面向星载海洋盐度探测应用的L波段综合孔径辐射计原理样机研制与试验研究

2017-10-14牛立杰殷晓斌

电子与信息学报 2017年8期

牛立杰刘浩武林张成赵鑫吴季殷晓斌

牛立杰①②刘浩*①武林①张成①赵鑫①吴季①殷晓斌①

①(中国科学院国家空间科学中心微波遥感重点实验室北京 100190)②(中国科学院大学北京 100049)

主被动联合微波成像仪(MICAP)是面向全球星载海洋盐度探测应用提出的一种新技术方案，由L, C, K频段辐射计及L波段散射计组成。其中L波段1维综合孔径辐射计是MICAP的核心，用以实现海洋盐度高精度观测。为了验证MICAP概念和性能，研制了一台地面原理样机并进行了试验研究。该文介绍了MICAP样机的L波段综合孔径辐射计子系统的研究与试验结果。首次推导了一种使用三阶量化均值对数字相关到模拟相关转换中的AD偏置误差进行校正的计算方法。该文的研究成果将为海洋盐度卫星MICAP及全球水循环卫星WCOM提供技术参考。

综合孔径辐射计；三阶量化数字相关；海洋盐度

1 引言

应用星载微波辐射计实现全球海洋盐度测量是当前微波遥感领域的一个研究热点[1]。海洋盐度探测的难点在于其对辐射计性能要求非常高：首先，海洋盐度变化带来的亮温变化非常小，因此要求辐射计具有极高的灵敏度及稳定度；然后，海面粗糙度及海水温度也会带来海面辐射亮温的变化，影响盐度测量精度[2]；此外载荷还需要具备高空间分辨率、宽刈幅等指标。目前国际上海洋盐度探测辐射计有两个路线：以欧空局SMOS卫星为代表的综合孔径辐射计体制，以及美国Aquarius卫星[2,6,7]为代表的“推帚式”真实孔径辐射计体制。SMOS是2维综合孔径辐射计，可实现高空间分辨率及宽刈幅，但系统复杂，定标难度大。Aquarius的体制限制了空间分辨率与刈幅。此外，两者都无法同步测量海水温度辅助数据。

主被动联合微波成像仪(Microwave Imager Combined Active and Passive, MICAP)是中国科学院国家空间科学中心提出的新方案[8]。采用共用抛物柱形反射面天线，L波段1维综合孔径辐射计观测海洋盐度；C, K波段1维综合孔径辐射计探测海水温度，L波段散射计探测海面粗糙度。1维综合孔径辐射计体制保证了较高的空间分辨率及较宽的刈幅，又避免了系统过于复杂，使多个频段辐射计及散射计可以集成在一起，实现辅助数据同步获取。高灵敏度、高稳定度辐射计单元技术与综合孔径辐射计定标技术相结合，实现高性能指标。为了验证MICAP的概念，中国科学院国家空间科学中心研制了一台地面原理样机，并开发了一套海水盐度、温度及海面风场一体化仿真系统[9]。通过原理样机地面试验验证仪器灵敏度、空间分辨率、刈幅等技术指标，并将试验结果代入仿真系统仿真验证星载盐度探测精度。本文主要介绍了L波段综合孔径辐射计原理样机系统组成、参数设计、定标技术、验证试验。这些研究将为海洋盐度卫星主被动联合微波成像仪以及全球水循环卫星(global Water Cycle Observation Mission, WCOM)的L/S/C三频全极化综合孔径辐射计[10,11]提供技术参考。

2 原理样机系统组成

原理样机包括一套L波段1维综合孔径辐射计及一套L波段散射计，均采用多馈源阵列，共用抛物柱形反射面天线。其中L波段辐射计采用1维综合孔径体制，主要由天线、辐射计单元、公共噪声源单元、频综单元、数字相关器单元、温控子系统、电源子系统及转台等部件组成，如图1所示。

天线单元由抛物柱形反射面和微带馈源阵列组成。8单元稀疏馈源阵列沿抛物柱面焦线排列，位置为[0 2 4 6 7 8 17 20]，馈源之间两两构成19条无冗余基线。在交轨向形成扇形波束瞬时视场，利用综合孔径技术获得分辨率；在顺轨方向通过抛物柱形反射面形成真实孔径测量。

