。固定發(fā)生形變的位置和形變幅度，改變形變面積，形變面積分別取整個反射面面積的0.062 5%，0.25%，1%，2.37%，4%。形變幅度不變，形變中心位置不變，形變位置取為y軸距離中心1/2半徑處，分別計算H面和E面的方向圖，并與無形變的方向圖曲線比較，觀察反射面天線的電特性隨形變面積的變化規(guī)律。凸起形變反射面天線的方向圖及電參數(shù)變化數(shù)據(jù)如圖2和表1所示。

形變面積比例/%0.06250.2512.374E面主瓣增益變化/dB-0.14-0.24-0.3-0.41-3.3E面ΔLSS(left)/dB-0.26-0.160.190.891.87E面ΔLSS(right)/dB-0.21-0.130.160.951.97E面ΔWHPB/dB0.00210.00020.00360.00970.0545H面主瓣增益變化/dB-0.14-0.24-0.3-0.41-3.35H面ΔLSS(left)/dB0.420.711.161.932.05H面ΔLSS(right)/dB0.440.791.182.092.14H面ΔWHPB/dB-0.002-0.0042-0.0092-0.0187-0.1223

注：ΔLSS為反射面天線形變與無形變第1副瓣電平的差值；ΔWHPB為半功率波瓣寬度的差值(下同)。

從圖2和表1可見，在形變面積為反射面面積的1%時，主瓣增益降低0.3 dB，E面主極化LSS升高約0.2 dB ，H面主極化LSS升高約1.2 dB。無論H面還是E面，形變反射面天線的輻射方向圖與無形變的天線輻射方向圖比較，變化顯著。隨著凸起形變面積的增大，主瓣增益不斷降低，第1副瓣電平逐漸升高,天線性能下降。

2) 形變位置對反射面天線電性能的影響。固定天線發(fā)生形變的面積和形變幅度，改變形變位置，形變面積為整個反射面面積的2%，形變位置由反射面中心向反射面邊緣移動，形變中心距離反射面中心的距離分別為0，50，100，150，200 mm。凸起形變反射面天線的方向圖及電參數(shù)變化數(shù)據(jù)如圖3和表2所示。

從圖3和表2可見，形變量始終控制為主反射面面積的0.25%不變，形變發(fā)生于主反射面中心時，天線方向圖變化劇烈，主瓣增益劇烈下降，副瓣電平升高。隨著形變位置由中心向邊緣移動，主瓣增益減少量越來越小，波束寬度增大量也越來越小。這說明中心位置的形變對反射面輻射特性的影響相對較大。

3)副反射面晃動對反射面天線電性能的影響。副反射面向X、Y和Z方向偏移1 mm時，形變發(fā)生后天線方向圖和數(shù)據(jù)如圖4和表3所示。

通過以上仿真結(jié)果可見，副反射面沿X軸移動1 mm時，天線方向圖E面主極化方向偏移0.36°；副反射面沿Y軸移動1 mm時，天線方向圖H面主極化方向偏移0.36°；副反射面沿Z軸移動1 mm時，天線方向圖主瓣增益降低2.54 dB，第1副瓣電平LSS升高約4 dB，波束變寬，指向性不變。

位置位置1位置2位置3位置4位置5E面主瓣增益變化/dB-2.34-0.01-0.04-0.090.07E面ΔLSS(left)/dB1.47-0.040.180.070.06E面ΔLSS(right)/dB1.31000.06-0.28E面ΔWHPB/dB0.04040.01030.00640.00240.0018H面主瓣增益變化/dB-2.31-0.01-0.04-0.090.07H面ΔLSS(left)/dB1.51-0.41-0.07-0.3360.05H面ΔLSS(right)/dB1.550.140.01-0.440.11H面ΔWHPB/dB0.72650.00250.00120.00170.0016

2.2 成像質(zhì)量影響模擬實驗

由反射面天線形變仿真結(jié)果可見，天線形變主要會造成以下3方面的影響：1)波束寬度變化，主瓣增益降低；2)副瓣增益升高，主瓣增益降低；3)主瓣方向偏移。針對以上3種情況，分別仿真天線方向圖對成像質(zhì)量的影響。

表3 形變發(fā)生前后天線性能參數(shù)

仿真數(shù)據(jù)選用風(fēng)云三號微波成像儀中183 GHz頻段臺風(fēng)正演模型。中心的紅色亮溫高值區(qū)代表臺風(fēng)眼，藍(lán)色的亮溫低值區(qū)表示臺風(fēng)的雨帶。正演亮溫圖像有126×126個像素點，每個像素點代表4 km×4 km的范圍。天線方向圖為根據(jù)實際指標(biāo)理想化的歸一化高斯天線方向圖。其主要評價指標(biāo)有：空間分辨率RIFOV、噪聲標(biāo)準(zhǔn)差σn和相關(guān)系數(shù)CRTA。

