基于漏波天线的分布式微波辐射计

李鹏飞, 卢海梁, 韩 涛, 党鹏举, 李一楠, 李 浩, 吕容川

(中国航天科技集团公司第五研究院西安分院, 陕西 西安 710100)

0 引 言

温度高于绝对零度(0 K)的物体都会产生非相干电磁辐射,物体的这种非相干电磁辐射亦称为热辐射。物体在微波频段的电磁辐射称为微波辐射,或称微波热辐射。微波辐射计主要用于测量物体的微波辐射,其不发射信号,也不依赖于其他发射源的信号,并且具有全天时、准全天候(可穿透云层、浓雾、小雨和烟尘等)的特点,可穿透地表、植被以及人体等一定深度,可以提供红外、可见光等手段不能提供的信息,在大气海洋遥感与灾害监测、月球与深空探测、制导、安检、医疗和科学研究等领域有广泛的应用。

当前,用于大气海洋遥感的微波辐射计主要有实孔径微波辐射计和综合孔径微波辐射计。实孔径微波辐射计需要机械转台实现观测幅宽,极大地增加了系统的体积和重量,由于天线的物理尺寸决定了系统的空间分辨率,因此高空间分辨率需要更大口径的天线,这也同时增加了系统的体积和重量,因此,为了缓解实孔径微波辐射计体积、重量和空间分辨率间的矛盾,综合孔径微波辐射计应运而生。综合孔径微波辐射计采用稀疏的小口径天线阵列合成一个等效的大口径天线,从而提高空间分辨率,可有效降低天线的体积与重量,且无需机械扫描即可实现对整个视场的凝视成像,为提高被动微波遥感的空间分辨率提供了一种可行的途径。但是,综合孔径技术的分辨率优势是以系统复杂度和信号处理的复杂度为代价的,对于大型综合孔径系统,由于阵元数目过多,系统结构和信号处理将非常复杂,大阵列系统带来的质量增大以及惯性动量增大等制约了综合孔径辐射计的系统规模,进一步限制了其系统性能。

为了缓解传统实孔径微波辐射计中性能指标与体积、重量间的矛盾,解决综合孔径微波辐射计中空间分辨率与系统结构、信号处理复杂度高的难题,本文提出一种基于漏波天线的分布式微波辐射计系统。该系统的基本思想是:利用频扫天线的“频率-方向扫描”的特性,构造一个基于漏波天线的实孔径微波辐射计,根据“频率”-“指向”-“亮温”-“像素”的关系,实现对一个小范围场景的亮温成像;之后,将一组基于漏波天线的实孔径微波辐射计按照一定规则分布,进而实现对一定宽度范围内场景的亮温成像。

该系统相对于传统的实孔径微波辐射计而言,无需机械扫描,缓解了实孔径微波辐射计系统的关键性能指标与系统体积、重量、工艺难度间的矛盾;该系统相对于综合孔径微波辐射计而言,只需要少许漏波天线和接收机单元，且信号处理复杂度较低,极大缓解了系统关键性能指标与系统复杂度、信号处理复杂度间的矛盾。

1 系统总体方案

基于频扫天线的波束指向随工作频率变化的特性,提出了一种基于漏波天线的分布式微波辐射计系统。

本章主要具体介绍一种基于漏波天线的分布式微波辐射计系统。首先,简单介绍了频扫天线的相关知识,随后,重点介绍了基于漏波天线的分布式微波辐射计系统的天线方案和接收机方案。

1.1 频扫天线

频扫天线的研究最早可以追溯到20世纪50年代,60年代初军事领域已有应用频扫雷达天线技术设计的设备。根据频率扫描天线的原理,其波束指向随工作频率的变化而发生改变。

从20世纪七八十年代开始,频扫天线越来越多地被研究,其实现形式主要有两种:一种是利用漏波天线形成扫描波束;另一种为利用慢波线结构来形成扫描波束。当前,由于漏波天线的窄波束、频率扫描、宽带宽、制造简单等优点,广泛应用于通信、雷达等领域。

