大气微波遥感辐射计天线指标设计分析

程显海，康士峰，曹仲晴

（中国电波传播研究所 电波环境特性与模化技术重点实验室，山东 青岛 266107）

大气微波遥感辐射计天线指标设计分析

程显海，康士峰，曹仲晴

（中国电波传播研究所 电波环境特性与模化技术重点实验室，山东 青岛 266107）

用于被动式大气遥感测量和对流层电波折射误差高精度实时修正的地基微波辐射计，需采用窄波束、高效率和低旁瓣天线。根据微波辐射计天线传递函数和大气辐射测量方程，提出了天线设计中主波束宽度的选择依据，同时还提出了可根据太阳在辐射计工作频段内的射电辐射流量密度指导天线设计，即可根据太阳扫过天线旁瓣时所引起的辐射亮度温度的附加贡献和微波辐射计系统测量精度要求，确定归一化天线功率方向图中最大旁瓣的可允许值。

微波辐射计；大气遥感；太阳射电辐射；天线增益；天线归一化方向图

0 引言

微波辐射计是一种用于测量场景（目标）微波热辐射的高灵敏度接收机。地基大气遥感微波辐射计常用于测量反演大气温度廓线、水汽廓线、大气水汽总含量、云中液态水含量、测量降雨和降雨分布等［1］，应用于天气预报和指导人工影响天气选择最佳作业时机；还可以用于预报飞机飞行潜在积冰区和积冰等级等。

以微波辐射计为基础的被动式大气遥感测量系统，在无线电测控工程中也获得了广泛的应用，可以在电波传播路径上通过测量大气辐射亮温直接进行对流层大气折射误差实时修正，由于这种方法是在电波实际传播路径上直接取得折射修正信息样品的，不受大气时变特性和水平不均匀性的影响，因此，可有很高的修正精度［2，3］；还可以通过测量大气辐射亮温反演对流层大气折射率剖面用于折射误差实时修正［4－6］；也可以用于测量研究大气和降雨对电波的衰减等［7］。

由于微波辐射计测量接收的是场景（目标）的微波热辐射信号，通过接收天线馈送到辐射计接收机输入端的信号，既包括天线主瓣接收部分，同时还包括来自天线旁瓣（包括后瓣）接收的杂散辐射和天线本身损耗产生的热辐射，而辐射计接收机本身又不能区分出哪些是来自天线主瓣接收的辐射，哪些是来自天线旁瓣接收的杂散辐射和天线本身产生的热辐射，因此，为了提高测量路径上大气辐射亮温的测量精度和大气参数的反演精度，用于大气遥感测量和进行电波折射误差实时修正的微波辐射计，应采用窄波束、高效率、低旁瓣天线［8，9］。因此，文中所给出的对天线主波束宽度的选择理论基础和天线旁瓣电平要求的设计依据，对指导大气遥感微波辐射计天线设计是至关重要的。

1 天线传递函数

微波辐射计测量系统，经天线接收并传递到辐射计接收机输入端的热辐射温度信号，包括3部分：天线主瓣接收部分、旁瓣（包括后瓣）接收部分和自身损耗产生的热辐射部分。测量天线传递函数流程示意图如图1所示。

图1 微波辐射计天线对测量信号的传递流程

式中，TB（θ，φ）为天线指向范围的亮温分布；P（θ，φ）为接收天线归一化功率方向图；Ωm为接收天线方向图主瓣立体角；Ωa为天线立体角；为天线主瓣接收的加权平均亮温；为天线旁瓣（包括后瓣）接收的杂散辐射加权平均亮温；ηm为天线主波束效率；ηl为天线欧姆效率（或功率传输系数），对于无耗天线ηl＝1；T0为天线本身物理温度。

