王暉

【摘 要】全極化微波輻射計(jì)中，由于天線的極化特性，對(duì)輻射接收情況影響到極化狀態(tài)，讓參數(shù)和真實(shí)值嚴(yán)重偏離?；诖?，本文首先對(duì)微波輻射計(jì)進(jìn)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(kāi)了極化純度的研究分析。

【關(guān)鍵詞】全極化;微波輻射計(jì);天線;極化純度;不準(zhǔn)確度

中圖分類號(hào)： TN820文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）19-0030-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.19.012

1 微波輻射計(jì)

1.1 工作原理

海面微波輻射主要根據(jù)海面粗糙程度，對(duì)于平靜海面進(jìn)行微波輻射，要高度極化。在表面粗糙度逐漸增加時(shí)，輻射增加，削弱了極化特性。海洋表面粗糙會(huì)影響散射特性和海水輻射。如果風(fēng)速?zèng)]有超過(guò)7m/s，那么風(fēng)浪增加海面粗糙度，表現(xiàn)出海面粗糙效應(yīng)。如果風(fēng)速逐漸增加粗糙度，超過(guò)7m/s，會(huì)造成波浪破碎，導(dǎo)致白沫的出現(xiàn)，稱作浪花效應(yīng)。在風(fēng)速25m/s，白沫會(huì)覆蓋30%的海水面積，白沫表面增加海面發(fā)射率，造成亮溫出現(xiàn)明顯變化。輻射率變化原理分成三個(gè)層面，首先是波長(zhǎng)超過(guò)輻射波的波長(zhǎng)，表面存在水平方向和豎直方向的極化狀態(tài)，讓局部入射角出現(xiàn)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(lái)的影響，由于水和空氣混合后，讓垂直極化和水平極化發(fā)射率有所增加，對(duì)海面亮溫的觀測(cè)帶來(lái)影響。

1.2 極化純度分析的必要性

一般情況下，天線子系統(tǒng)處于非理想狀況下，讓Stokes參數(shù)造成影響，使得參數(shù)測(cè)量值和真實(shí)值發(fā)生偏離。如大型拋物面設(shè)計(jì)會(huì)造成天線極化受到影響。天線發(fā)生饋源之后，正交模式轉(zhuǎn)換器會(huì)將正交極化信號(hào)分離開(kāi)，形成極化信號(hào)的泄露情況。非線性理想特性能夠用來(lái)衡量極化純度指標(biāo)。使用雙極化微博輻射計(jì)對(duì)海洋表面風(fēng)速進(jìn)行測(cè)量，已經(jīng)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(fēng)向影響表現(xiàn)出規(guī)律的特性。在輻射計(jì)經(jīng)過(guò)準(zhǔn)確定標(biāo)之后，同時(shí)掌握風(fēng)速風(fēng)向的信息。有研究表明Stokes參數(shù)中T3分量和T4分量含有大量風(fēng)向信息。意味著T3分量變化受到云雨的影響相對(duì)較小，T4分量受到風(fēng)向旋轉(zhuǎn)的影響。根據(jù)極化輻射測(cè)量的影響，人們不斷優(yōu)化輻射計(jì)設(shè)計(jì)。由于微波輻射計(jì)T3分量和T4分量較極化分量小很多，對(duì)于測(cè)量精度有著較高的要求。

2 極化隔離度對(duì)參數(shù)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(biāo)場(chǎng)景和軸坐標(biāo)基準(zhǔn)不相匹配。通過(guò)分析可以發(fā)現(xiàn)，T3分量對(duì)于極化純度要求遠(yuǎn)高過(guò)T4分量。T3分量誤差會(huì)根據(jù)相對(duì)相位變化出現(xiàn)變化，數(shù)據(jù)呈現(xiàn)對(duì)稱關(guān)系。在相對(duì)相位為0°、45°以及90°時(shí)，相對(duì)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(gè)相位即可。據(jù)分析可知，極化純度越高，相對(duì)相位不同，仍然會(huì)造成2k～6k的誤差，誤差和T3分量有著密切的關(guān)聯(lián)[2]。需要嚴(yán)格校正輻射計(jì)，了解精準(zhǔn)的T3數(shù)值。

3 極化純度分析

一般情況下，R矩陣出現(xiàn)誤差主要是由于兩個(gè)原因，其一是無(wú)法測(cè)量具體闡述，受到測(cè)試條件和測(cè)試方法的限制，各個(gè)闡述的測(cè)量會(huì)存在不確定度。其二，隔離度以及相位出現(xiàn)漂移。使用標(biāo)準(zhǔn)差表征對(duì)誤差進(jìn)行測(cè)量。對(duì)儀器定標(biāo)進(jìn)行分析后，相位分成0°、45°以及90°三種情況展開(kāi)分析，純度變化區(qū)間為10dB～50dB。由于T3分量的不確定度根據(jù)極化純度發(fā)生改變，如果極化純度能夠確認(rèn)不確定度數(shù)值為-40dB和-50dB，那么已知相位或者相對(duì)相位的不確定度可以確認(rèn)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(shí)，測(cè)量T3分量的不確定度，在不確定度數(shù)值為-50dB時(shí)，分析T3分量的誤差，誤差數(shù)值明顯較-40dB時(shí)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(shí)誤差值相對(duì)穩(wěn)定，不會(huì)依照極化隔離度改變而逐漸變化。當(dāng)極化隔離度的不確定度達(dá)到-40dB時(shí)，隔離度為-40或者-50dB并沒(méi)有太大差距，這種情況是由于測(cè)量誤差造成不確定度出現(xiàn)異常。V、H通道相對(duì)相位對(duì)于T3分量的誤差存在一定影響。在不確定度數(shù)值為-40、-50dB，且相對(duì)相位不確定是5°時(shí)，T3分量標(biāo)準(zhǔn)差變化較為明顯，極化隔離度不超過(guò)30dB時(shí)，只有相對(duì)相位0時(shí)，定位可以達(dá)到最好的精度。極化隔離度逐漸減小，相對(duì)相位在0線上，極化隔離度并不會(huì)影響T3分量。

