全極化微波輻射計天線極化純度的分析

王暉

【摘 要】全極化微波輻射計中，由于天線的極化特性，對輻射接收情況影響到極化狀態，讓參數和真實值嚴重偏離。基于此，本文首先對微波輻射計進行了全面的分析研究，其次分析了研究極化純度的必要性，最后展開了極化純度的研究分析。

【關鍵詞】全極化;微波輻射計;天線;極化純度;不準確度

中圖分類號： TN820文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）19-0030-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.19.012

1 微波輻射計

1.1 工作原理

海面微波輻射主要根據海面粗糙程度，對于平靜海面進行微波輻射，要高度極化。在表面粗糙度逐漸增加時，輻射增加，削弱了極化特性。海洋表面粗糙會影響散射特性和海水輻射。如果風速沒有超過7m/s，那么風浪增加海面粗糙度，表現出海面粗糙效應。如果風速逐漸增加粗糙度，超過7m/s，會造成波浪破碎，導致白沫的出現，稱作浪花效應。在風速25m/s，白沫會覆蓋30%的海水面積，白沫表面增加海面發射率，造成亮溫出現明顯變化。輻射率變化原理分成三個層面，首先是波長超過輻射波的波長，表面存在水平方向和豎直方向的極化狀態，讓局部入射角出現改變。其次表面波比輻射波短，使用Bragg散射收集亮溫信息。最后是海綿泡沫帶來的影響，由于水和空氣混合后，讓垂直極化和水平極化發射率有所增加，對海面亮溫的觀測帶來影響。

1.2 極化純度分析的必要性

一般情況下，天線子系統處于非理想狀況下，讓Stokes參數造成影響，使得參數測量值和真實值發生偏離。如大型拋物面設計會造成天線極化受到影響。天線發生饋源之后，正交模式轉換器會將正交極化信號分離開，形成極化信號的泄露情況。非線性理想特性能夠用來衡量極化純度指標。使用雙極化微博輻射計對海洋表面風速進行測量，已經得到多年的使用，早期研究顯示，海洋表面具有的微波是受到風向影響表現出規律的特性。在輻射計經過準確定標之后，同時掌握風速風向的信息。有研究表明Stokes參數中T3分量和T4分量含有大量風向信息。意味著T3分量變化受到云雨的影響相對較小，T4分量受到風向旋轉的影響。根據極化輻射測量的影響，人們不斷優化輻射計設計。由于微波輻射計T3分量和T4分量較極化分量小很多，對于測量精度有著較高的要求。

2 極化隔離度對參數的影響

拋物面天線自身特征以及極化隔離器不完美情況都有可能造成極化泄露的情況，或者目標場景和軸坐標基準不相匹配。通過分析可以發現，T3分量對于極化純度要求遠高過T4分量。T3分量誤差會根據相對相位變化出現變化，數據呈現對稱關系。在相對相位為0°、45°以及90°時，相對相位帶給T3分量誤差，誤差可以代表全部相位的誤差。為了讓T3分量更清晰地了解純度變化，選擇這三個相位即可。據分析可知，極化純度越高，相對相位不同，仍然會造成2k～6k的誤差，誤差和T3分量有著密切的關聯[2]。需要嚴格校正輻射計，了解精準的T3數值。

3 極化純度分析

一般情況下，R矩陣出現誤差主要是由于兩個原因，其一是無法測量具體闡述，受到測試條件和測試方法的限制，各個闡述的測量會存在不確定度。其二，隔離度以及相位出現漂移。使用標準差表征對誤差進行測量。對儀器定標進行分析后，相位分成0°、45°以及90°三種情況展開分析，純度變化區間為10dB～50dB。由于T3分量的不確定度根據極化純度發生改變，如果極化純度能夠確認不確定度數值為-40dB和-50dB，那么已知相位或者相對相位的不確定度可以確認為5°。

3.1 極化純度的影響

分析極化純度，首先考慮不確定存在時，測量T3分量的不確定度，在不確定度數值為-50dB時，分析T3分量的誤差，誤差數值明顯較-40dB時小，這種差別在任意極化隔離度都十分明顯。極化隔離度水平和不確定度相似，這時誤差值相對穩定，不會依照極化隔離度改變而逐漸變化。當極化隔離度的不確定度達到-40dB時，隔離度為-40或者-50dB并沒有太大差距，這種情況是由于測量誤差造成不確定度出現異常。V、H通道相對相位對于T3分量的誤差存在一定影響。在不確定度數值為-40、-50dB，且相對相位不確定是5°時，T3分量標準差變化較為明顯，極化隔離度不超過30dB時，只有相對相位0時，定位可以達到最好的精度。極化隔離度逐漸減小，相對相位在0線上，極化隔離度并不會影響T3分量。

