牛立杰 劉 浩 武 林 張 成 趙 鑫 吳 季 殷曉斌

?

面向星載海洋鹽度探測應(yīng)用的L波段綜合孔徑輻射計原理樣機(jī)研制與試驗研究

牛立杰①②劉 浩*①武 林①張 成①趙 鑫①吳 季①殷曉斌①

①(中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心微波遙感重點實驗室 北京 100190)②(中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

主被動聯(lián)合微波成像儀(MICAP)是面向全球星載海洋鹽度探測應(yīng)用提出的一種新技術(shù)方案，由L, C, K頻段輻射計及L波段散射計組成。其中L波段1維綜合孔徑輻射計是MICAP的核心，用以實現(xiàn)海洋鹽度高精度觀測。為了驗證MICAP概念和性能，研制了一臺地面原理樣機(jī)并進(jìn)行了試驗研究。該文介紹了MICAP樣機(jī)的L波段綜合孔徑輻射計子系統(tǒng)的研究與試驗結(jié)果。首次推導(dǎo)了一種使用三階量化均值對數(shù)字相關(guān)到模擬相關(guān)轉(zhuǎn)換中的AD偏置誤差進(jìn)行校正的計算方法。該文的研究成果將為海洋鹽度衛(wèi)星MICAP及全球水循環(huán)衛(wèi)星WCOM提供技術(shù)參考。

綜合孔徑輻射計；三階量化數(shù)字相關(guān)；海洋鹽度

1 引言

應(yīng)用星載微波輻射計實現(xiàn)全球海洋鹽度測量是當(dāng)前微波遙感領(lǐng)域的一個研究熱點[1]。海洋鹽度探測的難點在于其對輻射計性能要求非常高：首先，海洋鹽度變化帶來的亮溫變化非常小，因此要求輻射計具有極高的靈敏度及穩(wěn)定度；然后，海面粗糙度及海水溫度也會帶來海面輻射亮溫的變化，影響鹽度測量精度[2]；此外載荷還需要具備高空間分辨率、寬刈幅等指標(biāo)。目前國際上海洋鹽度探測輻射計有兩個路線：以歐空局SMOS衛(wèi)星為代表的綜合孔徑輻射計體制，以及美國Aquarius衛(wèi)星[2,6,7]為代表的“推帚式”真實孔徑輻射計體制。SMOS是2維綜合孔徑輻射計，可實現(xiàn)高空間分辨率及寬刈幅，但系統(tǒng)復(fù)雜，定標(biāo)難度大。Aquarius的體制限制了空間分辨率與刈幅。此外，兩者都無法同步測量海水溫度輔助數(shù)據(jù)。

主被動聯(lián)合微波成像儀(Microwave Imager Combined Active and Passive, MICAP)是中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心提出的新方案[8]。采用共用拋物柱形反射面天線，L波段1維綜合孔徑輻射計觀測海洋鹽度；C, K波段1維綜合孔徑輻射計探測海水溫度，L波段散射計探測海面粗糙度。1維綜合孔徑輻射計體制保證了較高的空間分辨率及較寬的刈幅，又避免了系統(tǒng)過于復(fù)雜，使多個頻段輻射計及散射計可以集成在一起，實現(xiàn)輔助數(shù)據(jù)同步獲取。高靈敏度、高穩(wěn)定度輻射計單元技術(shù)與綜合孔徑輻射計定標(biāo)技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)高性能指標(biāo)。為了驗證MICAP的概念，中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心研制了一臺地面原理樣機(jī)，并開發(fā)了一套海水鹽度、溫度及海面風(fēng)場一體化仿真系統(tǒng)[9]。通過原理樣機(jī)地面試驗驗證儀器靈敏度、空間分辨率、刈幅等技術(shù)指標(biāo)，并將試驗結(jié)果代入仿真系統(tǒng)仿真驗證星載鹽度探測精度。本文主要介紹了L波段綜合孔徑輻射計原理樣機(jī)系統(tǒng)組成、參數(shù)設(shè)計、定標(biāo)技術(shù)、驗證試驗。這些研究將為海洋鹽度衛(wèi)星主被動聯(lián)合微波成像儀以及全球水循環(huán)衛(wèi)星(global Water Cycle Observation Mission, WCOM)的L/S/C三頻全極化綜合孔徑輻射計[10,11]提供技術(shù)參考。

