全极化微波辐射计中5 GHz带宽数字相关器设计

为测得反演海洋风场所需的全部4个Stokes参数,全极化微波辐射计采用多路相关技术,对水平和垂直极化信号进行自相关和互相关处理,是一种全新的微波遥感系统。数字相关器是全极化辐射计的核心部件。详细介绍了一种高速新型数字相关器的设计。4片高速A/D转换器采样4路信号并外接多路复用模块实现高速数据流的降速,然后通过Xilinx公司新一代的FPGA\|Vertex5芯片作相关运算,将相关结果实时传输至上位机。提出的新型数字相关器可以实现系统最高5 GHz带宽的数据处理。     

3 GHz带宽数字相关器设计

为完成四个Stokes矢量参数的测量,反演海面风场,提出了数字极化辐射计中3 GHz带宽数字相关器的设计方法。首先分析了高速数据采样和相关处理系统。四路信号数据采样通过四片A/D转换器（ADC083000）完成,采样结果传输到Xilinx公司新一代现场可编程门阵列（FPGA）-Virtex5芯片作数据的多路复用和相关运算,相关结果通过串口上传到计算机。详细介绍了系统结构、数据流程和各部分接口电路的设计。系统可以实现辐射计中双极化通道8 bit量化3 GHz带宽的相关计算。     

相关型全极化辐射计研究

全极化微波辐射计对海洋风场的测量和研究具有重要意义。全极化微波辐射计通过测量目标的Stokes矢量来得到目标的全部极化信息,这对传统的海洋风场测量是一种有效的补充。全极化辐射计主要包括组合型和直接相关型两种类型,通过着重介绍直接相关型极化辐射计,给出了相关型辐射计的系统框图并从原理上对其进行了分析。任何微波测量都离不开定标,对全极化微波辐射计的定标原理和硬件实现技术也作了详细介绍。     

合成孔径辐射计24通道数字相关器设计

针对合成孔径辐射计中存在的相关器单元过于复杂、不易于星载应用的问题,提出了一种新型数字相关系统设计方法。利用新一代大规模可编程门阵列FPGA\|Virtex5和12片高速四通道的模数转换器AD9287实现了24个极化通道在100MHz采样率下的复相关运算,量化精度为8 bit。详细介绍了系统结构、接口电路和软件实现,解决了合成孔径辐射计相关系统体积、功耗和硬件复杂程度过大的问题。     

全极化微波辐射计与传统微波辐射计星上定标方法比较分析

高精度星上定标是辐射计测量数据稳定可靠的关键。概述了传统微波辐射计两点定标方案和全极化微波辐射计星上定标的特点,对已提出的3种全极化定标方案应用于星上定标的可行性展开初步分析,并针对传统辐射计和全极化辐射计星上定标方案的差异,从定标方程、定标误差和定标精度3方面进行了对比分析。
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X波段全极化微波辐射计的计算机仿真

全极化微波辐射计是未来星载遥感海面风场的重要微波遥感仪器,可为短期天气预报、气候学和海洋学研究提供重要的有价值信息,利用软件平台对全极化辐射计进行计算机仿真对于系统设计和全极化定标技术仿真验证具有重要的意义。对X波段相关型全极化微波辐射计进行了计算机仿真,基于ADS软件平台建立了相关型全极化微波辐射计系统仿真模型,对仿真模型有效性进行了验证,并在仿真模型基础上对全极化定标技术进行了仿真验证。结果表明仿真模型准确有效,可为系统设计和全极化定标仿真验证提供参考。     

全极化微波辐射计扫描目标成像方法研究

微波辐射计是被动遥感仪器,对人体无害,这使其对人体辐射信息成像具有很大的优势。全极化微波辐射计可以通过测量目标的4个Stokes参数得到目标的全部极化信息,这对人体亮度温度分布的测量和分析是一种有效的补充,使全极化辐射计在医学方面的应用成为可能。基于上位机软件控制的二维扫描平台,设计出一套软件控制与成像方法,控制全极化辐射计对目标进行平面扫描,得到目标的辐射亮温图像。使用37GHz的全极化辐射计进行在近场条件下的人体扫描成像实验,得到了T_v、T_h、T_3、T_44个通道的人体量温图像,验证了全极化微波辐射计扫描人体成像方案的可行性。     

