李鵬飛, 盧海梁, 韓 濤, 黨鵬舉, 李一楠, 李 浩, 呂容川

(中國航天科技集團(tuán)公司第五研究院西安分院, 陜西 西安 710100)

0 引 言

溫度高于絕對零度(0 K)的物體都會(huì)產(chǎn)生非相干電磁輻射,物體的這種非相干電磁輻射亦稱為熱輻射。物體在微波頻段的電磁輻射稱為微波輻射,或稱微波熱輻射。微波輻射計(jì)主要用于測量物體的微波輻射,其不發(fā)射信號,也不依賴于其他發(fā)射源的信號,并且具有全天時(shí)、準(zhǔn)全天候(可穿透云層、濃霧、小雨和煙塵等)的特點(diǎn),可穿透地表、植被以及人體等一定深度,可以提供紅外、可見光等手段不能提供的信息,在大氣海洋遙感與災(zāi)害監(jiān)測、月球與深空探測、制導(dǎo)、安檢、醫(yī)療和科學(xué)研究等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。

當(dāng)前,用于大氣海洋遙感的微波輻射計(jì)主要有實(shí)孔徑微波輻射計(jì)和綜合孔徑微波輻射計(jì)。實(shí)孔徑微波輻射計(jì)需要機(jī)械轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)觀測幅寬,極大地增加了系統(tǒng)的體積和重量,由于天線的物理尺寸決定了系統(tǒng)的空間分辨率,因此高空間分辨率需要更大口徑的天線,這也同時(shí)增加了系統(tǒng)的體積和重量,因此,為了緩解實(shí)孔徑微波輻射計(jì)體積、重量和空間分辨率間的矛盾,綜合孔徑微波輻射計(jì)應(yīng)運(yùn)而生。綜合孔徑微波輻射計(jì)采用稀疏的小口徑天線陣列合成一個(gè)等效的大口徑天線,從而提高空間分辨率,可有效降低天線的體積與重量,且無需機(jī)械掃描即可實(shí)現(xiàn)對整個(gè)視場的凝視成像,為提高被動(dòng)微波遙感的空間分辨率提供了一種可行的途徑。但是,綜合孔徑技術(shù)的分辨率優(yōu)勢是以系統(tǒng)復(fù)雜度和信號處理的復(fù)雜度為代價(jià)的,對于大型綜合孔徑系統(tǒng),由于陣元數(shù)目過多,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和信號處理將非常復(fù)雜,大陣列系統(tǒng)帶來的質(zhì)量增大以及慣性動(dòng)量增大等制約了綜合孔徑輻射計(jì)的系統(tǒng)規(guī)模,進(jìn)一步限制了其系統(tǒng)性能。

為了緩解傳統(tǒng)實(shí)孔徑微波輻射計(jì)中性能指標(biāo)與體積、重量間的矛盾,解決綜合孔徑微波輻射計(jì)中空間分辨率與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、信號處理復(fù)雜度高的難題,本文提出一種基于漏波天線的分布式微波輻射計(jì)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的基本思想是:利用頻掃天線的“頻率-方向掃描”的特性,構(gòu)造一個(gè)基于漏波天線的實(shí)孔徑微波輻射計(jì),根據(jù)“頻率”-“指向”-“亮溫”-“像素”的關(guān)系,實(shí)現(xiàn)對一個(gè)小范圍場景的亮溫成像;之后,將一組基于漏波天線的實(shí)孔徑微波輻射計(jì)按照一定規(guī)則分布,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對一定寬度范圍內(nèi)場景的亮溫成像。

該系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)的實(shí)孔徑微波輻射計(jì)而言,無需機(jī)械掃描,緩解了實(shí)孔徑微波輻射計(jì)系統(tǒng)的關(guān)鍵性能指標(biāo)與系統(tǒng)體積、重量、工藝難度間的矛盾;該系統(tǒng)相對于綜合孔徑微波輻射計(jì)而言,只需要少許漏波天線和接收機(jī)單元，且信號處理復(fù)雜度較低,極大緩解了系統(tǒng)關(guān)鍵性能指標(biāo)與系統(tǒng)復(fù)雜度、信號處理復(fù)雜度間的矛盾。