若極化隔離度逐漸優化，不確定度在-50dB時，效果明顯好過-40dB。如果極化隔離度超過40dB時，T3分量的不確定度逐漸平穩，表示極化隔離度導致誤差的出現。不確定度為-50dB時，T3分量定標獲得明顯優勢。確定相對相位保持0的水平，極化隔離度達到20dB時，不確定度將達到最低水平。相比于T3分量，T4分量不確定度和相位的關系相關性不大。T3分量隔離度不超過20dB時，在相位為0條件下，仍然能夠獲得良好的精度。T4分量定標精準度遠不如T3分量。兩個定標精度想要達到0.4k水平十分困難，只有在極化純度的不確定度達到一定低水平時，才能實現定標精度。

極化隔離度逐漸增加時，T3分量會逐漸減少不確定度。事實上，相位和極化隔離度都不會達到精確一致的水平。這兩個因素對于T3分量不確定度有著直接影響，兩者之間沒有明顯的關聯。極化隔離度以及相對相位的不確定度和T3分量有著反作用。兩個矛盾因素達到平衡時，不確定度會降到最低。

3.2 極化隔離度的影響

T3分量標準差和相對相位存在一定關聯，極化隔離度不超過30dB時，且相對相位處于0水平，能夠達到最佳定標精度。極化隔離度不超過20dB時，相對相位處于0水平，極化隔離度變化對于T3分量沒有明顯的影響。極化隔離度逐漸變化，不確定度在-50dB時明顯好于-40dB時。在極化隔離度達到40dB以上時，T3分量不確定度發生的變化相對固定，意味著極化隔離度的不確定度導致定標誤差的出現。在-50dB時極化隔離度有著明顯優勢。相對相位處于0水平時，相比于T3分量，T4分量和不確定度、相位之間的關聯并不緊密[3]。同樣處于相對相位為0時，T3分量此時隔離度不超過20dB時，可以達到良好的定標精度，但是T4分量無法獲得良好的定標精度。兩種定標精度難以達到0.4k以下，只有在極化純度不確定度維持在足夠低的水平時，才能達到良好的定標精度。

3.3 極化隔離度不確定度的影響

從T3分量來分析，天線交叉定標精度不超過0.4k，要求極化隔離度的不確定度要明顯要好于-42dB時，相比于其他相對相位，定標精度需要達到較高的不確定度。而T4分量，只有極化隔離度超過39dB時，測量精度不會超過0。

3.4 相對相位不確定度的影響

通道相對相位不斷變化的過程中，T3分量和T4分量的誤差隨著不確定度增加逐漸增加。相對相位逐漸增加期間，T3分量誤差也會發生逐漸增加，而T4分量則逐漸減少，不確定度會隨著相位增加發生減少。當相對相位為0時，T3分量誤差仍然沒有辦法滿足0.4k的標準，在相位為90°時，發現極化隔離度并不是影響T3分量誤差的主要原因，相對相位的不確定度達到1°時，會造成T3分量難以達到0.4k的標準，相位在0水平上、不確定度處于2°水平時，T4分量測量數值仍然能夠滿足0.4k的標準。

4 結論

綜上所述，經過天線交叉極化的研究，建立極化純度指標，分析測量值與真實值之間的差距，從而掌握極化純度對于測量數據的影響。在測量準確度得到滿足的情況下，極化純度指標要求測量精度需要達到一定要求。經過對極化隔離度、極化隔離度以及相對相位不確定度的影響展開分析，以期為天線方向圖校正提供借鑒作用。

【參考文獻】

[1]王亞輝，王振占，張升偉.全極化微波輻射計掃描目標成像方法研究[J].遙感技術與應用，2017，32（03）：483-489.

[2]李彬.一種新型全極化微波輻射計定標源研制及定標方法研究[D].中國科學院大學（中國科學院國家空間科學中心），2017.

[3]林亞帆.全極化微波輻射計定標源裝置伺服系統設計與研究[D].吉林大學，2017.