綜合孔徑微波輻射計接收機(jī)通道陣列幅度誤差對反演亮溫的影響分析

陳娜

摘 要：綜合孔徑微波輻射計的出現(xiàn)有效地解決了原有輻射計在微波低頻段空間分辨率與天線物理尺寸間的固有矛盾， 但接收機(jī)通道陣列幅度誤差的存在仍然會引起干涉測量結(jié)果的改變，使反演成像結(jié)果變差。本文設(shè)計了一維綜合孔徑微波輻射計理想通道仿真系統(tǒng)，同時給出通道幅度誤差引入方案，給定兩種觀測場景，通過仿真得到通道幅度誤差服從均勻分布和正態(tài)分布時對反演亮溫的影響， 能對系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計起到理論指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：綜合孔徑；微波輻射計；接收通道；幅度誤差；仿真；成像

1 引言

為了改善微波輻射計的性能，人們將射電天文學(xué)中的孔徑綜合技術(shù)引入到了微波輻射計的設(shè)計中，它利用復(fù)相關(guān)接收技術(shù)，將天線陣列有效的稀疏了，從而提高了系統(tǒng)的空間分辨率。綜合孔徑微波輻射計的關(guān)鍵技術(shù)包括兩個方面：一是基線設(shè)計和組合，以及相應(yīng)的反演成像算法；二是高速干涉測量技術(shù)【1】。綜合孔徑輻射計成像系統(tǒng)一般是由天線陣列及掃描器，接收機(jī)，數(shù)字信號處理器和圖象顯示器等器件構(gòu)成。接收機(jī)是成像系統(tǒng)中非常重要的一個組成部分，它主要功能是測量天線輸出的微弱的電平信號，也就是場景熱輻射信號經(jīng)天線接收的輻射功率的變化。接收機(jī)基本結(jié)構(gòu)包括天線、高頻前端和I/Q解調(diào)，如果是數(shù)字I/Q解調(diào)還需進(jìn)行A/D采樣。其中高頻前端由射頻放大、混頻、本振和中頻放大組成。

2 接收機(jī)通道陣列幅度誤差分析

接收通道陣列由于各接收通道采用的射頻和中頻組件都是模擬器件，導(dǎo)致硬件上不可能完全相同和物理上不完全隔絕產(chǎn)生各通道的相位、幅度具有不一致特性和通道間有串?dāng)_現(xiàn)象。這種不一致特性和串?dāng)_是通道間誤差的主要體現(xiàn)方式【2】。

理想情況下，所有通道的增益應(yīng)該都是一樣的，當(dāng)通道增益不一致時我們稱該通道幅度不平衡。接收通道的幅度誤差來源分兩種情況：

a）當(dāng)為模擬相關(guān)或者多比特相關(guān)時，其幅度誤差來源為各接收機(jī)通道的增益不一致性。因為接收機(jī)放大器、濾波器等射頻和中頻組件都是模擬器件，故很難使各信道的幅度特性做到完全一致。

b）當(dāng)為1比特相關(guān)時，其誤差來源主要為接收機(jī)的本底噪聲。

第一種情況下誤差分析：

理想情況下，考慮兩個通道。此時經(jīng)兩通道獲得的互相關(guān)函數(shù)為：

3 仿真

3.1 仿真條件

本次仿真以一維綜合孔徑微波輻射計理想通道仿真系統(tǒng)為平臺，以仿真作為主要手段，分別對兩種觀測場景下，各通道誤差服從均勻分布和正態(tài)分布時對反演準(zhǔn)確度的影響進(jìn)行了仿真分析。

天線：16單元最小冗余陣

天線排列方式：[0 1 2 5 10 15 26 37 48 59 70 76 82 88 89 90]

θ角離散等分：1000；

最小基線間距：0.5λc；

3.2 仿真結(jié)果

1點源天空場景下，幅度誤差服從均勻分布和正態(tài)分布時對反演準(zhǔn)確度的影響如圖3.1和圖3.2所示：

對比圖3.1和圖3.2：

（1）幅度誤差服從均勻分布時與反演亮溫相對誤差成線性關(guān)系，正態(tài)分布時為非線性關(guān)系；

（2）幅度誤差均勻分布時反演亮溫相對誤差均值和方差斜率分別為：82.16和13.09，如果知道誤差類型和誤差標(biāo)準(zhǔn)差的情況下，可以很方便的算出對應(yīng)的反演亮溫相對誤差的均值和方差；正態(tài)分布時，δA≤0.1dB對反演亮溫影響比較小，δA≥0.1dB對亮溫的影響陡增，進(jìn)行硬件設(shè)計時應(yīng)根據(jù)需求控制幅度誤差的控制；

（3）對比兩種誤差分布可以看出：幅度誤差服從不同分布時對反演亮溫的影響是不相同的

2點源階梯場景下，幅度誤差服從均勻分布和正態(tài)分布時對反演準(zhǔn)確度的影響如圖3.3和圖3.4所示：

比圖3.3和圖3.4我們可以得到如下結(jié)論：

（1）不同觀測場景，幅度誤差均勻分布與反演亮溫相對誤差成線性關(guān)系；

（2）點源階梯場景下，幅度誤差均勻分布時反演亮溫相對誤差均值和方差斜率分別為：12.99和2.32；

（3）不同觀測場景下，幅度誤差為同種誤差類型時對反演亮溫的影響不相同。

3.3 仿真結(jié)果分析

為了使接收機(jī)通道陣列誤差分析更具有普遍性，對兩種觀測場景下，各通道誤差服從均勻分布和正態(tài)分布同種通道誤差、同種誤差類型和誤差加入方式，進(jìn)行多次隨機(jī)抽樣，獲得多組實驗數(shù)據(jù)，提取實驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計特性，可得反演亮溫相對誤差的均值和方差。通過多次仿真獲得各種通道誤差對反演亮溫相對誤差的影響關(guān)系曲線。分析仿真結(jié)果我們可以看出：

（1）幅度誤差對反演精度的影響受誤差類型和觀測場景亮溫分布的影響，不同誤差類型和觀測場景幅度誤差對反演精度的影響是不相同的；

（2）不同場景下，誤差均勻分布時，幅度誤差與反演亮溫相對誤差成線性變化關(guān)系；誤差正態(tài)分布時，幅度誤差與反演亮溫相對誤差成線性變換關(guān)系；

（3）誤差正態(tài)分布時，幅度誤差δA≤0.1dB時對反演亮溫影響比較小，但當(dāng)通道誤差對反演結(jié)果的影響大于限定的值對反演亮溫的影響都會急劇增加。

本文通過仿真的形式給出了點源天空場景和點源階梯場景下，接收機(jī)通道幅度誤差與反演亮溫相對誤差的關(guān)系曲線，能對實際誤差分析工作和系統(tǒng)的通道幅度誤差分配起到理論指導(dǎo)作用。

參考文獻(xiàn)

[1]B.Picard，E. .Anterrieu. Comparison of regularized inversion methods in synthetic aperture imaging radiometry. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing， 2005， 43（2）： 218～224

[2]紀(jì)志浩，輻射計接收系統(tǒng)的非線性影響及改正方法，1996，中國科學(xué)院上海天文臺，pp265