1 系統(tǒng)總體方案

基于頻掃天線的波束指向隨工作頻率變化的特性,提出了一種基于漏波天線的分布式微波輻射計(jì)系統(tǒng)。

本章主要具體介紹一種基于漏波天線的分布式微波輻射計(jì)系統(tǒng)。首先,簡單介紹了頻掃天線的相關(guān)知識,隨后,重點(diǎn)介紹了基于漏波天線的分布式微波輻射計(jì)系統(tǒng)的天線方案和接收機(jī)方案。

1.1 頻掃天線

頻掃天線的研究最早可以追溯到20世紀(jì)50年代,60年代初軍事領(lǐng)域已有應(yīng)用頻掃雷達(dá)天線技術(shù)設(shè)計(jì)的設(shè)備。根據(jù)頻率掃描天線的原理,其波束指向隨工作頻率的變化而發(fā)生改變。

從20世紀(jì)七八十年代開始,頻掃天線越來越多地被研究,其實(shí)現(xiàn)形式主要有兩種:一種是利用漏波天線形成掃描波束;另一種為利用慢波線結(jié)構(gòu)來形成掃描波束。當(dāng)前,由于漏波天線的窄波束、頻率掃描、寬帶寬、制造簡單等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于通信、雷達(dá)等領(lǐng)域。

漏波天線是一類典型的行波天線,自從Hansen在1940年提出最早的漏波天線以來,就一直是天線領(lǐng)域的研究重點(diǎn)之一,并已在微波與毫米波波段得到重要應(yīng)用。而且將毫米波頻掃天線用于被動(dòng)毫米波成像技術(shù)具有不可替代的優(yōu)勢,通過頻率掃描天線的頻率與天線波束空間位置的對應(yīng)關(guān)系,可以有效減少饋源天線的數(shù)量,同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)只用一個(gè)接收機(jī)就能完成對空間的掃描,極大地降低了成本,因此具有廣闊的應(yīng)用前景。

1.2 天線方案

1.2.1 漏波天線的基本單元

假設(shè)微波輻射計(jì)系統(tǒng)的帶寬為,要求的角分辨率為,觀測視場為,因此觀測視場范圍為(-2°,2°)。在此情況下,要求漏波天線的角分辨率同樣為,掃描角度范圍大小為,如圖1所示。

圖1 漏波天線掃描角度示意圖Fig.1 Scanning angle diagram of leaky wave antenna

漏波天線在掃描角度范圍內(nèi)的掃描波束個(gè)數(shù)為,則可得到與角分辨率和掃描角度范圍的關(guān)系如下:

=

(1)

圖2給出了一種典型的矩形漏波天線結(jié)構(gòu)示意圖,矩形縫隙沿著波導(dǎo)上表面的中心軸線分布,電場輻射的最大主波束方向與Z軸的夾角為,通過用不同的頻率進(jìn)行激勵(lì),天線主波束隨著工作頻率的變化進(jìn)行波束的掃描,從而實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的觀測。

圖2 矩形漏波天線結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of rectangular leaky wave antenna

122 漏波天線結(jié)構(gòu)

基于單個(gè)頻掃天線的特征,針對微波輻射計(jì)系統(tǒng)要求,提出了一種基于漏波天線的分布式天線陣列方案,如圖3所示。每一個(gè)天線單元是一個(gè)頻掃天線,掃描角度范圍為,角分辨率為,在掃描角度范圍內(nèi)波束個(gè)數(shù)為,整個(gè)分布式陣列由個(gè)漏波天線組成一個(gè)扇形,每個(gè)漏波天線獨(dú)立實(shí)現(xiàn)對角度范圍內(nèi)的觀測,個(gè)漏波天線單元掃描區(qū)域獨(dú)立且連續(xù),=·則整個(gè)分布式天線陣列觀測角度為·,視場即有

=·

(2)

圖3 漏波天線扇形結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Sector structure of leaky wave antenna

