基于 ADS 的全极化微波辐射计建模仿真

基于 ADS 的全极化微波辐射计建模仿真
党鹏举;陈文新;李浩
【摘要】全极化微波辐射计是一种用于海洋表面风场测量的新型被动微波遥感器，主要对水平极化和垂直极化分量进行自相关和互相关处理。

针对全极化微波辐射计接受到的数字信号高带宽高采样率的特点，基于 ADS 软件平台对全极化微波辐射计进行了系统仿真，重点针对通道和相位不平衡对极化分量的测量影响进行了理论分析和仿真测试，并对结果误差进行了简要分析。

%Full polarimetric microwave radiometer is a novel passive microwave remote sensor applied to measuring the surface wind field of the ocean,mainly executing autocorrelation and cross⁃correlation processing of horizontally and vertically polarized components. According to the characteristics of high bandwidth and high sampling rate digital signal received by full polarimetric microwave radiometer,a system simulation of full polarimetric microwave radiometer was carried out based on ADS software platform. The influence of imbalance between channel and phase on the measurement polarization components is analyzed theoretically and corresponding simulative test is performed. The final error is also analyzed briefly.
【期刊名称】《现代电子技术》
【年(卷),期】2013(000)015
【总页数】4页(P14-16,19)
【关键词】全极化;ADS;极化分量;通道和相位不平衡
【作者】党鹏举;陈文新;李浩
【作者单位】空间电子信息技术研究院，陕西西安 710000;空间电子信息技术研
究院，陕西西安 710000;空间电子信息技术研究院，陕西西安 710000
【正文语种】中文
【中图分类】TN911.7-34
海洋表面风场的研究在海洋学以及气候学中有重要的意义。

以往传统的微波辐射计，对信号的水平极化和垂直极化分量进行测量，这样只能得到海面风速，而不能确定海面风向。

全极化微波辐射计使用多路相关技术，对垂直极化和水平极化分量进行自相关和互相关处理，由两路信号的相关性能够产生反演海面风场模型的第三和第四个Stokes参量，从而可以实现全球海面风场的测量，既能测量海面风速，又能确定海面风向。

将修正后的Stokes矢量元素以亮温K作为单位，可以表示为[1]：式中：是亮度温度；Ev和Eh分别是垂直和水平方向的辐射电场的复振幅；λ是波长；η是介质阻抗；kB是Boltzmann常数。

T±45∘为±45°线极化分量亮度温度，Tl和Tr分别为左旋圆极化以及右旋圆极化分量亮度温度。

本文基于ADS软件平台，对全极化微波辐射计系统进行建模仿真。

1.1 全极化微波辐射计仿真原理
相关型全极化微波辐射计原理框图如图1所示，主要组成部分包括双极化天线系统、超外差双通道接收机以及相关运算模块。

双极化天线接收来自目标场景的部分极化微波辐射，通过正交模式变换器（OMT）将其变换为正交极化的信号分别送入接收机水平极化和垂直极化通道输入端口。

超外差双通道接收机利用低噪放大器（LNA）和射频滤波器对输入信号进行放大及
滤波处理，然后采用同一本振信号将信号混频至中频并进行中频滤波以及放大处理，便得到中频带通信号。

最后进行平方律检波和复相关处理。

每个通道的中频带通信号经功分器后分为两路进行相关运算。

1.2 仿真模型参数设置
全极化辐射计接收机仿真模型主要技术指标见表1。

对于超外差双通道接收机部分，假设两通道对应元件参数设置均一致，各个元器件都可在ADS软件配有的DSP设计界面中直接调用。

在仿真模型建立中，由于接收机噪声系数主要取决于第一级放大器，可将接收机噪声等效至正交通道输入端，将LNA噪声系数和增益分别设置为2.5 dB和37 dB，设置射频滤波器中心频率、3 dB带宽以及损耗分别为10.7 GHz、400 MHz和1.5 dB。

中频滤波器中心频率、3 dB带宽以及损耗分别设置为200 MHz、300 MHz和1 dB，中频放大器1增益设置为66 dB。

总仿真时间和仿真步长分别为3.6 ms和0.9 ns，将输入噪声信号温度值设置为高斯分布[2]。

1.3 通道互耦和相位不平衡对各分量测量影响[3]
1.3.1 通道互耦对各分量测量影响
将信号由高频变至中频的过程中，由于要使用相同的本振，因此使得两通道间存在互耦，即某一通道的一部分信号会进入另一通道，这样会直接影响后续的相关计算。

假设滤波器输出信号为：
根据瑞斯⁃琼斯近似公式可将上式转换成为亮温表示形式：
由式（4）可以看出，垂直极化亮温Tv′除了受输入端原始亮温Tv的影响，还受到其他三个Stokes亮温参数串扰的影响。

