一种全功率式微波辐射计系统仿真方法技术方案

本发明专利技术涉及微波遥感仪器和信号处理技技术领域，具体涉及一种全功率式微波辐射计系统仿真方法，其包括：根据预先建立的热辐射噪声模型，分别模拟生成定标冷源输入信号和定标热源输入信号；将上述输入信号分别输入至全功率式微波辐射计系统中，对应地输出定标热源输出电压和定标冷源输出电压，计算全功率式微波辐射计系统的仿真性能指标；调整全功率式微波辐射计系统的参数直至仿真性能指标满足要求。

A Simulation Method of Full Power Microwave Radiometer System

【技术实现步骤摘要】
一种全功率式微波辐射计系统仿真方法
本专利技术属于微波遥感仪器和信号处理
，具体涉及一种全功率式微波辐射计系统仿真方法。
技术介绍
随着航天技术、电子技术和信息技术的发展，微波遥感技术特别是星载微波遥感技术都得到了迅速发展，已成为对地观测和空间探测的重要手段。微波辐射计是主要的微波遥感仪器之一，在微波遥感中占有重要地位。它不同于红外遥感器，不受或极少受云、雨、雾等天气限制，不需要光照条件，具有全天候和全天时工作能力，甚至还能穿透一定深度的地表和植被，从而可以获得植被覆盖地表的信息以及地表下一定深度的目标信息等；此外，微波辐射计还可多频、多极化、多视角地获取多方位的目标信息。全功率式微波辐射计的结构简单、辐射灵敏度相对较高，在大气和海洋观测中受到了广泛的应用。现阶段，全功率式微波辐射计的信号仿真方法流程简单，原理清晰易懂，仅仅采用公知的理论公式分析，依据简化的信号传输过程实现，但是，信号仿真结果与期望存在较大的误差；现有的信号仿真方法在推导过程中做了大量简化，不能满足高精度的要求。从精细程度方面分析，目前的信号仿真方法步骤过于简略，没有对微波辐射计进行精确建模，从而导致辐射计的各个组成部分的指标不完善，考核无依据。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，为解决现有信号仿真方法存在上述缺陷，本专利技术提出了一种全功率式微波辐射计系统仿真方法，该方法从信号处理的角度，建立了辐射计各个器件的参数化模型和全功率式微波辐射计的仿真框架，对仿真结果进行评估，当性能指标满足设计期望时，各器件的参数即为所需设计值；如果性能指标不满足设计期望时，调整各器件的参数，直至满足设计期望值，完成、结束。为了实现上述目的，本专利技术提出了一种全功率式微波辐射计系统仿真方法，该方法具体包括：根据预先建立的热辐射噪声模型，分别模拟生成定标冷源输入信号和定标热源输入信号；将上述输入信号分别输入至全功率式微波辐射计系统中，对应地输出定标热源输出电压和定标冷源输出电压，计算全功率式微波辐射计系统的仿真性能指标；调整全功率式微波辐射计系统的参数直至仿真性能指标满足要求。作为上述技术方案的改进之一，所述根据预先建立的热辐射噪声模型，分别模拟生成定标冷源输入信号和定标热源输入信号；具体包括：当观测目标的辐射谱为常数时，例如，定标时的高、低温源，热辐射噪声为带限的高斯白噪声。其中，高斯白噪声通过伪随机数生成，且均值和标准差由公式(1)确定：μ＝0σ＝kT(1)其中，k为玻尔兹曼常数；T为热辐射噪声的亮温；μ为高斯白噪声的均值；σ为高斯白噪声的标准差；其中，热辐射噪声的亮温T为定标热源的亮温或定标热源的亮温；对于高斯白噪声，其时域和频域信号都服从正态分布：s(t)～N(0，σ)S(f)～N(0，πσ)(2)其中，s(t)为高斯白噪声的时域；S(f)为高斯白噪声的频域；设矩形窗函数为C(f)，则带限的高斯白噪声Sb(f)为：Sb(f)＝C(f)S(f)