一維綜合孔徑輻射計(jì)相位定標(biāo)研究

董 健，欒英宏，趙永濤，孫彥龍，馮劍鋒，姜麗菲，趙 鋒，徐紅新

（上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109）

1 引言

海面溫度在全球氣候變化和長(zhǎng)期天氣過程中起著重要作用，是海氣界面水循環(huán)中的重要參數(shù)，對(duì)全球水循環(huán)和全球表面的能量收支平衡也具有重要作用［1］.遙感獲取海面溫度的途徑主要有紅外和微波遙感，微波遙感具有全天時(shí)、全天候不間斷觀測(cè)的優(yōu)勢(shì)，是獲取海面溫度的重要手段［2］.

目前，世界各國(guó)都在發(fā)展海面溫度微波載荷，例如我國(guó)云海一號(hào)的微波輻射計(jì)［3］、日本AMSR（Advanced Microwave Scanning Radiometer）［4］、美國(guó)WindSat［5］和歐洲Microwat［6］等.上述微波載荷均采用實(shí)孔徑體制，受制于天線尺寸，實(shí)孔徑體制微波輻射計(jì)的空間分辨率相對(duì)較低.綜合孔徑微波輻射計(jì)利用小口徑天線等效為大口徑天線，提高了空間分辨率，是目前微波輻射計(jì)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)［7，8］.為了獲得高精度、高分辨率的海面溫度，上海航天電子技術(shù)研究所提出一種C波段推掃式一維綜合孔徑輻射計(jì)方案，通過一維綜合孔徑輻射計(jì)測(cè)量得到的海面亮溫值，反演得出海面溫度.

相位信息是一維綜合孔徑輻射計(jì)獲得海面亮溫值的關(guān)鍵因素，相位誤差會(huì)嚴(yán)重影響海面亮溫值的精度.國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者提出了多種定標(biāo)方法，李青俠等［9］、劉浩等［10］利用外部點(diǎn)源和模擬外部點(diǎn)源測(cè)量綜合孔徑微波輻射計(jì)系統(tǒng)的響應(yīng)G矩陣，通過G矩陣定標(biāo)、校準(zhǔn)系統(tǒng)的相位和幅度.此相位定標(biāo)方法簡(jiǎn)單、高效，可精確定標(biāo)系統(tǒng)相位.但一維綜合孔徑輻射計(jì)的有源器件在每次開機(jī)時(shí)相位均會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致需頻繁使用上述定標(biāo)方法，耗時(shí)較多；Corbella等［11］、趙鋒等［12］采用相關(guān)噪聲注入法定標(biāo)系統(tǒng)通道的同相相位誤差.此相位定標(biāo)方法可精確消除系統(tǒng)內(nèi)部接收通道之間的相位誤差，但缺乏對(duì)天線到前端之間路徑的相位定標(biāo).

本文受文獻(xiàn)［9～12］啟發(fā)提出一種相位定標(biāo)方法，此方法綜合利用外部點(diǎn)源法和相關(guān)噪聲注入法，將系統(tǒng)中有源器件和無源器件的相位誤差分離，具有定標(biāo)精度高、重復(fù)性好、節(jié)約定標(biāo)時(shí)間的優(yōu)點(diǎn).本文首先介紹一維綜合孔徑微波輻射計(jì)原理以及樣機(jī)的組成，接著給出相位定標(biāo)方法，然后介紹定標(biāo)實(shí)驗(yàn)，包括實(shí)驗(yàn)方案、實(shí)驗(yàn)結(jié)果、并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，最后給出結(jié)論.

2 一維綜合孔徑輻射計(jì)原理和樣機(jī)

2.1 一維綜合孔徑輻射計(jì)原理

如圖1所示，一維綜合孔徑輻射計(jì)一對(duì)基線的兩組天線、接收機(jī)對(duì)目標(biāo)場(chǎng)景的輻射亮溫信號(hào)收集和放大后，經(jīng)復(fù)相關(guān)運(yùn)算得到可見度函數(shù).可見度函數(shù)與目標(biāo)場(chǎng)景的亮溫之間關(guān)系如式（1）～（3）所示［13］：

圖1 一維綜合孔徑輻射計(jì)二接收單元示意圖

其中，f0為系統(tǒng)中心頻率、i和j為接收單元編號(hào)、μ為空間頻率、ξ=sinθ為方向余旋、Vi，j（u）為可見度函數(shù)、為洗條紋函數(shù)，在基線較短時(shí)可忽略、Di和Dj為天線增益、TB（ξ）為目標(biāo)場(chǎng)景亮溫、Tr為接收機(jī)物理溫度、Fni（ξ）和Fnj（ξ）為歸一化天線電壓方向圖、Bi和Bj為接收單元帶寬、Gi和Gj為接收單元增益、Hi（f）和Hj（f）為接收單元頻率響應(yīng).

