基于漏波天線的分布式微波輻射計

李鵬飛, 盧海梁, 韓 濤, 黨鵬舉, 李一楠, 李 浩, 呂容川

(中國航天科技集團公司第五研究院西安分院, 陜西 西安 710100)

0 引 言

溫度高于絕對零度(0 K)的物體都會產生非相干電磁輻射,物體的這種非相干電磁輻射亦稱為熱輻射。物體在微波頻段的電磁輻射稱為微波輻射,或稱微波熱輻射。微波輻射計主要用于測量物體的微波輻射,其不發射信號,也不依賴于其他發射源的信號,并且具有全天時、準全天候(可穿透云層、濃霧、小雨和煙塵等)的特點,可穿透地表、植被以及人體等一定深度,可以提供紅外、可見光等手段不能提供的信息,在大氣海洋遙感與災害監測、月球與深空探測、制導、安檢、醫療和科學研究等領域有廣泛的應用。

當前,用于大氣海洋遙感的微波輻射計主要有實孔徑微波輻射計和綜合孔徑微波輻射計。實孔徑微波輻射計需要機械轉臺實現觀測幅寬,極大地增加了系統的體積和重量,由于天線的物理尺寸決定了系統的空間分辨率,因此高空間分辨率需要更大口徑的天線,這也同時增加了系統的體積和重量,因此,為了緩解實孔徑微波輻射計體積、重量和空間分辨率間的矛盾,綜合孔徑微波輻射計應運而生。綜合孔徑微波輻射計采用稀疏的小口徑天線陣列合成一個等效的大口徑天線,從而提高空間分辨率,可有效降低天線的體積與重量,且無需機械掃描即可實現對整個視場的凝視成像,為提高被動微波遙感的空間分辨率提供了一種可行的途徑。但是,綜合孔徑技術的分辨率優勢是以系統復雜度和信號處理的復雜度為代價的,對于大型綜合孔徑系統,由于陣元數目過多,系統結構和信號處理將非常復雜,大陣列系統帶來的質量增大以及慣性動量增大等制約了綜合孔徑輻射計的系統規模,進一步限制了其系統性能。

為了緩解傳統實孔徑微波輻射計中性能指標與體積、重量間的矛盾,解決綜合孔徑微波輻射計中空間分辨率與系統結構、信號處理復雜度高的難題,本文提出一種基于漏波天線的分布式微波輻射計系統。該系統的基本思想是:利用頻掃天線的“頻率-方向掃描”的特性,構造一個基于漏波天線的實孔徑微波輻射計,根據“頻率”-“指向”-“亮溫”-“像素”的關系,實現對一個小范圍場景的亮溫成像;之后,將一組基于漏波天線的實孔徑微波輻射計按照一定規則分布,進而實現對一定寬度范圍內場景的亮溫成像。

該系統相對于傳統的實孔徑微波輻射計而言,無需機械掃描,緩解了實孔徑微波輻射計系統的關鍵性能指標與系統體積、重量、工藝難度間的矛盾;該系統相對于綜合孔徑微波輻射計而言,只需要少許漏波天線和接收機單元，且信號處理復雜度較低,極大緩解了系統關鍵性能指標與系統復雜度、信號處理復雜度間的矛盾。

1 系統總體方案

基于頻掃天線的波束指向隨工作頻率變化的特性,提出了一種基于漏波天線的分布式微波輻射計系統。

本章主要具體介紹一種基于漏波天線的分布式微波輻射計系統。首先,簡單介紹了頻掃天線的相關知識,隨后,重點介紹了基于漏波天線的分布式微波輻射計系統的天線方案和接收機方案。

1.1 頻掃天線

頻掃天線的研究最早可以追溯到20世紀50年代,60年代初軍事領域已有應用頻掃雷達天線技術設計的設備。根據頻率掃描天線的原理,其波束指向隨工作頻率的變化而發生改變。

從20世紀七八十年代開始,頻掃天線越來越多地被研究,其實現形式主要有兩種:一種是利用漏波天線形成掃描波束;另一種為利用慢波線結構來形成掃描波束。當前,由于漏波天線的窄波束、頻率掃描、寬帶寬、制造簡單等優點,廣泛應用于通信、雷達等領域。