2 原理樣機(jī)系統(tǒng)組成

原理樣機(jī)包括一套L波段1維綜合孔徑輻射計及一套L波段散射計，均采用多饋源陣列，共用拋物柱形反射面天線。其中L波段輻射計采用1維綜合孔徑體制，主要由天線、輻射計單元、公共噪聲源單元、頻綜單元、數(shù)字相關(guān)器單元、溫控子系統(tǒng)、電源子系統(tǒng)及轉(zhuǎn)臺等部件組成，如圖1所示。

天線單元由拋物柱形反射面和微帶饋源陣列組成。8單元稀疏饋源陣列沿拋物柱面焦線排列，位置為[0 2 4 6 7 8 17 20]，饋源之間兩兩構(gòu)成19條無冗余基線。在交軌向形成扇形波束瞬時視場，利用綜合孔徑技術(shù)獲得分辨率；在順軌方向通過拋物柱形反射面形成真實孔徑測量。

射頻系統(tǒng)共有8套輻射計單元，均采用了高靈敏度、實時定標(biāo)輻射計架構(gòu)。公共噪聲源單元由噪聲源、開關(guān)、衰減器以及一分八功分網(wǎng)絡(luò)組成，用以實現(xiàn)綜合孔徑幅度、相位的定標(biāo)。通過開關(guān)和衰減器實現(xiàn)高、低兩個不同功率的噪聲注入，對高、低噪聲注入后輻射計響應(yīng)相減可以抵消功分網(wǎng)絡(luò)自身產(chǎn)生的噪聲的影響。

對饋源、輻射計單元及公共噪聲源單元、本振單元均進(jìn)行了精密的溫度控制。輻射計單元安裝在饋源背面形成一個整體進(jìn)行溫控，饋源輻射面使用透波保溫材料進(jìn)行保溫。使用半導(dǎo)體制冷技術(shù)(TEC)設(shè)計了溫度控制系統(tǒng)，PID算法實現(xiàn)精確溫度控制，將整個饋源陣列和輻射計單元的溫度穩(wěn)定控制在±0.1°C內(nèi)。

選用了三階量化數(shù)字相關(guān)器。三階量化數(shù)字相關(guān)器靈敏度能夠達(dá)到模擬相關(guān)器的81%，同時滿足高性能和低復(fù)雜度的要求[12]。

原理樣機(jī)安裝于2維轉(zhuǎn)臺之上，方位向(寬波束方向)手工調(diào)節(jié)，使輻射計扇形波束指向目標(biāo)；俯仰向(窄波束方向)電控調(diào)節(jié)，可模擬衛(wèi)星平臺運動實現(xiàn)掃描成像。

3 原理樣機(jī)技術(shù)指標(biāo)

3.1角分辨率

3.2視場

圖1 L波段綜合孔徑輻射計系統(tǒng)組成框圖

表1原理樣機(jī)主要參數(shù)

頻率1.4~1.427 GHz 饋源及接收機(jī)數(shù)量8 反射面寬度(拋物面方向)3 m 反射面長度(柱面方向)4.5 m 輻射計饋源最大間距2.73 m 輻射計饋源最小間距0.13 m 輻射計俯仰向波束寬度5.2o 輻射計接收機(jī)噪聲溫度300 K

(2)

3.3靈敏度

1維綜合孔徑輻射計原理樣機(jī)視軸方向的靈敏度可以由式(3)來近似計算[15]：

4 綜合孔徑輻射計定標(biāo)技術(shù)

4.1 工作時序與定標(biāo)流程

綜合孔徑輻射計采用三階量化數(shù)字相關(guān)，定標(biāo)包括量化校正、系統(tǒng)噪聲溫度定標(biāo)、綜合孔徑相位-幅度定標(biāo)、去歸一化及剩余偏置校正等。設(shè)計了統(tǒng)一的工作時序?qū)⒍?biāo)過程歸納其中，一個周期分為10個測量單元，每個單元占時10 ms，總共為100 ms。這種設(shè)計簡單實用，實時進(jìn)行定標(biāo)保證了系統(tǒng)的高穩(wěn)定度。定標(biāo)時序如圖2所示，定標(biāo)流程如圖3所示。

4.2 三階量化協(xié)方差到模擬相關(guān)系數(shù)的轉(zhuǎn)換

文獻(xiàn)[12]給出了三階量化數(shù)字相關(guān)到模擬相關(guān)轉(zhuǎn)換的估計算法，對AD偏置電平帶來的量化閾值不平衡性進(jìn)行了誤差分析。文獻(xiàn)[16]提出一種使用三階量化數(shù)據(jù)均值進(jìn)行AD偏置校正的方法。本文中，在文獻(xiàn)[16]基礎(chǔ)上推導(dǎo)了使用三階量化數(shù)字均值進(jìn)行AD偏置校正的公式，并應(yīng)用于MICAP原理樣機(jī)中。