2 天线设计参数选择分析

2.1 天线主波束宽度和口径

根据图1可以写出天线温度Ta的计算表达式：

若用θm表示天线方向图离主波束中心轴的角距离，则式（6）可改写成：

显然，只有在θm这个角增量范围内测量场景的亮温分布可视为常量时，式（7）才能简化为：

在式（8）中第一项中，除TB外其余部分就是天线主波束效率ηm，即

将式（9）代入式（8）可以得到：

由式（7）和式（11）可见，若由天线温度的测量值Ta，精确估算出测量方向上的大气辐射亮温TB，则就要求在2θm角度范围内大气亮温分布TB（θ，φ）近似为常数，则可以根据这一原则，由测量方向上大气亮温分布特性和要求的TB测量精度来确定θm，已知θm则可将2θm作为所要求的天线半功率波束宽度，再由半功率波束宽度确定天线口径D。

用作大气遥感测量的微波辐射计多工作在K波段（对大气中水汽和云中液态水含量敏感）和V波段（对大气温度敏感），并且多采用圆形孔径天线，则天线半功率波束宽度2θm可用下式估算：

式中，k为与天线口径电流分布和接收的极化方式有关的常数（通常k≈65°～70°）；λ为工作波长；D为天线直径。选定θm就可由（13）式估算出要求的天线口径D：

已知天线口径D就可以估算出天线的最大增益Gmax：

式中，A为天线口面面积；ν为口面利用系数；ηl为天线欧姆效率。

2.2 天线旁瓣

用于测量反演大气物理参数和进行对流层电波折射误差高精度修正的微波辐射计，工作频率多选择在K波段和V波段，在上述两频段内选20 GHz和50 GHz两个频率为代表，用来说明实际大气辐射亮温在不同测量仰角上的变化特性由图2所示，在天顶方问20 GHz和50 GHz频点，大气向下辐射亮温分别为47.1 K和104.7 K。

图2 不同测量仰角上大气向辐射亮温

当微波辐射计选用俯仰扫角测量方式时，在低仰角天线旁瓣会指向地面，上例中地面温度可达297 K左右，地面可视为灰体，本身的热辐射可大于测量方向上大气的辐射，显然，当天线旁瓣电平不是足够低，旁瓣接收的地面辐射不能忽略则就要引起测量误差；然而这里必须提及地面的热辐射并非是最大的干扰辐射源，在上述两频段太阳射电辐射要大于地面的热辐射才是最大的干扰辐射源。对于20 GHz和50 GHz两频点，在太阳黑子数分别为0和100时的宁静太阳射电辐射流量密度由表1所示［10］。

表1 宁静太阳射电辐射

采用工作频率为23.8 GHz的微波辐射计，天线口径为0.8 m，当天线主瓣指向太阳方向时，测量得到的辐射亮温有时可达498 K，远大于地面的热辐射。显然当太阳扫过天线最大旁瓣才是辐射计测量的最大干扰源，因此，可根据太阳的射电辐射水平确定天线对旁瓣指标的要求。

当太阳扫过天线最大旁瓣时，最大旁瓣接收的功率Psn计算表达式可写为：

式中，Aen为在最大旁瓣方向上的天线有效面积；Ssun为太阳在辐射计接收频率上辐射流量密度；ΔF为辐射计测量带宽。

假设天线最大旁瓣的增益为Gslmax，工作波长为λ，Psn还可以写为：

由式（16）就可以得到最大旁瓣增益Gslmax计算表达式为：

可见已知辐射计工作波长λ和该波长上太阳辐射流量密度Ssun，以及辐射计测量带宽ΔF和要求限制的最小接收功率Psn（可由测量误差分配给旁瓣接收的亮度温度限值换算），即可利用式（17）求出可允许的最大旁瓣增益Gslmax，已知Gmax和Gslmax即可求出允许的天线规一化方向图中最大旁瓣Pslmax：

上例中采用的23.8 GHz微波辐射计，天线口径D＝0.8 m，最大增益Gmax＝44 dB，若要求太阳扫过天线最大旁瓣时产生的亮温贡献小于0.5 K，则就要求天线最大旁瓣Pslmax≤－30 dB。

