旋转圆环阵列综合孔径微波辐射计系统研究

发布时间：2017-12-17 01:01

  本文关键词：旋转圆环阵列综合孔径微波辐射计系统研究

  更多相关文章： 综合孔径 微波辐射计 系统设计 误差分析 定标

【摘要】：综合孔径微波辐射计是从上世纪90年代兴起的一种被动微波遥感新技术。和真实孔径辐射计相比,其最大的特点在于,利用小口径天线单元构成的稀疏天线阵列,代替大口径天线,同时获得了更高的空间分辨率。近年来,伴随着综合孔径微波辐射计系统机理研究的完善,射频接收机技术以及数字技术的进步,综合孔径微波辐射计已逐步走向了实际应用。旋转圆环阵列综合孔径微波辐射计是综合孔径微波辐射计系统研究的一个热门方向。阵列通过旋转完成分时采样成像,可进一步提高综合孔径微波辐射计的孔径稀疏比,降低系统硬件复杂性。圆环阵列的设计可保证系统在各方向具有相同长度的最长基线,对于星载综合孔径微波辐射计而言,圆环阵列的设计易与柱形载荷舱共形,在卫星对地面,圆环天线阵列仅占据一圈圆环的空间,在圆环内部为其他载荷腾出有效空间,更重要的是,圆环的旋转对称性为旋转圆环阵列的定标与误差校正提供了很好的便利。本文主要对旋转圆环阵列综合孔径微波辐射计系统进行研究,所完成的主要研究工作及成果如下:1.“旋转圆环阵列综合孔径微波辐射计”系统架构研究基于已有的旋转圆环阵列综合孔径微波辐射计研究基础。本文提出了一种新的旋转圆环阵列形式——基于循环子阵的旋转圆环阵列。该形式的天线阵列,可缩短旋转阵列的成像周期,同时提高天线阵列的对称性和模块性。对于基于循环子阵的旋转圆环阵列,每一个天线单元在阵列中都有多个冗余备份单元,因此基于循环子阵的旋转圆环阵列具有更高的可靠性。该新型的天线阵列形式为下一代的“旋转圆环阵列综合孔径微波辐射计”系统设计提供了参考。2.“旋转圆环阵列综合孔径微波辐射计”信号传输建模分析在“旋转圆环阵列综合孔径微波辐射计”系统中,其接收机毫米波前端采用了平衡放大器的设计。针对平衡放大器构成的二元干涉结构,本文进行了具体的信号传输模型分析工作,并考虑了平衡放大器的非理想特性对信号传输的影响。通过该信号传输建模工作,可得到,基于平衡放大器结构干涉测量单元,其实际系统输出结果和理想干涉测量单元结果的关系。3.“旋转圆环阵列综合孔径微波辐射计”系统误差分析通过旋转圆环阵列综合孔径微波辐射计系统仿真软件,对系统中的各误差项对最终成像结果的影响进行了量化分析。建立了基于成像结果误差的模块化误差评估模型,量化给出各个误差项对最终成像结果的影响。从而可根据系统的整体指标对各模块及各误差项进行模块化指标设计。4.“旋转圆环阵列综合孔径微波辐射计”定标与误差校正系统设计基于系统的模块化误差分析结果,完成了旋转圆环阵列综合孔径微波辐射计定标与误差校正系统的设计。该定标系统可覆盖完整的系统信号链路,完成对硬件模块中各项误差的校正。该定标系统的实现是和旋转圆环阵列的天线阵列模式结合在一起的。针对综合孔径微波辐射计中误差校正的最重要的两项误差:幅度误差和相位误差。幅度误差的校正利用了旋转圆环阵列的阵列对称性。相位误差的校正利用了阵列旋转产生的冗余测量信息,从而设计完成了相位自校正算法。相位误差校正是综合孔径微波辐射计误差校正的难点,该相位自校正算法是本文提出的一种新型的综合孔径微波辐射计相位校正方法。本方法不需要额外的定标硬件设备,简化了系统硬件结构,同时可在目标亮温观测的同时完成相位误差校正,不额外占用定标时间。利用已有的旋转圆环阵列综合孔径微波辐射计原理样机,验证了该相位自校正算法的有效性。通过完成“旋转圆环阵列综合孔径微波辐射计”系统误差分析与误差校正的工作,可得到系统最终成像结果的定标误差与系统中各模块性能参数间的关系。该研究一方面可用于指导“旋转圆环阵列综合孔径微波辐射计”系统的模块化设计工作,另一方面可用于评估集成后系统的整体性能。
【学位授予单位】：中国科学院国家空间科学中心
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TP722.6

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