漏波天线是一类典型的行波天线,自从Hansen在1940年提出最早的漏波天线以来,就一直是天线领域的研究重点之一,并已在微波与毫米波波段得到重要应用。而且将毫米波频扫天线用于被动毫米波成像技术具有不可替代的优势,通过频率扫描天线的频率与天线波束空间位置的对应关系,可以有效减少馈源天线的数量,同时也可以实现只用一个接收机就能完成对空间的扫描,极大地降低了成本,因此具有广阔的应用前景。

1.2 天线方案

1.2.1 漏波天线的基本单元

假设微波辐射计系统的带宽为,要求的角分辨率为,观测视场为,因此观测视场范围为(-2°,2°)。在此情况下,要求漏波天线的角分辨率同样为,扫描角度范围大小为,如图1所示。

图1 漏波天线扫描角度示意图Fig.1 Scanning angle diagram of leaky wave antenna

漏波天线在扫描角度范围内的扫描波束个数为,则可得到与角分辨率和扫描角度范围的关系如下:

=

(1)

图2给出了一种典型的矩形漏波天线结构示意图,矩形缝隙沿着波导上表面的中心轴线分布,电场辐射的最大主波束方向与Z轴的夹角为,通过用不同的频率进行激励,天线主波束随着工作频率的变化进行波束的扫描,从而实现对目标的观测。

图2 矩形漏波天线结构图Fig.2 Structure of rectangular leaky wave antenna

122 漏波天线结构

基于单个频扫天线的特征,针对微波辐射计系统要求,提出了一种基于漏波天线的分布式天线阵列方案,如图3所示。每一个天线单元是一个频扫天线,扫描角度范围为,角分辨率为,在扫描角度范围内波束个数为,整个分布式阵列由个漏波天线组成一个扇形,每个漏波天线独立实现对角度范围内的观测,个漏波天线单元扫描区域独立且连续,=·则整个分布式天线阵列观测角度为·,视场即有

=·

(2)

图3 漏波天线扇形结构图Fig.3 Sector structure of leaky wave antenna

在工作时,通过调整漏波天线的接收频率,使得天线的方向图依次按照顺序实现从左到右(或从右到左)的扫描,所有漏波天线的波束扫描时序一致,其对应的在地面(场景)的扫描示意图如图2所示。当一次扫描周期完成后,则可实现对视场范围(-2°,2°)的全扫描成像。

在地球遥感中,该基于漏波天线的分布式微波辐射计系统通过频扫实现交轨方向的扫描成像,通过卫星的运行,实现顺轨方向的推扫。从理论上讲,提出的漏波天线的分布式微波辐射计系统的交轨方向的幅宽不受限制,只要增加漏波天线单元的个数,则可实现对场景的宽视场扫描成像。此外,当要求的漏波天线的角分辨率较高,且工作频率较低时(L波段或C波段),单个漏波天线单元的物理尺寸较大,多个漏波天线单元组成的扇形结构物理尺寸较大,不利于卫星的装载,因此需要对这种扇形的天线结构分布进行变形,即每个漏波天线的指向不变,但均移到一个轴上,沿着轴向依次排列,类似于“糖葫芦”的结构,这种结构分布降低了天线阵列的横向物理尺寸,但增加了天线阵列的纵向物理尺寸,适用于低频段天线。

1.3 接收机方案

基于频扫天线的分布式微波辐射计系统最大的特点则是利用漏波天线的天线方向图指向随工作频率的变化可实现对角度范围内场景的扫描。对于整个系统带宽而言,在后端需要将整个带宽细分份来实现对角度范围内场景的扫描。

针对这一问题,给出了3种接收机方案:① 本振扫频,分时采集各个子带,实现对单个波束范围内场景微波噪声信号的提取;② 功分器+窄带滤波器,实现同时采集子带所对应的波束范围内场景的微波噪声信号的提取;③ 高速采集器+数字信号处理,通过高速数据采集获取带宽内的噪声信号,在数字域通过快速傅里叶变换(fast Fourier transform, FFT)将整个带宽细分,同时提取所有子带波束范围内场景的微波噪声信号。下面将分别具体讨论上述3种接收机方案。

131 本振频扫(分时分频)

