微波辐射计定标注入噪声特性分析与校正

张 野 ，张升伟 ，何杰颖

（1.中国科学院微波遥感重点实验室国家空间科学中心，北京100190；2.中国科学院大学北京100049）

微波辐射计是一种被动式的微波遥感设备，它本身并不发射电磁波，而是通过被动接收观测场景的微波辐射来探测目标特性[1-2]。而定标是微波辐射计进行绝对测量的重要步骤之一，通过定标可以确定辐射计系统输出与所接收的目标亮温之间的传递关系，是辐射计数据定量化应用的基础，因此提高定标精度是辐射计测量研究的一项重要内容。

不同类型的微波辐射计采取不同的定标方式，对于星载辐射计通常采用在轨高低温两点定标[3]，低温参考源为宇宙冷空背景辐射，高温参考源通常为星载微波辐射计内置吸收黑体；而地基辐射计由于没有宇宙冷空背景的辐射作为低温参考，通常利用内置定标黑体和噪声源[4]注入噪声进行定标。

在本文中，介绍了一种K波段微波辐射计的系统结构和其定标方法。外置微波吸收黑体作为常温参考源，系统内置噪声源通过定向耦合器向接收机注入一定量的噪声从而得到定标的高温参考源。此外本文还从微波网络角度对接收机的注入噪声进行了分析与修正，使注入噪声的偏差在1K以内从而提高定标精度。

1 辐射计系统组成

图1为K波段地基微波辐射计的系统框图。它由天线，隔离器，噪声注入模块，接收机和数据采集控制模块构成。噪声注入模块由定向耦合器、开关和噪声源构成；数据采集控制模块由D/A转换器，A/D转换器和PC计算机构成，噪声源可通过定向耦合器向接收机的各个接收通道内注入一定量的噪声，为辐射计定标提供参考输入信号；数据采集控制模块对接收机单元输出的数据进行量化采集，并且可控制噪声注入模块开关的状态。

图1 噪声注入微波辐射计系统框图

K波段微波辐射计接收机共5个通道，其原理框图如图2所示。天线接收到的信号经过隔离器后在定向耦合器中与噪声源注入的噪声叠加在一起（当开关打开时注入的

是低温噪声，开关关闭时注入的是高温噪声）；射频低噪放大器对定向耦合器输出的信号进行放大处理后，由功分器分成五路功率信号输入至对应的五个接收通道内。每一接收通道内均设有带通滤波器、检波器、积分器和低频放大器。带通滤波器对功分器输出的功率信号进行选频后，由检波器将功率信号转变为直流电压信号，再经过积分器对该直流电压信号进行平滑处理，最后经过低频放大器将电压信号进行放大，以输出达到数字信号处理要求的信号。

图2 辐射计接收机原理框图

该地基辐射计可利用外置黑体和噪声源进行实时定标[5]；而接收机采用直接检波体制，由于不需要本振，从而降低了系统复杂度；接收机输入端安装低噪声放大器，从而降低了系统噪声温度，有利于提高接收机灵敏度。

2 非线性定标方法

微波辐射计要实现对观测目标的精确测量，需要对其进行定标。所谓定标就是通过对已知的或可控的输入响应的分析给出系统输入和输出的定量关系，亦即构造出辐射计电信号输出与接收到的辐射量值之间的定量关系。地基辐射计采用的定标方法可以分为两大类，一类是多点定标法[6]，另一类是针对窗区探测频率进行大气定标法[7-8]。理想的微波辐射计，系统输出与输入之间为线性关系，而实际的辐射计系统通常具有非线性特征。地基微波辐射计在建立系统输入与输出之间的传递关系时，可通过分别观测液氮冷源、液氮冷源加注入噪声、常温黑体、常温黑体加注入噪声，而求解系统的非线性因子[9]，这属于多点定标方法的一种，其具体方法如下：根据Plank定律，在微波波段辐射功率和亮度温度成正比关系，因而辐射计接收机输出电压和输入功率之间可以表示为

式（1）中，U为接收机的输出电压，G为辐射计系统的增益系数，TREC为接收机的等效噪声温度，TINJ为接收机等效注入噪声温度，TA为从馈源输入到接收机的噪声温度，α为辐射计系统的非线性因子。

定标时将天线对准外置液氮冷源，并分别关闭和打开噪声源，记录对应接收机单元输出的电压数值U1和U2，可以获得两组定标参考点Tc～U1和Tc+TINJ～U2；将天线对准常温环境下的黑体，并分别关闭和打开噪声源，记录对应接收机单元输出的电压数值U3和U4，可以获得另外两组定标参考点Th～U3和Th+TINJ～U4；将4组定标参考点代入公式（1），解方程得到4个未知量，即可获得微波辐射计的定标方程。

