微波輻射計定標注入噪聲特性分析與校正

張 野 ，張升偉 ，何杰穎

（1.中國科學院微波遙感重點實驗室國家空間科學中心，北京100190；2.中國科學院大學北京100049）

微波輻射計是一種被動式的微波遙感設備，它本身并不發射電磁波，而是通過被動接收觀測場景的微波輻射來探測目標特性[1-2]。而定標是微波輻射計進行絕對測量的重要步驟之一，通過定標可以確定輻射計系統輸出與所接收的目標亮溫之間的傳遞關系，是輻射計數據定量化應用的基礎，因此提高定標精度是輻射計測量研究的一項重要內容。

不同類型的微波輻射計采取不同的定標方式，對于星載輻射計通常采用在軌高低溫兩點定標[3]，低溫參考源為宇宙冷空背景輻射，高溫參考源通常為星載微波輻射計內置吸收黑體；而地基輻射計由于沒有宇宙冷空背景的輻射作為低溫參考，通常利用內置定標黑體和噪聲源[4]注入噪聲進行定標。

在本文中，介紹了一種K波段微波輻射計的系統結構和其定標方法。外置微波吸收黑體作為常溫參考源，系統內置噪聲源通過定向耦合器向接收機注入一定量的噪聲從而得到定標的高溫參考源。此外本文還從微波網絡角度對接收機的注入噪聲進行了分析與修正，使注入噪聲的偏差在1K以內從而提高定標精度。

1 輻射計系統組成

圖1為K波段地基微波輻射計的系統框圖。它由天線，隔離器，噪聲注入模塊，接收機和數據采集控制模塊構成。噪聲注入模塊由定向耦合器、開關和噪聲源構成；數據采集控制模塊由D/A轉換器，A/D轉換器和PC計算機構成，噪聲源可通過定向耦合器向接收機的各個接收通道內注入一定量的噪聲，為輻射計定標提供參考輸入信號；數據采集控制模塊對接收機單元輸出的數據進行量化采集，并且可控制噪聲注入模塊開關的狀態。

圖1 噪聲注入微波輻射計系統框圖

K波段微波輻射計接收機共5個通道，其原理框圖如圖2所示。天線接收到的信號經過隔離器后在定向耦合器中與噪聲源注入的噪聲疊加在一起（當開關打開時注入的

是低溫噪聲，開關關閉時注入的是高溫噪聲）；射頻低噪放大器對定向耦合器輸出的信號進行放大處理后，由功分器分成五路功率信號輸入至對應的五個接收通道內。每一接收通道內均設有帶通濾波器、檢波器、積分器和低頻放大器。帶通濾波器對功分器輸出的功率信號進行選頻后，由檢波器將功率信號轉變為直流電壓信號，再經過積分器對該直流電壓信號進行平滑處理，最后經過低頻放大器將電壓信號進行放大，以輸出達到數字信號處理要求的信號。

圖2 輻射計接收機原理框圖

該地基輻射計可利用外置黑體和噪聲源進行實時定標[5]；而接收機采用直接檢波體制，由于不需要本振，從而降低了系統復雜度；接收機輸入端安裝低噪聲放大器，從而降低了系統噪聲溫度，有利于提高接收機靈敏度。

2 非線性定標方法

微波輻射計要實現對觀測目標的精確測量，需要對其進行定標。所謂定標就是通過對已知的或可控的輸入響應的分析給出系統輸入和輸出的定量關系，亦即構造出輻射計電信號輸出與接收到的輻射量值之間的定量關系。地基輻射計采用的定標方法可以分為兩大類，一類是多點定標法[6]，另一類是針對窗區探測頻率進行大氣定標法[7-8]。理想的微波輻射計，系統輸出與輸入之間為線性關系，而實際的輻射計系統通常具有非線性特征。地基微波輻射計在建立系統輸入與輸出之間的傳遞關系時，可通過分別觀測液氮冷源、液氮冷源加注入噪聲、常溫黑體、常溫黑體加注入噪聲，而求解系統的非線性因子[9]，這屬于多點定標方法的一種，其具體方法如下：根據Plank定律，在微波波段輻射功率和亮度溫度成正比關系，因而輻射計接收機輸出電壓和輸入功率之間可以表示為