射频系统共有8套辐射计单元，均采用了高灵敏度、实时定标辐射计架构。公共噪声源单元由噪声源、开关、衰减器以及一分八功分网络组成，用以实现综合孔径幅度、相位的定标。通过开关和衰减器实现高、低两个不同功率的噪声注入，对高、低噪声注入后辐射计响应相减可以抵消功分网络自身产生的噪声的影响。

对馈源、辐射计单元及公共噪声源单元、本振单元均进行了精密的温度控制。辐射计单元安装在馈源背面形成一个整体进行温控，馈源辐射面使用透波保温材料进行保温。使用半导体制冷技术(TEC)设计了温度控制系统，PID算法实现精确温度控制，将整个馈源阵列和辐射计单元的温度稳定控制在±0.1°C内。

选用了三阶量化数字相关器。三阶量化数字相关器灵敏度能够达到模拟相关器的81%，同时满足高性能和低复杂度的要求[12]。

原理样机安装于2维转台之上，方位向(宽波束方向)手工调节，使辐射计扇形波束指向目标；俯仰向(窄波束方向)电控调节，可模拟卫星平台运动实现扫描成像。

3 原理样机技术指标

3.1角分辨率

3.2视场

图1 L波段综合孔径辐射计系统组成框图

表1原理样机主要参数

频率1.4~1.427 GHz 馈源及接收机数量8 反射面宽度(抛物面方向)3 m 反射面长度(柱面方向)4.5 m 辐射计馈源最大间距2.73 m 辐射计馈源最小间距0.13 m 辐射计俯仰向波束宽度5.2o 辐射计接收机噪声温度300 K

(2)

3.3灵敏度

1维综合孔径辐射计原理样机视轴方向的灵敏度可以由式(3)来近似计算[15]：

4 综合孔径辐射计定标技术

4.1 工作时序与定标流程

综合孔径辐射计采用三阶量化数字相关，定标包括量化校正、系统噪声温度定标、综合孔径相位-幅度定标、去归一化及剩余偏置校正等。设计了统一的工作时序将定标过程归纳其中，一个周期分为10个测量单元，每个单元占时10 ms，总共为100 ms。这种设计简单实用，实时进行定标保证了系统的高稳定度。定标时序如图2所示，定标流程如图3所示。

4.2 三阶量化协方差到模拟相关系数的转换

文献[12]给出了三阶量化数字相关到模拟相关转换的估计算法，对AD偏置电平带来的量化阈值不平衡性进行了误差分析。文献[16]提出一种使用三阶量化数据均值进行AD偏置校正的方法。本文中，在文献[16]基础上推导了使用三阶量化数字均值进行AD偏置校正的公式，并应用于MICAP原理样机中。

图3 L波段综合孔径辐射计定标流程

图4 输入信号概率密度函数、平衡量化阈值(±k)与阈值不平衡性

(6)

其中，

4.3 IQ正交误差的校正

若IQ检波器输出信号存在正交误差，则需要进行IQ正交校正[17]：

4.4 辐射计系统噪声温度定标

4.5 综合孔径相位-幅度定标

综合孔径辐射计的可见度函数可以表示为

(9)

原理样机在定标周期通过公共噪声源单元注入高、低两个功率的相关噪声，来标定出对值。高、低相关噪声注入时两通道可见度函数可以表示为(忽略接收机前向噪声串扰的影响)[19]

上标H表示高功率噪声注入状态，L表示低功率噪声注入状态。为高、低两个相关噪声温度。,分别表示公共噪声源功分器第,端口与输入端口间的参数。为功分器各端口之间的参数。为功分器的物理温度。

此外，可见度函数又可通过数字相关器互相关结果计算[18]：

可以得到：

(12)

而公共噪声注入时的各接收机通道的系统噪声温度可以表示为(忽略接收机前向噪声串扰)[19]

(14)

