K波段微波輻射計通道優(yōu)化和定標(biāo)研究

何杰穎 張升偉

(1.中國科學(xué)院微波遙感重點實驗室 空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心，北京 100190； 2.中國科學(xué)院研究生院，北京 100190)

引 言

微波輻射計是一種被動式的微波遙感設(shè)備，被動接收觀測場景輻射的微波能量來探測目標(biāo)特征[1-2]。由于觀測目標(biāo)自身所輻射的微波能量是非相干的極其微弱的信號，這種信號比輻射計本身的噪聲功率小得多，所以微波輻射計實質(zhì)上是對靈敏度要求很高的接收機。根據(jù)熱輻射理論，任何溫度處于絕對零度以上的物體都存在熱輻射。由于物體本身的幾何特性和介電特性不同，不同物質(zhì)輻射強度會有差別[3]。

由于輻射計的工作環(huán)境特殊，不同類型和不同用途的微波輻射計采取不同的定標(biāo)方式。對于星載微波輻射計[4-5]，通常采用在軌高低溫兩點定標(biāo)，結(jié)合發(fā)射前熱真空定標(biāo)試驗確定的系統(tǒng)非線性特征進行修正，高溫參考源為星載吸收黑體，低溫參考源為宇宙冷空背景的微波輻射。地基微波輻射計的定標(biāo)與星載微波輻射計定標(biāo)具有相同的思路，但由于大氣衰減的影響，在地面沒有宇宙冷空背景可以利用，所以高溫參考源為內(nèi)定標(biāo)單元的噪聲輸入，低溫參考源為探測儀內(nèi)置的定標(biāo)黑體[6]。由于這兩個參考源的亮度溫度要高于探測目標(biāo)的亮度溫度，因此，產(chǎn)品出廠前確定系統(tǒng)的非線性特性是非常關(guān)鍵的工作。

大氣濕度與人們的日常生活息息相關(guān)，是氣象預(yù)報的最重要因素，同時也是軍事、科學(xué)研究、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域必須考慮的關(guān)鍵因素[7-8]。因此，利用地基多通道微波輻射計反演大氣溫濕度廓線具有重要的現(xiàn)實意義。

1 地基微波輻射計關(guān)鍵技術(shù)

1.1 接收機

地基微波輻射計K波段接收機共21個通道，采用超外差體制，包括接收機、射頻放大、混頻器、本振、帶通濾波器、平方率檢波器和積分器。天線接收到的目標(biāo)信號經(jīng)過混頻變換、中頻放大后進行檢波，再經(jīng)過視頻放大器積分后量化處理，如圖1所示。K波段利用單一的射頻及中頻信道實現(xiàn)多通道探測，本振信號不能通過單一頻率的連續(xù)波信號實現(xiàn)，必須采用頻率跳變的本振實現(xiàn)。這種接收機形式簡單，信道單一，在每個探測頻點上通道帶寬一致[9]。

圖1 超外差體制接收機原理框圖

1.2 接收機指標(biāo)

微波輻射計最重要的指標(biāo)是亮溫靈敏度和線性度，因為靈敏度決定了系統(tǒng)分辨最小目標(biāo)變化的能力，而線性度則決定了系統(tǒng)的非線性誤差。

1) 靈敏度

亮溫靈敏度ΔT(輻射分辨率)，又稱“噪聲等效亮溫差(NEDT)”，被定義為微波輻射計接收機能夠檢測到的最小天線溫度的變化，用下面的公式表示：

(1)

式中：B為檢波前帶寬；t為積分時間；G為檢波前增益； ΔG/G表示系統(tǒng)兩點定標(biāo)之間的增益穩(wěn)定度；Tsys為天線溫度TA與接收機等效溫度Trec之和。對于實時兩點定標(biāo)的輻射計系統(tǒng)，增益波動的影響基本消除。在系統(tǒng)噪聲一定的前提下，接收機帶寬越寬靈敏度越高，積分時間越長靈敏度越高。圖2(看1064頁)是K波段21通道高低溫目標(biāo)實測電壓值及不同積分時間的靈敏度，其中，積分器采用反相輸入型積分電路，電阻R和電容C確定時間常數(shù)為5 ms，其中輸入電阻為51 K.