在工作時(shí),通過調(diào)整漏波天線的接收頻率,使得天線的方向圖依次按照順序?qū)崿F(xiàn)從左到右(或從右到左)的掃描,所有漏波天線的波束掃描時(shí)序一致,其對應(yīng)的在地面(場景)的掃描示意圖如圖2所示。當(dāng)一次掃描周期完成后,則可實(shí)現(xiàn)對視場范圍(-2°,2°)的全掃描成像。

在地球遙感中,該基于漏波天線的分布式微波輻射計(jì)系統(tǒng)通過頻掃實(shí)現(xiàn)交軌方向的掃描成像,通過衛(wèi)星的運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)順軌方向的推掃。從理論上講,提出的漏波天線的分布式微波輻射計(jì)系統(tǒng)的交軌方向的幅寬不受限制,只要增加漏波天線單元的個(gè)數(shù),則可實(shí)現(xiàn)對場景的寬視場掃描成像。此外,當(dāng)要求的漏波天線的角分辨率較高,且工作頻率較低時(shí)(L波段或C波段),單個(gè)漏波天線單元的物理尺寸較大,多個(gè)漏波天線單元組成的扇形結(jié)構(gòu)物理尺寸較大,不利于衛(wèi)星的裝載,因此需要對這種扇形的天線結(jié)構(gòu)分布進(jìn)行變形,即每個(gè)漏波天線的指向不變,但均移到一個(gè)軸上,沿著軸向依次排列,類似于“糖葫蘆”的結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)分布降低了天線陣列的橫向物理尺寸,但增加了天線陣列的縱向物理尺寸,適用于低頻段天線。

1.3 接收機(jī)方案

基于頻掃天線的分布式微波輻射計(jì)系統(tǒng)最大的特點(diǎn)則是利用漏波天線的天線方向圖指向隨工作頻率的變化可實(shí)現(xiàn)對角度范圍內(nèi)場景的掃描。對于整個(gè)系統(tǒng)帶寬而言,在后端需要將整個(gè)帶寬細(xì)分份來實(shí)現(xiàn)對角度范圍內(nèi)場景的掃描。

針對這一問題,給出了3種接收機(jī)方案:① 本振掃頻,分時(shí)采集各個(gè)子帶,實(shí)現(xiàn)對單個(gè)波束范圍內(nèi)場景微波噪聲信號的提取;② 功分器+窄帶濾波器,實(shí)現(xiàn)同時(shí)采集子帶所對應(yīng)的波束范圍內(nèi)場景的微波噪聲信號的提取;③ 高速采集器+數(shù)字信號處理,通過高速數(shù)據(jù)采集獲取帶寬內(nèi)的噪聲信號,在數(shù)字域通過快速傅里葉變換(fast Fourier transform, FFT)將整個(gè)帶寬細(xì)分,同時(shí)提取所有子帶波束范圍內(nèi)場景的微波噪聲信號。下面將分別具體討論上述3種接收機(jī)方案。

131 本振頻掃(分時(shí)分頻)

如圖4所示,給出了一種本振掃描、分時(shí)分頻的接收機(jī)方案,本振通過變頻、1分功分器功分至路接收機(jī)混頻器,混頻輸出的中頻信號通過一個(gè)帶寬為的窄帶濾波器,進(jìn)而獲取每個(gè)頻率子帶所對應(yīng)的波束范圍內(nèi)的噪聲信號。假設(shè)天線對應(yīng)的掃描帶寬為±2,濾波器的帶寬為±2,則變頻本振依次輸出為-+(-12+12)+,∈(0,1,…,-1),最終每路接收機(jī)依次(分時(shí))輸出的每個(gè)頻率子帶所對應(yīng)的波束范圍內(nèi)的噪聲信號。最后,通過定標(biāo)可實(shí)現(xiàn)對觀測視場(-2°,2°)范圍內(nèi)的亮溫圖像。圖4中,LNA為低噪聲放大器,PA為功率放大器。

圖4 本振掃描接收機(jī)方案框圖Fig.4 Local oscillator scanning receiver scheme

132 子帶劃分(硬劃分)

