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全极化微波辐射计亮温反演

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极化 微波 辐射计 反演
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中图分类号: 文编号 : 10006 士 学 位 论 文 全极化微波辐射计亮温反演 误差分析研究 作者姓名 纪世豪 学科专业 电子科学与技术 指导教师 白 明 副教授 培养院系 电子信息工程学院 of s 中图分类号: 文编号 : 10006 士 学 位 论 文 全极化微波辐射计亮温反演误差分析研究 作者姓 名 纪世豪 申请学位级别 硕士 指导教师姓名 白 明 职 称 副教授 学科专业 电子科学与技术 研究方向 电磁场与微波技术 学习时间自 2012 年 9 月 10 日 起至 2015 年 1 月 24 日止 论文提交日期 2015 年 1 月 7 日 论文答辩日期 2014 年 12 月 10 日 学位 授予单位 北京航空航天大学 学位授予日期 年 月 日 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明:所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的成果,论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知,除文中已经加以标注和致谢外,本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果,也不包含本人或他人为获得北京航空航天大学或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处,本人愿意承担相关法 律责任。 学位论文作者签名: ______________ 日期: 年 月 日 学位论文使用授权书 本人完全同意北京航空航天大学有权使用本学位论文(包括但不限于其印刷版和电子版),使用方式包括但不限于:保留学位论文,按规定向国家有关部门(机构)送交学位论文,以学术交流为目的赠送和交换学位论文,允许学位论文被查阅、借阅和复印,将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上 。 学位论文作者签名: ______________ 日期: 年 月 日 指导教师签名: __________________ 日期: 年 月 日 i 摘 要 随着 微波遥感技术的进步, 全极化微波 辐射计 日益受到 人们的重视 。 不同于 单极化微波辐射计 只能 测量 正交 极化分量,全极化微波辐射计 还 可以进一步获取观测目标的复相关 信息 。 由于 全极化微波辐射计在 工作 时 涉及 温的四个分量,其亮温反演较单极化微波辐射计更为 复杂,对全极化微波辐射计亮温反演进行研究具有十分重要的 现实 意义。 本文在对全极化微波辐射计进行简要介绍的基础上,对全极化微波辐射计天线子系统亮温反演及亮温反演过程中存在的误差进行了分析研究。论文首先对全极化微波辐射计天线子系统远场性能 进行了仿真分析,得出了天线子系统传输矩阵。随后利用天线子系统 仿真 结果 讨论分析 了全极化微波辐射计 目标 区域亮温计算方法 ,得出了亮温传输矩阵的解析表达式。论文还针对亮温反演过程中存在的误差进行了分析讨论,对全极化微波辐射计天线子系统整体定标误差进行了探讨。同时编写了相应的仿真软件以方 便后续的分析与辐射计设计工作。 本文通过对全极化微波辐射计亮温反演进行 了深入 的研究, 对 亮温反演过程及亮温反演过程中的误差进行了讨论 , 为 今后星载 全极化微波辐射计 的 研制与应用打下了基础。 关键词 : 全极化微波 辐射计, 亮温 反演 , 亮温传输 矩阵 , 反演误差 of of of As of is of to be In a of is A to is a to a of of of At a s A of of in in 录 第一章 绪论 .............................................................................................................................. 1 究背景与意义 .................................................................................................. 1 内外研究现状 .................................................................................................. 1 文主要内容 ...................................................................................................... 