2.2 一維綜合孔徑輻射計(jì)樣機(jī)

一維綜合孔徑微波輻射計(jì)樣機(jī)如圖2所示.樣機(jī)采用拋物柱面反射面天線加一維稀疏排布的線性饋源陣的形式.樣機(jī)包括方位俯仰驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、拋物柱面反射面天線、C波段微帶天線陣、接收機(jī)、高速數(shù)據(jù)采集板、數(shù)字相關(guān)器、配電單元、預(yù)處理單元、載荷計(jì)算機(jī)、定標(biāo)系統(tǒng)、地測(cè)設(shè)備等硬件和軟件.

圖2 一維綜合孔徑微波輻射計(jì)樣機(jī)

地測(cè)設(shè)備控制方位俯仰驅(qū)動(dòng)將綜合孔徑輻射計(jì)指向目標(biāo)場(chǎng)景.目標(biāo)場(chǎng)景的輻射信號(hào)通過拋物柱面反射面進(jìn)入微帶天線陣.微帶天線陣包含4個(gè)微帶天線，共組成6條連續(xù)基線.信號(hào)經(jīng)極化分離后，到達(dá)開關(guān).每個(gè)開關(guān)包含2路，分別接天線端口（天線態(tài)）、和定標(biāo)系統(tǒng)（定標(biāo)態(tài)）.當(dāng)選擇開關(guān)切換到天線態(tài)和定標(biāo)態(tài)時(shí)，目標(biāo)場(chǎng)景信號(hào)、噪聲信號(hào)分別進(jìn)入接收機(jī)內(nèi)部.信號(hào)在接收機(jī)中完成放大、下變頻后變?yōu)橹蓄l信號(hào).中頻信號(hào)分為兩路，一路中頻信號(hào)經(jīng)檢波后輸出至地測(cè)計(jì)算機(jī)，另一路中頻信號(hào)輸出至高速數(shù)據(jù)采集板.高速數(shù)據(jù)采集板對(duì)中頻信號(hào)采集、IQ解調(diào)、數(shù)字下變頻、濾波后變?yōu)榛鶐盘?hào).基帶信號(hào)經(jīng)過光纖傳輸?shù)较嚓P(guān)器，在相關(guān)器內(nèi)兩兩復(fù)相關(guān)處理后，輸出結(jié)果到地測(cè)計(jì)算機(jī).

采用Camps［14］方法，根據(jù)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的參數(shù)對(duì)相位誤差引起的海面亮溫測(cè)量誤差進(jìn)行仿真分析.仿真發(fā)現(xiàn)：海面亮溫為200 K時(shí)，當(dāng)相位誤差為1°時(shí)，海面亮溫誤差約為0.4 K.相位校準(zhǔn)前，相位誤差在幾十度到幾百度之間，對(duì)海面亮溫測(cè)量影響較大，因此減小相位誤差對(duì)提高海面亮溫測(cè)量精度具有重要意義，

3 相位定標(biāo)方法

根據(jù)樣機(jī)得到的接收鏈路的相位示意圖如圖3所示.從天線i和天線j到相關(guān)器的相位分別為Φch_ant，i和Φch_ant，j，由天線相位（Φant，i和Φant，j）、天線到接收機(jī)相位（Φa_s，i和Φa_s，j）、接收機(jī)相位（Φrcv，i和Φrcv，j）、接收機(jī)到相關(guān)器相位（Φr_c，i和Φr_c，j）組成.接收機(jī)由射頻單元、中頻單元、本振單元等有源器件組成.射頻單元、中頻單元、本振單元中含有放大器.在每次開機(jī)時(shí)，放大器增益的初相都會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致每次開機(jī)后接收機(jī)之間的相位差會(huì)發(fā)生變化.其它器件均是無源器件，其物理相位不變.從噪聲源到相關(guān)器的相位Φch_ns，i和Φch_ns，j與天線到相關(guān)器相位類似，也分為4個(gè)部分.