如圖5所示,給出了一種中頻子帶劃分的接收機(jī)方案。在這種方案中,本振是固定頻率,中頻輸出至一個(gè)1:路功分器,功分器端口連接一個(gè)帶寬為的窄帶濾波器,且每個(gè)濾波器的中心頻點(diǎn)依次為-(12-12)+,∈(0,1,…,-1),對于每一路接收機(jī)而言,最終通過濾波器輸出的信號依次覆蓋了帶寬的噪聲信號,每個(gè)濾波器輸出的中頻信號對應(yīng)于一個(gè)波束范圍內(nèi)場景的熱輻射噪聲信號。對于這種接收機(jī)方案,由于是實(shí)時(shí)子帶劃分,能夠同時(shí)獲取單個(gè)漏波天線帶寬所對應(yīng)的波束范圍內(nèi)的各窄波束內(nèi)場景的熱輻射噪聲信號,但后端需要的濾波器、功分器、平方律檢波器和積分器的數(shù)目較多,這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以系統(tǒng)的復(fù)雜度換取觀測場景的實(shí)時(shí)獲取。

圖5 中頻子帶劃分接收機(jī)方案框圖Fig.5 Intermediate frequency subband partition receiver scheme

133 數(shù)字子帶劃分(軟劃分)

如圖6所示,給出了數(shù)字中頻頻譜子帶劃分的方案。與方案2不同的是,方案3中頻輸出直接連接一個(gè)帶寬的帶通濾波器,隨后連接一個(gè)放大器,接著連接一個(gè)高速采集器,將帶寬內(nèi)的噪聲信號采集量化為數(shù)字信號,數(shù)據(jù)處理器對數(shù)字信號進(jìn)行傅里葉變換,在頻域進(jìn)行頻譜細(xì)分,分離出不同波束所對應(yīng)的頻率范圍內(nèi)的噪聲信號。該方案同方案2一樣,同樣可同時(shí)獲取漏波天線掃描角度范圍內(nèi)場景的各波束所對應(yīng)場景的噪聲信號;但相比方案2,降低了系統(tǒng)硬件的復(fù)雜度,增加了系統(tǒng)信號處理的復(fù)雜度。圖中ADC為模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

圖6 數(shù)字中頻頻譜子帶劃分接收機(jī)方案框圖Fig.6 Digital intermediate frequency spectrum subband partition receiver scheme

134 方案比較

表1從4個(gè)方面對3個(gè)方案進(jìn)行了比較。

表1 方案比較

2 關(guān)鍵指標(biāo)

在微波輻射計(jì)系統(tǒng)中,角分辨率和系統(tǒng)靈敏度是系統(tǒng)的兩項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)。下面將討論提出的基于漏波天線的分布式微波輻射計(jì)系統(tǒng)的空間分辨率和系統(tǒng)靈敏度。

2.1 角分辨率

在基于本文漏波天線的分布式微波輻射計(jì)系統(tǒng)中,角分辨率取決于單個(gè)漏波天線的3 dB波束寬度。1979年,Menzel首先指出可以利用微帶在高階模式時(shí)的泄露特性制造天線。微帶漏波天線輻射特性可以用漏波傳播系數(shù)=-來說明,其中為漏波相位系數(shù),為漏波衰減系數(shù)。說明天線單位長度向外輻射能量的多少,與天線主波束的半功率波瓣寬度有線性關(guān)系:

(3)

為漏波天線的掃描角度,而當(dāng)滿足<1(=2π為自由空間波數(shù))時(shí),微帶漏波天線工作于第一高階模,能量以空間波的形式向外輻射,主波束在法線方向和端射方向之間掃描。

2.2 系統(tǒng)靈敏度

實(shí)孔徑微波輻射計(jì)主要參數(shù):系統(tǒng)帶寬,角分辨率,觀測視場為[-2°,2°],假設(shè)掃描時(shí)間為1 s,則單個(gè)波束(一個(gè)像素點(diǎn))的駐留時(shí)間(積分時(shí)間)為=1()=,假設(shè)系統(tǒng)溫度為,則系統(tǒng)的靈敏度為

(4)

