综合孔径微波辐射计接收机通道阵列幅度误差对反演亮温的影响分析

陈娜

摘 要：综合孔径微波辐射计的出现有效地解决了原有辐射计在微波低频段空间分辨率与天线物理尺寸间的固有矛盾， 但接收机通道阵列幅度误差的存在仍然会引起干涉测量结果的改变，使反演成像结果变差。本文设计了一维综合孔径微波辐射计理想通道仿真系统，同时给出通道幅度误差引入方案，给定两种观测场景，通过仿真得到通道幅度误差服从均匀分布和正态分布时对反演亮温的影响， 能对系统的优化设计起到理论指导作用。

关键词：综合孔径；微波辐射计；接收通道；幅度误差；仿真；成像

1 引言

为了改善微波辐射计的性能，人们将射电天文学中的孔径综合技术引入到了微波辐射计的设计中，它利用复相关接收技术，将天线阵列有效的稀疏了，从而提高了系统的空间分辨率。综合孔径微波辐射计的关键技术包括两个方面：一是基线设计和组合，以及相应的反演成像算法；二是高速干涉测量技术【1】。综合孔径辐射计成像系统一般是由天线阵列及扫描器，接收机，数字信号处理器和图象显示器等器件构成。接收机是成像系统中非常重要的一个组成部分，它主要功能是测量天线输出的微弱的电平信号，也就是场景热辐射信号经天线接收的辐射功率的变化。接收机基本结构包括天线、高频前端和I/Q解调，如果是数字I/Q解调还需进行A/D采样。其中高频前端由射频放大、混频、本振和中频放大组成。

2 接收机通道阵列幅度误差分析

接收通道阵列由于各接收通道采用的射频和中频组件都是模拟器件，导致硬件上不可能完全相同和物理上不完全隔绝产生各通道的相位、幅度具有不一致特性和通道间有串扰现象。这种不一致特性和串扰是通道间误差的主要体现方式【2】。

理想情况下，所有通道的增益应该都是一样的，当通道增益不一致时我们称该通道幅度不平衡。接收通道的幅度误差来源分两种情况：

a）当为模拟相关或者多比特相关时，其幅度误差来源为各接收机通道的增益不一致性。因为接收机放大器、滤波器等射频和中频组件都是模拟器件，故很难使各信道的幅度特性做到完全一致。

b）当为1比特相关时，其误差来源主要为接收机的本底噪声。

第一种情况下误差分析：

理想情况下，考虑两个通道。此时经两通道获得的互相关函数为：

3 仿真

3.1 仿真条件

本次仿真以一维综合孔径微波辐射计理想通道仿真系统为平台，以仿真作为主要手段，分别对两种观测场景下，各通道误差服从均匀分布和正态分布时对反演准确度的影响进行了仿真分析。

天线：16单元最小冗余阵

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

θ角离散等分：1000；

最小基线间距：0.5λc；

3.2 仿真结果

1点源天空场景下，幅度误差服从均匀分布和正态分布时对反演准确度的影响如图3.1和图3.2所示：

对比图3.1和图3.2：

（1）幅度误差服从均匀分布时与反演亮温相对误差成线性关系，正态分布时为非线性关系；

（2）幅度误差均匀分布时反演亮温相对误差均值和方差斜率分别为：82.16和13.09，如果知道误差类型和误差标准差的情况下，可以很方便的算出对应的反演亮温相对误差的均值和方差；正态分布时，δA≤0.1dB对反演亮温影响比较小，δA≥0.1dB对亮温的影响陡增，进行硬件设计时应根据需求控制幅度误差的控制；

（3）对比两种误差分布可以看出：幅度误差服从不同分布时对反演亮温的影响是不相同的

2点源阶梯场景下，幅度误差服从均匀分布和正态分布时对反演准确度的影响如图3.3和图3.4所示：

比图3.3和图3.4我们可以得到如下结论：

（1）不同观测场景，幅度误差均匀分布与反演亮温相对误差成线性关系；

（2）点源阶梯场景下，幅度误差均匀分布时反演亮温相对误差均值和方差斜率分别为：12.99和2.32；

（3）不同观测场景下，幅度误差为同种误差类型时对反演亮温的影响不相同。

3.3 仿真结果分析

为了使接收机通道阵列误差分析更具有普遍性，对两种观测场景下，各通道误差服从均匀分布和正态分布同种通道误差、同种误差类型和误差加入方式，进行多次随机抽样，获得多组实验数据，提取实验数据的统计特性，可得反演亮温相对误差的均值和方差。通过多次仿真获得各种通道误差对反演亮温相对误差的影响关系曲线。分析仿真结果我们可以看出：

（1）幅度误差对反演精度的影响受误差类型和观测场景亮温分布的影响，不同误差类型和观测场景幅度误差对反演精度的影响是不相同的；

（2）不同场景下，误差均匀分布时，幅度误差与反演亮温相对误差成线性变化关系；误差正态分布时，幅度误差与反演亮温相对误差成线性变换关系；

（3）误差正态分布时，幅度误差δA≤0.1dB时对反演亮温影响比较小，但当通道误差对反演结果的影响大于限定的值对反演亮温的影响都会急剧增加。

本文通过仿真的形式给出了点源天空场景和点源阶梯场景下，接收机通道幅度误差与反演亮温相对误差的关系曲线，能对实际误差分析工作和系统的通道幅度误差分配起到理论指导作用。

参考文献

[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]紀志浩，辐射计接收系统的非线性影响及改正方法，1996，中国科学院上海天文台，pp265