4.6 可见度函数

4.7 剩余偏置校正

本振的热噪声进入不同的接收机可能带来非零相关偏置，即式(8)中的。这种剩余偏置可以用非相关噪声注入(匹配负载)的方法进行校正，方法是天线观测时序测得的可见度函数减去匹配负载时序的可见度函数[18]。由于匹配负载时序两通道注入的噪声是非相关的，则由式(8)可以得到剩余偏置校正后的可见度函数(上标O表示匹配负载状态)：

5 G矩阵成像方法

使用矩阵成像方法将亮温从可见度函数中恢复出来。亮温反演公式如式(18)所示，由此可知，矩阵成像除了需要定标后的可见度函数外，还需要天线方向图信息。在微波暗室中使用天线测试系统测出8个微带馈源的天线方向图，然后此馈源方向图作为输入条件进行仿真得到全天线的方向图。

(19)

6 地面原理样机验证试验

在中国科学院国家空间科学中心怀柔园区进行了MICAP地面原理样机成像试验，验证了原理样机性能指标。

6.1角分辨率

空间角分辨率可以用点目标响应半功率波束宽度定义，可以通过点目标成像试验来验证。图5是点目标响应曲线，由图5计算得出样机角分辨率约。这个结果接近由式(1)得到的理论值。

6.2 灵敏度

地面原理样机灵敏度可以通过观测冷空试验得到。图6是冷空观测试验的灵敏度指标，图7是成像结果，可以看出原理样机在视轴方向的灵敏度约为0.2 K(4 s积分时间)，与式(3)计算的理论值基本吻合。

6.3视场

当点源放置在混叠视场内，会在周期延拓区域产生假响应。设点源放置在右边，位置为，在图像的左边产生了假响应，无混叠视场可以由式(21)求出。

图6 辐射计灵敏度

图7 冷空成像试验

图8是混叠视场试验的结果。使用式(21)计算得到样机的无混叠视场为。这个结果非常接近于使用式(2)计算得到的理论值。

图8 混叠视场中的假响应

7 基于原理样机试验的盐度探测精度仿真

使用原理样机试验得到的灵敏度曲线，代入海水盐度、温度及风场一体化联合仿真系统[9]，通过多参数联合反演算法可同时获得海水盐度、温度及海面风场与1维综合孔径辐射计方位余弦相关的偏差及随机误差，如图9所示。可以看出视场内单次盐度探测可实现0.6 psu的探测精度指标。如果星载系统设计是3天一次重访周期，经重采样平均后可以达到优于0.2 psu的月尺度盐度探测精度。

8 总结

L波段1维综合孔径辐射计是MICAP的核心仪器，采用了抛物柱形反射面天线、高稳定度辐射计接收机、三阶量化数字相关、高精度温控、高精度综合孔径辐射计定标、矩阵成像等技术。本文介绍了原理样机的系统设计和研制；然后重点论述了综合孔径辐射计定标设计及实现算法，首次推导了一种在三阶量化数字相关到模拟相关转换算法中使用三阶量化均值进行AD偏置校正的计算方法，并应用于定标中；最后通过成像试验初步验证了原理样机的成像能力和技术指标。试验结果表明其灵敏度、空间分辨率、无混叠视场与设计指标基本一致。试验验证的样机技术指标代入仿真系统，仿真证明可以实现0.2 psu的星载海洋盐度探测精度，达到了MICAP的设计要求。这些研究成果将应用于MICAP计划，同时还有望在全球水循环卫星探测计划(WCOM)的全极化综合孔径辐射计中应用。

图9 基于原理样机试验的单次盐度反演仿真

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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

1009-5896(2017)08-1841-07

10.11999/JEIT161233

2016-11-14；

改回日期：2017-03-27；

2017-05-02

刘浩 liuhao@mirslab.cn

牛立杰：男，1974年生，博士生，副研究员，研究方向为辐射计系统及定标技术.

刘浩：男，1978年生，研究员，研究方向为干涉式综合孔径辐射计的系统和信号处理.

武林：男，1985年生，工程师，研究方向为综合孔径辐射计系统和数据处理.

张成：男，1978年生，副研究员，研究方向为综合孔径辐射计系统和数据处理.