對于頻掃天線,系統(tǒng)帶寬為,角分辨率為,整個(gè)漏波天線多通道輻射計(jì)系統(tǒng)的觀測視場為[-2°,2°],單元個(gè)數(shù)為,則單個(gè)頻掃天線的掃描角度為,假設(shè)在帶寬內(nèi)掃描,則頻掃天線一個(gè)波束的帶寬為=·(),一次掃描時(shí)間為1 s,則單個(gè)波束的積分時(shí)間為=1[()]==。

則系統(tǒng)的靈敏度為

(5)

針對第23節(jié)提出的3種接收機(jī)方案,分析各自的系統(tǒng)靈敏度。

假設(shè)系統(tǒng)帶寬為,系統(tǒng)溫度為,角分辨率為,帶寬細(xì)分為份,觀測視場為[-2°,2°],單元個(gè)數(shù)為,掃描時(shí)間為,頻掃天線一個(gè)波束的帶寬為=·()。

對于本振頻掃方案,每個(gè)接收機(jī)分時(shí)采集各個(gè)子帶信息,因此每個(gè)接收機(jī)的積分時(shí)間為=()[()]=,則系統(tǒng)的靈敏度為

(6)

對于子帶劃分和數(shù)字子帶劃分方案,每個(gè)接收機(jī)采集的信息是一樣的,后端只是用模擬和數(shù)字兩種方法來實(shí)現(xiàn),因此這兩種方案的靈敏度從理論上講是一樣,每個(gè)接收機(jī)的積分時(shí)間為=[()]=。

(7)

由公式(6)和(7)可以得到

(8)

3 定標(biāo)方案

在地球遙感中,最終要獲得的是定量化遙感數(shù)據(jù),因此,定標(biāo)在微波輻射計(jì)中是非常重要的一環(huán),最終關(guān)系到遙感數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)質(zhì)量。在微波輻射計(jì)中,最常用的定標(biāo)方法是兩點(diǎn)定標(biāo),利用兩個(gè)精確已知的輸入量(定標(biāo)源)確定輻射計(jì)系統(tǒng)的線性關(guān)系。針對提出的基于漏波天線的分布式微波輻射計(jì)系統(tǒng),提出了內(nèi)定標(biāo)和外定標(biāo)兩種定標(biāo)方案,下面將分別詳細(xì)介紹。

3.1 內(nèi)定標(biāo)方案

如圖7所示,內(nèi)定標(biāo)方案主要是在內(nèi)部天線輸出端口加入一個(gè)定標(biāo)開關(guān),依次切換至溫度精確已知的低溫源和高溫源,進(jìn)而確定系統(tǒng)的輸入輸出線性關(guān)系。假設(shè)系統(tǒng)輸入輸出關(guān)系如下所示:

=+

(9)

圖7 內(nèi)定標(biāo)方案示意圖Fig.7 Internal calibration scheme

假設(shè)內(nèi)部定標(biāo)高溫源和低溫源精確已知,分別為和,輸出的電壓值分別為和,即有

=+

(10)

=+

(11)

由此可得

(12)

(13)

當(dāng)觀測的場景輸出的電壓值為,即有=+,由此可得

(14)

由于和的值已知,則獲取場景的亮溫值。

3.2 外定標(biāo)方案

外定標(biāo)方案是在天線口面對輻射計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行定標(biāo),其定標(biāo)方法同海洋二號衛(wèi)星微波輻射計(jì)、風(fēng)云三號衛(wèi)星微波溫度計(jì)、SMAP(soil moisture active and passive)、Windsat、Aquarius衛(wèi)星的微波輻射計(jì)的定標(biāo)方法是相同的,采用冷空和熱源作為定標(biāo)源,如圖8所示,旋轉(zhuǎn)臂兩端分別安裝熱源和冷空反射鏡,通過旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn),周期依次實(shí)現(xiàn)對各個(gè)漏波天線的定標(biāo),定標(biāo)方程同上述內(nèi)定標(biāo)方程類似,在此就不再贅述了。