如图4所示,给出了一种本振扫描、分时分频的接收机方案,本振通过变频、1分功分器功分至路接收机混频器,混频输出的中频信号通过一个带宽为的窄带滤波器,进而获取每个频率子带所对应的波束范围内的噪声信号。假设天线对应的扫描带宽为±2,滤波器的带宽为±2,则变频本振依次输出为-+(-12+12)+,∈(0,1,…,-1),最终每路接收机依次(分时)输出的每个频率子带所对应的波束范围内的噪声信号。最后,通过定标可实现对观测视场(-2°,2°)范围内的亮温图像。图4中,LNA为低噪声放大器,PA为功率放大器。

图4 本振扫描接收机方案框图Fig.4 Local oscillator scanning receiver scheme

132 子带划分(硬划分)

如图5所示,给出了一种中频子带划分的接收机方案。在这种方案中,本振是固定频率,中频输出至一个1:路功分器,功分器端口连接一个带宽为的窄带滤波器,且每个滤波器的中心频点依次为-(12-12)+,∈(0,1,…,-1),对于每一路接收机而言,最终通过滤波器输出的信号依次覆盖了带宽的噪声信号,每个滤波器输出的中频信号对应于一个波束范围内场景的热辐射噪声信号。对于这种接收机方案,由于是实时子带划分,能够同时获取单个漏波天线带宽所对应的波束范围内的各窄波束内场景的热辐射噪声信号,但后端需要的滤波器、功分器、平方律检波器和积分器的数目较多,这种系统结构以系统的复杂度换取观测场景的实时获取。

图5 中频子带划分接收机方案框图Fig.5 Intermediate frequency subband partition receiver scheme

133 数字子带划分(软划分)

如图6所示,给出了数字中频频谱子带划分的方案。与方案2不同的是,方案3中频输出直接连接一个带宽的带通滤波器,随后连接一个放大器,接着连接一个高速采集器,将带宽内的噪声信号采集量化为数字信号,数据处理器对数字信号进行傅里叶变换,在频域进行频谱细分,分离出不同波束所对应的频率范围内的噪声信号。该方案同方案2一样,同样可同时获取漏波天线扫描角度范围内场景的各波束所对应场景的噪声信号;但相比方案2,降低了系统硬件的复杂度,增加了系统信号处理的复杂度。图中ADC为模数转换器。

图6 数字中频频谱子带划分接收机方案框图Fig.6 Digital intermediate frequency spectrum subband partition receiver scheme

134 方案比较

表1从4个方面对3个方案进行了比较。

表1 方案比较

2 关键指标

在微波辐射计系统中,角分辨率和系统灵敏度是系统的两项关键指标。下面将讨论提出的基于漏波天线的分布式微波辐射计系统的空间分辨率和系统灵敏度。

2.1 角分辨率

在基于本文漏波天线的分布式微波辐射计系统中,角分辨率取决于单个漏波天线的3 dB波束宽度。1979年,Menzel首先指出可以利用微带在高阶模式时的泄露特性制造天线。微带漏波天线辐射特性可以用漏波传播系数=-来说明,其中为漏波相位系数,为漏波衰减系数。说明天线单位长度向外辐射能量的多少,与天线主波束的半功率波瓣宽度有线性关系:

(3)

为漏波天线的扫描角度,而当满足<1(=2π为自由空间波数)时,微带漏波天线工作于第一高阶模,能量以空间波的形式向外辐射,主波束在法线方向和端射方向之间扫描。

2.2 系统灵敏度

实孔径微波辐射计主要参数:系统带宽,角分辨率,观测视场为[-2°,2°],假设扫描时间为1 s,则单个波束(一个像素点)的驻留时间(积分时间)为=1()=,假设系统温度为,则系统的灵敏度为

(4)

对于频扫天线,系统带宽为,角分辨率为,整个漏波天线多通道辐射计系统的观测视场为[-2°,2°],单元个数为,则单个频扫天线的扫描角度为,假设在带宽内扫描,则频扫天线一个波束的带宽为=·(),一次扫描时间为1 s,则单个波束的积分时间为=1[()]==。

则系统的灵敏度为

(5)