2) 線性度

微波輻射計靈敏度與線性度測試方法如圖3所示。接收機與天線之間串入精密可調(diào)衰減器，通過改變衰減器的衰減系數(shù)來改變接收機的等效輸入噪聲溫度。

接收機的等效輸入噪聲溫度TIN為

(2)

式中：TN為低溫噪聲源亮度溫度；L為衰減系數(shù)；T0為環(huán)境溫度。低溫噪聲源使用經(jīng)過計量的俄制HWU-300型，當(dāng)噪聲源注入液氮并達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時其輸出亮度溫度為81 K，接收機線性度如圖4所示。

圖3 微波輻射計靈敏度與線性度測量示意圖

圖4 微波輻射計線性度測量結(jié)果

1.3 定標(biāo)單元

內(nèi)定標(biāo)單元由與接收機集成為一體的噪聲注入模塊和系統(tǒng)內(nèi)置定標(biāo)黑體組成，注入噪聲與內(nèi)置黑體為系統(tǒng)內(nèi)校準(zhǔn)提供穩(wěn)定的參考信號。

噪聲注入模塊如圖5所示，由一個噪聲源(噪聲二極管)、開關(guān)和用于噪聲信號注入的定向耦合器組成。其中噪聲源產(chǎn)生所需要的定標(biāo)噪聲信號； 開關(guān)用于實現(xiàn)噪聲信號通斷，技術(shù)實現(xiàn)上可以采用微波開關(guān)，也可以對噪聲源供電電源進行通斷控制，在對接收機(包括噪聲源)恒穩(wěn)措施的情況下，控制其電源通斷更有利于保證注入噪聲的穩(wěn)定；定向耦合器用于實現(xiàn)噪聲信號的饋入，饋入噪聲溫度為40～100 K.內(nèi)置定標(biāo)黑體，提供相當(dāng)于環(huán)境溫度的標(biāo)準(zhǔn)亮溫。

圖5 噪聲注入模塊

2 地基微波輻射計通道選擇

K波段輻射計接收機是21個通道，在反演大氣水汽密度廓線時，由于通道之間有一定的相關(guān)性，因此，只在K頻段范圍內(nèi)通道數(shù)的增加對反演精度的提高可能并不明顯，增加V波段通道會有助于反演精度的提高，但目前又受限于國內(nèi)V波段器件水平和成本。因此，只利用K頻段輻射計反演大氣水汽密度廓線時對通道頻率和通道數(shù)進行了優(yōu)化，具體優(yōu)化結(jié)果及反演均方差(RMS)見表1.

表1 K波段水汽通道頻率及通道數(shù)目優(yōu)化組合

優(yōu)化結(jié)果證明：探測通道頻率、數(shù)目與反演性能密切相關(guān)，在滿足權(quán)重函數(shù)近似均勻分布的前提下，分別討論了水汽5至10個通道的優(yōu)化組合，反演結(jié)果如表1所示。大氣溫濕度廓線反演RMS均隨著通道數(shù)目增多而減小，但訓(xùn)練時間也增長，且隨著通道個數(shù)增加，反演性能優(yōu)化能力逐漸減弱。在地基微波輻射計實際應(yīng)用時，綜合考慮各種組合的反演結(jié)果，選取組合4作為實際應(yīng)用。

3 地基微波輻射計定標(biāo)

微波輻射計要實現(xiàn)對觀測目標(biāo)的精確測量，需要對其進行定標(biāo)。所謂定標(biāo)，就是通過系統(tǒng)對已知或可控輸入的相應(yīng)分析給出系統(tǒng)輸入和輸出的定量關(guān)系。微波輻射計定標(biāo)就是用微波輻射計去接收微波輻射特征(亮度溫度)精確已知的定標(biāo)源的輻射信號以構(gòu)造出輻射計電信號輸出與接收到的輻射量之間的定量關(guān)系。定標(biāo)是輻射計數(shù)據(jù)定量化的基礎(chǔ)，是輻射計高質(zhì)量數(shù)據(jù)的依據(jù)和保障。

3.1 非線性定標(biāo)

接收機檢波線性度在指定范圍內(nèi)滿足線性度優(yōu)于0.999 96，但由于內(nèi)定標(biāo)噪聲注入模塊噪聲源溫度標(biāo)注不準(zhǔn)確和阻抗失配等，會導(dǎo)致接收工作區(qū)間呈非線性，且非線性誤差往往達(dá)到1 K量級。

噪聲源的超噪比為REN，單位為dB，定義為

(3)

所以

(4)

如果假設(shè)耦合器的耦合系數(shù)為α，單位為dB，則耦合的溫度ΔTH為

(5)

因此，噪聲源注入噪聲與超噪比和耦合系數(shù)密切相關(guān)，而耦合系數(shù)與超噪比、環(huán)境溫度及溫度梯度等密切相關(guān)，充分考慮噪聲源及阻抗匹配因素，內(nèi)定標(biāo)過程采用非線性定標(biāo)模式。

