基于ADS的全極化微波輻射計建模仿真

摘 要： 全極化微波輻射計是一種用于海洋表面風場測量的新型被動微波遙感器，主要對水平極化和垂直極化分量進行自相關和互相關處理。針對全極化微波輻射計接受到的數字信號高帶寬高采樣率的特點，基于ADS軟件平臺對全極化微波輻射計進行了系統仿真，重點針對通道和相位不平衡對極化分量的測量影響進行了理論分析和仿真測試，并對結果誤差進行了簡要分析。

關鍵字： 全極化； ADS； 極化分量； 通道和相位不平衡

中圖分類號： TN911.7?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）15?0014?03

Modeling and ADS?based simulation of full polarimetric microwave radiometer

DANG Peng?ju， CHEN Wen?xin， LI Hao

（Academy of Space Information System， Xi’an 710000， China）

Abstract： Full polarimetric microwave radiometer is a novel passive microwave remote sensor applied to measuring the surface wind field of the ocean， mainly executing autocorrelation and cross?correlation processing of horizontally and vertically polarized components. According to the characteristics of high bandwidth and high sampling rate digital signal received by full polarimetric microwave radiometer， a system simulation of full polarimetric microwave radiometer was carried out based on ADS software platform. The influence of imbalance between channel and phase on the measurement polarization components is analyzed theoretically and corresponding simulative test is performed. The final error is also analyzed briefly.

Keywords： full polarimetric； ADS； polarization component； channel and phase imbalance

0 引 言

海洋表面風場的研究在海洋學以及氣候學中有重要的意義。以往傳統的微波輻射計，對信號的水平極化和垂直極化分量進行測量，這樣只能得到海面風速，而不能確定海面風向。全極化微波輻射計使用多路相關技術，對垂直極化和水平極化分量進行自相關和互相關處理，由兩路信號的相關性能夠產生反演海面風場模型的第三和第四個Stokes參量，從而可以實現全球海面風場的測量，既能測量海面風速，又能確定海面風向。將修正后的Stokes矢量元素以亮溫K作為單位，可以表示為[1]：

[TB=IQUV=Tv+ThTv-ThT45°+T-45°Tl-Tr=λ2kB×ηEv2Eh22ReEvE?h2ImEvE?h] （1）

式中：[TB]是亮度溫度；[Ev]和[Eh]分別是垂直和水平方向的輻射電場的復振幅；[λ]是波長；[η]是介質阻抗；[kB]是Boltzmann常數。[T±45°]為±45°線極化分量亮度溫度，[Tl]和[Tr]分別為左旋圓極化以及右旋圓極化分量亮度溫度。本文基于ADS軟件平臺，對全極化微波輻射計系統進行建模仿真。

1 全極化微波輻射計仿真模型

1.1 全極化微波輻射計仿真原理

相關型全極化微波輻射計原理框圖如圖1所示，主要組成部分包括雙極化天線系統﹑超外差雙通道接收機以及相關運算模塊。

雙極化天線接收來自目標場景的部分極化微波輻射，通過正交模式變換器（OMT）將其變換為正交極化的信號分別送入接收機水平極化和垂直極化通道輸入端口。超外差雙通道接收機利用低噪放大器（LNA）和射頻濾波器對輸入信號進行放大及濾波處理，然后采用同一本振信號將信號混頻至中頻并進行中頻濾波以及放大處理，便得到中頻帶通信號。最后進行平方律檢波和復相關處理。每個通道的中頻帶通信號經功分器后分為兩路進行相關運算。

圖1 相關型全極化微波輻射計模型原理框圖

1.2 仿真模型參數設置

全極化輻射計接收機仿真模型主要技術指標見表1。

對于超外差雙通道接收機部分，假設兩通道對應元件參數設置均一致，各個元器件都可在ADS軟件配有的DSP設計界面中直接調用。在仿真模型建立中，由于接收機噪聲系數主要取決于第一級放大器，可將接收機噪聲等效至正交通道輸入端，將LNA噪聲系數和增益分別設置為2.5 dB和37 dB，設置射頻濾波器中心頻率﹑3 dB帶寬以及損耗分別為10.7 GHz﹑400 MHz和1.5 dB。中頻濾波器中心頻率﹑3 dB帶寬以及損耗分別設置為200 MHz﹑300 MHz和1 dB，中頻放大器1增益設置為66 dB。總仿真時間和仿真步長分別為3.6 ms和0.9 ns，將輸入噪聲信號溫度值設置為高斯分布[2]。

表1 全極化輻射計接收機仿真模型主要技術指標

[技術指標＼參數及值＼頻率 /GHz＼10.7＼極化方式＼V，H，U，Q＼接收機形式＼SSB＼帶寬 /MHz＼300＼接收機噪聲系數 /dB＼2.5＼亮溫測量范圍 /K＼3～330＼]

1.3 通道互耦和相位不平衡對各分量測量影響[3]