圖3 綜合孔徑輻射計(jì)接收鏈路相位示意圖

目標(biāo)場(chǎng)景信號(hào)到達(dá)兩個(gè)天線的相位分別為Φsence，i和Φsence，j，其理論相位差為Φsence，i-Φsence，j.而目標(biāo)場(chǎng)景信號(hào)到達(dá)相關(guān)器的實(shí)際相位為Φsence，i+Φch_ant，i和Φsence，j+Φch_ant，j，相位定標(biāo)的目的是移除Φch_ant，i與Φch_ant，j的相位差.

放置一個(gè)點(diǎn)源，開啟點(diǎn)源時(shí)，一對(duì)基線在一個(gè)方向的可見度函數(shù)(u)如式（4）所示：

其中Ts為點(diǎn)源亮溫，φ為天線到相關(guān)器的相位差，Δr為信號(hào)到達(dá)兩個(gè)天線的距離差，V0為背景場(chǎng)可見度函數(shù).

關(guān)閉點(diǎn)源時(shí)的可見度函數(shù)如式（5）所示：

點(diǎn)源開啟和關(guān)閉的可見度函數(shù)差如式（6）所示：

可見度函數(shù)差Φv，i，j與鏈路相位的關(guān)系如式（7）所示：

其中，Φpsrc，i、Φpsrc，j為點(diǎn)源達(dá)到天線i和j的理論相位，由點(diǎn)源與樣機(jī)的位置計(jì)算得到.

相關(guān)噪聲源注入時(shí)的可見度函數(shù)Vns，i，j的相位為Φns，i，j與鏈路相位的關(guān)系如式（8）所示：

定義Φfix，i，j如式（10）：

可見Φfix，i，j可由式（9）計(jì)算得到.Φfix，i，j消除了接收機(jī)的變化相位Φrcv，i和Φrcv，j，是一個(gè)固定值.

當(dāng)觀測(cè)目標(biāo)場(chǎng)景時(shí)，此方向的理論相位差為Φsence，i，j，如式（11）所示：

實(shí)際觀測(cè)相位差為，如式（12）所示：

結(jié)合式（8）、式（10）～（12）得到兩者之間的關(guān)系如式（13）所示：

可見通過Φns，i，j和Φfix，i，j即可消除此方向的鏈路引入的相位差.其中Φns，i，j通過相干噪聲注入測(cè)量得到，Φfix，i，j僅與天線方向圖有關(guān)，通過測(cè)量不同方位角的點(diǎn)源得到.

4 相位定標(biāo)試驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)方案

進(jìn)行相位定標(biāo)實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)前，首先采用在冷熱黑體法［15］，將熱定標(biāo)源和冷定標(biāo)源放置在微帶天線口面，標(biāo)定每路的系統(tǒng)增益和電壓偏移量，用于幅度定標(biāo).實(shí)驗(yàn)時(shí)，噪聲點(diǎn)源固定不動(dòng)，方位驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)樣機(jī)以每1度方位間隔運(yùn)動(dòng)，測(cè)量范圍從-50°到+50°.每個(gè)方位角度的測(cè)量生成三組數(shù)據(jù)，分別對(duì)應(yīng)點(diǎn)源開啟、點(diǎn)源關(guān)閉以及噪聲源開啟.測(cè)量需滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件，按照式（14）計(jì)算：

其中R為遠(yuǎn)場(chǎng)距離、D為天線口徑、λ為觀測(cè)波長(zhǎng).

試驗(yàn)樣機(jī)與點(diǎn)源的之間的距離需大于46 m，距離較遠(yuǎn)，為此在半開放暗室進(jìn)行試驗(yàn).如圖4所示，點(diǎn)源放置在信標(biāo)塔上，試驗(yàn)樣機(jī)放置在半開放暗室內(nèi).點(diǎn)源與樣機(jī)的直線距離為455 m，遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)場(chǎng)條件.

