面向星載海洋鹽度探測應用的L波段綜合孔徑輻射計原理樣機研制與試驗研究

牛立杰 劉 浩 武 林 張 成 趙 鑫 吳 季 殷曉斌

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面向星載海洋鹽度探測應用的L波段綜合孔徑輻射計原理樣機研制與試驗研究

牛立杰①②劉 浩*①武 林①張 成①趙 鑫①吳 季①殷曉斌①

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

主被動聯合微波成像儀(MICAP)是面向全球星載海洋鹽度探測應用提出的一種新技術方案，由L, C, K頻段輻射計及L波段散射計組成。其中L波段1維綜合孔徑輻射計是MICAP的核心，用以實現海洋鹽度高精度觀測。為了驗證MICAP概念和性能，研制了一臺地面原理樣機并進行了試驗研究。該文介紹了MICAP樣機的L波段綜合孔徑輻射計子系統的研究與試驗結果。首次推導了一種使用三階量化均值對數字相關到模擬相關轉換中的AD偏置誤差進行校正的計算方法。該文的研究成果將為海洋鹽度衛星MICAP及全球水循環衛星WCOM提供技術參考。

綜合孔徑輻射計；三階量化數字相關；海洋鹽度

1 引言

應用星載微波輻射計實現全球海洋鹽度測量是當前微波遙感領域的一個研究熱點[1]。海洋鹽度探測的難點在于其對輻射計性能要求非常高：首先，海洋鹽度變化帶來的亮溫變化非常小，因此要求輻射計具有極高的靈敏度及穩定度；然后，海面粗糙度及海水溫度也會帶來海面輻射亮溫的變化，影響鹽度測量精度[2]；此外載荷還需要具備高空間分辨率、寬刈幅等指標。目前國際上海洋鹽度探測輻射計有兩個路線：以歐空局SMOS衛星為代表的綜合孔徑輻射計體制，以及美國Aquarius衛星[2,6,7]為代表的“推帚式”真實孔徑輻射計體制。SMOS是2維綜合孔徑輻射計，可實現高空間分辨率及寬刈幅，但系統復雜，定標難度大。Aquarius的體制限制了空間分辨率與刈幅。此外，兩者都無法同步測量海水溫度輔助數據。

主被動聯合微波成像儀(Microwave Imager Combined Active and Passive, MICAP)是中國科學院國家空間科學中心提出的新方案[8]。采用共用拋物柱形反射面天線，L波段1維綜合孔徑輻射計觀測海洋鹽度；C, K波段1維綜合孔徑輻射計探測海水溫度，L波段散射計探測海面粗糙度。1維綜合孔徑輻射計體制保證了較高的空間分辨率及較寬的刈幅，又避免了系統過于復雜，使多個頻段輻射計及散射計可以集成在一起，實現輔助數據同步獲取。高靈敏度、高穩定度輻射計單元技術與綜合孔徑輻射計定標技術相結合，實現高性能指標。為了驗證MICAP的概念，中國科學院國家空間科學中心研制了一臺地面原理樣機，并開發了一套海水鹽度、溫度及海面風場一體化仿真系統[9]。通過原理樣機地面試驗驗證儀器靈敏度、空間分辨率、刈幅等技術指標，并將試驗結果代入仿真系統仿真驗證星載鹽度探測精度。本文主要介紹了L波段綜合孔徑輻射計原理樣機系統組成、參數設計、定標技術、驗證試驗。這些研究將為海洋鹽度衛星主被動聯合微波成像儀以及全球水循環衛星(global Water Cycle Observation Mission, WCOM)的L/S/C三頻全極化綜合孔徑輻射計[10,11]提供技術參考。

2 原理樣機系統組成

原理樣機包括一套L波段1維綜合孔徑輻射計及一套L波段散射計，均采用多饋源陣列，共用拋物柱形反射面天線。其中L波段輻射計采用1維綜合孔徑體制，主要由天線、輻射計單元、公共噪聲源單元、頻綜單元、數字相關器單元、溫控子系統、電源子系統及轉臺等部件組成，如圖1所示。

天線單元由拋物柱形反射面和微帶饋源陣列組成。8單元稀疏饋源陣列沿拋物柱面焦線排列，位置為[0 2 4 6 7 8 17 20]，饋源之間兩兩構成19條無冗余基線。在交軌向形成扇形波束瞬時視場，利用綜合孔徑技術獲得分辨率；在順軌方向通過拋物柱形反射面形成真實孔徑測量。

射頻系統共有8套輻射計單元，均采用了高靈敏度、實時定標輻射計架構。公共噪聲源單元由噪聲源、開關、衰減器以及一分八功分網絡組成，用以實現綜合孔徑幅度、相位的定標。通過開關和衰減器實現高、低兩個不同功率的噪聲注入，對高、低噪聲注入后輻射計響應相減可以抵消功分網絡自身產生的噪聲的影響。