1.3.1 通道互耦對各分量測量影響

將信號由高頻變至中頻的過程中，由于要使用相同的本振，因此使得兩通道間存在互耦，即某一通道的一部分信號會進入另一通道，這樣會直接影響后續的相關計算。假設濾波器輸出信號為：

[vout，v=k1（GvEv+Aej?GhEh），k1（GvEv+Aej?GhEh）] （2）

將上式展開可得：

[vout，v=k21G2vEv，E*v+k21GvGhAe-j?Ev，E*h+k21GvGhAej?Eh，E*v+k21G2hA2Eh，E*h] （3）

根據瑞斯?瓊斯近似公式可將上式轉換成為亮溫表示形式：

[Tv′=k21G2vTv+k21GvGhA2e-j?（T3+jT4）+k21GvGhA2ej?（T3-jT4）+k21G2hA2Th=k21G2vTv+k21GvGhAcos?T3+k21GvGhAsin?T4+k21A2G2hTh] （4）

由式（4）可以看出，垂直極化亮溫[Tv′]除了受輸入端原始亮溫[Tv]的影響，還受到其他三個Stokes亮溫參數串擾的影響。串擾增益項除了接收機通道自身的增益外，還包含互耦因子的幅度與相位。用一個偏移項[Ov]表示接收機噪聲對[Tv′]的影響，將亮溫表達式重新寫為：

[Tv′=k21G2vTv+k21A2G2hTh+k21GvGhAcos?T3+k21GvGhAsin?T4+Ov] （5）

和垂直極化相似，水平極化分量亮溫測量值也可寫類似的形式，兩者綜合為：[Tv′=GvvTv+GvhTh+Gv3T3+Gv4T4+OvTh′=GhvTv+GhhTh+Gh3T3+Gh4T4+Oh] （6）

式中：[Gm，nm=v，h；n=v，h，3，4]為各亮溫增益項；[On]為各通道噪聲引起的偏移量。

進入復相關器的兩路正交信號為：

[Ev′=k2（GvEv+Aej?GhEh）Eh′=k3（GhEh+Aej?GvEv）] （7）

復相關器輸出為：

[Ev′，Eh′?=k2（GvEv+Aej?GhEh），k3（GhEh+Aej?GvEv）*=k2k3GvGhEv，E*h+k2k3Ae-j?G2vEv，E*v+k2k3Aej?G2hEh，E*h+k2k3A2GvGhEh，E*v] （8）

將上式轉換為亮溫表示形式并簡化得：

[T3′+jT4′=k2k3GvGh（T3+jT4）+2k2k3Ae-j?G2vTv+2k2k3Aej?G2hTh+k2k3A2GvGh（T3-jT4）=2k2k3AG2vcos?Tv+2k2k3AG2hcos?Th+k2k3GvGh1+A2T3+j-2k2k3AG2vTvsin?+2k2k3AG2hThsin?++k2k3GvGh1-A2T4] （9）

由上式可知，極化分量[T3′]和[T4′]的亮溫測量值不僅受到原始亮溫[T3]和[T4]的影響，還受正交極化亮溫[Tv]和[Th]的串擾影響，上式可以簡化為：

[T3′=G3vTv+G3hTh+G33T3T4′=G4vTv+G4hTh+G44T4] （10）

其中[Gi，j]（[i=3，]4；[j=v，h，]3，4）表示各極化分量亮溫增益，包括通道自身增益[i=j]以及通道間串擾增益（[i≠j]）。

1.3.2 相位不平衡對各分量測量影響

假設兩正交通道的平均相位差為[Δφ]，則進入復相關器的兩路正交信號分別為：

[Ev′=k2GvEvejΔφEh′=k3GhEh] （11）

復相關器輸出信號為：[Ev′，Eh′?=k2GvEv，k3GhEh*ejΔφ=k2k3GvGhEv，E*hejΔφ] （12）

轉換為亮溫表達式為：

[T3′+jT4′=k2k3GvGh（T3+jT4）（cosΔφ+jsinΔφ）=k2k3GvGh（T3cosΔφ-T4sinΔφ）+j（T3sinΔφ+T4cosΔφ）]

（13）

由式（13）可以看出，極化分量亮溫測量值[T3′]和[T4′]分別受到原始亮溫[T4]和[T3]串擾影響。

1.3.3 通道互耦和相位不平衡對各分量測量影響

當兩個正交通道間互耦和相位不平衡同時存在時，最終的復相關運算結果為：

[T3′+jT4′=G3vTv+G3hTh+G33T3+jG4vTv+G4hTh+G44T4ejΔφ=G3vcosΔφ-G4vsinΔφTv+G3hcosΔφ-G4hsinΔφTh+ G33cosΔφT3-G44sinΔφT4+ jG3vsinΔφ+G4vcosΔφTv+G3hsinΔφ+G4hcosΔφTh+]