3.2 確定非線性因子

外定標(biāo)的目的就是在設(shè)備正常使用前確定系統(tǒng)輸入與輸出之間定標(biāo)關(guān)系，為實時觀測作準(zhǔn)備，具體外定標(biāo)過程采用液氮冷卻的定標(biāo)黑體以及位于天底點的常溫黑體。噪聲注入多點測量的非線性定標(biāo)方法優(yōu)點在于，它認(rèn)為地基微波輻射計不是一個理想的線性微波輻射計系統(tǒng)，充分考慮檢波二極管的功率的非線性特征，從而有效的減少或消除由檢波二極管功率的非線性特征造成的系統(tǒng)非線性誤差，非線性定標(biāo)曲線如圖6所示。

圖6 非線性定標(biāo)曲線

具體步驟為：根據(jù)Plank定律，在微波波段輻射功率與亮度溫度成正比關(guān)系，因而檢波輸出電壓與輸入功率之間可以表示為

U=G(Trec+Tinj+TA)α

(6)

式中：Trec為接收機噪聲溫度；Tinj為注入噪聲溫度；TA為天線溫度；G為檢波系數(shù)；α為非線性因子。天線觀測低溫和常溫黑體，可以獲得兩個定標(biāo)點Tc～U1和Th～U2，注入一定數(shù)值噪聲TN后可以獲得另外兩個定標(biāo)點Tc+TN～U3和Th+TN～U4，求解方程獲得包括Trec、G和α 3個定標(biāo)參數(shù)和注入噪聲TN的值。K波段21通道非線性定標(biāo)結(jié)果表2所示。

表2 K波段21通道非線性定標(biāo)結(jié)果

3.3 定標(biāo)系數(shù)誤差定量化分析

非線性定標(biāo)過程確定系統(tǒng)定標(biāo)方程的系數(shù)，在短時間內(nèi)假設(shè)系統(tǒng)非線性工作區(qū)間穩(wěn)定不變，從而可以利用定標(biāo)系數(shù)將實測電壓值轉(zhuǎn)換為亮溫值，實現(xiàn)周期定標(biāo)。因此，非線性定標(biāo)誤差是實時周期定標(biāo)誤差的主要來源。假設(shè)系統(tǒng)注入噪聲穩(wěn)定性滿足±5 K的偏差，則系統(tǒng)工作區(qū)間非線性因子和實測亮溫誤差分布如圖7所示。

(a) 情況1

(b) 情況2圖7 注入噪聲穩(wěn)定性對非線性度和實測亮溫的影響

由圖7可見，如果噪聲穩(wěn)定性較差，存在±5 K的偏差時，定標(biāo)系數(shù)會發(fā)生明顯變化，例如情況1：非線性因子α為0.90、注入噪聲TN=116.9、定標(biāo)亮溫TB=15.4 K時，非線性因子有0.02的偏差，實測亮溫誤差為2.5 K.而對于情況2:α=0.72、TN=25.4、TB=78.8 K時，非線性因子有0.015的偏差，實測亮溫誤差為8 K.

可見，對于地基微波輻射計系統(tǒng)，利用非線性定標(biāo)能夠減小或消除由于工作區(qū)間非線性產(chǎn)生的誤差，但此方法引入的定標(biāo)誤差仍是影響實測亮溫準(zhǔn)確性的主要因素。非線性定標(biāo)后對其進行進一步校正是十分必要的。

3.4 準(zhǔn)實時定標(biāo)

微波輻射計的內(nèi)定標(biāo)方式主要采用內(nèi)部的環(huán)境黑體定標(biāo)源的實時定標(biāo)實現(xiàn)。低端定標(biāo)源是參考負(fù)載溫度，另一個定標(biāo)源是參考負(fù)載加上耦合進來噪聲源溫度的和。接收機的輸入端通過開關(guān)周期地在天線單元和定標(biāo)單元之間切換就可以獲得實時定標(biāo)曲線。

3.5 周期校驗

周期校驗是針對地基微波輻射計運行一段時間后的周期性校驗和性能驗證，是保證設(shè)備數(shù)據(jù)準(zhǔn)確和可靠的基礎(chǔ)，包括液氮定標(biāo)和大氣定標(biāo)兩種。

1) 液氮定標(biāo)

周期校驗就是利用產(chǎn)品配套的外置低溫(液氮制冷)黑體進行周期為半年至一年的周期性檢驗維護，目的是對系統(tǒng)的非線性特征參數(shù)進行重新確認(rèn)，并將新的確認(rèn)結(jié)果輸入到探測儀運行軟件中，具體步驟與外定標(biāo)過程中利用多點亮溫變化確定與系統(tǒng)定標(biāo)曲線的非線性參數(shù)一致。

2) 大氣定標(biāo)

大氣定標(biāo)方法是對系統(tǒng)非線性定標(biāo)誤差進行校正的有效方法，主要適用于透明度高的K波段，定標(biāo)條件是晴朗無云且大氣均勻分層。大氣定標(biāo)的原理是下行大氣輻射隨著天頂角的變化而變化，而這個過程可以用模式來模擬[9]。通過對觀測數(shù)據(jù)的調(diào)整，使得它們滿足這個規(guī)律，從而得到關(guān)于輻射計系統(tǒng)響應(yīng)的方程，也就是大氣定標(biāo)的方程。