圖3 L波段綜合孔徑輻射計定標(biāo)流程

圖4 輸入信號概率密度函數(shù)、平衡量化閾值(±k)與閾值不平衡性

(6)

其中，

4.3 IQ正交誤差的校正

若IQ檢波器輸出信號存在正交誤差，則需要進(jìn)行IQ正交校正[17]：

4.4 輻射計系統(tǒng)噪聲溫度定標(biāo)

4.5 綜合孔徑相位-幅度定標(biāo)

綜合孔徑輻射計的可見度函數(shù)可以表示為

(9)

原理樣機(jī)在定標(biāo)周期通過公共噪聲源單元注入高、低兩個功率的相關(guān)噪聲，來標(biāo)定出對值。高、低相關(guān)噪聲注入時兩通道可見度函數(shù)可以表示為(忽略接收機(jī)前向噪聲串?dāng)_的影響)[19]

上標(biāo)H表示高功率噪聲注入狀態(tài)，L表示低功率噪聲注入狀態(tài)。為高、低兩個相關(guān)噪聲溫度。,分別表示公共噪聲源功分器第,端口與輸入端口間的參數(shù)。為功分器各端口之間的參數(shù)。為功分器的物理溫度。

此外，可見度函數(shù)又可通過數(shù)字相關(guān)器互相關(guān)結(jié)果計算[18]：

可以得到：

(12)

而公共噪聲注入時的各接收機(jī)通道的系統(tǒng)噪聲溫度可以表示為(忽略接收機(jī)前向噪聲串?dāng)_)[19]

(14)

4.6 可見度函數(shù)

4.7 剩余偏置校正

本振的熱噪聲進(jìn)入不同的接收機(jī)可能帶來非零相關(guān)偏置，即式(8)中的。這種剩余偏置可以用非相關(guān)噪聲注入(匹配負(fù)載)的方法進(jìn)行校正，方法是天線觀測時序測得的可見度函數(shù)減去匹配負(fù)載時序的可見度函數(shù)[18]。由于匹配負(fù)載時序兩通道注入的噪聲是非相關(guān)的，則由式(8)可以得到剩余偏置校正后的可見度函數(shù)(上標(biāo)O表示匹配負(fù)載狀態(tài))：

5 G矩陣成像方法

使用矩陣成像方法將亮溫從可見度函數(shù)中恢復(fù)出來。亮溫反演公式如式(18)所示，由此可知，矩陣成像除了需要定標(biāo)后的可見度函數(shù)外，還需要天線方向圖信息。在微波暗室中使用天線測試系統(tǒng)測出8個微帶饋源的天線方向圖，然后此饋源方向圖作為輸入條件進(jìn)行仿真得到全天線的方向圖。

(19)

6 地面原理樣機(jī)驗證試驗

在中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心懷柔園區(qū)進(jìn)行了MICAP地面原理樣機(jī)成像試驗，驗證了原理樣機(jī)性能指標(biāo)。

6.1角分辨率

空間角分辨率可以用點目標(biāo)響應(yīng)半功率波束寬度定義，可以通過點目標(biāo)成像試驗來驗證。圖5是點目標(biāo)響應(yīng)曲線，由圖5計算得出樣機(jī)角分辨率約。這個結(jié)果接近由式(1)得到的理論值。

6.2 靈敏度

地面原理樣機(jī)靈敏度可以通過觀測冷空試驗得到。圖6是冷空觀測試驗的靈敏度指標(biāo)，圖7是成像結(jié)果，可以看出原理樣機(jī)在視軸方向的靈敏度約為0.2 K(4 s積分時間)，與式(3)計算的理論值基本吻合。

6.3視場

當(dāng)點源放置在混疊視場內(nèi)，會在周期延拓區(qū)域產(chǎn)生假響應(yīng)。設(shè)點源放置在右邊，位置為，在圖像的左邊產(chǎn)生了假響應(yīng)，無混疊視場可以由式(21)求出。

圖6 輻射計靈敏度

圖7 冷空成像試驗

圖8是混疊視場試驗的結(jié)果。使用式(21)計算得到樣機(jī)的無混疊視場為。這個結(jié)果非常接近于使用式(2)計算得到的理論值。

圖8 混疊視場中的假響應(yīng)