4 第二章 全极化微波辐射计天线子系统传递函数分析 ........................................................ 6 线子系统传递函数 .......................................................................................... 6 线子系统方向图仿真 ...................................................................................... 7 段 ....................................................................................................... 10 段 ..................................................................................................... 12 段 ................................................................................................... 15 段 ..................................................................................................... 17 37段 ........................................................................................................ 20 结果分析 ............................................................................................................. 22 线子系统传输矩阵 ........................................................................................ 24 小结 .......................................................................................................................... 27 第三章 天线子系统亮温传输矩阵 ........................................................................................ 28 波辐射相关参量 ............................................................................................ 29 标区域亮温计算方法 .................................................................................... 31 线子系统亮温传输矩阵 ................................................................................ 35 小结 .......................................................................................................................... 37 第四章 全极化微波辐射计亮温反演误差分析 .................................................................. 39 标区域与背景区域的划分 ............................................................................ 39 景估计误差对亮温反演的影响 .................................................................... 44 线子系统输出误差对亮温反演的影响 ........................................................ 50 温反演整体误差分析 .................................................................................... 55 小结 .......................................................................................................................... 57 第五章 全极化微波辐射计亮温反演软件的设计与实现 .................................................... 59 温反演软件设计 ........................................................................................... 59 温反演软件的实现与使用 ............................................................................ 60 结 .......................................................................................................................... 62 结论与展望 .............................................................................................................................. 63 参考文献 .................................................................................................................................. 64 攻读硕士学位期间取得的学术成果 ...................................................................................... 67 致 谢 ...................................................................................................................................... 68 北京航空航天大学硕士学位论文 1 第一 章 绪论 究 背景与意义 微波 遥感 是 以 外空间、 地球 和大气为研究目标,利用微波传感器接收来自研究目标的 反射 、散射或 辐射 的微波信号,利用一定的 技术 加工处理,从而获取人们感兴趣的目标信息的一门技术 [1]。 随着 遥感 技术 的不断创新,直至今日,微波遥感技术 已经 渗入到人类生活的各个方面 。 微波 遥感按照探测类型 的 不同可以分为有源遥感和无源遥感 [2]。 有源 遥感 中传感器接收的 信号是 传感器本身发射的信号 经过 目标 物 的反射或散射后返回的信号 。而在 无源遥感中,传感 器 只接收 来自 目标物的发射和辐射信号 而 不主动发射信号 。 与有源遥感器件相比,无源遥感器件具有体积小、重量轻 及成本相对较低等优点 [3]。 微波 辐射计( 是 一种得到广泛应用 的无源 遥感 器件, 其通过被动 遥感方式来测量目标物 的 亮温 ,通过目标亮温信息进而 还原目标的真实情况 [4]。 随着微波技术及遥感机理模型的 发展和完善,微波无源遥感越来越被人们重视。 海洋表面风场是微波遥感技术的一个重要应用领域,海洋表面风场在海洋动力循环中起着重要的作用,是海上波浪和全球环流形成的重要动力,对水文循环和海洋生态平衡也有着重要的应用 [5]。目前海洋表面风场信息的获得主要依靠沿岸的气象站及船舶、浮标等传统的 观测手段,所获数据比较稀疏,限制较多 [6]。 全极化微波测量 是 当前 海洋表面风场测量最重要的发展方向 , 与传统的双极化辐射计只能测量目标的垂直极化亮温与水平极化亮温不同,全极化微波辐射计可以同时对物体的第三和第四斯托克斯亮温参量进行测量 [7]。正因为如此,全极化微波辐射计不仅可以在对海洋表面风场风速进行测量,同样可以对其风向进行测量 [8]。除此之外,全极化微波辐射计 还被 扩展至更多应用领域 , 可用于土壤湿度、地表积雪、海洋盐度及海冰等测量领域 [9][10]。 不同于 单极化 微波辐射计可以 直接通过两点定标 法进行亮温反演 [11], 全极化 微波辐射计 亮温反演 更为全面 [12]。对 全极化微波辐射计亮温反演及 该 过程中存在的误差进行研究具有重要意义。 内外研究现状 早在上个世纪,国外就开始了极化微波辐射计的研制工作。前苏联空间探测研究所第一章 绪论 2 ( 90 年代初研制成功了第一台极化微波辐射计。随后美国 喷气推进实验室 ( 1995 年成功研制了机载辐射计 3]。 1999 年美国海军研究实验室( 制成功了机载全极化微波辐射计 [14], 该实验室随后研制了星载全极化微波辐射计 成功发射升空[15],当前人们已经利用 数据得到了许多引人瞩目的成果 。 除此之外 美国 还 在研制新一代全极化微波辐射计 [16]。下面对 种全极化微波辐射计进行简要介绍。 极化微波辐射计由美国海军研究实验室于 1999 年研制并于 2001 年进行了机载飞行实验。该辐射计研制的 主要目的为 对 星 上搭载的微波辐射计进行技术验证 并对相关算法的可行性进行验证 。