23.8GHz数字相关型全极化微波辐射计的定标及其影响分析

为实现全极化微波辐射计对海面风场的高精度测量,不但需要特殊的全极化定标基准,同时需要高稳定性的接收机系统。恒温控制是提高系统稳定性简单有效的途径之一。基于23.8GHz的数字相关型全极化微波辐射计,考虑温度对于定标的影响,采用特殊的温控方案,设计出一套恒温控制系统,使辐射计工作在一种稳定的状态下。实验结果表明:通过恒温控制可以使辐射计工作维持在一种稳定的状态,从而可以简化定标过程,延长定标周期,同时保证定标精度的要求。     

全极化微波信号海面风场反演技术现状与发展趋势

全极化微波辐射计是一种新型的被动微波遥感仪器,可以测量海面辐射的全部4个Stokes参数,提供了测量海面风场的一种新方法。首先介绍了国内外先进微波辐射计的技术特点及其海洋遥感应用情况,然后描述了海面微波发射信号的变化机理,以及海面全极化信号的风向谐波特征及其反演海面风场的优势,归纳了全极化微波信号海面风场反演的总体技术思路和产品精度,最后分析了全极化微波辐射计风场反演的关键技术和难点,并对该项技术的发展进行了展望。     

基于高速ADC和FPGA的宽带数字相关器设计

为同时完成4个Stokes矢量参数的相关测量,反演海面风场,提出了新型数字相关器的设计方法。结合高速数字相关器在数字极化辐射计中的应用,介绍了高速数据采样和相关处理系统。通过两片高速A/D转换器(ADC08D1500)同步采样四路信号,采样结果通过Xilinx公司新一代现场可编程门阵列(FPGA)-Virtex5芯片作相关运算,相关结果通过串口上传到计算机,详细介绍了系统各个部分的接口电路和时序控制的设计。系统可以实现四路信号最高1.5GHz采样率的相关计算。     

韩国科学技术卫星二号主载荷-双频微波辐射计

双频微波辐射计是韩国科学技术卫星二号的主载荷,目前已完成了正样研制并交付韩国。双频微波辐射计是全功率形式的微波辐射计,星上采用两点定标方式。由于受卫星平台的限制,天线不能做得很大并进行扫描,因此选择了接收机定标的方案,即定标支路和观测支路采用了不同的天线,通过多路开关与接收机连接。系统及验收测试表明,双频微波辐射计满足韩方的各项功能和性能指标要求。介绍了韩国科学技术卫星二号的基本情况以及双频微波辐射计的设计方案。给出了主要指标和系统试验结果。     

数字增益自动补偿微波辐射计计算机仿真分析

数字增益自动补偿微波辐射计是一种新型的微波辐射计,有效地补偿了微波辐射计系统增益 的波动,提高了系统的稳定性。按照目标微波辐射能量在系统中传递的物理过程,利用物理与数学 相结合的方法建立了数字增益自动补偿微波辐射计的计算机仿真模型。应用已测得的系统参数(噪 声系数、增益),对系统性能进行了仿真分析,取得了与实际系统特性较好的一致性。同时,解释了工 程设计中涉及的主要问题。     

基于FY-3B微波成像仪的海面风速反演

风云三号B星微波成像仪的10.65、18.7、23.8和36.5 GHz频点对海表面粗糙度和介电特性比较敏感,能够用于海面地球物理参数的反演。为获得一种适用于全球大部分海域的海面风速反演算法,利用快速辐射传输模式和再分析大气廓线库模拟微波成像仪海面微波辐射特性,在此基础上建立了半经验反演算式,并利用浮标现场测量数据及WindSat全极化辐射计风速产品对半经验算法和经验算法分别进行了验证和对比。另外,通过分析风向对风速反演的影响,借助AT BV-TBH模型,尝试利用查找表算法对风向造成的晴空区域风速反演偏差进行初步校正。校正风向误差后,反演风速与浮标风速的均方根误差为0.9775 m/s。     

FPIR实时快视成像方法

一维全极化综合孔径辐射计(Full Polarization Interferometric Radiometer,FPIR)是一种轻量化的高空间分辨率的综合孔径微波辐射计系统。基于综合孔径辐射计成像原理及X波段FPIR原理样机,提出一种快视成像方法:(1)对原始数据进行抽取和平均,降低实时处理运算量;(2)简化误差处理过程,进而利用傅立叶变换法和G矩阵法反演亮温。通过对FPIR原理样机的地面实验,验证了该实时快视成像方法的有效性。     