7 基于原理樣機(jī)試驗的鹽度探測精度仿真

使用原理樣機(jī)試驗得到的靈敏度曲線，代入海水鹽度、溫度及風(fēng)場一體化聯(lián)合仿真系統(tǒng)[9]，通過多參數(shù)聯(lián)合反演算法可同時獲得海水鹽度、溫度及海面風(fēng)場與1維綜合孔徑輻射計方位余弦相關(guān)的偏差及隨機(jī)誤差，如圖9所示?？梢钥闯鲆晥鰞?nèi)單次鹽度探測可實現(xiàn)0.6 psu的探測精度指標(biāo)。如果星載系統(tǒng)設(shè)計是3天一次重訪周期，經(jīng)重采樣平均后可以達(dá)到優(yōu)于0.2 psu的月尺度鹽度探測精度。

8 總結(jié)

L波段1維綜合孔徑輻射計是MICAP的核心儀器，采用了拋物柱形反射面天線、高穩(wěn)定度輻射計接收機(jī)、三階量化數(shù)字相關(guān)、高精度溫控、高精度綜合孔徑輻射計定標(biāo)、矩陣成像等技術(shù)。本文介紹了原理樣機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計和研制；然后重點論述了綜合孔徑輻射計定標(biāo)設(shè)計及實現(xiàn)算法，首次推導(dǎo)了一種在三階量化數(shù)字相關(guān)到模擬相關(guān)轉(zhuǎn)換算法中使用三階量化均值進(jìn)行AD偏置校正的計算方法，并應(yīng)用于定標(biāo)中；最后通過成像試驗初步驗證了原理樣機(jī)的成像能力和技術(shù)指標(biāo)。試驗結(jié)果表明其靈敏度、空間分辨率、無混疊視場與設(shè)計指標(biāo)基本一致。試驗驗證的樣機(jī)技術(shù)指標(biāo)代入仿真系統(tǒng)，仿真證明可以實現(xiàn)0.2 psu的星載海洋鹽度探測精度，達(dá)到了MICAP的設(shè)計要求。這些研究成果將應(yīng)用于MICAP計劃，同時還有望在全球水循環(huán)衛(wèi)星探測計劃(WCOM)的全極化綜合孔徑輻射計中應(yīng)用。

圖9 基于原理樣機(jī)試驗的單次鹽度反演仿真

[1] 李青俠, 張靖, 郭偉, 等. 微波輻射計遙感海洋鹽度的研究進(jìn)展[J]. 海洋技術(shù)學(xué)報, 2007, 26(3): 8-12.

LI Qingxia, ZHANG Jing, GUO Wei,Research progress of remote sensing of ocean salinity by microwave radiometer [J], 2007, 26(3): 8–12.

[2] VINE D M L, PELLERANO F, LAGERLOEF G S E,Aquarius: A mission to monitor sea surface salinity from space[C]. 9th Specialist Meeting on Microwave Radiometry and Remote Sensing Applications, San Juan, Puerto Rico, 2006: 87-90.

[3] KERR Y H, WALDTEUFEL P, WIGNERON J P,. Soil moisture retrieval from space: The soil moisture and ocean salinity (SMOS) mission[J]., 2001, 39(8): 1729-1735. doi: 10.1109/36.942551.

[4] KORNBERG M, OLIVA R, FAUSTE J,. SMOS payload status after six years in orbit operational and thermal performance, calibration strategy & RFI management [C]., Espoo, Finland, 2016: 191-194.

[5] PABLOS M, PILES M, GONZALEZ-GAMBAU V,SMOS and aquarius radiometers: Inter-comparison over selected targets[J].&, 2014, 7(99): 3833-3844. doi: 10.1109/JSTARS.2014. 2321455.

[6] PIEPMEIER J R, HONG L, and PELLERANO F A. Aquarius L-band microwave radiometer: 3 years of radiometric performance and systematic effects[J].&, 2015, 8(12): 5416-5423. doi: 10.1109/ JSTARS.2015.2435493.

[7] VINE D M L, YUEH S, BROWN S,. Foreword to the special issue on status of aquarius/sac-d mission calibration /validation and retrieval algorithms[J].&, 2015, 8(12): 5398-5400. doi: 10.1109/JSTARS.2015. 2516064.

[8] LIU Hao, ZHU Di, NIU Lijie,MICAP (Microwave imager combined active and passive): A new instrument for Chinese ocean salinity satellite[C]. Proceedings of IEEE International on Geoscience and Remote Sensing Symposium, Milan, Italy, 2015: 184-187.

[9] Yin Xiaobin, Liu Hao, Yun Risheng,Potential of microwave imager combined active passive for the retrieval of sea surface salinity: A new mission concept[C]., Espoo, Finland, 2016: 191-194.