非线性定标方法的优点在于，它充分考虑接收机中检波二极管的非线性，从而可以有效的减少接收机的非线性对定标所造成的误差[10]。另外，辐射计系统的非线性因子α和等效注入噪声TINJ在确定后较长时间内不会发生变化，而接收机噪声温度TREC和增益G的漂浮可利用一外置黑体和噪声源而进行周期性校准，这样可以实时更新辐射计的定标方程从而提高定标精度。

3 噪声注入分析

3.1 系统辐射传输模型分析

非线性定标过程中天线分别对准液氮冷源和常温黑体，要求噪声源在这两种情况下向接收机注入的噪声是一致的，其注入噪声偏差需在1K以内，否则会影响式（1）中系统非线性因子α的求解从而导致辐射计定标精度下降。下面从微波网络[11-12]角度分析系统的噪声注入值。

图3 K波段辐射计的辐射传输模型

图3为K波段微波辐射计的辐射传输模型。τ1、τ2为天线和隔离器的传输系数，τ3和τ4分别为定向耦合器主路和支路的传输系数；M3为定向耦合器和接收机分界面的失配因子；Tin为外部观测亮温；Ta和Tb分别为天线和隔离器的物理温度；TN为定向耦合器支路的输入噪声温度；T1x为定向耦合器的噪声温度贡献；TR为在定向耦合器方向上接收机产生的噪声温度[13]。则公式（2）为开关打开时进入到接收机的有效噪声温度。

如图3所示，噪声注入模块中开关关闭会引起系统的以下参数发生变化：定向耦合器主路传输系数由τ3变为，支路传输系数由τ4变为；定向耦合器和接收机分界面的失配因子由M3变为；定向耦合器支路的输入噪声温度由TN变为；定向耦合器的噪声温度贡献由T1x变为T2x。公式（3）为开关关闭时进入到接收机的有效噪声温度。

由公式（2）和公式（3）可求得辐射计的有效注入噪声温度如公式（4）所示。假设辐射计系统温度恒定，公式（4）中除第一项外其余项皆可看作常量。若，则有效注入噪声温度Tinj会随着外部观测亮温Tin变化而变化，会导致噪声源向接收机注入的噪声值不一致从而影响式（1）中辐射计系统非线性因子α的求解。设k=τ3M3，称为噪声偏差系数，下面从微波网络角度分析定向耦合器传输模型中噪声偏差系数Δk。

3.2 定向耦合器微波网络分析

如图4所示，将定向耦合器视为一四端口微波网络[14]。端口1与噪声源开关连接，端口2与匹配负载连接，端口3与接收机连接，端口4与隔离器连接。定向耦合器各界面参数均在图4中标示。

图4 定向耦合器微波网络图

支路1传输系数τs1、界面3失配因子M3和界面1朝向噪声源的反射系数Γ1为

联立公式（5）和公式（6）可得

公式（7）中s11、s12、s21和s22均为噪声源开关的s参数，ΓL为噪声源的反射系数。噪声源开关打开时注入的是低温噪声，开关关闭时注入的是高温噪声，这两种状态下开关的s参数会发生变化。式（7）可知开关的s参数变化会引起反射系数Γ1发生变化；式（8）可知反射系数Γ1变化会引起，b3，a4均发生变化从而导致τs1M3变化为即为噪声偏差系数Δk，反射系数的变化ΔΓ1和噪声偏差系数Δk的关系如图5所示。

图5 Γ1变化对噪声偏差系数Δk的影响

由图5中可见，界面1朝向噪声源的反射系数Γ1。变化会影响噪声偏差系数Δk的值。例如耦合器的隔离度在20 dB时，Γ1模值发生0.1的变化，噪声偏差系数约为0.006；从图5中还可以看出耦合器的隔离度越大，相同ΔΓ1所对应的噪声偏差系数Δk模值越小。由公式（4）可推出

式（8）中ΔTin为注入噪声变化值，ΔTin为外部观测亮温的变化值。在辐射计定标过程中天线分别对准液氮冷源和常温黑体，外部观测亮温会存在200 K左右的差值，若噪声偏差系数Δk模值为0.01～0.02，则其造成的注入噪声偏差约为2～4 K。可见辐射计系统中，噪声注入模块开关的不同状态最终会导致噪声源的注入噪声值存在偏差，在工程实践中可选用隔离度大的定向耦合器或吸收式开关[15]来减小此注入噪声偏差；若注入噪声偏差过大则会对辐射计的非线性因子求解造成误差，对其进行修正是十分有必要的。

3.3 注入噪声修正

由公式（8）可得注入噪声变化值ΔTinj与外部观测亮温的变化值ΔTin存在线性关系，因此可以在非线性定标过程中用线性补偿的方法来修正接收机的噪声注入值，其具体方法如下：