漏波天線是一類典型的行波天線,自從Hansen在1940年提出最早的漏波天線以來,就一直是天線領域的研究重點之一,并已在微波與毫米波波段得到重要應用。而且將毫米波頻掃天線用于被動毫米波成像技術具有不可替代的優勢,通過頻率掃描天線的頻率與天線波束空間位置的對應關系,可以有效減少饋源天線的數量,同時也可以實現只用一個接收機就能完成對空間的掃描,極大地降低了成本,因此具有廣闊的應用前景。

1.2 天線方案

1.2.1 漏波天線的基本單元

假設微波輻射計系統的帶寬為,要求的角分辨率為,觀測視場為,因此觀測視場范圍為(-2°,2°)。在此情況下,要求漏波天線的角分辨率同樣為,掃描角度范圍大小為,如圖1所示。

圖1 漏波天線掃描角度示意圖Fig.1 Scanning angle diagram of leaky wave antenna

漏波天線在掃描角度范圍內的掃描波束個數為,則可得到與角分辨率和掃描角度范圍的關系如下:

=

(1)

圖2給出了一種典型的矩形漏波天線結構示意圖,矩形縫隙沿著波導上表面的中心軸線分布,電場輻射的最大主波束方向與Z軸的夾角為,通過用不同的頻率進行激勵,天線主波束隨著工作頻率的變化進行波束的掃描,從而實現對目標的觀測。

圖2 矩形漏波天線結構圖Fig.2 Structure of rectangular leaky wave antenna

122 漏波天線結構

基于單個頻掃天線的特征,針對微波輻射計系統要求,提出了一種基于漏波天線的分布式天線陣列方案,如圖3所示。每一個天線單元是一個頻掃天線,掃描角度范圍為,角分辨率為,在掃描角度范圍內波束個數為,整個分布式陣列由個漏波天線組成一個扇形,每個漏波天線獨立實現對角度范圍內的觀測,個漏波天線單元掃描區域獨立且連續,=·則整個分布式天線陣列觀測角度為·,視場即有

=·

(2)

圖3 漏波天線扇形結構圖Fig.3 Sector structure of leaky wave antenna

在工作時,通過調整漏波天線的接收頻率,使得天線的方向圖依次按照順序實現從左到右(或從右到左)的掃描,所有漏波天線的波束掃描時序一致,其對應的在地面(場景)的掃描示意圖如圖2所示。當一次掃描周期完成后,則可實現對視場范圍(-2°,2°)的全掃描成像。

在地球遙感中,該基于漏波天線的分布式微波輻射計系統通過頻掃實現交軌方向的掃描成像,通過衛星的運行,實現順軌方向的推掃。從理論上講,提出的漏波天線的分布式微波輻射計系統的交軌方向的幅寬不受限制,只要增加漏波天線單元的個數,則可實現對場景的寬視場掃描成像。此外,當要求的漏波天線的角分辨率較高,且工作頻率較低時(L波段或C波段),單個漏波天線單元的物理尺寸較大,多個漏波天線單元組成的扇形結構物理尺寸較大,不利于衛星的裝載,因此需要對這種扇形的天線結構分布進行變形,即每個漏波天線的指向不變,但均移到一個軸上,沿著軸向依次排列,類似于“糖葫蘆”的結構,這種結構分布降低了天線陣列的橫向物理尺寸,但增加了天線陣列的縱向物理尺寸,適用于低頻段天線。

1.3 接收機方案

基于頻掃天線的分布式微波輻射計系統最大的特點則是利用漏波天線的天線方向圖指向隨工作頻率的變化可實現對角度范圍內場景的掃描。對于整個系統帶寬而言,在后端需要將整個帶寬細分份來實現對角度范圍內場景的掃描。

針對這一問題,給出了3種接收機方案:① 本振掃頻,分時采集各個子帶,實現對單個波束范圍內場景微波噪聲信號的提取;② 功分器+窄帶濾波器,實現同時采集子帶所對應的波束范圍內場景的微波噪聲信號的提取;③ 高速采集器+數字信號處理,通過高速數據采集獲取帶寬內的噪聲信號,在數字域通過快速傅里葉變換(fast Fourier transform, FFT)將整個帶寬細分,同時提取所有子帶波束范圍內場景的微波噪聲信號。下面將分別具體討論上述3種接收機方案。

131 本振頻掃(分時分頻)

