微波辐射计在卫星发射信号遥感探测中的应用

秦江,雷连发,王皓,陈瑞,朱磊

(1.北方天穹信息技术(西安)有限公司,西安 710100;2.西安电子工程研究所,西安 710100;3.云南省气象灾害防御技术中心,昆明 651700)

0 引言

地基多通道微波辐射计具有高时空分辨率的特点,能够实时观测大气微波辐射亮温并反演得到对流层大气温湿度廓线等参数,在大气探测中已经得到了广泛的应用[1-8]。由于地基微波辐射计具有高灵敏度的特点,它不仅仅可以用来观测大气辐射亮温,还可以用来观测其他目标的微波辐射特性,例如用来观测太阳等天体的微波辐射特征[9-15],通过改变现有工作方式,在观测大气的同时对地表进行扫描观测,可以实现土壤温湿度等地表信息的观测。此外,微波辐射计还被用来观测研究闪电通道的微波热辐射特征等[16-19]。通过以上观测应用可以看出,微波辐射计有着广泛的应用前景,不仅可用于大气探测领域,还可以在地表环境和深空探测中进一步拓展发挥重要作用。

地基微波辐射计的高灵敏度特征使其在实际观测中易受到其他信号的干扰。例如,卫星通信载波的下行发射、星载主动探测仪器发射电磁波等。目前,世界各国发射的各种用途的卫星已经越来越多,现有的卫星通信主要使用C和Ku波段,与地基微波辐射计工作频段不重合并不会对微波辐射计工作产生影响。然而随着需求的激增,卫星现有通信频段资源在使用上已经十分拥挤。随着微波电路和电子元器件技术的发展,卫星通信频段逐渐从低频C和Ku频段向着Ka等更高频通道发展,这样卫星通信不仅可以获得较宽的工作频带,增加通信容量,同时还可以实现较窄的波束和减小天线尺寸[20-21],然而该工作频段已经进入地基微波辐射计的工作窗口。地基微波辐射计主要通过被动接收K波段(22～31 GHz)和V波段(51～59 GHz)的大气自身微波热辐射,实现对大气温湿度廓线的反演。如今卫星所采用的高频通道已经和微波辐射计工作的K波段发生重叠。卫星在飞行过程中经过微波辐射计顶空时,微波辐射计是否会收到卫星的辐射信息?当卫星发射的频率在微波辐射计工作频带内时,是否会干扰微波辐射计的正常工作?如何定量表述对地基微波辐射计常规观测的影响方式和强度?这些问题都需要进行深入研究,确保微波辐射计在常规观测和数据应用中不会受到卫星通信信号的干扰。

2022年10月,在西安市利用地基微波辐射计垂直向上观测大气温湿度廓线的时候,观测到来自天顶方向的一个辐射信号,频率在25 GHz附近。观测期间每天在固定时间观测到该信号,每天3次,间隔约8 h。进一步通过天线跟踪观测发现该信号目标在天空中处于移动状态。本文将针对这一观测事实,通过理论分析和实验数据研究卫星发射电磁波对地基微波辐射计正常业务观测的影响机制,以及微波辐射计在卫星目标跟踪观测和状态监测中的应用,为后续微波辐射计的改进设计和高精度、不间断实时观测提供有效的改进方案。

1 实验观测

1.1 观测仪器

本研究所使用的微波辐射计为自主研制的MWP967KV型地基多通道微波辐射计,该型号微波辐射计工作在K波段和V波段,分别用于测量水汽频段和氧气频段的大气下行辐射亮温,微波辐射计系统参数见表1。为实现长期稳定、精确探测大气温湿特性,观测系统通过定期的液氮标定以及实时的Tipping标定、热源定标和噪声源定标等多种定标方法来实现定标确保观测精度。该设备还集成了多要素微气象站可实时监测工作现场温、湿、压、风和降雨等气象参数,此外还能够通过集成不同的传感器提供大气PM2.5、PM10、CO、SO2、NO2、O3等大气污染物监测。