毫米波亞毫米波探測儀采用模擬的天線方向圖，高斯型天線方向圖是真實天線方向圖的理想近似，已有研究者證明采用高斯型天線方向圖σ具備可行性[12]。

(7)

天線的地面分辨率RIFOV與天線方向圖σ的關(guān)系式為

(8)

式中：Rpixel為正演亮溫圖像每個像素的分辨率。

圖像的噪聲標(biāo)準(zhǔn)差σn采用Imerkaer提出的快速噪聲方差估計算法來估算[13]。Imerkaer選擇了1種估計噪聲標(biāo)準(zhǔn)差的替代方法。采用了絕對偏差和的形式，即

(9)

相關(guān)系數(shù)CRTA表示處理后的亮溫圖像TB與正演參考圖像TA的相關(guān)程度，CRTA越接近于1，表示與參考圖像相關(guān)程度越高。

CRTA=

(10)

1) 主瓣波束寬度變化。調(diào)節(jié)天線方向圖波束寬度分別為3.3°，4.0°，4.2°，4.5°，4.8°，并利用天線方向圖對正演臺風(fēng)圖像進(jìn)行抽樣，比較抽樣結(jié)果，如圖5所示。

從抽樣結(jié)果可見：隨著波束寬度變寬，圖像質(zhì)量降低，與原始正演圖像吻合度降低。隨機選取并對比圖5(a)～(f)的第70條亮溫數(shù)據(jù)，繪出亮溫分布曲線如圖6所示。由圖6和表4可知：相比波束寬度為3.3°，波束寬度為4°時的分辨率降低3 km，相關(guān)系數(shù)降低0.008，噪聲水平升高0.005 K?？傮w來看，當(dāng)波束寬度變寬時，空間分辨率降低，噪聲水平升高，與原始正演圖像之間的相關(guān)系數(shù)CRTA降低，圖像的起伏相對正演圖像不明顯，具體體現(xiàn)在亮溫分布數(shù)據(jù)曲線的峰值更低、谷值更高，即圖像上顯示的細(xì)節(jié)信息減少。

2) 副瓣電平升高。選擇歸一化高斯天線方向圖，副瓣增益升高為主瓣增益的5%，10%，15%，20%，并利用天線方向圖對正演臺風(fēng)圖像進(jìn)行抽樣，比較抽樣結(jié)果，如圖7所示。

表4 主瓣波束變化時的抽樣結(jié)果

隨機選取并對比圖7(a)～(f)的第70條亮溫數(shù)據(jù)，繪出亮溫分布曲線如圖8所示。由圖8和表5可知，當(dāng)副瓣電平升高5%，分辨率降低3 km，相關(guān)系數(shù)減小0.005，噪聲水平升高0.036 K。即隨著副瓣電平升高，噪聲水平明顯升高，與原始正演圖像之間的相關(guān)系數(shù)CRTA降低，空間分辨率降低明顯。與正演圖像相比，天線亮溫數(shù)據(jù)曲線的起伏不明顯，峰值降低明顯。表現(xiàn)在圖像上即顯示的細(xì)節(jié)信息減少，錯誤信息增加。

3)主瓣指向性偏移。選擇歸一化高斯天線方向圖，根據(jù)對應(yīng)關(guān)系，調(diào)節(jié)天線方向圖主波束指向，分別沿Y軸方向偏移0°，5°，8°，11°，14°，并利用天線方向圖對正演臺風(fēng)圖像進(jìn)行抽樣，比較抽樣結(jié)果，如圖9所示。

隨機選取并對比圖9(a)～(f)的第70條亮溫數(shù)據(jù)，繪出亮溫分布曲線如圖10所示。由圖10和表6可知，當(dāng)主波束偏移0.5°時，分辨率降低8 km,相關(guān)系數(shù)減小約0.07，噪聲水平升高0.005 K。即隨著主波束偏移量增加，噪聲水平升高，所得的亮溫圖像與原始正演圖像之間的相關(guān)系數(shù)劇烈降低，偏移超過5°時，圖像完全錯位，說明天線抽樣結(jié)果完全惡化，圖像數(shù)據(jù)需經(jīng)過后續(xù)校正才能使用。

副瓣升高/%RIFOV/km相關(guān)系數(shù)CRTA噪聲水平σn/K0250.92600.3605280.92100.39610290.91270.41115320.89880.44120430.87650.450

3 結(jié)束語

本文詳細(xì)探究了不同形式和不同程度的反射面天線形變對天線主瓣增益、副瓣電平等關(guān)鍵指標(biāo)的影響，并根據(jù)各項指標(biāo)的變化情況，模擬仿真風(fēng)云三號微波成像儀183 GHz頻段的臺風(fēng)眼正演亮溫圖像。