如圖4所示,給出了一種本振掃描、分時分頻的接收機方案,本振通過變頻、1分功分器功分至路接收機混頻器,混頻輸出的中頻信號通過一個帶寬為的窄帶濾波器,進而獲取每個頻率子帶所對應的波束范圍內的噪聲信號。假設天線對應的掃描帶寬為±2,濾波器的帶寬為±2,則變頻本振依次輸出為-+(-12+12)+,∈(0,1,…,-1),最終每路接收機依次(分時)輸出的每個頻率子帶所對應的波束范圍內的噪聲信號。最后,通過定標可實現對觀測視場(-2°,2°)范圍內的亮溫圖像。圖4中,LNA為低噪聲放大器,PA為功率放大器。

圖4 本振掃描接收機方案框圖Fig.4 Local oscillator scanning receiver scheme

132 子帶劃分(硬劃分)

如圖5所示,給出了一種中頻子帶劃分的接收機方案。在這種方案中,本振是固定頻率,中頻輸出至一個1:路功分器,功分器端口連接一個帶寬為的窄帶濾波器,且每個濾波器的中心頻點依次為-(12-12)+,∈(0,1,…,-1),對于每一路接收機而言,最終通過濾波器輸出的信號依次覆蓋了帶寬的噪聲信號,每個濾波器輸出的中頻信號對應于一個波束范圍內場景的熱輻射噪聲信號。對于這種接收機方案,由于是實時子帶劃分,能夠同時獲取單個漏波天線帶寬所對應的波束范圍內的各窄波束內場景的熱輻射噪聲信號,但后端需要的濾波器、功分器、平方律檢波器和積分器的數目較多,這種系統結構以系統的復雜度換取觀測場景的實時獲取。

圖5 中頻子帶劃分接收機方案框圖Fig.5 Intermediate frequency subband partition receiver scheme

133 數字子帶劃分(軟劃分)

如圖6所示,給出了數字中頻頻譜子帶劃分的方案。與方案2不同的是,方案3中頻輸出直接連接一個帶寬的帶通濾波器,隨后連接一個放大器,接著連接一個高速采集器,將帶寬內的噪聲信號采集量化為數字信號,數據處理器對數字信號進行傅里葉變換,在頻域進行頻譜細分,分離出不同波束所對應的頻率范圍內的噪聲信號。該方案同方案2一樣,同樣可同時獲取漏波天線掃描角度范圍內場景的各波束所對應場景的噪聲信號;但相比方案2,降低了系統硬件的復雜度,增加了系統信號處理的復雜度。圖中ADC為模數轉換器。

圖6 數字中頻頻譜子帶劃分接收機方案框圖Fig.6 Digital intermediate frequency spectrum subband partition receiver scheme

134 方案比較

表1從4個方面對3個方案進行了比較。

表1 方案比較

2 關鍵指標

在微波輻射計系統中,角分辨率和系統靈敏度是系統的兩項關鍵指標。下面將討論提出的基于漏波天線的分布式微波輻射計系統的空間分辨率和系統靈敏度。

2.1 角分辨率

在基于本文漏波天線的分布式微波輻射計系統中,角分辨率取決于單個漏波天線的3 dB波束寬度。1979年,Menzel首先指出可以利用微帶在高階模式時的泄露特性制造天線。微帶漏波天線輻射特性可以用漏波傳播系數=-來說明,其中為漏波相位系數,為漏波衰減系數。說明天線單位長度向外輻射能量的多少,與天線主波束的半功率波瓣寬度有線性關系:

(3)

為漏波天線的掃描角度,而當滿足<1(=2π為自由空間波數)時,微帶漏波天線工作于第一高階模,能量以空間波的形式向外輻射,主波束在法線方向和端射方向之間掃描。

2.2 系統靈敏度

實孔徑微波輻射計主要參數:系統帶寬,角分辨率,觀測視場為[-2°,2°],假設掃描時間為1 s,則單個波束(一個像素點)的駐留時間(積分時間)為=1()=,假設系統溫度為,則系統的靈敏度為

(4)

對于頻掃天線,系統帶寬為,角分辨率為,整個漏波天線多通道輻射計系統的觀測視場為[-2°,2°],單元個數為,則單個頻掃天線的掃描角度為,假設在帶寬內掃描,則頻掃天線一個波束的帶寬為=·(),一次掃描時間為1 s,則單個波束的積分時間為=1[()]==。

則系統的靈敏度為

(5)