圖8 外定標(biāo)方案示意圖Fig.8 External calibration scheme

4 體制對比分析

對比基于漏波天線分布式微波輻射計(jì)系統(tǒng)、實(shí)孔徑微波輻射計(jì)系統(tǒng)和綜合孔徑微波輻射計(jì)系統(tǒng),在相同空間分辨率和系統(tǒng)靈敏度下,從系統(tǒng)的天線尺寸、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜度、信號處理復(fù)雜度、工程實(shí)現(xiàn)難度、造價(jià)成本、體積、重量、功耗、可靠性等方面進(jìn)行比較和論證。

實(shí)孔徑微波輻射計(jì)的分辨率約為

(15)

綜合孔徑微波輻射計(jì)的分辨率為

(16)

基于漏波天線分布式微波輻射計(jì)的分辨率為

(17)

式中:為波長;為實(shí)孔徑天線的口徑;為掃描角度。從上面分析可以看到,綜合孔徑微波輻射計(jì)的分辨率取決于其每個(gè)天線單元在空間頻率域的采樣,=2+1,為最長基線的長度,因此相同天線口徑下,綜合孔徑微波輻射計(jì)的分辨率約為實(shí)孔徑微波輻射計(jì)的兩倍,基于漏波天線的微波輻射計(jì)的分辨率與其掃描角度有關(guān),經(jīng)過合適的選取,理論上和實(shí)孔徑微波輻射計(jì)是一樣。

實(shí)孔徑微波輻射計(jì)的系統(tǒng)靈敏度為

(18)

綜合孔徑微波輻射計(jì)的系統(tǒng)靈敏度為

(19)

基于漏波天線分布式微波輻射計(jì)的系統(tǒng)靈敏度為

(20)

式中：為綜合孔徑天線單元個(gè)數(shù)；為陣列的尺寸;為每個(gè)單元的尺寸。當(dāng)足夠大時(shí),就變成實(shí)孔徑微波輻射計(jì),實(shí)孔徑微波輻射計(jì)的靈敏度要優(yōu)于綜合孔徑微波輻射計(jì),當(dāng)=時(shí),實(shí)孔徑微波輻射計(jì)和基于漏波天線的分布式微波輻射計(jì)的靈敏度相當(dāng)。

從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜度、信號處理復(fù)雜度、工程實(shí)現(xiàn)難度、成本和功耗進(jìn)行分析,由于綜合孔徑微波輻射計(jì)由多路單通道組成,和雷達(dá)里的數(shù)字波束形成類似,其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜度和信號處理復(fù)雜度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于實(shí)孔徑微波輻射計(jì)和基于漏波天線的分布式微波輻射計(jì)。在工程實(shí)現(xiàn)難度、成本和功耗方面也是遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于實(shí)孔徑微波輻射計(jì)和基于漏波天線的分布式微波輻射計(jì)。

從重量、體積和可靠性進(jìn)行分析,天線作為重量和體積的決定性因素,為了實(shí)現(xiàn)一定的分辨率和幅寬,實(shí)孔徑微波輻射計(jì)的天線口徑一般較大并且需要伺服轉(zhuǎn)動(dòng),綜合孔徑輻射計(jì)由多個(gè)稀疏小口徑天線陣列合成一個(gè)等效的大口徑天線,天線重量和體積較小,且不需要轉(zhuǎn)動(dòng),對地凝視觀測,因此可靠性優(yōu)于實(shí)孔徑微波輻射計(jì),基于漏波天線的分布式微波輻射計(jì)是由幾個(gè)實(shí)孔徑天線經(jīng)過排列,通過改變工作頻率,得到對應(yīng)的分辨率和幅寬,因此重量和體積大大減小,可靠性大大提高。

基于相同的分辨率和靈敏度,對其性能指標(biāo)進(jìn)行分析，分析結(jié)果如表2所示。

表2 體制對比分析

從綜合分析來看,基于漏波天線的分布式微波輻射計(jì)相比于實(shí)孔徑微波輻射計(jì)無需機(jī)械掃描,大大增加了系統(tǒng)可靠性,相比于綜合孔徑微波輻射計(jì),只需要少許的天線和接收鏈路,大大減少了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜度和處理復(fù)雜度,因此未來可以作為一種新類型的輻射計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)展。