[ G33sinΔφT3+G44cosΔφT4] （14）

類似于式（7）和式（11）并考慮到極化通道噪聲的影響，將上式進一步簡寫為：

[T3′=G3v′Tv+G3h′Th+G33′T3+G34′T4+O3T4′=G4v′Tv+G4h′Th+G43′T3+G44′T4+O4] （15）

式中[Gm，n′]（[m=3，]4；[n=v，][h，]3，4）表示在通道互耦以及相位不平衡下各極化通道的自身增益[（m=n）]和串擾增益項[（m≠n）]。

根據以上表達式可以得出，每個極化分量亮溫除了受到輸入端原始亮溫影響，而且都受到其他三個極化分量亮溫測量值的影響[4]。

2 仿真輸出結果及誤差分析

在相對風向角度分別為50°時，模擬的Stokes亮溫矢量為[5]：

[T=158.773.1251.105-0.2834]

將該矢量注入上述全極化微波輻射計模型，通道相位不平衡時，各通道輸出電壓見表2。

由表2可以看出，通道相位不平衡對垂直極化分量和水平極化分量的測量結果沒有影響，對[T3]分量的測量結果影響較小，但對[T4]分量的測量結果影響較大。由表中數據可以得出：當相位差達為2.5°時，[T3]分量的測量誤差為1.1%，[T4]分量的測量誤差為17.2%。當相位差達到10°時，[T3]分量的測量誤差為2.9%，而[T4]分量的測量誤差則達到了69.7%。可見通道相位不平衡對分量測量結果影響是不容忽視的。

表2 相位不平衡時各通道輸出電壓

[相位差

/（°）＼各通道輸出電壓＼[Tv]＼[Th]＼[T3]＼[T4]＼0＼576.5 mV＼448.7 mV＼-631.9 μV＼159.2 μV＼2.5＼576.5 mV＼448.7 mV＼-638.4 μV＼131.8 μV＼5＼576.5 mV＼448.7 mV＼-643.7 μV＼104.1 μV＼7.5＼576.5 mV＼448.7 mV＼-647.7 μV＼76.18 μV＼10＼576.5 mV＼448.7 mV＼-650.5 μV＼48.15 μV＼]

當只有通道互耦或通道互耦和相位不平衡同時存在時，各通道輸出電壓見表3。

表3 只有通道互耦或通道互耦和相位不平衡

同時存在時各通道輸出電壓

[互耦度＼各通道輸出電壓＼幅度 /dB＼相位 /（°）＼[Tv]＼[Th]＼[T3]＼[T4]＼10＼0＼595.9 mV＼462.6 mV＼323.5 mV＼40.47 μV＼20＼0＼580.8 mV＼454.3 mV＼101.9 mV＼43.70 μV＼30＼0＼576.9 mV＼449.2 mV＼31.80 mV＼43.81 μV＼40＼0＼576.5 mV＼448.7 mV＼9.629 mV＼43.76 μV＼＼50＼0＼576.5 mV＼448.7 mV＼2.620 mV＼43.73 μV＼2.5＼576.5 mV＼448.7 mV＼2.617 mV＼26.10 μV＼5＼576.5 mV＼448.7 mV＼2.607 mV＼8.510 μV＼7.5＼576.5 mV＼448.7 mV＼2.592 mV＼-9.017 μV＼10＼576.5 mV＼448.7 mV＼2.571 mV＼-26.44 μV＼]

由表3可以看出，當信道中只存在互耦時，對四個矢量的測量結果均有影響，對[T3]分量和[T4]分量的測量結果影響較大，對其他兩個分量的測量結果影響較小。由表中數據可以得出：當信道互耦度為20 dB時，垂直極化分量和水平極化分量的測量誤差分別為0.75%、1.3%，[T4]分量的測量誤差為72.6%，而[T3]分量的測量誤差則非常大。

分析以上數據還可以看出：當互耦度為50 dB時，垂直極化分量和水平極化的輸出結果和無信道互耦時是相同的，其實在互耦度為40 dB時就已經非常接近了，在此通道上再加上相位不平衡，對這兩個分量的測量結果依舊沒有任何影響。但對[T3]分量和[T4]分量的測量結果影響就非常大了，再加上相位不平衡測量結果誤差更是超出很多。由表中數據可以看出，此時[T3]分量和[T4]分量的數值已經遠遠超出原測量值了。

3 結 語

本文基于ADS軟件平臺對相關型全極化微波輻射計接收機進行建模仿真。分析了通道互耦、通道相位不平衡對極化分量的測量影響。最后向模型中加入通道互耦、通道相位不平衡因素，使仿真模型盡可能逼近于實際系統，這有助于后續結合定標精度要求分析系統因素對定標精度的影響，也為星載微波輻射計提供了一條在地面上重復試驗分析性能，進而為定標方案的硬件投產提供指導，以達到上星運行要求的有效途徑。

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