針對第23節提出的3種接收機方案,分析各自的系統靈敏度。

假設系統帶寬為,系統溫度為,角分辨率為,帶寬細分為份,觀測視場為[-2°,2°],單元個數為,掃描時間為,頻掃天線一個波束的帶寬為=·()。

對于本振頻掃方案,每個接收機分時采集各個子帶信息,因此每個接收機的積分時間為=()[()]=,則系統的靈敏度為

(6)

對于子帶劃分和數字子帶劃分方案,每個接收機采集的信息是一樣的,后端只是用模擬和數字兩種方法來實現,因此這兩種方案的靈敏度從理論上講是一樣,每個接收機的積分時間為=[()]=。

(7)

由公式(6)和(7)可以得到

(8)

3 定標方案

在地球遙感中,最終要獲得的是定量化遙感數據,因此,定標在微波輻射計中是非常重要的一環,最終關系到遙感數據的數據質量。在微波輻射計中,最常用的定標方法是兩點定標,利用兩個精確已知的輸入量(定標源)確定輻射計系統的線性關系。針對提出的基于漏波天線的分布式微波輻射計系統,提出了內定標和外定標兩種定標方案,下面將分別詳細介紹。

3.1 內定標方案

如圖7所示,內定標方案主要是在內部天線輸出端口加入一個定標開關,依次切換至溫度精確已知的低溫源和高溫源,進而確定系統的輸入輸出線性關系。假設系統輸入輸出關系如下所示:

=+

(9)

圖7 內定標方案示意圖Fig.7 Internal calibration scheme

假設內部定標高溫源和低溫源精確已知,分別為和,輸出的電壓值分別為和,即有

=+

(10)

=+

(11)

由此可得

(12)

(13)

當觀測的場景輸出的電壓值為,即有=+,由此可得

(14)

由于和的值已知,則獲取場景的亮溫值。

3.2 外定標方案

外定標方案是在天線口面對輻射計系統進行定標,其定標方法同海洋二號衛星微波輻射計、風云三號衛星微波溫度計、SMAP(soil moisture active and passive)、Windsat、Aquarius衛星的微波輻射計的定標方法是相同的,采用冷空和熱源作為定標源,如圖8所示,旋轉臂兩端分別安裝熱源和冷空反射鏡,通過旋轉結構的旋轉,周期依次實現對各個漏波天線的定標,定標方程同上述內定標方程類似,在此就不再贅述了。

圖8 外定標方案示意圖Fig.8 External calibration scheme

4 體制對比分析

對比基于漏波天線分布式微波輻射計系統、實孔徑微波輻射計系統和綜合孔徑微波輻射計系統,在相同空間分辨率和系統靈敏度下,從系統的天線尺寸、系統結構復雜度、信號處理復雜度、工程實現難度、造價成本、體積、重量、功耗、可靠性等方面進行比較和論證。

實孔徑微波輻射計的分辨率約為

(15)

綜合孔徑微波輻射計的分辨率為

(16)

基于漏波天線分布式微波輻射計的分辨率為

(17)

式中:為波長;為實孔徑天線的口徑;為掃描角度。從上面分析可以看到,綜合孔徑微波輻射計的分辨率取決于其每個天線單元在空間頻率域的采樣,=2+1,為最長基線的長度,因此相同天線口徑下,綜合孔徑微波輻射計的分辨率約為實孔徑微波輻射計的兩倍,基于漏波天線的微波輻射計的分辨率與其掃描角度有關,經過合適的選取,理論上和實孔徑微波輻射計是一樣。

實孔徑微波輻射計的系統靈敏度為

(18)

綜合孔徑微波輻射計的系統靈敏度為

(19)

基于漏波天線分布式微波輻射計的系統靈敏度為

(20)

式中：為綜合孔徑天線單元個數；為陣列的尺寸;為每個單元的尺寸。當足夠大時,就變成實孔徑微波輻射計,實孔徑微波輻射計的靈敏度要優于綜合孔徑微波輻射計,當=時,實孔徑微波輻射計和基于漏波天線的分布式微波輻射計的靈敏度相當。

從系統結構復雜度、信號處理復雜度、工程實現難度、成本和功耗進行分析,由于綜合孔徑微波輻射計由多路單通道組成,和雷達里的數字波束形成類似,其系統結構復雜度和信號處理復雜度遠遠高于實孔徑微波輻射計和基于漏波天線的分布式微波輻射計。在工程實現難度、成本和功耗方面也是遠遠高于實孔徑微波輻射計和基于漏波天線的分布式微波輻射計。