5 仿真分析

根據(jù)漏波天線的分布式微波輻射計(jì)系統(tǒng)的“頻率-方向指向”特性進(jìn)行仿真分析,仿真一維場景的原始亮溫在100 K～150 K～230 K的變化,如圖9所示。

圖9 一維原始亮溫圖Fig.9 One-dimensional original brightness temperature

單個(gè)漏波天線微波輻射計(jì)系統(tǒng)的天線方向圖如圖10所示。

圖10 漏波天線方向圖Fig.10 Pattern of leaky wave antenna

對于漏波天線的微波輻射計(jì)系統(tǒng),系統(tǒng)的響應(yīng)就是天線在各個(gè)方位角下的方向圖信息與場景亮溫在對應(yīng)“頻率-方向”的指向進(jìn)行卷積積分的過程,基于漏波天線系統(tǒng)的輸出響應(yīng)如圖11所示。

圖11 基于漏波天線系統(tǒng)輸出響應(yīng)Fig.11 Output response based on leaky wave antenna system

通過漏波天線微波輻射計(jì)系統(tǒng)觀測熱定標(biāo)源和冷定標(biāo)源進(jìn)行外定標(biāo),如圖12所示,得到基于漏波天線微波輻射計(jì)系統(tǒng)反演出的亮溫值,與實(shí)際場景的亮溫值作對比。

圖12 實(shí)際場景和漏波系統(tǒng)定標(biāo)的大變化亮溫圖Fig.12 Large variation brightness temperature diagram of actual scene and leaky wave system

由圖13可以得到反演的亮溫值與實(shí)際亮溫值相減的殘差峰峰值在[-0.68 K,0.42 K],誤差的std為0.12 K。由于在一維原始場景中存在亮溫在100 K～150 K～230 K突變以及天線方向圖旁瓣的影響,所以在亮溫突變的地方誤差會(huì)增大,并產(chǎn)生了Gibbs效應(yīng),跟實(shí)際反演出的亮溫殘差一樣,即在對應(yīng)的角度下反演的亮溫的誤差也較大。這與目前在軌的微波輻射計(jì)(海洋二號,風(fēng)云三號)一樣,在海陸交界處亮溫反演誤差較大。

圖13 大變化亮溫殘差圖Fig.13 Large variation brightness temperature residuals

仿真一維場景的原始亮溫從220 K到230 K的變化如圖14所示。反演出的亮溫值，與實(shí)際場景的亮溫值作對比圖如15所示。

圖14 一維原始小變化亮溫圖Fig.14 One-dimensional original small variation brightness temperature

圖15 實(shí)際場景和漏波系統(tǒng)定標(biāo)的小變化亮溫圖Fig.15 Small variation brightness temperature diagram of actual scene and leaky wave system

如假設(shè)原始場景亮溫只有一個(gè)10 K的變化,如圖16所示,可以得到反演的亮溫值與實(shí)際亮溫值相減的殘差峰峰值在[-0.04 K,0.05 K],誤差的標(biāo)準(zhǔn)差為0.009 K,基本跟原始亮溫值一樣。

圖16 小變化亮溫殘差圖Fig.16 Small variation brightness temperature residuals

6 總 結(jié)

本文將漏波天線的“頻率-波束指向”特性應(yīng)用于被動(dòng)微波輻射測量領(lǐng)域,基于漏波天線的分布式微波輻射計(jì)系統(tǒng)無需機(jī)械掃描,極大地提升了系統(tǒng)的可靠性,同時(shí)降低了系統(tǒng)體積、重量和成本等,并且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、復(fù)雜度較低、信號處理簡單等。同時(shí)對基于漏波天線的微波輻射計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行了建模仿真。仿真表明此系統(tǒng)反演出亮溫和真實(shí)亮溫值在外界場景不劇烈變化的情況下誤差的標(biāo)準(zhǔn)差僅為0009 K,也證明了此方案的可行性,可以作為一種新型的微波輻射計(jì)系統(tǒng)重點(diǎn)發(fā)展。