圖4 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地示意圖

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

對(duì)樣機(jī)的H極化和V極化均進(jìn)行了相位定標(biāo)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似，本文僅展示H極化的測(cè)量結(jié)果.6條基線的歸一化可見度函數(shù)的幅度如圖5所示.按照式（6）計(jì)算得到的干涉條紋如圖6所示.

圖5 H極化的6條基線的歸一化可見度函數(shù)幅度.綠色表示點(diǎn)源開啟、紅色表示點(diǎn)源關(guān)閉、藍(lán)色表示噪聲源開啟

圖6 H極化的6條基線的干涉條紋.紅色表示干涉條紋實(shí)部、藍(lán)色表示干涉條紋虛部,綠色表示干涉條紋幅度

受天線方向圖加權(quán)影響，±40°以外區(qū)域的信號(hào)可忽略.根據(jù)式（6）和式（9）計(jì)算得到的±40°以內(nèi)的Φfix，i，j如圖7所示.對(duì)H極化的Φfix，i，j測(cè)量了兩次，兩次測(cè)量的偏差值為0.35°，重復(fù)性較高.比較兩次測(cè)量的Φns，i，j，Φns，i，j有較大變化，表明接收機(jī)在每次開機(jī)時(shí)相位差確實(shí)發(fā)生變化.

圖7 不同基線在不同位置的固定相位誤差

為了驗(yàn)證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，首先在暗室內(nèi)測(cè)量了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)（僅包括反射面和微帶天線）的4組天線方向圖的相位，將4組天線方向圖相位兩兩組合構(gòu)成6條基線的相位，并與Φfix，i，j比較，兩者的變化趨勢(shì)一致，均方根誤差如表1所示.由于暗室內(nèi)天線方向圖的相位測(cè)量精度約為2°，根據(jù)誤差傳遞式（15）計(jì)算得到本方法的相位測(cè)量精度約為0.7°，由此引起的亮溫變化約為0.28 K，滿足定標(biāo)要求：

表1 暗室內(nèi)測(cè)量的每條基線的相位與相位定標(biāo)實(shí)驗(yàn)測(cè)量的相位比較

其中Φerr為兩次測(cè)量的誤差、Φchamber為暗室內(nèi)測(cè)量誤差.

接著，對(duì)位于中心位置的點(diǎn)源觀測(cè).觀測(cè)完成后，首先對(duì)測(cè)量的可見度函數(shù)進(jìn)行幅度定標(biāo)，接著使用Φns，i，j進(jìn)行相位修正，得到可見度值V，再通過G矩陣反演法，進(jìn)行方向圖和相位校準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)源反演［16，17］，如式（16）所示：

其中G為矩陣，由定標(biāo)實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的干涉條紋幅度、Φfix，i，j以及延時(shí)因子e-jkΔr組成，GT為G的轉(zhuǎn)置.

重構(gòu)出的點(diǎn)源圖像，如圖8所示，點(diǎn)源圖像與理論計(jì)算的圖像的偏差RMS為0.3%，滿足定標(biāo)要求.

社會(huì)監(jiān)督指的是國(guó)家機(jī)關(guān)以外的社會(huì)組織和公民對(duì)各種法律活動(dòng)的合法性進(jìn)行的不具有直接法律效力的監(jiān)督。社會(huì)監(jiān)督的優(yōu)勢(shì)即體現(xiàn)在其較高的靈活性與廣泛性，依筆者的觀點(diǎn)，社會(huì)監(jiān)督往往起著為法律監(jiān)督“打頭陣”的作用。另外，社會(huì)監(jiān)督還能反映一個(gè)國(guó)家民主、法制發(fā)展程度。

圖8 重構(gòu)出的點(diǎn)源圖像

5 結(jié)論

本文提出一種一維綜合孔徑輻射計(jì)相位定標(biāo)方法，本方法通過外部點(diǎn)源和內(nèi)部噪聲源進(jìn)行聯(lián)合相位定標(biāo).實(shí)驗(yàn)表明，本方法將固定相位誤差和變化相位誤差分離，定標(biāo)精度約為0.7°、重復(fù)性約為0.35°.本方法具有定標(biāo)精度高、重復(fù)性好、節(jié)省定標(biāo)時(shí)間的優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于一維綜合孔徑輻射計(jì)的相位定標(biāo).