串扰增益项除了接收机通道自身的增益外，还包含互耦因子的幅度与相位。

用一个偏移项Ov表示接收机噪声对Tv′的影响，
将亮温表达式重新写为：
和垂直极化相似，水平极化分量亮温测量值也可写类似的形式，两者综合为：
式中：Gm,n(m=v,h;n=v,h,3,4)为各亮温增益项；On为各通道噪声引起的偏移量。

进入复相关器的两路正交信号为：
复相关器输出为：
将上式转换为亮温表示形式并简化得：
由上式可知，极化分量T3′和T4′的亮温测量值不仅受到原始亮温T3和T4的影响，还受正交极化亮温Tv和Th的串扰影响，上式可以简化为：
其中Gi,j（i=3,4；j=v,h,3，4）表示各极化分量亮温增益，包括通道自身增益以及通道间串扰增益（i≠j）。

1.3.2 相位不平衡对各分量测量影响
假设两正交通道的平均相位差为Δφ，则进入复相关器的两路正交信号分别为：
复相关器输出信号为：
转换为亮温表达式为：
由式（13）可以看出，极化分量亮温测量值T3′和T4′分别受到原始亮温T4和T3串扰影响。

1.3.3 通道互耦和相位不平衡对各分量测量影响
当两个正交通道间互耦和相位不平衡同时存在时，最终的复相关运算结果为：
类似于式（7）和式（11）并考虑到极化通道噪声的影响，将上式进一步简写为：式中Gm,n′（m=3，4；n=v,h，3，4）表示在通道互耦以及相位不平衡下各极化通道的自身增益(m=n)和串扰增益项(m≠n)。

根据以上表达式可以得出，每个极化分量亮温除了受到输入端原始亮温影响，而且都受到其他三个极化分量亮温测量值的影响[4]。

在相对风向角度分别为50°时，模拟的Stokes亮温矢量为[5]：
将该矢量注入上述全极化微波辐射计模型，通道相位不平衡时，各通道输出电压见表2。

由表2可以看出，通道相位不平衡对垂直极化分量和水平极化分量的测量结果没有影响，对T3分量的测量结果影响较小，但对T4分量的测量结果影响较大。

由表中数据可以得出：当相位差达为2.5°时，T3分量的测量误差为1.1%，T4分量的测量误差为17.2%。

当相位差达到10°时，T3分量的测量误差为2.9%，而T4分量的测量误差则达到了69.7%。

可见通道相位不平衡对分量测量结果影响是不容忽视的。

当只有通道互耦或通道互耦和相位不平衡同时存在时，各通道输出电压见表3。

由表3可以看出，当信道中只存在互耦时，对四个矢量的测量结果均有影响，对T3分量和T4分量的测量结果影响较大，对其他两个分量的测量结果影响较小。

由表中数据可以得出：当信道互耦度为20 dB时，垂直极化分量和水平极化分量的测量误差分别为0.75%、1.3%，T4分量的测量误差为72.6%，而T3分量的测量误差则非常大。

分析以上数据还可以看出：当互耦度为50 dB时，垂直极化分量和水平极化的输出结果和无信道互耦时是相同的，其实在互耦度为40 dB时就已经非常接近了，在此通道上再加上相位不平衡，对这两个分量的测量结果依旧没有任何影响。

但对T3分量和T4分量的测量结果影响就非常大了，再加上相位不平衡测量结果误差更是超出很多。

由表中数据可以看出，此时T3分量和T4分量的数值已经远远超出原测量值了。

本文基于ADS软件平台对相关型全极化微波辐射计接收机进行建模仿真。

分析了通道互耦、通道相位不平衡对极化分量的测量影响。

最后向模型中加入通道互耦、通道相位不平衡因素，使仿真模型尽可能逼近于实际系统，这有助于后续结合定标精度要求分析系统因素对定标精度的影响，也为星载微波辐射计提供了一条在地面上重复试验分析性能，进而为定标方案的硬件投产提供指导，以达到上星运行要求
的有效途径。

【相关文献】
[1]王振占.海面风场全极化微波辐射测量：原理、系统设计与模拟研究[D].北京：中国科学院空间科学与应用研究中心，2005.
[2]金旭，段崇棣.X波段全极化微波辐射计的计算机仿真[J].遥感技术与应用，2011，27（6）：128⁃130.
[3]刘怡，王振占.信道互耦和相位不平衡对直接相关全极化微波辐射计测量的影响分析[C]//全国微波毫米波会议论文集.宁波：中国科学院空间科学与应用研究中心，2007：56⁃59.
[4]金旭，段崇棣.极化相关微波辐射计通道串扰影响分析及其校正[J].空间电子技术，2012（2）：98⁃100.
[5]刘景怡.全极化微波辐射计定标和风场反演若干问题研究[D].北京：中国科学院空间科学与应用研究中心，2007.
[6]张瑜，张升伟.基于单片机的微波辐射计数控单元设计与实现[J].现代电子技术，2009，32（13）：123⁃125.
[7]张庆彪，郭高凤，李恩.基于DSP的微波信号源控制[J].现代电子技术，2011,34（18）：15⁃17.。