陳娜

摘 要：綜合孔徑微波輻射計(jì)的出現(xiàn)有效地解決了原有輻射計(jì)在微波低頻段空間分辨率與天線物理尺寸間的固有矛盾， 但接收機(jī)通道陣列幅度誤差的存在仍然會引起干涉測量結(jié)果的改變，使反演成像結(jié)果變差。本文設(shè)計(jì)了一維綜合孔徑微波輻射計(jì)理想通道仿真系統(tǒng)，同時(shí)給出通道幅度誤差引入方案，給定兩種觀測場景，通過仿真得到通道幅度誤差服從均勻分布和正態(tài)分布時(shí)對反演亮溫的影響， 能對系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)起到理論指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：綜合孔徑；微波輻射計(jì)；接收通道；幅度誤差；仿真；成像

1 引言

為了改善微波輻射計(jì)的性能，人們將射電天文學(xué)中的孔徑綜合技術(shù)引入到了微波輻射計(jì)的設(shè)計(jì)中，它利用復(fù)相關(guān)接收技術(shù)，將天線陣列有效的稀疏了，從而提高了系統(tǒng)的空間分辨率。綜合孔徑微波輻射計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)包括兩個(gè)方面：一是基線設(shè)計(jì)和組合，以及相應(yīng)的反演成像算法；二是高速干涉測量技術(shù)【1】。綜合孔徑輻射計(jì)成像系統(tǒng)一般是由天線陣列及掃描器，接收機(jī)，數(shù)字信號處理器和圖象顯示器等器件構(gòu)成。接收機(jī)是成像系統(tǒng)中非常重要的一個(gè)組成部分，它主要功能是測量天線輸出的微弱的電平信號，也就是場景熱輻射信號經(jīng)天線接收的輻射功率的變化。接收機(jī)基本結(jié)構(gòu)包括天線、高頻前端和I/Q解調(diào)，如果是數(shù)字I/Q解調(diào)還需進(jìn)行A/D采樣。其中高頻前端由射頻放大、混頻、本振和中頻放大組成。

2 接收機(jī)通道陣列幅度誤差分析

接收通道陣列由于各接收通道采用的射頻和中頻組件都是模擬器件，導(dǎo)致硬件上不可能完全相同和物理上不完全隔絕產(chǎn)生各通道的相位、幅度具有不一致特性和通道間有串?dāng)_現(xiàn)象。這種不一致特性和串?dāng)_是通道間誤差的主要體現(xiàn)方式【2】。

理想情況下，所有通道的增益應(yīng)該都是一樣的，當(dāng)通道增益不一致時(shí)我們稱該通道幅度不平衡。接收通道的幅度誤差來源分兩種情況：

a）當(dāng)為模擬相關(guān)或者多比特相關(guān)時(shí)，其幅度誤差來源為各接收機(jī)通道的增益不一致性。因?yàn)榻邮諜C(jī)放大器、濾波器等射頻和中頻組件都是模擬器件，故很難使各信道的幅度特性做到完全一致。

b）當(dāng)為1比特相關(guān)時(shí)，其誤差來源主要為接收機(jī)的本底噪聲。

第一種情況下誤差分析：

理想情況下，考慮兩個(gè)通道。此時(shí)經(jīng)兩通道獲得的互相關(guān)函數(shù)為：

3 仿真

3.1 仿真條件

本次仿真以一維綜合孔徑微波輻射計(jì)理想通道仿真系統(tǒng)為平臺，以仿真作為主要手段，分別對兩種觀測場景下，各通道誤差服從均勻分布和正態(tài)分布時(shí)對反演準(zhǔn)確度的影響進(jìn)行了仿真分析。

天線：16單元最小冗余陣

天線排列方式：[0 1 2 5 10 15 26 37 48 59 70 76 82 88 89 90]

θ角離散等分：1000；

最小基線間距：0.5λc；

3.2 仿真結(jié)果

1點(diǎn)源天空場景下，幅度誤差服從均勻分布和正態(tài)分布時(shí)對反演準(zhǔn)確度的影響如圖3.1和圖3.2所示：

對比圖3.1和圖3.2：

（1）幅度誤差服從均勻分布時(shí)與反演亮溫相對誤差成線性關(guān)系，正態(tài)分布時(shí)為非線性關(guān)系；

（2）幅度誤差均勻分布時(shí)反演亮溫相對誤差均值和方差斜率分別為：82.16和13.09，如果知道誤差類型和誤差標(biāo)準(zhǔn)差的情況下，可以很方便的算出對應(yīng)的反演亮溫相對誤差的均值和方差；正態(tài)分布時(shí)，δA≤0.1dB對反演亮溫影響比較小，δA≥0.1dB對亮溫的影響陡增，進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)需求控制幅度誤差的控制；

（3）對比兩種誤差分布可以看出：幅度誤差服從不同分布時(shí)對反演亮溫的影響是不相同的

2點(diǎn)源階梯場景下，幅度誤差服從均勻分布和正態(tài)分布時(shí)對反演準(zhǔn)確度的影響如圖3.3和圖3.4所示：

比圖3.3和圖3.4我們可以得到如下結(jié)論：

（1）不同觀測場景，幅度誤差均勻分布與反演亮溫相對誤差成線性關(guān)系；

（2）點(diǎn)源階梯場景下，幅度誤差均勻分布時(shí)反演亮溫相對誤差均值和方差斜率分別為：12.99和2.32；

（3）不同觀測場景下，幅度誤差為同種誤差類型時(shí)對反演亮溫的影響不相同。

3.3 仿真結(jié)果分析

為了使接收機(jī)通道陣列誤差分析更具有普遍性，對兩種觀測場景下，各通道誤差服從均勻分布和正態(tài)分布同種通道誤差、同種誤差類型和誤差加入方式，進(jìn)行多次隨機(jī)抽樣，獲得多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，提取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)特性，可得反演亮溫相對誤差的均值和方差。通過多次仿真獲得各種通道誤差對反演亮溫相對誤差的影響關(guān)系曲線。分析仿真結(jié)果我們可以看出：

（1）幅度誤差對反演精度的影響受誤差類型和觀測場景亮溫分布的影響，不同誤差類型和觀測場景幅度誤差對反演精度的影響是不相同的；

（2）不同場景下，誤差均勻分布時(shí)，幅度誤差與反演亮溫相對誤差成線性變化關(guān)系；誤差正態(tài)分布時(shí)，幅度誤差與反演亮溫相對誤差成線性變換關(guān)系；

（3）誤差正態(tài)分布時(shí)，幅度誤差δA≤0.1dB時(shí)對反演亮溫影響比較小，但當(dāng)通道誤差對反演結(jié)果的影響大于限定的值對反演亮溫的影響都會急劇增加。

本文通過仿真的形式給出了點(diǎn)源天空場景和點(diǎn)源階梯場景下，接收機(jī)通道幅度誤差與反演亮溫相對誤差的關(guān)系曲線，能對實(shí)際誤差分析工作和系統(tǒng)的通道幅度誤差分配起到理論指導(dǎo)作用。

參考文獻(xiàn)

[1]B.Picard，E. .Anterrieu. Comparison of regularized inversion methods in synthetic aperture imaging radiometry. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing， 2005， 43（2）： 218～224

[2]紀(jì)志浩，輻射計(jì)接收系統(tǒng)的非線性影響及改正方法，1996，中國科學(xué)院上海天文臺，pp265