针对第23节提出的3种接收机方案,分析各自的系统灵敏度。

假设系统带宽为,系统温度为,角分辨率为,带宽细分为份,观测视场为[-2°,2°],单元个数为,扫描时间为,频扫天线一个波束的带宽为=·()。

对于本振频扫方案,每个接收机分时采集各个子带信息,因此每个接收机的积分时间为=()[()]=,则系统的灵敏度为

(6)

对于子带划分和数字子带划分方案,每个接收机采集的信息是一样的,后端只是用模拟和数字两种方法来实现,因此这两种方案的灵敏度从理论上讲是一样,每个接收机的积分时间为=[()]=。

(7)

由公式(6)和(7)可以得到

(8)

3 定标方案

在地球遥感中,最终要获得的是定量化遥感数据,因此,定标在微波辐射计中是非常重要的一环,最终关系到遥感数据的数据质量。在微波辐射计中,最常用的定标方法是两点定标,利用两个精确已知的输入量(定标源)确定辐射计系统的线性关系。针对提出的基于漏波天线的分布式微波辐射计系统,提出了内定标和外定标两种定标方案,下面将分别详细介绍。

3.1 内定标方案

如图7所示,内定标方案主要是在内部天线输出端口加入一个定标开关,依次切换至温度精确已知的低温源和高温源,进而确定系统的输入输出线性关系。假设系统输入输出关系如下所示:

=+

(9)

图7 内定标方案示意图Fig.7 Internal calibration scheme

假设内部定标高温源和低温源精确已知,分别为和,输出的电压值分别为和,即有

=+

(10)

=+

(11)

由此可得

(12)

(13)

当观测的场景输出的电压值为,即有=+,由此可得

(14)

由于和的值已知,则获取场景的亮温值。

3.2 外定标方案

外定标方案是在天线口面对辐射计系统进行定标,其定标方法同海洋二号卫星微波辐射计、风云三号卫星微波温度计、SMAP(soil moisture active and passive)、Windsat、Aquarius卫星的微波辐射计的定标方法是相同的,采用冷空和热源作为定标源,如图8所示,旋转臂两端分别安装热源和冷空反射镜,通过旋转结构的旋转,周期依次实现对各个漏波天线的定标,定标方程同上述内定标方程类似,在此就不再赘述了。

图8 外定标方案示意图Fig.8 External calibration scheme

4 体制对比分析

对比基于漏波天线分布式微波辐射计系统、实孔径微波辐射计系统和综合孔径微波辐射计系统,在相同空间分辨率和系统灵敏度下,从系统的天线尺寸、系统结构复杂度、信号处理复杂度、工程实现难度、造价成本、体积、重量、功耗、可靠性等方面进行比较和论证。

实孔径微波辐射计的分辨率约为

(15)

综合孔径微波辐射计的分辨率为

(16)

基于漏波天线分布式微波辐射计的分辨率为

(17)

式中:为波长;为实孔径天线的口径;为扫描角度。从上面分析可以看到,综合孔径微波辐射计的分辨率取决于其每个天线单元在空间频率域的采样,=2+1,为最长基线的长度,因此相同天线口径下,综合孔径微波辐射计的分辨率约为实孔径微波辐射计的两倍,基于漏波天线的微波辐射计的分辨率与其扫描角度有关,经过合适的选取,理论上和实孔径微波辐射计是一样。

实孔径微波辐射计的系统灵敏度为

(18)

综合孔径微波辐射计的系统灵敏度为

(19)

基于漏波天线分布式微波辐射计的系统灵敏度为

(20)

式中：为综合孔径天线单元个数；为阵列的尺寸;为每个单元的尺寸。当足够大时,就变成实孔径微波辐射计,实孔径微波辐射计的灵敏度要优于综合孔径微波辐射计,当=时,实孔径微波辐射计和基于漏波天线的分布式微波辐射计的灵敏度相当。

从系统结构复杂度、信号处理复杂度、工程实现难度、成本和功耗进行分析,由于综合孔径微波辐射计由多路单通道组成,和雷达里的数字波束形成类似,其系统结构复杂度和信号处理复杂度远远高于实孔径微波辐射计和基于漏波天线的分布式微波辐射计。在工程实现难度、成本和功耗方面也是远远高于实孔径微波辐射计和基于漏波天线的分布式微波辐射计。