3 结束语

用于被动式地基大气遥感测量和电波折射误差高精度实时修正的微波辐射计，根据天线传递函数和大气辐射测量方程进行分析得出，应选用窄波束、高效率和低旁瓣天线。

文中给出了天线主要设计指标的设计依据，其中天线主波束宽度的选择应满足在主波束宽度范围内，大气的亮温分布能近似看作常量；而当辐射计进行方位和俯仰扫描测量时，由于天线旁瓣不仅指向大气，有时还会指向地面或太阳，因此，天线旁瓣设计指标的确定就比较复杂。由于太阳射电辐射大于地面辐射，则文中提出了可根据太阳在辐射计工作频段内产生的射电辐射作为天线旁瓣指标的设计依据，即当太阳扫过辐射计天线最大旁瓣时，辐射计接收机接收到的射电辐射，应小于辐射计系统测量亮温总误差中，分配给天线旁瓣接收的亮温作为最大旁瓣电平要求的设计依据，经在实际辐射计测量系统中的使用，表明采用上述天线设计依据在工程设计中是可行的。

［1］张培昌，王振会.大气微波遥感基础［M］.北京：气象出版社，1995：254－343.

［2］RABINSON S E.The Profile Algorithm for Microwave Delay Estimation from Water Radiometer Data［J］.Radio science，1988，23（3）：401－408.

［3］程显海，邢小星.微波辐射计在电波折射修正中的应用［J］.微波学报，1995，11（1）：61－65.

［4］赵振维，王 宁.微波辐射计反演大气折射率剖面技术研究［J］.电波科学学报，2010，25（1）：132－137.

［5］刘宗伟，刘夫体，甘友谊，等.微波辐射计在雷测数据折射误差修正中的应用［J］.电波科学学报，2011，26（12）：1 153－1 157.

［6］武 征，潘佳梁，胡梦中.测量雷达对流层大气折射误差修正方法研究［J］.无线电工程，2014，44（2）：73－76.

［7］程显海，王 宁，曹培培.微波辐射计在大气遥感和电波传播中的应用［C］∥2011年全国微波毫米波会议论文集（下册），2011：1 754－1 757.

［8］乌拉比，著.微波遥感，（笫9卷）［M］.北京：科学出版社，1988：137－139.

［9］康小勇，路志勇，宋长宏.前馈偏移卡塞格伦天线低轮廓设计［J］.无线电工程，2011，41（12）：44－46.

［10］C W艾伦.物理量和天体物理量［M］.杨 建，译.北京：人民出版社，1976.

Design and Analysis of Antenna Specifications in Atmospheric Microwave Radiometers

CHENG Xian-hai，KANG Shi-feng，CAO Zhong-qing
（National Key Laboratory of Electromagnetic Environment，China Research Institute of Radiowave Propagation，Qingdao Shandong 266107，China）

Ground-based Microwave Radiometers（MWR）are often used for passive atmospheric remote sensing and measurement，or high accuracy，real time error correction of radio wave refraction in troposphere.For such applications，narrow beam，high efficiency and low-sidelobe antennas are required.Based on the antenna transfer function in MWR and the atmospheric radiation measurement equation，the paper presents a set of selection criteria on main lobe width in antenna design，and proposes a method for antenna design that takes into account the solar radiation flux density within the operating frequency bands of MWR.This method determines the allowable maximum sidelobe of normalized antenna radiation pattern on the basis of two factors：one is the additional contribution to the radiance temperature by the sun passing the antenna sidelobes，the other is the requirement on the MWR measuring accuracy.

microwave radiometer；atmospheric remote sensing；solar radiation；antenna gain；normalized antenna radiation pattern

P414.5

A

1003－3106（2015）10－0052－03

10.3969／j.issn.1003－3106.2015.10.14

程显海，康士峰，曹仲晴.大气微波遥感辐射计天线指标设计分析［J］.无线电工程，2015，45（10）：52－54.

程显海男，（1940—），高级工程师。主要研究方向：微波遥感、电波传播、无线电测量、电磁环境和测量评价研究。

2015-07-06

康士峰男，（1966—），博士，研究员。主要研究方向：电波环境及传播特性研究。