表1 地基微波辐射计系统主要性能参数

1.2 观测实验

2022年10月,在常规大气观测实验中发现25 GHz通道每天在相对固定的时段受到干扰,每天可观测到3次,时间间隔约8 h,呈现出明显的周期变化,其他通道则无变化,如图1所示。通过连续观测可以看出该信号对25 GHz通道影响较为明显。

图1 微波辐射计观测亮温变化

由于微波辐射计波束宽度较窄,只有该信号进入到主波束内才可能被观测到,即在干扰时段干扰源处在天顶方向附近。为此,本研究通过改变微波辐射计天线的方位和俯仰角,扫描天空主动寻找该信号并对该信号进行连续跟踪观测。扫描过程中首先确定一个大概方向,在此方向附近对天空进行方位和俯仰精细扫描,基于信号幅度最大法(即在扫描过程中得到该信号的最大辐射亮温)实现对天空目标的方向定位。获取目标方位以后,通过连续跟踪,获得对该信号辐射亮温及空间位置随时间变化的实时观测。

2 理论分析

卫星影响地基微波辐射计观测的机理主要有自身热辐射和主动发射的“卫星通信载波电磁波”或“星载雷达发射波”,即卫星的主动发射信号。这两种信号经过大气衰减后到达微波辐射计天线被接收。卫星自身热辐射主要取决于卫星的空间尺寸和热辐射特征,而发射电磁波的影响主要取决于卫星的等效辐射功率和星地距离。

对于卫星自身热辐射,假设卫星为黑体(表面发射率为1),被微波辐射计观测的辐射亮温主要取决于卫星表面温度和卫星在微波辐射计天线波束中的空间占比。微波辐射计接收到的卫星自身热辐射可通过式(1)、式(2)进行计算。

(1)

(2)

式中:ΔT′s表示卫星在天线波束内接收的经过大气衰减后被微波辐射计接收的亮温;Ts是卫星的平均辐射亮温;ΩS和ΩA分别是卫星和天线波束的立体角;θ是微波辐射计天线俯仰角;θs为卫星的视角;θA为天线波束宽度;τ(θ)是在观测方向上大气的总衰减;R表示卫星在天线波束内的空间占比。

微波辐射计天线在K波段波束宽度约为4°,根据式(2)可以计算不同高度不同尺度的卫星在微波辐射计天线波束中的空间占比,结果如图2所示。可以得到20 m的卫星在天线波束中的占比在1 000 km高度时候约为5.69×10-8,在300 km时候约为6.32×10-7。如果是同步轨道卫星,高度约为36 000 km,这个空间占比将更小。由于卫星在天线波束中的空间占比非常小,对于单个卫星自身仅有几百K的辐射亮温来说,到达天线的亮温远小于0.1 K。因此,现有大气观测所用的微波辐射计很难观测到卫星自身的热辐射亮温,可以被忽略。当然理论上在卫星足够多的时候也是会观测到它的辐射亮温。

图2 卫星在微波辐射计天线波束角中的占比随卫星高度和卫星尺寸的变化

卫星不仅仅有自身热辐射,还有卫星下行通信或星载对地探测设备主动发射的电磁波。卫星发射信号很强,在卫星处于微波辐射计天线波束内部的时候,微波辐射计有可能接收到卫星发射的电磁波。

电磁波在自由空间传播条件下,电磁波功率衰减可根据式(3)进行计算[22-23]。

Ls=32.45+20lg(f)+20lg(r)

(3)

式中:Ls为自由空间传输衰减,单位为dB;f为工作频率,单位为MHz;r为信号传输距离,单位为km。

根据式(3),本文计算了在工作频率25 GHz、不同传输距离时的信号空间传输衰减,如图3所示。图中显示了传输距离在400～40 000 km范围内卫星发射电磁波的空间传输衰减,在400 km轨道高度信号衰减超过了170 dB,在36 000 km的地球同步轨道上信号衰减超过210 dB。