从重量、体积和可靠性进行分析,天线作为重量和体积的决定性因素,为了实现一定的分辨率和幅宽,实孔径微波辐射计的天线口径一般较大并且需要伺服转动,综合孔径辐射计由多个稀疏小口径天线阵列合成一个等效的大口径天线,天线重量和体积较小,且不需要转动,对地凝视观测,因此可靠性优于实孔径微波辐射计,基于漏波天线的分布式微波辐射计是由几个实孔径天线经过排列,通过改变工作频率,得到对应的分辨率和幅宽,因此重量和体积大大减小,可靠性大大提高。

基于相同的分辨率和灵敏度,对其性能指标进行分析，分析结果如表2所示。

表2 体制对比分析

从综合分析来看,基于漏波天线的分布式微波辐射计相比于实孔径微波辐射计无需机械扫描,大大增加了系统可靠性,相比于综合孔径微波辐射计,只需要少许的天线和接收链路,大大减少了系统结构复杂度和处理复杂度,因此未来可以作为一种新类型的辐射计系统进行发展。

5 仿真分析

根据漏波天线的分布式微波辐射计系统的“频率-方向指向”特性进行仿真分析,仿真一维场景的原始亮温在100 K～150 K～230 K的变化,如图9所示。

图9 一维原始亮温图Fig.9 One-dimensional original brightness temperature

单个漏波天线微波辐射计系统的天线方向图如图10所示。

图10 漏波天线方向图Fig.10 Pattern of leaky wave antenna

对于漏波天线的微波辐射计系统,系统的响应就是天线在各个方位角下的方向图信息与场景亮温在对应“频率-方向”的指向进行卷积积分的过程,基于漏波天线系统的输出响应如图11所示。

图11 基于漏波天线系统输出响应Fig.11 Output response based on leaky wave antenna system

通过漏波天线微波辐射计系统观测热定标源和冷定标源进行外定标,如图12所示,得到基于漏波天线微波辐射计系统反演出的亮温值,与实际场景的亮温值作对比。

图12 实际场景和漏波系统定标的大变化亮温图Fig.12 Large variation brightness temperature diagram of actual scene and leaky wave system

由图13可以得到反演的亮温值与实际亮温值相减的残差峰峰值在[-0.68 K,0.42 K],误差的std为0.12 K。由于在一维原始场景中存在亮温在100 K～150 K～230 K突变以及天线方向图旁瓣的影响,所以在亮温突变的地方误差会增大,并产生了Gibbs效应,跟实际反演出的亮温残差一样,即在对应的角度下反演的亮温的误差也较大。这与目前在轨的微波辐射计(海洋二号,风云三号)一样,在海陆交界处亮温反演误差较大。

图13 大变化亮温残差图Fig.13 Large variation brightness temperature residuals

仿真一维场景的原始亮温从220 K到230 K的变化如图14所示。反演出的亮温值，与实际场景的亮温值作对比图如15所示。

图14 一维原始小变化亮温图Fig.14 One-dimensional original small variation brightness temperature

图15 实际场景和漏波系统定标的小变化亮温图Fig.15 Small variation brightness temperature diagram of actual scene and leaky wave system

如假设原始场景亮温只有一个10 K的变化,如图16所示,可以得到反演的亮温值与实际亮温值相减的残差峰峰值在[-0.04 K,0.05 K],误差的标准差为0.009 K,基本跟原始亮温值一样。

图16 小变化亮温残差图Fig.16 Small variation brightness temperature residuals

6 总 结

本文将漏波天线的“频率-波束指向”特性应用于被动微波辐射测量领域,基于漏波天线的分布式微波辐射计系统无需机械扫描,极大地提升了系统的可靠性,同时降低了系统体积、重量和成本等,并且系统结构简单、复杂度较低、信号处理简单等。同时对基于漏波天线的微波辐射计系统进行了建模仿真。仿真表明此系统反演出亮温和真实亮温值在外界场景不剧烈变化的情况下误差的标准差仅为0009 K,也证明了此方案的可行性,可以作为一种新型的微波辐射计系统重点发展。