全极化微波辐射计天线极化纯度的分析
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【摘 要】全极化微波辐射计中，由于天线的极化特性，对辐射接收情况影响到极化状态，让参数和真实值严重偏离。基于此，本文首先对微波辐射计进行了全面的分析研究，其次分析了研究极化纯度的必要性，最后展开了极化纯度的研究分析。
【关键词】全极化;微波辐射计;天线;极化纯度;不准确度
中图分类号： TN820 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）19-0030-002
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.19.012
1 微波辐射计
1.1 工作原理
海面微波辐射主要根据海面粗糙程度，对于平静海面进行微波辐射，要高度极化。在表面粗糙度逐渐增加时，辐射增加，削弱了极化特性。海洋表面粗糙会影响散射特性和海水辐射。如果风速没有超过7m/s，那么风浪增加海面粗糙度，表现出海面粗糙效应。如果风速逐渐增加粗糙度，超过7m/s，会造成波浪破碎，导致白沫的出现，称作浪花效应。在风速25m/s，白沫会覆盖30%的海水面积，白沫表面增加海面发射率，造成亮温出现明显变化。辐射率变化原理分成三个层面，首先是波长超过辐射波的波长，表面存在水平方向和竖直方向的极化状态，让局部入射角出现改变。其次表面波比辐射波短，使用Bragg散射收集亮温信息。最后是海绵泡沫带来的影响，由于水和空气混合后，让垂直极化和水平极化发射率有所增加，对海面亮温的观测带来影响。
1.2 极化纯度分析的必要性
一般情况下，天线子系统处于非理想状况下，让Stokes参数造成影响，使得参数测量值和真实值发生偏离。如大型抛物面设计会造成天线极化受到影响。天线发生馈源之后，正交模式转换器会将正交极化信号分离开，形成极化信号的泄露情况。非线性理想特性能够用来衡量极化纯度指标。使用双极化微博辐射计对海洋表面风速进行测量，已经得到多年的使用，早期研究显示，海洋表面具有的微波是受到风向影响表现出规律的特性。在辐射计经过准确定标之后，同时掌握风速风向的信息。有研究表明Stokes参数中T3分量和T4分量含有大量风向信息。意味着T3分量变化受到云雨的影响相对较小，T4分量受到风向旋转的影响。根据极化辐射测量的影响，人们不断优化辐射计设计。由于微波辐射计T3分量和T4分量较极化分量小很多，对于测量精度有着较高的要求。
2 极化隔离度对参数的影响
抛物面天线自身特征以及极化隔离器不完美情况都有可能造成极化泄露的情况，或者目标场景和轴坐标基准不相匹配。通过分析可以发现，T3分量对于极化纯度要求远高过T4分量。T3分量误差会根据相对相位变化出现变化，数据呈现对称关系。在相对相位为0°、45°以及90°时，相对相位带给T3分量误差，误差可以代表全部相位的误差。为了让T3分量更清晰地了解纯度变化，选择这三个相位即可。据分析可知，极化纯度越高，相对相位不同，仍然会造成2k～6k的误差，误差和T3分量有着密切的关联[2]。需要严格校正辐射计，了解精准的T3数值。
3 极化纯度分析
一般情况下，R矩阵出现误差主要是由于两个原因，其一是无法测量具体阐述，受到测试条件和测试方法的限制，各个阐述的测量会存在不确定度。其二，隔离度以及相位出现漂移。使用标准差表征对误差进行测量。对仪器定标进行分析后，相位分成0°、45°以及90°三种情况展开分析，纯度变化区间为10dB～50dB。由于T3分量的不确定度根据极化纯度发生改变，如果极化纯度能够确认不确定度数值为-40dB和-50dB，那么已知相位或者相对相位的不确定度可以确认为5°。
3.1 极化纯度的影响