其工作频率覆盖 C 波段至 段,工作 频段 包括 7频率覆盖了 所有的成像频段及的全部 频段 。上述 频段 中 37道为全极化测量,可同时测量垂直极化亮温、水平极化亮温、 ±45°亮温及 左旋圆极化和右旋圆极化亮温 。利用 +45°极化和 化测量的亮温差可以得到第三 量的值,相应的,利用左旋圆极化和右旋圆极化测量的亮温差可以得到第四 量的值 进而可以组合出量的全部四个分量。 当前唯一在轨运行的星载全极化微波辐射计,该微波辐射计同样由美国海军研究实验室研制,于 2003 年搭载于美国 星之上发射升空 ,工作与太阳同步轨道之上。该辐射计主要对地球大气及地表的辐射和散射部分极化信息进行测量,验证了利用星载全极化微波辐射计测量海洋表面 风场的可行性。 作于 37个应用 频段 。 过 22 个独立的通道来覆盖五个应用 频段 。 对于全极化 频段 37别配备了 3 个双极化馈源,即用来测量 V/H 极化的馈源;用来测量± 45°极化的馈源;用来测量左旋 /右旋圆极化的馈源。对于其天线部分, 的偏馈旋转抛物面天线, 11 个 喇叭 馈源 分布在抛物面天线的焦平面上。 源布局如下图所示。 北京航空航天大学硕士学位论文 3 图 1 构示意图 图 2 源示意图 美国正在研制的新一代全极化微波辐射计, 计划搭载于 国家极轨环境 业务卫星系统 ( 上。该辐射计工作频率覆盖 183有 77 个测量通道,其中 个 频段 为全极化测量通道,该辐射计可用于测量包括海洋表面风场在内的多种信息。 线系统由两个反射面 天线构成,其中高频反射面口径为 频反射面口径为 个反射面均为偏馈旋转抛物面天线。搭载 卫星原定于 2013 年发射,但是由于 划的成本超支及研发拖期,美国白宫已于 2010 年重组该计划并削减了预算开支,其发射时间尚未确定。 图 3 型机示意图 第一章 绪论 4 我国自 80 年代中期即开展了微波辐射器方面的研究工作,近些年来在微波遥感领域技术发展迅速。 2002 年随神州四号飞船搭载的 我国首个对地观测的多模态微波辐射器 ,可用来探测土壤含水量、大气水汽含量及地表雪厚度等信息 [17]。随后我国发射的嫦娥一号及嫦娥二号探月飞船也搭载了微波辐射计并对月壤进行了探测 [18],风云星搭载了多通道微波辐射计来进行大范围的陆表测量 [19]。我国于 2011 年发射升空的海洋 2 号卫星同样搭载了工作频率覆盖 微波辐射计 [20],但由于其搭载的不是全极化微波辐射计,不具备测量完整 量的能力,不能完成海洋表面风场信息的测定。 近年来我国也开始了全极化微波辐射计的研制工作。 中国科学院空间科学与应用研究中心 针对 全极化微波辐射计进行了大量的研究 。 刘璟怡 对 全极化微波辐射计遥感海面风场 中 的关键技术 进行了分析,论述了 硬件实现的关键技术问题 [21]。姜景山则对 全极化微波辐射计 中的相关器进行了研究, 提出了一种应用在此新系统中的模拟复相关器 ,其具有灵敏度高 ,体积小 ,功耗低等优点 ,除此之外他还提出了一种 加法型 相关器,可以取得较好的极化测量性能 [22]。 王振占 则对 星上定标和扫描机制设计 进行了研究,设计了一种一种消除全极化微波辐射计顺 /逆风向遥感模糊性的新方案 。 中国空间技术研究院西安分院 作为我国星载微波辐射计的主体研制单位,同样针对 全极化微波辐射计进行了大量的研究工作。 党鹏举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 ,同时还对 全极化微波辐射计数字相关器下变频算法 进行了分析研究 [23][24]。 目前国内针对全极化微波辐射计的研究多处于测量机理的讨论及全极化辐射计的设计上,本文 所述工作为 与 中国空间技术研究院西安分院 合作对全极化微波辐射计的亮温反演进行研究。 文主要内容 本文 研究针对全极化微波辐射计的发展需求,对全极化微波辐射计亮温反演及其误差进行了分析,分析过程中涉及了 电大尺寸抛物面天线仿真、 亮温传输矩阵的构建、误差分析及仿真软件编写等问题。 为 方便 读者理解本文 所进行的工作,首先 对全极化 微波 辐射计 亮温 亮温反演 进行 初步 的 介绍 。 下图 所示 为 全极化微波辐射计 结构 示意图 , 全极化微波辐射计工作时,需要根据接收机系统的输出端响应来反演得到探测目标区域的极化亮温信息。 为 方便 分析通北京航空航天大学硕士学位论文 5 常 将其 分为 天线子系统及接收机子系统 两部分进行 分析, 即分别 建立 探测目标区域的极化亮温信息( 与接收机子系统 输入端的亮温信息 ( 41) 之间 的关系 及接收机子系统 输入 端的亮温信息 与 接收机系统的输出端响应( 之间 的关系 。本文主要对天线 系统亮温 反演进行 分析, 即 建立 30、 间 的关系 ,并 对 反演 过程中 的 误差进行分析 收机系统信号处理电路探测目标T v 0T h 0T 30T 40E v ( θ ,φ )E h ( θ ,φ )T v 1T h 1T 31T 41T v 2T h 2T 32T 42图 4 全极化微波辐射计结构简图 本论文章节安排如下: 第二章对全极化微波辐射计天线系统远场性能进行了分析, 对电大尺寸 抛物面天线方向图进行 了 仿真计算 并 建立了其系统传递函数 。 