對饋源、輻射計單元及公共噪聲源單元、本振單元均進行了精密的溫度控制。輻射計單元安裝在饋源背面形成一個整體進行溫控，饋源輻射面使用透波保溫材料進行保溫。使用半導體制冷技術(TEC)設計了溫度控制系統，PID算法實現精確溫度控制，將整個饋源陣列和輻射計單元的溫度穩定控制在±0.1°C內。

選用了三階量化數字相關器。三階量化數字相關器靈敏度能夠達到模擬相關器的81%，同時滿足高性能和低復雜度的要求[12]。

原理樣機安裝于2維轉臺之上，方位向(寬波束方向)手工調節，使輻射計扇形波束指向目標；俯仰向(窄波束方向)電控調節，可模擬衛星平臺運動實現掃描成像。

3 原理樣機技術指標

3.1角分辨率

3.2視場

圖1 L波段綜合孔徑輻射計系統組成框圖

表1原理樣機主要參數

頻率1.4~1.427 GHz 饋源及接收機數量8 反射面寬度(拋物面方向)3 m 反射面長度(柱面方向)4.5 m 輻射計饋源最大間距2.73 m 輻射計饋源最小間距0.13 m 輻射計俯仰向波束寬度5.2o 輻射計接收機噪聲溫度300 K

(2)

3.3靈敏度

1維綜合孔徑輻射計原理樣機視軸方向的靈敏度可以由式(3)來近似計算[15]：

4 綜合孔徑輻射計定標技術

4.1 工作時序與定標流程

綜合孔徑輻射計采用三階量化數字相關，定標包括量化校正、系統噪聲溫度定標、綜合孔徑相位-幅度定標、去歸一化及剩余偏置校正等。設計了統一的工作時序將定標過程歸納其中，一個周期分為10個測量單元，每個單元占時10 ms，總共為100 ms。這種設計簡單實用，實時進行定標保證了系統的高穩定度。定標時序如圖2所示，定標流程如圖3所示。

4.2 三階量化協方差到模擬相關系數的轉換

文獻[12]給出了三階量化數字相關到模擬相關轉換的估計算法，對AD偏置電平帶來的量化閾值不平衡性進行了誤差分析。文獻[16]提出一種使用三階量化數據均值進行AD偏置校正的方法。本文中，在文獻[16]基礎上推導了使用三階量化數字均值進行AD偏置校正的公式，并應用于MICAP原理樣機中。

圖3 L波段綜合孔徑輻射計定標流程

圖4 輸入信號概率密度函數、平衡量化閾值(±k)與閾值不平衡性

(6)

其中，

4.3 IQ正交誤差的校正

若IQ檢波器輸出信號存在正交誤差，則需要進行IQ正交校正[17]：

4.4 輻射計系統噪聲溫度定標

4.5 綜合孔徑相位-幅度定標

綜合孔徑輻射計的可見度函數可以表示為

(9)

原理樣機在定標周期通過公共噪聲源單元注入高、低兩個功率的相關噪聲，來標定出對值。高、低相關噪聲注入時兩通道可見度函數可以表示為(忽略接收機前向噪聲串擾的影響)[19]

上標H表示高功率噪聲注入狀態，L表示低功率噪聲注入狀態。為高、低兩個相關噪聲溫度。,分別表示公共噪聲源功分器第,端口與輸入端口間的參數。為功分器各端口之間的參數。為功分器的物理溫度。

此外，可見度函數又可通過數字相關器互相關結果計算[18]：

可以得到：

(12)

而公共噪聲注入時的各接收機通道的系統噪聲溫度可以表示為(忽略接收機前向噪聲串擾)[19]

(14)

4.6 可見度函數

4.7 剩余偏置校正

本振的熱噪聲進入不同的接收機可能帶來非零相關偏置，即式(8)中的。這種剩余偏置可以用非相關噪聲注入(匹配負載)的方法進行校正，方法是天線觀測時序測得的可見度函數減去匹配負載時序的可見度函數[18]。由于匹配負載時序兩通道注入的噪聲是非相關的，則由式(8)可以得到剩余偏置校正后的可見度函數(上標O表示匹配負載狀態)：

5 G矩陣成像方法

使用矩陣成像方法將亮溫從可見度函數中恢復出來。亮溫反演公式如式(18)所示，由此可知，矩陣成像除了需要定標后的可見度函數外，還需要天線方向圖信息。在微波暗室中使用天線測試系統測出8個微帶饋源的天線方向圖，然后此饋源方向圖作為輸入條件進行仿真得到全天線的方向圖。