式（1）中，U為接收機的輸出電壓，G為輻射計系統的增益系數，TREC為接收機的等效噪聲溫度，TINJ為接收機等效注入噪聲溫度，TA為從饋源輸入到接收機的噪聲溫度，α為輻射計系統的非線性因子。

定標時將天線對準外置液氮冷源，并分別關閉和打開噪聲源，記錄對應接收機單元輸出的電壓數值U1和U2，可以獲得兩組定標參考點Tc～U1和Tc+TINJ～U2；將天線對準常溫環境下的黑體，并分別關閉和打開噪聲源，記錄對應接收機單元輸出的電壓數值U3和U4，可以獲得另外兩組定標參考點Th～U3和Th+TINJ～U4；將4組定標參考點代入公式（1），解方程得到4個未知量，即可獲得微波輻射計的定標方程。

非線性定標方法的優點在于，它充分考慮接收機中檢波二極管的非線性，從而可以有效的減少接收機的非線性對定標所造成的誤差[10]。另外，輻射計系統的非線性因子α和等效注入噪聲TINJ在確定后較長時間內不會發生變化，而接收機噪聲溫度TREC和增益G的漂浮可利用一外置黑體和噪聲源而進行周期性校準，這樣可以實時更新輻射計的定標方程從而提高定標精度。

3 噪聲注入分析

3.1 系統輻射傳輸模型分析

非線性定標過程中天線分別對準液氮冷源和常溫黑體，要求噪聲源在這兩種情況下向接收機注入的噪聲是一致的，其注入噪聲偏差需在1K以內，否則會影響式（1）中系統非線性因子α的求解從而導致輻射計定標精度下降。下面從微波網絡[11-12]角度分析系統的噪聲注入值。

圖3 K波段輻射計的輻射傳輸模型

圖3為K波段微波輻射計的輻射傳輸模型。τ1、τ2為天線和隔離器的傳輸系數，τ3和τ4分別為定向耦合器主路和支路的傳輸系數；M3為定向耦合器和接收機分界面的失配因子；Tin為外部觀測亮溫；Ta和Tb分別為天線和隔離器的物理溫度；TN為定向耦合器支路的輸入噪聲溫度；T1x為定向耦合器的噪聲溫度貢獻；TR為在定向耦合器方向上接收機產生的噪聲溫度[13]。則公式（2）為開關打開時進入到接收機的有效噪聲溫度。

如圖3所示，噪聲注入模塊中開關關閉會引起系統的以下參數發生變化：定向耦合器主路傳輸系數由τ3變為，支路傳輸系數由τ4變為；定向耦合器和接收機分界面的失配因子由M3變為；定向耦合器支路的輸入噪聲溫度由TN變為；定向耦合器的噪聲溫度貢獻由T1x變為T2x。公式（3）為開關關閉時進入到接收機的有效噪聲溫度。

由公式（2）和公式（3）可求得輻射計的有效注入噪聲溫度如公式（4）所示。假設輻射計系統溫度恒定，公式（4）中除第一項外其余項皆可看作常量。若，則有效注入噪聲溫度Tinj會隨著外部觀測亮溫Tin變化而變化，會導致噪聲源向接收機注入的噪聲值不一致從而影響式（1）中輻射計系統非線性因子α的求解。設k=τ3M3，稱為噪聲偏差系數，下面從微波網絡角度分析定向耦合器傳輸模型中噪聲偏差系數Δk。

3.2 定向耦合器微波網絡分析

如圖4所示，將定向耦合器視為一四端口微波網絡[14]。端口1與噪聲源開關連接，端口2與匹配負載連接，端口3與接收機連接，端口4與隔離器連接。定向耦合器各界面參數均在圖4中標示。

圖4 定向耦合器微波網絡圖

支路1傳輸系數τs1、界面3失配因子M3和界面1朝向噪聲源的反射系數Γ1為

聯立公式（5）和公式（6）可得

公式（7）中s11、s12、s21和s22均為噪聲源開關的s參數，ΓL為噪聲源的反射系數。噪聲源開關打開時注入的是低溫噪聲，開關關閉時注入的是高溫噪聲，這兩種狀態下開關的s參數會發生變化。式（7）可知開關的s參數變化會引起反射系數Γ1發生變化；式（8）可知反射系數Γ1變化會引起，b3，a4均發生變化從而導致τs1M3變化為即為噪聲偏差系數Δk，反射系數的變化ΔΓ1和噪聲偏差系數Δk的關系如圖5所示。