第三章 提出了全极化微波辐射计 天线 子系统 亮温传输矩阵解析表达式的构建方法,并利用 第二章所得的天线远场方向图建立了该全极化微波辐射计 天线 子系统 的亮温传输矩阵。 第四章结合实际应用场景,对全极化微波辐射计 天线 子系统 亮温反演中的误差进行了分析, 第五章 编写了相应的 具有 图形界面的分析 软件 , 可 计算全极化微波 辐射计天线子系统 亮温传输矩阵 并对 定标误差进行分析 。 最后 对全文进行了总结,同时分析了还需要深入研究的问题。 第二章 全极化微波辐射计天线子系统传递函数分析 6 第二章 全极化微波 辐射计 天线 子 系统 传递函数 分析 全极化微波辐射计主要由天线系统和接收机系统两部分组成, 其天线子 系统又主要由电大尺寸 反射面天线 、馈源、极化分离器三部分组成 , 在对全极化微波辐射计进行亮温反演时需要首先对天线子系统进行定标。 全极化微波辐射计天线子系统定标是指确定入射电磁波 与其接受到的信号之间的函数关系 。在本章中将对全极化微波辐射计天线子系统进行定标并对定标过程进行验证。 线子系统 传递函数 5 全极化微波辐射计天线子系统示意图 微波全极化辐射计天线子系统 传递函数 是确定入射电磁波 ,)、 ,)与其经天线极化分离系统接收分离后,得到的 v, h 信号之间的函数关系, v、 h 如上图所示。该函数关系可用天线子系统的传输矩阵来表示,即: ( , )v R 1 1 ( , ) R 1 2 ( , ) *( , )R 2 1 ( , ) R 2 2 ( , )                    ( 其中 ,)、 ,)、 ,)、 ,)与馈源及反射面系统的接收方向图相关,建立 天线子系统 传递函数的 任务之一 就是通过相关计算得到 ,)、 ,)、,)、 ,)的数值。对于标准矩形波导,其单模传输横截面上的场分布是 一定的,这里设定 v、 h 分别为馈源 V 口和 H 口横截面上场分布的峰值,单位为 v/m。 v、 ,)的函数 , 如下图所示。 6 馈源 与极化分离器 示意图 北京航空航天大学硕士学位论文 7 由天线方向图的物理意义可得 , 天线子系统 传递矩阵可表示为: v v h vv h h * G ( , C 1 * G ( , ) ( ,v *C 2 * G ( , ) C 2 * G ( , ( ,                      ) )) ) ( 上式中 ,)和 ,)为 v 端口 的接收方向图, ,)和 ,)为 h 端口 的接收方向图 。由互易定理可知, ,)、 ,)、 ,)、 ,)也 即 v 和 h 端口的发射方向图。 为获得系数 要对系统进行 仿真分析 。首先求 通过上述条件,由( 2)式可得出等式( 3)。 v v 0 v 0 v 0 v 0 ( , * ( ,   ) )( 为提高精度,选取 ,)中幅值最大的方向为 分析 依据。设该方向为 0v,0v,则用该方向的平面波 0v,0v)向天线系统入射 (设此时的 0v,0v)=0),如 下图 所示。 通过仿真计算求得极化分离器 v 端口的横截面上场分布的峰值 ,又 0v,0v)和 0v,0v)已知,由 上式 即可求得系数 V ( H )平面波图 7 算说明 同理,对于 选取 ,)中幅值最大的方向 0h,0h 为 分析 依据,用该方向的平面波 0h,0h)向系统入射 (设此时的 0h,0h)=0),通过等式( 4)即可求得系数 h h 0 h 0 h h 0 h 0 ( , * ( ,E    ) ) ( 求得 将其代入式中即可 得天线子系统传输矩阵并完成 传递函数 建立 过程。 线子系统 方向图 仿真 在本节中将对天线子系统方向图进行仿真并计算 中的 值。天线子系统方向图反映了天线接收各个方向电磁波的能力,是进行亮温反演的必须条件,在本节将对天线子系统方向图进行精确仿真以为后续的天线子系统 传递函数 建立 及亮温反演做好准备。 出于全极化微波辐射计设计的需求,本节中还将针对天线波束指向、 主瓣B 第二章 全极化微波辐射计天线子系统传递函数分析 8 零点宽度 、副瓣电平及交叉极化进行简单的讨论分析。 天线子系统仿真结构如下图所示。 全极化辐射计天 子 线系统由主反射面天线、各频段馈源及极化分 离器组成。其中,主反射面天线为口面直径 抛物面,抛物面焦距为 图 4 所示;焦平面上各馈源的工作频率分别为 37该 工作 频点 设置对应于 微波 遥感所需的大气窗口及水分子等的吸收峰。 各馈源发射方向与抛物面主轴夹角均为 每一频段的馈源后方都会连接一个相应的极化分离器,负责对馈源接收到的垂直极化 V 信号和水平极化 H 信号进行分离。 1 5 0 0 m . 1 °8 全极化微波辐射计天线系统 结构示意图 由于各频段共用主反射面天线,因此天线系统各频段馈源采用阵列的形式分布在主反射面的焦平面上,各频段馈源位置如 下图 所示。显然各频段馈源相对于主反射面焦点均有一定的位置偏移,这会使天线系统各频段方向图的主瓣指向各不相同,且均与主反射面天线主轴指向存在一定的角度差 。 而方向图的主瓣指向会决定辐射计对地观测目标区域的确定,因此需要对其进行精确的分析。 6 G H 7 G H 35 G H 8 G H H 9 天线系统各频 段馈源阵列在主反射面焦平面上的位置分布图
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