(19)

6 地面原理樣機驗證試驗

在中國科學院國家空間科學中心懷柔園區進行了MICAP地面原理樣機成像試驗，驗證了原理樣機性能指標。

6.1角分辨率

空間角分辨率可以用點目標響應半功率波束寬度定義，可以通過點目標成像試驗來驗證。圖5是點目標響應曲線，由圖5計算得出樣機角分辨率約。這個結果接近由式(1)得到的理論值。

6.2 靈敏度

地面原理樣機靈敏度可以通過觀測冷空試驗得到。圖6是冷空觀測試驗的靈敏度指標，圖7是成像結果，可以看出原理樣機在視軸方向的靈敏度約為0.2 K(4 s積分時間)，與式(3)計算的理論值基本吻合。

6.3視場

當點源放置在混疊視場內，會在周期延拓區域產生假響應。設點源放置在右邊，位置為，在圖像的左邊產生了假響應，無混疊視場可以由式(21)求出。

圖6 輻射計靈敏度

圖7 冷空成像試驗

圖8是混疊視場試驗的結果。使用式(21)計算得到樣機的無混疊視場為。這個結果非常接近于使用式(2)計算得到的理論值。

圖8 混疊視場中的假響應

7 基于原理樣機試驗的鹽度探測精度仿真

使用原理樣機試驗得到的靈敏度曲線，代入海水鹽度、溫度及風場一體化聯合仿真系統[9]，通過多參數聯合反演算法可同時獲得海水鹽度、溫度及海面風場與1維綜合孔徑輻射計方位余弦相關的偏差及隨機誤差，如圖9所示?？梢钥闯鲆晥鰞葐未嘻}度探測可實現0.6 psu的探測精度指標。如果星載系統設計是3天一次重訪周期，經重采樣平均后可以達到優于0.2 psu的月尺度鹽度探測精度。

8 總結

L波段1維綜合孔徑輻射計是MICAP的核心儀器，采用了拋物柱形反射面天線、高穩定度輻射計接收機、三階量化數字相關、高精度溫控、高精度綜合孔徑輻射計定標、矩陣成像等技術。本文介紹了原理樣機的系統設計和研制；然后重點論述了綜合孔徑輻射計定標設計及實現算法，首次推導了一種在三階量化數字相關到模擬相關轉換算法中使用三階量化均值進行AD偏置校正的計算方法，并應用于定標中；最后通過成像試驗初步驗證了原理樣機的成像能力和技術指標。試驗結果表明其靈敏度、空間分辨率、無混疊視場與設計指標基本一致。試驗驗證的樣機技術指標代入仿真系統，仿真證明可以實現0.2 psu的星載海洋鹽度探測精度，達到了MICAP的設計要求。這些研究成果將應用于MICAP計劃，同時還有望在全球水循環衛星探測計劃(WCOM)的全極化綜合孔徑輻射計中應用。

圖9 基于原理樣機試驗的單次鹽度反演仿真

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Development and Experimental Study on L-band Synthetic Aperture Radiometer Prototype for Ocean Salinity Measurement

NIU Lijie①②LIU Hao①WU Lin①ZHANG Cheng①ZHAO Xin①WU Ji①YIN Xiaobin①

①(,,,100190,)②(,100049,)

Microwave Imager Combined Active and Passive (MICAP) is a new ocean salinity measure. The imager is composed of L, C, and K band radiometers and an L band scattermeter. The L band one dimensional synthetic aperture radiometer is a key part of MICAP, which is used to realize the high precision measurement of the ocean salinity. In order to demonstrate the concept and performance of MICAP, a ground-based prototype isdeveloped and experiments are carried out. This paper introduces the development and experimental results of the L band synthetic aperture radiometer in the MICAP prototype. For the first time, a method is proposed to correct the AD offset error of digital to analog correlation conversion by using the three level quantization means. These experimental studies provide technical preparation for both the future Chinese ocean salinity mission and the global water cycle observation mission.

Synthetic aperture radiometer; Three-level digital correlation; Ocean salinity

TP732.1

A

1009-5896(2017)08-1841-07

10.11999/JEIT161233

2016-11-14；

改回日期：2017-03-27；

2017-05-02

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及定標技術.

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和信號處理.

武 林： 男，1985年生，工程師，研究方向為綜合孔徑輻射計系統和數據處理.

張 成： 男，1978年生，副研究員，研究方向為綜合孔徑輻射計系統和數據處理.

趙 鑫： 男，1983年生，工程師，研究方向為天線及毫米波、太赫茲技術.

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.

殷曉斌： 男，1981年生，研究員，研究方向為物理海洋及海洋微波遙感.