一种适用于WindSat的地理定位方法

星载全极化微波辐射计WindSat为海面风场的被动微波遥感提供了有效的手段。WindSat亮温需要经过地理定位才能形成包含目标位置信息的有效物理量。地理定位是辐射计数据预处理的重要环节。针对WindSat圆锥扫描方式,将Patt94定位算法进行修改,应用于WindSat地理定位中。详述了定位的计算过程,给出了定位结果,讨论了误差分析方法。通过模拟WindSat轨道,对可能的定位误差来源展开分析,着重分析了辐射计姿态误差、扫描方位误差对定位的影响。最后,就辐射计姿态校正进行了讨论。     

星载毫米波辐射计地面定标实验

对CE-1(嫦娥一号)卫星有效载荷微波探测仪初样样机8 mm微波辐射计进行了地面定标实验。测量了接收机的线性度和灵敏度;建立了射频前端微波辐射传输模型;应用该模型并结合测试结果,建立了失配条件下辐射计天线温度的定标方程。实验结果表明,接收机线性度为0.9999,灵敏度为0.17 K,定标误差小于0.85 K。为CE-1正样样机的研制以及科学目标的实现提供了定标参考。     

基于Simulink的干涉式微波辐射计系统仿真研究

介绍了通过Matlab/Simulink建立干涉式微波辐射计系统仿真模型的方法。针对干涉式微波辐射计的基本构成单元——二元干涉仪,搭建了仿真模型,通过对辐射计随机噪声测量过程的模拟,实现了单通道全功率测量仿真及双通道干涉测量仿真,在时域范围内实现了对系统测量精度、灵敏度指标的定量化分析。     

提高微波辐射计测量精度研究

从测量误差的理论角度,分析了影响微波辐射计系统测量精度的各种因素,提出了研制和应用微波辐射计系统所要依据的4个温度概念,并从应用条件角度讨论了提高陆基、机载、星载微波辐射计系统测量精度的一些具体技术方案。     

非降水条件下微波辐射计海面风遥感产品性能分析

通过对5种微波辐射计SSM/I、SSM/IS、TMI、AMSR\|E和WINDSAT以及2种微波散射计ASCAT和QUIKSCAT多年的海面风产品同浮标同步的实测资料进行数据匹配处理,再对匹配后的数据进行数据分析和统计。研究结果表明:微波辐射计遥感海面风的性能在1 m/s左右,可以满足绝大多数应用的需求。微波辐射计的低频海面风产品性能优于中频产品,但是中频数据地面分辨率高,建议在近海应用中使用中频产品,在大洋应用中使用低频产品。就不同微波辐射计而言,AMSR\|E和WINDSAT性能较优,SSM/I和SSM/IS性能较差,TMI则处于中等水平。微波辐射计测量风速的性能与微波散射计相比处于同一水平,但在高风速段微波辐射计有一定优势。微波辐射计中仅全极化微波辐射计WINDSAT具有测量海面风向的能力,在低风速段,WINDSAT测量海面风向的性能远远不及微波散射计,只有风速超过6 m/s时,WINDSAT提供的海面风向数据才能符合应用的需求。当风速超过8 m/s后,WINDSAT遥感海面风向的能力就和微波散射计基本一致。在此基础上,提出了强风条件下深入研究的必要性,并对浮标测风存在的问题做出了初步的分析并指出了改进的方向。
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一种基于海面背景的WindSat极化通道替代定标方法研究

凭借能够测量海面辐射全部4个Stokes参数的能力,全极化微波辐射计成为测量海面风场的一种新手段。由于风向信号仅仅只有几K甚至更小的振幅,故对全极化微波辐射计极化通道的定标精度要求颇高。使用WindSat实测亮温及其海面参数匹配数据集,基于海面风向信号的谐波特征,对WindSat极化通道亮温的定标偏差和仪器噪声进行了计算和分析。研究结果表明:WindSat的10.7、18.7和37.0 GHz这3个频率的极化通道均存在明显的定标偏差,并且该定标偏差会随着升轨和降轨、前向刈幅和后向刈幅等不同观测模态发生变化。另外,WindSat极化通道的仪器噪声较小,其中T3的仪器噪声在0.2 K以内,T4的仪器噪声在0.1 K以内。