若極化隔離度逐漸優(yōu)化，不確定度在-50dB時(shí)，效果明顯好過(guò)-40dB。如果極化隔離度超過(guò)40dB時(shí)，T3分量的不確定度逐漸平穩(wěn)，表示極化隔離度導(dǎo)致誤差的出現(xiàn)。不確定度為-50dB時(shí)，T3分量定標(biāo)獲得明顯優(yōu)勢(shì)。確定相對(duì)相位保持0的水平，極化隔離度達(dá)到20dB時(shí)，不確定度將達(dá)到最低水平。相比于T3分量，T4分量不確定度和相位的關(guān)系相關(guān)性不大。T3分量隔離度不超過(guò)20dB時(shí)，在相位為0條件下，仍然能夠獲得良好的精度。T4分量定標(biāo)精準(zhǔn)度遠(yuǎn)不如T3分量。兩個(gè)定標(biāo)精度想要達(dá)到0.4k水平十分困難，只有在極化純度的不確定度達(dá)到一定低水平時(shí)，才能實(shí)現(xiàn)定標(biāo)精度。

極化隔離度逐漸增加時(shí)，T3分量會(huì)逐漸減少不確定度。事實(shí)上，相位和極化隔離度都不會(huì)達(dá)到精確一致的水平。這兩個(gè)因素對(duì)于T3分量不確定度有著直接影響，兩者之間沒(méi)有明顯的關(guān)聯(lián)。極化隔離度以及相對(duì)相位的不確定度和T3分量有著反作用。兩個(gè)矛盾因素達(dá)到平衡時(shí)，不確定度會(huì)降到最低。

3.2 極化隔離度的影響

T3分量標(biāo)準(zhǔn)差和相對(duì)相位存在一定關(guān)聯(lián)，極化隔離度不超過(guò)30dB時(shí)，且相對(duì)相位處于0水平，能夠達(dá)到最佳定標(biāo)精度。極化隔離度不超過(guò)20dB時(shí)，相對(duì)相位處于0水平，極化隔離度變化對(duì)于T3分量沒(méi)有明顯的影響。極化隔離度逐漸變化，不確定度在-50dB時(shí)明顯好于-40dB時(shí)。在極化隔離度達(dá)到40dB以上時(shí)，T3分量不確定度發(fā)生的變化相對(duì)固定，意味著極化隔離度的不確定度導(dǎo)致定標(biāo)誤差的出現(xiàn)。在-50dB時(shí)極化隔離度有著明顯優(yōu)勢(shì)。相對(duì)相位處于0水平時(shí)，相比于T3分量，T4分量和不確定度、相位之間的關(guān)聯(lián)并不緊密[3]。同樣處于相對(duì)相位為0時(shí)，T3分量此時(shí)隔離度不超過(guò)20dB時(shí)，可以達(dá)到良好的定標(biāo)精度，但是T4分量無(wú)法獲得良好的定標(biāo)精度。兩種定標(biāo)精度難以達(dá)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(shí)，才能達(dá)到良好的定標(biāo)精度。

3.3 極化隔離度不確定度的影響

從T3分量來(lái)分析，天線交叉定標(biāo)精度不超過(guò)0.4k，要求極化隔離度的不確定度要明顯要好于-42dB時(shí)，相比于其他相對(duì)相位，定標(biāo)精度需要達(dá)到較高的不確定度。而T4分量，只有極化隔離度超過(guò)39dB時(shí)，測(cè)量精度不會(huì)超過(guò)0。

3.4 相對(duì)相位不確定度的影響

通道相對(duì)相位不斷變化的過(guò)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(duì)相位逐漸增加期間，T3分量誤差也會(huì)發(fā)生逐漸增加，而T4分量則逐漸減少，不確定度會(huì)隨著相位增加發(fā)生減少。當(dāng)相對(duì)相位為0時(shí)，T3分量誤差仍然沒(méi)有辦法滿足0.4k的標(biāo)準(zhǔn)，在相位為90°時(shí)，發(fā)現(xiàn)極化隔離度并不是影響T3分量誤差的主要原因，相對(duì)相位的不確定度達(dá)到1°時(shí)，會(huì)造成T3分量難以達(dá)到0.4k的標(biāo)準(zhǔn)，相位在0水平上、不確定度處于2°水平時(shí)，T4分量測(cè)量數(shù)值仍然能夠滿足0.4k的標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)論

綜上所述，經(jīng)過(guò)天線交叉極化的研究，建立極化純度指標(biāo)，分析測(cè)量值與真實(shí)值之間的差距，從而掌握極化純度對(duì)于測(cè)量數(shù)據(jù)的影響。在測(cè)量準(zhǔn)確度得到滿足的情況下，極化純度指標(biāo)要求測(cè)量精度需要達(dá)到一定要求。經(jīng)過(guò)對(duì)極化隔離度、極化隔離度以及相對(duì)相位不確定度的影響展開(kāi)分析，以期為天線方向圖校正提供借鑒作用。

【參考文獻(xiàn)】

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

[2]李彬.一種新型全極化微波輻射計(jì)定標(biāo)源研制及定標(biāo)方法研究[D].中國(guó)科學(xué)院大學(xué)（中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心），2017.

[3]林亞帆.全極化微波輻射計(jì)定標(biāo)源裝置伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[D].吉林大學(xué)，2017.