圖5 Γ1變化對噪聲偏差系數Δk的影響

由圖5中可見，界面1朝向噪聲源的反射系數Γ1。變化會影響噪聲偏差系數Δk的值。例如耦合器的隔離度在20 dB時，Γ1模值發生0.1的變化，噪聲偏差系數約為0.006；從圖5中還可以看出耦合器的隔離度越大，相同ΔΓ1所對應的噪聲偏差系數Δk模值越小。由公式（4）可推出

式（8）中ΔTin為注入噪聲變化值，ΔTin為外部觀測亮溫的變化值。在輻射計定標過程中天線分別對準液氮冷源和常溫黑體，外部觀測亮溫會存在200 K左右的差值，若噪聲偏差系數Δk模值為0.01～0.02，則其造成的注入噪聲偏差約為2～4 K?？梢娸椛溆嬒到y中，噪聲注入模塊開關的不同狀態最終會導致噪聲源的注入噪聲值存在偏差，在工程實踐中可選用隔離度大的定向耦合器或吸收式開關[15]來減小此注入噪聲偏差；若注入噪聲偏差過大則會對輻射計的非線性因子求解造成誤差，對其進行修正是十分有必要的。

3.3 注入噪聲修正

由公式（8）可得注入噪聲變化值ΔTinj與外部觀測亮溫的變化值ΔTin存在線性關系，因此可以在非線性定標過程中用線性補償的方法來修正接收機的噪聲注入值，其具體方法如下：

1）分別記錄天線對準液氮冷源T1和常溫黑體T2時接收機的輸出電壓，并求得各自的ΔU值（ΔU為接收機因注入噪聲引起的輸出電壓變化值），記作ΔU1和 ΔU2；計算系數 Δk'

2）注入噪聲后根據外部觀測亮溫值對接收機的輸出電壓進行線性補償。若外部觀測亮溫為Ta，該點的線性補償為

3）運用公式（1）及其所述方法求得輻射計的非線性因子α和等效注入噪聲值TINJ。

圖6 噪聲注入測量實驗圖

為驗證線性補償方法的可行性，將各器件按圖6所示連接。使天線對準液氮冷源，將衰減器器依次旋轉至不同衰減值從而改變輻射計接收機的有效輸入噪聲溫度（相當于改變輻射計外部觀測亮溫值），在每個衰減點下記錄因注入噪聲而引起的接收機輸出電壓變化值ΔU。圖7為K波段接收機各通道的注入噪聲原始值、修正值和各自的偏差（為方便分析，已將ΔU值轉化為ΔK）。

圖7中可以看出，在未修正前，接收機各通道的注入噪聲值會隨著輸入噪聲溫度的增大而減小，其偏差會在2K-8K左右，這說明開關的不同狀態使式（8）中噪聲偏差系數Δk小于0從而造成注入噪聲值隨外部觀測亮溫呈遞減關系；經過修正后的注入噪聲值基本一致，其偏差在0.5K左右，符合輻射計定標對注入噪聲精度的要求；實驗結果表明以理論分析為基礎的線性補償方法對接收機的注入噪聲偏差修正起到良好的作用，因此可以在輻射計定標過程中將注入噪聲值修正后與所述的非線性定標方法結合來提高輻射計的定標精度。

4 結論

K波段地基微波輻射計目的是全天候全天時探測大氣濕度的垂直分布，為數值天氣預報，人工降雨和飛行安全等提供重要的氣象參數[16]。本文著重分析了K波段輻射計的系統結構和定標方法，并以微波網絡為基礎深入分析了接收機的注入噪聲，發現噪聲注入模塊開關的不同狀態最終會造成接收機噪聲注入值存在偏差，即隨著外部觀測目標輻射亮溫的不同而發生變化；為修正其造成的噪聲注入偏差，本文在理論分析的基礎上使用了線性補償方法，從實驗結果中可以看出，本文所采用的方法能夠較好的修正接收機的注入噪聲使其偏差在1K以內。

圖7 各通道的注入噪聲原始值和修正值

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