[10] SHI Jiancheng, DONG Xiaolong, ZHAO Tianjie,WCOM: The science scenario and objectives of a global water cycle observation mission[C]. IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium, Quebec, Canada, 2014: 3646-3649.

[11] LIU Hao, NIU Lijie, WU Lin,IMI(Interferometric microwave imager): A L/S/C tri-frequency radiometer for water cycle observation mission(WCOM)[C]. Proceedings of IEEE International on Geoscience and Remote Sensing Symposium, Beijing, China, 2016: 3445-3447.

[12] Piepmeier J R and GasiewsKi A J. Digital correlation microwave polarimetry: Analysis and demonstration[J]., 2001, 39(11): 2392-2410. doi: S 0196-2892(00)10397-3.

[13] Ruf C S, Swift C T, Tanner A B,. Interferometric synthetic aperture microwave radiometry for the remote sensing of the earth[J]., 2006, 44(1): 58-67. doi: 10.1109/TGRS. 2005.860206.

[14] LIM B H. The design and development of a geostationary synthetic thinned aperture radiometer[D]. [Ph.D. dissertation]. University of Michigan, 2009: 28-30.

[15] CAMPS A, CORBELLA i, BARA J,Radiometric sensitivity computation in aperture synthesis interferometric radiometry[J]., 1998, 36(2): 680-685. doi: S 0196-2892(98) 00737-2.

[16] 李慧玲, 劉浩, 吳季, 等. 綜合孔徑輻射計可見度函數(shù)預(yù)處理算法及時域仿真研究[J]. 電子與信息學(xué)報, 2012, 34(10): 2475-2481. doi: 10.3724/SP.J.1146.2012.00079.

LI Huiling, LIU Hao, WU Ji,. Research on the preprocessing method for the visibility functions in synthetic aperture radiometer and the time domain simulation[J].&, 2012, 34(10): 2475-2481. doi: 10.3724/SP.J.1146.2012.00079.

[17] TORRES F, CAMPS A, BARA J,On-board phase and modulus calibration of large aperture synthesis radiometers: Study applied to MIRAS[J]., 1996, 34(4): 1000-1009. doi: S0196-2892(96)05046-2.

[18] CORBELLA i, CAMPS A, COLLIANDER A,MIRAS end-to-end calibration: Application to SMOS L1 processor[J]., 2005, 43(5): 1126-1134. doi: 10.1109/TGRS.2004.840458.

[19] CORBELLA i, CAMPS A,TORRES F,Analysis of noise-injecion networks for interferometric-radiometer calibration[J]., 2000, 48(4): 545-552. doi: S 0018-9480(00) 02782-4.

Development and Experimental Study on L-band Synthetic Aperture Radiometer Prototype for Ocean Salinity Measurement

NIU Lijie①②LIU Hao①WU Lin①ZHANG Cheng①ZHAO Xin①WU Ji①YIN Xiaobin①

①(,,,100190,)②(,100049,)

Microwave Imager Combined Active and Passive (MICAP) is a new ocean salinity measure. The imager is composed of L, C, and K band radiometers and an L band scattermeter. The L band one dimensional synthetic aperture radiometer is a key part of MICAP, which is used to realize the high precision measurement of the ocean salinity. In order to demonstrate the concept and performance of MICAP, a ground-based prototype isdeveloped and experiments are carried out. This paper introduces the development and experimental results of the L band synthetic aperture radiometer in the MICAP prototype. For the first time, a method is proposed to correct the AD offset error of digital to analog correlation conversion by using the three level quantization means. These experimental studies provide technical preparation for both the future Chinese ocean salinity mission and the global water cycle observation mission.

Synthetic aperture radiometer; Three-level digital correlation; Ocean salinity

TP732.1

A

1009-5896(2017)08-1841-07

10.11999/JEIT161233

2016-11-14；

改回日期：2017-03-27；

2017-05-02

劉浩 liuhao@mirslab.cn

牛立杰： 男，1974年生，博士生，副研究員，研究方向為輻射計系統(tǒng)及定標(biāo)技術(shù).

劉 浩： 男，1978年生，研究員，研究方向為干涉式綜合孔徑輻射計的系統(tǒng)和信號處理.

武 林： 男，1985年生，工程師，研究方向為綜合孔徑輻射計系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理.

張 成： 男，1978年生，副研究員，研究方向為綜合孔徑輻射計系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理.

趙 鑫： 男，1983年生，工程師，研究方向為天線及毫米波、太赫茲技術(shù).

吳 季： 男，1958年生，研究員，主要從事微波遙感及空間探測方面研究.

殷曉斌： 男，1981年生，研究員，研究方向為物理海洋及海洋微波遙感.