1）分别记录天线对准液氮冷源T1和常温黑体T2时接收机的输出电压，并求得各自的ΔU值（ΔU为接收机因注入噪声引起的输出电压变化值），记作ΔU1和 ΔU2；计算系数 Δk'

2）注入噪声后根据外部观测亮温值对接收机的输出电压进行线性补偿。若外部观测亮温为Ta，该点的线性补偿为

3）运用公式（1）及其所述方法求得辐射计的非线性因子α和等效注入噪声值TINJ。

图6 噪声注入测量实验图

为验证线性补偿方法的可行性，将各器件按图6所示连接。使天线对准液氮冷源，将衰减器器依次旋转至不同衰减值从而改变辐射计接收机的有效输入噪声温度（相当于改变辐射计外部观测亮温值），在每个衰减点下记录因注入噪声而引起的接收机输出电压变化值ΔU。图7为K波段接收机各通道的注入噪声原始值、修正值和各自的偏差（为方便分析，已将ΔU值转化为ΔK）。

图7中可以看出，在未修正前，接收机各通道的注入噪声值会随着输入噪声温度的增大而减小，其偏差会在2K-8K左右，这说明开关的不同状态使式（8）中噪声偏差系数Δk小于0从而造成注入噪声值随外部观测亮温呈递减关系；经过修正后的注入噪声值基本一致，其偏差在0.5K左右，符合辐射计定标对注入噪声精度的要求；实验结果表明以理论分析为基础的线性补偿方法对接收机的注入噪声偏差修正起到良好的作用，因此可以在辐射计定标过程中将注入噪声值修正后与所述的非线性定标方法结合来提高辐射计的定标精度。

4 结论

K波段地基微波辐射计目的是全天候全天时探测大气湿度的垂直分布，为数值天气预报，人工降雨和飞行安全等提供重要的气象参数[16]。本文着重分析了K波段辐射计的系统结构和定标方法，并以微波网络为基础深入分析了接收机的注入噪声，发现噪声注入模块开关的不同状态最终会造成接收机噪声注入值存在偏差，即随着外部观测目标辐射亮温的不同而发生变化；为修正其造成的噪声注入偏差，本文在理论分析的基础上使用了线性补偿方法，从实验结果中可以看出，本文所采用的方法能够较好的修正接收机的注入噪声使其偏差在1K以内。

图7 各通道的注入噪声原始值和修正值

参考文献：

[1]乌拉比.微波遥感.第一卷，微波遥感基础和辐射测量学[M].北京：科学出版社，1988.

[2]雷连发，卢建平，朱磊，等.多通道地基微波辐射计大气遥感[J].遥感学报，2014（1）：180-191.

[3]刘高峰.星载微波成像辐射计定标方法比较和研究[J].微波学报，2012（S2）：440-442.

[4]董帅.L/C波段微波辐射计定标及有源微波冷噪声源研究[D].北京：中国科学院国家空间科学中心，2016.

[5]王振占，刘璟怡，张瑜，等.多波段微波辐射计现场定标方法研究[J].空间科学学报，2014（4）：474-482.

[6]叶辉.微波辐射计定标与误差分析[D].武汉：华中科技大学，2012.

[7]Li J M，Guo L X，Lin L K，et al.A New Method of Tipping Calibration for Ground-Based Microwave Radiometer in Cloudy Atm-osphere[J].IEEE Transactions on Geoscience&Remote Sensing，2014，52（9）：5506-5513.

[8]He J.Research on tipping calibration and exponent calibration based on LN2 for ground-based multichannel microwave radiometer[J].微波遥感部，2012（IGRASS）：4652-4655.

[9]何杰颖，张升伟.K波段微波辐射计通道优化和定标研究[J].电波科学学报，2012（5）：1012-1018.

[10]谷松岩，王振占，李靖，等.FY-3A/MWHS在轨辐射定标及结果分析[J].中国工程科学，2013（7）：92-100.

[11]Zeng X，Fhager A，Linner P，et al.Design and Per⁃formance Evaluation of a Time Doma-in Micro⁃wave Imaging System[J].Internation-al Journal of Microwave Science&Technolo-gy，2013，2013（5）：1-11.

[12]李宗谦，佘京兆，高葆新.微波工程基础[M].北京：清华大学出版社，2004.

[13]孙鸿雁，王文博，赵凯等.定标噪声源逆向辐射对微波辐射计的精度影响分析[J].北京邮电大学学报，2011（S1）：31-35.

[14]甘体国.毫米波工程[M].成都：电子科技大学出版社，2006.

[15]余小辉，杨树春，沈育蓉.pin组合开关在Ku波段多通道接收机中的应用[J].半导体技术，2013（7）：521-524.

[16]何杰颖，张升伟.地基和星载微波辐射计数据反演大气湿度[J].电波科学学报，2011，26（2）：362-368.