图3 25 GHz频率不同传输距离对应的衰减量

卫星发射信号经过空间传输衰减和极化衰减后到达地面,被微波辐射计接收。到达微波辐射计天线口面的功率Pr可利用式(4)进行计算。

Pr=PEIRP-Ls-Lr

(4)

式中:PEIRP为卫星天线等效辐射功率,单位dBW;Ls为空间传输衰减;Lr为极化衰减。

根据式(4)可以准确估计特定轨道卫星下行辐射到达微波辐射计天线口面功率的范围。图4显示了轨道高度约为36 000 km的地球同步轨道,工作频率25 GHz,极化衰减按最大3 dB计算,等效辐射功率在45～70 dBW(75～100 dBm)范围内卫星下行辐射电磁波到达微波辐射计天线口面的功率为-139.5～-114.5 dBm。

图4 不同等效辐射功率到达微波辐射计天线口面功率

地基微波辐射计天线增益大于30 dB,因此卫星辐射信号经过天线到达微波辐射计接收机的功率为-110～-85 dBm。由热力学公式可知,微波辐射计接收到的辐射亮温,可按式(5)进行计算。

(5)

式中:Ta表示微波辐射计观测的亮温;k为玻尔兹曼常数(1.38×10-23J/K);B为微波辐射计工作带宽。

根据式(5)可计算得到微波辐射计接收的卫星的发射功率在45～70 dBW时,微波辐射计带宽按300 MHz计算,接收的辐射亮温为2.5～750 K。由于微波辐射计观测亮温灵敏度小于1 K(-113.8 dBm),明显低于卫星发射信号到达接收机的功率,因此微波辐射计是可以接收到该信号的。

3 进一步的针对性观测实验及其数据分析

3.1 卫星信号影响的频率范围

为了研究卫星信号对微波辐射计影响的频率范围,对微波辐射计进行了改造,在24～26 GHz范围内增加观测通道,所增加的通道频点为24.4 GHz、24.6 GHz、24.8 GHz、24.9 GHz、24.95 GHz、25.0 GHz、25.05 GHz、25.1 GHz、25.2 GHz、25.4 GHz、25.6 GHz。通过增加观测通道,可以看到该信号影响的频率范围,如图5所示。

图5 卫星信号影响的频率范围

3.2 对卫星发射信号的跟踪观测

图6 微波辐射计对卫星信号的跟踪观测(方位正北为0,向东为正,向西为负)

图7 微波辐射计对卫星的俯仰扫描结果(图中天线仰角90°为天顶方向)

3.3 对卫星等效辐射功率的估计

3.4 卫星信号对微波辐射计影响的角度范围

卫星辐射方向偏离微波辐射计波束中心一定角度后,由于天线增益降低,微波辐射计就很难接收到卫星的发射信号。假设卫星发射信号的变化超过1 K(-113.8 dBm)时能被微波辐射计明显观测到,卫星最大辐射亮温418.5 K(-87.6 dBm),则微波辐射计天线观测到目标的最大的幅度偏差ΔP的计算如式(6)所示。

ΔP=-87.6-(-113.8)=26.2 dB

(6)

根据以上计算结果可以看出,当目标偏离波束中心天线增益下降超过26.2 dB时,微波辐射计就很难接收到目标的辐射信号。从微波辐射计天线方向图可以得到该幅度偏差对应的角度约为±6°,即卫星发射方向与微波辐射计天线中心偏差超过约6°时,微波辐射计就可能追踪不到卫星信号了,在常规观测中也就不会受到卫星下行辐射信号的干扰了,如图8所示。这个计算分析结果与实际的观测结果较为吻合,考虑到不同仰角大气衰减的差异,实验中辐射计天线偏离大概5°～6°受到卫星的影响就很弱。从以上分析可以看出,卫星对微波辐射计影响是有区域范围的,由微波辐射计和卫星的相对位置决定。为了彻底避免这个影响,只能调整微波辐射计的工作频率或观测方向。

