固定指向型微波辐射计辐射传输模型分析_郑晓萌.pdf

第 43卷 第 1期2023年 2月Vol.43，No.1Feb.，2023固体电子学研究与进展RESEARCH&PROGRESS OF SSE固定指向型微波辐射计辐射传输模型分析郑晓萌1，2 张德海1 赵瑾1 彭召敏1，2（1 中国科学院国家空间科学中心微波遥感技术重点实验室，北京，100190）（2 中国科学院大学，北京，100040）20220826收稿，20221028收改稿摘要：固定指向型微波辐射计通常采用多支路法进行定标，传输路径上的各微波组件存在一定的插入损耗，且组件间还存在阻抗失配，因此需要首先建立信号源经馈源口面至接收机输入端口处的辐射传输模型，然后结合两点定标法确定固定指向型微波辐射计的定标模型。首先对同类型微波辐射计的辐射传输模型进行叙述，然后采用正交试验设计法定量地分析了辐射传输模型中各组件对接收机等效输入噪声温度误差影响的大小以及主次关系，为同类型微波辐射计的辐射传输模型建立和定标模型初始参数的选取提供参考。关键词：微波辐射计；辐射传输模型；传输损耗；正交试验设计法中图分类号：O433；P412.27 文献标识码：A 文章编号：10003819(2023)01002707Radiative Transfer Model Analysis of Fixedbeam Pointing Microwave RadiometerZHENG Xiaomeng1,2 ZHANG Dehai1 ZHAO Jin1 PENG Zhaomin1,2（1 Key Laboratory of Microwave Remote Sensing Technology，National Space Science Center，Chinese Academy of Sciences，Beijing，100190，CHN）（2 University of Chinese Academy of Science，Beijing，100040，CHN）Abstract:The fixed-beam pointing microwave radiometers usually adopt hot and cold temperature calibration method for calibration.The microwave components on the transmission path have certain insertion losses and impedance mismatch，so the radiative transmission model of the signal from the feed port to the input port of the receiver should be established firstly，and then combine with the two-point calibration method to determine the calibration model.This paper firstly describes the radiative transfer model of the same type of microwave radiometer，and then，the influence of each component in the radiative transmission model of the receiver equivalent input noise temperature error and the influencing order is analyzed by orthogonal experiment design.The analysis results provide a reference for the modeling of the same type of radiative transmission model and for the initial parameter selection in the calibration process.Key words：microwave radiometer；radiative transfer model；transmission loss；orthogonal experiment design method射频微波与太赫兹联系作者：Emial:DOI:10.19623/ki.rpsse.2023.01.011固 体 电 子 学 研 究 与 进 展 http:GTDZ43卷引 言固定波束指向型的微波辐射计是一种非扫描式的微波辐射计，其观测天线的指向为固定方向1。该类型辐射计的主要用途有两个：1）对固定方向上的目标进行观测23；2）配合雷达高度计进行同程观测，对雷达高度计信号传输路径上由于对流层中的水汽和云中液水引起的湿路径延迟进行实时校正4。微波辐射计（为简化表达，本文后续所提微波辐射计均为固定波束指向型的微波辐射计）能够实现上述应用的前提是对其进行准确地定标5。微波辐射计通常采用多支路定标法进行定标，通过接收机内部开关周期性地切换，使观测信号和两定标源信号分别通过不同的传输路径进入接收机。传输路径上的微波组件如馈源、波导和开关等不仅会对输入的观测信号和两定标源信号产生衰减，而且各组件自身产生的热辐射信号也会叠加到衰减后的观测信号和定标信号中。因此需要首先建立信号经天线口面至接收机输入端口处的辐射传输模型来表征信号的传递过程，然后结合两点定标法确定辐射计的定标模型来校正射频前端各组件引起的热噪声贡献611。辐射传输模型建立过程中，考虑的因素不同将得到不同的传输模型和定标初值，微波辐射计通常采用最小二乘优化算法获取定标系数，该算法对模型初值的选取较为敏感，因此需要建立合适的辐射传输模型给出适当的定标初值。