表6 主瓣指向性偏移時的抽樣結(jié)果

仿真實驗可得出以下結(jié)論：1)隨反射面天線形變面積的增大，主瓣增益不斷降低，第1副瓣電平逐漸升高，在亮溫圖像上表現(xiàn)為空間分辨率降低，噪聲水平升高，圖像質(zhì)量降低，目標(biāo)的亮溫信息丟失；2)形變面積固定時，反射面天線形變位置越靠近中心，天線性能所受影響越大，圖像質(zhì)量越差；3)天線副反射面沿X，Y和Z軸偏移都會導(dǎo)致圖像的空間分辨率降低,相關(guān)系數(shù)減小，噪聲水平升高;沿X軸和Y軸偏移還會使天線方向圖發(fā)生偏移，繼而導(dǎo)致亮溫圖像發(fā)生錯位，產(chǎn)生大量錯誤信息，嚴(yán)重影響目標(biāo)亮溫信息的提取和觀測。

仿真結(jié)果表明：天線形變對衛(wèi)星成像質(zhì)量存在一定影響，且呈規(guī)律性變化。由上可知，形變面積變化、形變位置變化和天線反射面晃動這3種情況均導(dǎo)致圖像質(zhì)量下降，圖像空間分辨率降低，從而導(dǎo)致觀測目標(biāo)的亮溫信息發(fā)生錯誤和丟失。其中天線的副反射面晃動導(dǎo)致的主波束偏移是最為關(guān)鍵的影響因素，應(yīng)重點關(guān)注。上述探究結(jié)果為輻射計天線性能的分析提供依據(jù)，有利于輻射計的性能提升和改善。

因天線的形變形式復(fù)雜多樣，針對目前的工作進(jìn)展，后續(xù)還需從以下2個方面展開研究：1)進(jìn)一步探究不同位置時形變面積變化對成像質(zhì)量的影響，如將形變面積的位置分別設(shè)定在Y軸、X軸、距中心1/4半徑和1/2半徑等，觀察不同位置時面積變化對成像質(zhì)量的影響規(guī)律是否相同；2)進(jìn)一步探究天線形變幅度對衛(wèi)星成像質(zhì)量的影響，在形變面積和形變位置不變的情況下，改變形變幅度,觀察天線輻射特性的變化規(guī)律。

[1] MENZEL W, PILZ D, AL-TIKRITI M. Millimeter-wave folded reflector antennas with high gain, low loss, and low profile[J]. IEEE Antennas and Propagation Magazine, 2002, 44(3): 24-29.

[2] RUSCHW V T, POTTER P D, BOOKER H G, et al. Analysis of reflector antennas department of electrical engineering university of southern California[C]∥IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium, New York, USA, 1970: 523-526.

[3] DUAND W, Rahmat-Samii Y. Reflector surface distortion compensation: a diffraction synthesis methodology[C]∥Proceedings of IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium, Ann Arbor, MI, USA, 1993: 242-245.

[4] YANG Y, TAN L, MA J, et al. Effects of localized deformation induced by reflector antenna on received power[J]. Optics Communications, 2009, 282(3): 396-400.

[5] RUZE J. The effect of aperture errors on the antenna radiation pattern[J]. Nuivi Cimento, 1952, 9(3): 364-380.

[6] CHEN M, ZHANG Y, ZHAO X W, et al. Analysis of antenna around NURBS surface with hybrid MoM-PO technique[J]. IEEE Transactions on Antennas & Propagation, 2007, 55(2): 407-413.

[7] CHERRETTEA R, ACOSTA R J, LAM P T, et al. Compensation of reflector antenna surface distortion using an array feed[J]. IEEE Transactions on Antennas & Propagation, 2002, 37(8): 966-978.

[8] LINDLEY A. Analysis of distorted reflector antennas[C]∥Sixth International Conference on Antennas and Propagation, Coventry, UK, 1989: 32-34.

[9] GONZALEZ-VALDES B, MARTINEZ-LORENZO J A, RAPPAPORT C, et al. A new physical optics based approach to subreflector shaping for reflector antenna distortion compensation[J]. IEEE Transactions on Antennas & Propagation, 2013, 61(1): 467-472.

[10] LING J, GONG S, QIN S, et al. Radiation analysis of on-platform antenna using MoM-PO combined with surface-surface configuration[J]. International Journal of RF & Microwave Computer-aided Engineering, 2010, 20(6): 667-671.

[11] 宋微微, 張小苗, 袁方成. 具有局部凸起形變反射面天線的方向圖仿真[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù), 2008, 31(7): 1-3.

[12] HOLLINGER J P, PEIRCE J L, POE G A. SSM/I instrument evaluation[J]. IEEE Transactions on Geoscience & Remote Sensing, 1990, 28(5): 781-790.

[13] John I. Fast noise variance estimation [J]. Computer Vision and Image Understanding, 1996, 64(2): 300-302.