图8 微波辐射计天线方向图(虚线表示天线增益下降26.2 dB)

3.5 卫星发射信号在微波辐射计天线波束宽度测量中的应用

从理论分析和观测结果可以看出,微波辐射计能够观测到卫星的发射信号。卫星发射信号对于地基微波辐射计常规大气观测是一个干扰信号,影响微波辐射计的观测和大气温湿度廓线的反演等。然而该信号也可以被利用,例如用来测量微波辐射计的波束宽度。卫星可被看作是一个辐射源,微波辐射计对准卫星进行扫描的过程就类似于测量天线波束宽度的过程。

微波辐射计的天线模型可近似为高斯天线模型[29-30],微波辐射计对卫星的扫描亮温与角度的关系可以利用式(7)进行表示。

(7)

式中:Tb表示辐射计扫描卫星过程中不同观测角度的亮温;Ad表示卫星目标在微波辐射计天线中心时的辐射亮温;G表示方向性函数;θA表示天线半功率波束宽度;x表示天线中心偏离卫星的角度。

对微波辐射计扫描的卫星数据进行大气衰减校准并进行高斯函数拟合,结果如图9所示。拟合得到最大辐射亮温Ad=418.9 K,天线波束宽度θA=3.82°,与微波暗室测量的天线波束宽度测量结果3.8°非常一致。利用该信号可实现对微波辐射计观测频率波束宽度的测量,该方法相比传统的微波暗室测量简单有效,不需要专业的仪器仪表和实验室,能够在外场环境下进行。

图9 大气衰减校准后的亮温与高斯拟合结果对比

4 结束语

2022年10月中下旬在西安利用地基微波辐射计常规大气观测过程中,观测到一个有规律的干扰信号,中心频率约为25 GHz,每天会有3次,间隔时间约8 h。利用微波辐射计跟踪观测,发现应该是卫星过境期间,卫星发射电磁波造成的干扰。基于这个事实,本文通过理论分析和实验观测,研究了微波辐射计观测卫星发射信号的基本理论模型和可行性,并进行了跟踪观测实验,得到了以下结论。

1)通过对该目标的跟踪观测,验证了微波辐射计可以对卫星的发射信号进行跟踪观测。通过对这个信号的观测,发现每天3次过境并不是一个目标一天3次过境,而是飞行周期24 h的3个不同目标过境。这样的卫星属于地球倾斜同步轨道卫星,高度约36 000 km,星下点轨迹为近“8”字形状。本次观测实验说明地基微波辐射计还可以被用于卫星轨道监测,实现微波辐射计功能的拓展。

2)该信号中心频率约为25 GHz,对地基微波辐射计影响的频率范围为24.4～25.6 GHz,带宽有1 GHz的频带。经过距离衰减和极化衰减后到达天线口面的辐射亮温超过400 K。结合观测结果,通过反向推导计算得到卫星的等效辐射功率约为66.9 dBW。实验证明微波辐射计在卫星等效辐射功率的监测中可得到进一步应用。

3)卫星发射信号还可以被进一步利用,实现对地基微波辐射计天线方向图的测量。经过实验得到微波辐射计在25 GHz的半功率波束宽度为3.82°,与微波暗室的测量结果较为一致,该方法简单有效,可在外场环境下进行,不需要专业的微波暗室环境和仪器仪表。

随着技术的发展,卫星将会越来越多,频段的重叠也会越来越多,对微波辐射计的影响也会日益增多。未来微波辐射计的改进设计和在观测过程中需要考虑对这个问题的应对措施,例如智能化调整工作频率和观测空域等。此外,还可以研究利用微波辐射计在被动监测跟踪卫星方面的技术和方法。