利用從測量的亮溫得出大氣光學(xué)厚度，而大氣光學(xué)厚度是大氣質(zhì)量的函數(shù)，這樣就可以得出定標(biāo)因子。把兩個不同角度θ1，θ2的亮溫值TDN(θ1)、TDN(θ2)變形為A1、A2.如果A1、A2用它們對應(yīng)的大氣質(zhì)量歸一化，t1=A1/a1，t2=A2/a2，那么理論上歸一化的光學(xué)厚度t1應(yīng)該等于t2.而其中的任何差異都是由于不正確的定標(biāo)引起的。為了減少測量的不確定因素，大氣定標(biāo)至少應(yīng)該在兩個角度以上。

4 地基大氣水汽密度反演結(jié)果

基于探空數(shù)據(jù)的預(yù)處理和大氣輻射傳輸模型，運用2008年5-12月的探空數(shù)據(jù)訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型[11，13]，加入地基微波輻射計(GMR)軟件運行系統(tǒng)，對2011年10月16日-10月27日實時觀測和反演結(jié)果進行分析，典型反演結(jié)果如圖8和9所示。地基微波輻射計通過觀測大氣微波輻射，轉(zhuǎn)化為0級數(shù)據(jù)—原始電壓值，經(jīng)過準(zhǔn)實時定標(biāo)，得到1級數(shù)據(jù)—亮溫值，從而利用已訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系數(shù)，可實時反演得到K波段接收機觀測到的大氣水汽密度廓線。

圖8 GMR神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反演的大氣水汽密度與探空資料相關(guān)對比圖

圖9 GMR神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反演的大氣水汽密度與探空資料對比示意圖

實驗證明：選取2008年5-12月共602組大氣廓線，包含晴天(無云和薄云)461組、云天141組，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型輸入?yún)?shù)為水汽通道亮溫、地表溫度、水汽密度和氣壓值。水汽密度反演均方差為0.52 g/m3，相關(guān)系數(shù)為0.965.可見，地基微波輻射計反演的水汽密度廓線與探空數(shù)據(jù)相比具有很好的一致性。為了驗證神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反演方法的可靠性和有效性，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型與目前普遍使用的線性統(tǒng)計回歸模型進行比較，統(tǒng)計樣本與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)一致，輸入?yún)?shù)為各水汽通道亮溫值，經(jīng)過獨立測試樣本驗證，線性回歸方法反演均方差為0.902 g/m3，相關(guān)系數(shù)為0.845.兩種方法對比結(jié)果如圖10和11所示。結(jié)果證明：地面至10 km，垂直分辨率為200 m，GMR采用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的反演性能優(yōu)于統(tǒng)計回歸算法。

圖10 線性回歸與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反演的大氣水汽密度與探空資料對比

圖11 線性遞歸與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反演大氣水汽密度與探空資料均方差

圖10中，線性回歸方法只利用水汽通道亮溫值，而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法除采用水汽通道亮溫值外，輸出參數(shù)還包括地表溫度、氣壓和水汽密度，結(jié)果證明，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法反演得到的水汽密度值與探空儀測量值分布基本一致，而線性回歸法反演值則偏差較大。

地基微波輻射計反演結(jié)果的誤差來源于很多方面，也是不可避免的。如① 微波輻射計神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反演誤差；② 兩種探測方式的輸出數(shù)據(jù)在高度上存在誤差；③ 探空數(shù)據(jù)因氣球水平位移帶來誤差；④ 微波輻射計校準(zhǔn)不及時帶來誤差；⑤ 固定的探測時間帶來誤差；⑥ 探空數(shù)據(jù)帶來的系統(tǒng)誤差。

5 結(jié) 論

地基微波輻射計K波段接收機目的是全天候全天時探測大氣濕度的垂直分布(水汽廓線)，為數(shù)值天氣預(yù)報、氣候變化研究和環(huán)境監(jiān)測提供重要參數(shù)，從而提高中、長期數(shù)值天氣預(yù)報，以及天氣預(yù)報的準(zhǔn)確性。著重分析了K波段水汽通道頻率和個數(shù)的優(yōu)化組合，并選取最優(yōu)模式進行非線性定標(biāo)以及大氣定標(biāo)校正非線性定標(biāo)系數(shù)，消除了由于噪聲注入及阻抗失配引起的接收機檢波非線性。對北京地區(qū)2011年10月16日-10月27日水汽密度廓線的實時反演精度做了分析，為日后此系列地基微波輻射計定標(biāo)和數(shù)據(jù)反演工作奠定了基礎(chǔ)。

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