從重量、體積和可靠性進行分析,天線作為重量和體積的決定性因素,為了實現一定的分辨率和幅寬,實孔徑微波輻射計的天線口徑一般較大并且需要伺服轉動,綜合孔徑輻射計由多個稀疏小口徑天線陣列合成一個等效的大口徑天線,天線重量和體積較小,且不需要轉動,對地凝視觀測,因此可靠性優于實孔徑微波輻射計,基于漏波天線的分布式微波輻射計是由幾個實孔徑天線經過排列,通過改變工作頻率,得到對應的分辨率和幅寬,因此重量和體積大大減小,可靠性大大提高。

基于相同的分辨率和靈敏度,對其性能指標進行分析，分析結果如表2所示。

表2 體制對比分析

從綜合分析來看,基于漏波天線的分布式微波輻射計相比于實孔徑微波輻射計無需機械掃描,大大增加了系統可靠性,相比于綜合孔徑微波輻射計,只需要少許的天線和接收鏈路,大大減少了系統結構復雜度和處理復雜度,因此未來可以作為一種新類型的輻射計系統進行發展。

5 仿真分析

根據漏波天線的分布式微波輻射計系統的“頻率-方向指向”特性進行仿真分析,仿真一維場景的原始亮溫在100 K～150 K～230 K的變化,如圖9所示。

圖9 一維原始亮溫圖Fig.9 One-dimensional original brightness temperature

單個漏波天線微波輻射計系統的天線方向圖如圖10所示。

圖10 漏波天線方向圖Fig.10 Pattern of leaky wave antenna

對于漏波天線的微波輻射計系統,系統的響應就是天線在各個方位角下的方向圖信息與場景亮溫在對應“頻率-方向”的指向進行卷積積分的過程,基于漏波天線系統的輸出響應如圖11所示。

圖11 基于漏波天線系統輸出響應Fig.11 Output response based on leaky wave antenna system

通過漏波天線微波輻射計系統觀測熱定標源和冷定標源進行外定標,如圖12所示,得到基于漏波天線微波輻射計系統反演出的亮溫值,與實際場景的亮溫值作對比。

圖12 實際場景和漏波系統定標的大變化亮溫圖Fig.12 Large variation brightness temperature diagram of actual scene and leaky wave system

由圖13可以得到反演的亮溫值與實際亮溫值相減的殘差峰峰值在[-0.68 K,0.42 K],誤差的std為0.12 K。由于在一維原始場景中存在亮溫在100 K～150 K～230 K突變以及天線方向圖旁瓣的影響,所以在亮溫突變的地方誤差會增大,并產生了Gibbs效應,跟實際反演出的亮溫殘差一樣,即在對應的角度下反演的亮溫的誤差也較大。這與目前在軌的微波輻射計(海洋二號,風云三號)一樣,在海陸交界處亮溫反演誤差較大。

圖13 大變化亮溫殘差圖Fig.13 Large variation brightness temperature residuals

仿真一維場景的原始亮溫從220 K到230 K的變化如圖14所示。反演出的亮溫值，與實際場景的亮溫值作對比圖如15所示。

圖14 一維原始小變化亮溫圖Fig.14 One-dimensional original small variation brightness temperature

圖15 實際場景和漏波系統定標的小變化亮溫圖Fig.15 Small variation brightness temperature diagram of actual scene and leaky wave system

如假設原始場景亮溫只有一個10 K的變化,如圖16所示,可以得到反演的亮溫值與實際亮溫值相減的殘差峰峰值在[-0.04 K,0.05 K],誤差的標準差為0.009 K,基本跟原始亮溫值一樣。

圖16 小變化亮溫殘差圖Fig.16 Small variation brightness temperature residuals

6 總 結

本文將漏波天線的“頻率-波束指向”特性應用于被動微波輻射測量領域,基于漏波天線的分布式微波輻射計系統無需機械掃描,極大地提升了系統的可靠性,同時降低了系統體積、重量和成本等,并且系統結構簡單、復雜度較低、信號處理簡單等。同時對基于漏波天線的微波輻射計系統進行了建模仿真。仿真表明此系統反演出亮溫和真實亮溫值在外界場景不劇烈變化的情況下誤差的標準差僅為0009 K,也證明了此方案的可行性,可以作為一種新型的微波輻射計系統重點發展。