早期的扫描多通道微波辐射计（Scanning multichannel microwave radiometer，SMMR）6，认为组件引起的反射损耗非常小，辐射传输模型中的系数仅与欧姆损耗有关，定标后发现各通道观测天线温度的定标残差在0.380.76 K12。Topex/Poseidon 卫星上搭载的微波 辐 射 计（Topex/Poseidon microwave radiometer，TMR），在 SMMR 的基础上增加了对组件间由于阻抗失配引起的一次反射损耗的考虑，定标后其各通道观测天线温度的定标残差在 0.190.24 K7。后续 的 微 波 辐 射 计 在 辐 射 传 输 模 型 建 立 时，均 在TMR 的基础上增加了对组件间失配损耗的考虑，例如 SARAL/AltiKA、Sentinel3 和 Sentinel6 卫星上搭载的微波辐射计，定标后其各通道观测天线温度的定标残差均在 0.2 K以内911。为了定量分析辐射传输模型中各组件参数对接收机等效输入噪声误差影响的大小，本文采用正交试验设计法，将各参数进行离散化处理，选取具有代表性、典型性的组件参数值进行试验，进而分析出各组件参数对接收机等效输入噪声误差的影响大小以及主次关系，为同类型微波辐射计的辐射传输模型建立和定标模型初始参数的选取提供参考。1 微波辐射计前端辐射传输模型 图 1中给出了微波辐射计接收机前端组件的典型结构示意图，其中，TA、TC和 TH分别为观测目标、低温定标参考源和高温定标参考源的亮度温度，通过接收机内部开关地周期性地切换，分别通过观测支路、低温定标支路和高温定标支路进入接收机，所以需要分别对三条传输路径建立各自的辐射传输模型13。以观测支路为例，图 2 中给出了目标信号在观测支路上的传输示意图。其中，af、aw和as分别为观测支路上馈源、波导和开关的功率传输系数；Taf、Taw和 Tas分别为相应组件的物理温度；fL和 fR、wL和wR、sL和 sR分别是从左向右看时各组件输入输出端口处的功率反射系数；A为地面定标过程中被视为观测目标的黑体的功率反射系数。当亮温为 TA的目标源进入观测支路后，接收机输入端口处接收到的等效亮温为：T(i)A=a(i)1TA+a(i)2Taf+a(i)3Taw+a(i)4Tas(i=0,1,2)（1）其中，T(i)A（i=0，1S，1D 和 2D）分别表示组件间不考虑反射、考虑输入端口处的一次反射、输入输出端口处的一次反射和输入输出端口处的二次反射时到达接收机的等效输入亮温；a(i)j(j=1，2，3，4)分别为相应情况下的传输系数。从上式中可以看出，接收机的等效输入噪声温度由两部分构成：一部分图 1 微波辐射计前端典型结构示意图Fig.1 Typical front-end structure diagram of microwave radiometer281期郑晓萌等：固定指向型微波辐射计辐射传输模型分析是输入亮温 TA经过支路上组件衰减后的直接输入；另一部分是各组件自身产生的辐射亮温。当不考虑组件间反射时，T(0)A的表达式为：T(0)A=afawasTA+(1-af)awasTaf+(1-aw)asTaw+(1-as)Tas（2）当仅考虑组件间输入端口处的（从左向右）一次反射时，相应的网络传输系数为：a(1S)1=(1-A)(1-fL)af(1-wL)aw(1-sL)as（3）a(1S)2=(1-af)1+A(1-fL)af(1-wL)aw(1-sL)as（4）a(1S)3=(1-aw)(1-sL)as（5）a(1S)4=(1-as)（6）当考虑组件间输入和输出端口处的一次反射时，相应的网络传输系数表达式为：a(1D)1=(1-A)(1-fL)af(1-fR)(1-wL)aw(1-wR)(1-sL)as(1-sR)（7）a(1D)2=(1-af)1+A(1-fL)af(1-fR)(1-wL)aw(1-wR)(1-sL)as(1-sR)（8）a(1D)3=(1-aw)1+fR(1-wL)aw(1-wR)(1-sL)as(1-sR)（9）a(1D)4=(1-as)1+wR(1-sL)as(1-sR)（10）当考虑考虑组件间输入和输出端口处的二次反射时，相应的网络传输系数表达式为：a(2D)1=(1-A)(1+AfL)(1-fL)af(1-fR)(1+fRwL)(1-wL)aw(1-wR)(1+wRsL)(1-sL)as(1-sR)（11）a(2D)2=(1-af)1+A(1+AfL)(1-fL)af(1-fR)(1+fRwL)(1-wL)aw(1-wR)(1+wRsL)(1-sL)as(1-sR)（12）a(2D)3=(1-aw)1+fR(1+fRwL)(1-wL)aw(1-wR)(1+wRsL)(1-sL)as(1-sR)（13）a(2D)4=(1-as)1+wR(1+wRsL)(1-sL)as(1-sR)（14）2 微波辐射计辐射传输模型的选取 由第 1 节的分析可知，各组件的物理温度、插入损耗以及输入输出端的功率反射系数等均会对接收机的等效输入噪声温度产生影响。在多种因素的共同作用下，各因素影响的显著性以及各辐射传输模型不同引起的接收机等效输入噪声误差还需要进一步分析。由于辐射传输模型中的参数较多，且各参数的取值是连续的，因此本文采用正交试验设计法14，将各连续参数进行离散化，从全面试验中均匀地选择出具有代表性的试验方案，来分析各参数对接收机的等效输入噪声误差的影响。选用组件的物理温度（Taf、Taw、Tas）、插入损耗（ILaf、ILaw、ILas）和输入输出端口的电压反射系数（vfL、vfR、vwL、vwR、vsL、vsR）作为正交优化参数，各因素设置 3个水平，因素水平表如表 1所示。采用 L27（313）正交表设计仿真分析方案，共计 27组，如表 2 所示。将所设置的参数分别代入公式（2）、（3）（6）、（7）（10）和（11）（14）中，即可得到不同辐射传输模型下的接收机等效输入噪声温度T(0)