分析极化纯度，首先考虑不确定存在时，测量T3分量的不确定度，在不确定度数值为-50dB时，分析T3分量的误差，误差数值明显较-40dB时小，这种差别在任意极化隔离度都十分明显。极化隔离度水平和不确定度相似，这时误差值相对稳定，不会依照极化隔离度改变而逐渐变化。当极化隔离度的不确定度达到-40dB时，隔离度为-40或者-50dB并没有太大差距，这种情况是由于测量误差造成不确定度出现异常。V、H通道相对相位对于T3分量的误差存在一定影响。在不确定度数值为-40、-50dB，且相对相位不确定是5°时，T3分量标准差变化较为明显，极化隔离度不超过30dB时，只有相对相位0时，定位可以达到最好的精度。极化隔离度逐渐减小，相对相位在0线上，极化隔离度并不会影响T3分量。
若极化隔离度逐渐优化，不确定度在-50dB时，效果明显好过-40dB。如果极化隔离度超过40dB时，T3分量的不确定度逐渐平稳，表示极化隔离度导致误差的出现。不确定度为-50dB时，T3分量定标获得明显优势。确定相对相位保持0的水平，极化隔离度达到20dB时，不确定度将达到最低水平。相比于T3分量，T4分量不确定度和相位的关系相关性不大。T3分量隔离度不超过20dB时，在相位为0条件下，仍然能够获得良好的精度。T4分量定标精准度远不如T3分量。两个定标精度想要达到0.4k水平十分困难，只有在极化纯度的不确定度达到一定低水平时，才能实现定标精度。
极化隔离度逐渐增加时，T3分量会逐渐减少不确定度。事实上，相位和极化隔离度都不会达到精确一致的水平。这两个因素对于T3分量不确定度有着直接影响，两者之间没有明显的关联。极化隔离度以及相对相位的不确定度和T3分量有著反作用。两个矛盾因素达到平衡时，不确定度会降到最低。
3.2 极化隔离度的影响
T3分量标准差和相对相位存在一定关联，极化隔离度不超过30dB时，且相对相位处于0水平，能够达到最佳定标精度。极化隔离度不超过20dB时，相对相位处于0水平，极化隔离度变化对于T3分量没有明显的影响。极化隔离度逐渐变化，不确定度在-50dB时明显好于-40dB时。在极化隔离度达到40dB以上时，T3分量不确定度发生的变化相对固定，意味着极化隔离度的不确定度导致定标误差的出现。在-50dB时极化隔离度有着明显优势。相对相位处于0水平时，相比于T3分量，T4分量和不确定度、相位之间的关联并不紧密[3]。同样处于相对相位为0时，T3分量此时隔离度不超过20dB时，可以达到良好的定标精度，但是T4分量无法获得良好的定标精度。两种定标精度难以达到0.4k以下，只有在极化纯度不确定度维持在足够低的水平时，才能达到良好的定标精度。
3.3 极化隔离度不确定度的影响
从T3分量来分析，天线交叉定标精度不超过0.4k，要求极化隔离度的不确定度要明显要好于-42dB时，相比于其他相对相位，定标精度需要达到较高的不确定度。而T4分量，只有极化隔离度超过39dB时，测量精度不会超过0。
3.4 相对相位不确定度的影响
通道相对相位不断变化的过程中，T3分量和T4分量的误差随着不确定度增加逐渐增加。相对相位逐渐增加期间，T3分量误差也会发生逐渐增加，而T4分量则逐渐减少，不确定度会随着相位增加发生减少。当相对相位为0时，T3分量误差仍然没有办法满足0.4k的标准，在相位为90°时，发现极化隔离度并不是影响T3分量误差的主要原因，相对相位的不确定度达到1°时，会造成T3分量难以达到0.4k的标准，相位在0水平上、不确定度处于2°水平时，T4分量测量数值仍然能够满足0.4k的标准。
4 结论
综上所述，经过天线交叉极化的研究，建立极化纯度指标，分析测量值与真实值之间的差距，从而掌握极化纯度对于测量数据的影响。在测量准确度得到满足的情况下，极化纯度指标要求测量精度需要达到一定要求。经过对极化隔离度、极化隔离度以及相对相位不确定度的影响展开分析，以期为天线方向图校正提供借鉴作用。
【参考文献】
[1]王亚辉，王振占，张升伟.全极化微波辐射计扫描目标成像方法研究[J].遥感技术与应用，2017，32（03）：483-489.
[2]李彬.一种新型全极化微波辐射计定标源研制及定标方法研究[D].中国科学院大学（中国科学院国家空间科学中心），2017.
[3]林亚帆.全极化微波辐射计定标源装置伺服系统设计与研究[D].吉林大学，2017.
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