(3)假设观测目标辐射谱为A(f)，则热辐射噪声的频谱SA(f)为：SA(f)＝A(f)Sb(f)(4)其中，根据高斯分布，SA(f)的分布函数为：SA(f)～N(0，A(f)πσ)(5)因此，热辐射噪声的频谱SA(f)为热辐射噪声模型，在每个频点都服从均值为零、方差为A(f)πσ的高斯分布，使用呈高斯分布的伪随机数来仿真实现；当热辐射噪声的亮温T为定标热源的亮温TH时；根据建立的热辐射噪声模型，模拟生成定标热源输入信号，作为热辐射噪声的热源频谱SA(f)；当热辐射噪声的亮温T为定标冷源的亮温TC时；根据建立的热辐射噪声模型，模拟生成定标冷源输入信号，作为热辐射噪声的冷源频谱SA(f)。作为上述技术方案的改进之一，所述全功率式微波辐射计系统包括五个级联的低噪放、混频器、射频放大器、滤波器、检波器；对全功率式微波辐射计系统中的各器件进行参数化建模，获得低噪放的参数化模型、混频器的参数化模型、射频放大器的参数化模型、滤波器的参数化模型和检波器的参数化模型，并对应地设置全功率式微波辐射计系统内各器件的具体参数。其中，所述获得低噪放的参数化模型、混频器的参数化模型、射频放大器的参数化模型、滤波器的参数化模型和检波器的参数化模型；具体包括：所述低噪放的参数化模型Sl(f)为：Sl(f)＝Hl(f)SA(f)+Nl(f)(6)其中，Nl(f)为低噪放的噪声信号；Hl(f)为低噪放的传递函数，表示低噪放的增益，用于接收输入信号，并将输入信号传递至混频器的参数化模型；考虑混频器自身噪声贡献Nm(f)，且与输入信号不相关，混频器的参数化模型Sm(f)为：Sm(f)＝Sl(f)Hm(f)-Nm(f)(7)其中，Hm(f)为混频器的传递函数；Nm(f)为混频器自身噪声；其中，混频器的传递函数Hm(f)为：Hm(f)＝Am(f)δ(f-f0-Δf)(8)其中，Δf表示本振频率的偏移；δ(·)为单位冲激响应；Am(f)为变频损耗；f为频率；f0为本振频率；混频器的传递函数Hm(f)，用于接收由低噪放的传递函数传递的输入信号，并将其传递至射频放大器的传递函数；射频放大器的主要参数有增益及平坦度、噪声系数和线性区。由于微波辐射计接收的是自然界中微弱的热辐射，其功率非常小，处于放大器的线性区内，因此射频放大器不会产生非线性误差。射频放大器的参数化模型Sa(f)为：Sa(f)＝Ha(f)Sm(f)+Na(f)(9)其中，Ha(f)为射频放大器的传递函数，表示射频放大器的增益；Na(f)为射频放大器的噪声信号；射频放大器的传递函数Ha(f)，用于接收由混频器的传递函数传递的输入信号，将其传递至滤波器的传递函数；对于实际带通滤波器，难以实现矩形窗的频率响应。设带通滤波器的频率响应为Hf(f)，滤波器的自身噪声为Nf(f)，则滤波器的参数化模型Sf(f)为：Sf(f)＝Hf(f)Sa(f)+Nf(f)(10)其中，Hf(f)为带通滤波器的传递函数，表示带通滤波器的频率响应；Nf(f)为滤波器的自身噪声；带通滤波器的传递函数Hf(f)，用于接收由射频放大器的传递函数传递的输入信号，将其传递至检波器的参数化模型；在实际模型中，考虑晶体管的非线性影响，检波器的参数化模型为：Vd(t)＝c0{IFFT(Sf(f))}2e(p)(11)其中，c0为检波系数；IFFT为逆傅里叶变换；e(p)为线性因子，作为输入信号的功率函数；当输入信号功率到达检波器的非线性区时，e(p)小于1；当输入功率继续增大，超过检波器的非线性区时，e(p)等于零，检波器到达饱和区；Vd(t)为检波器的输出电压。全功率式微波辐射计使用平方律检波，用检波电压值表示信号功率值。经过检波积分后信号基本为直流信号，且检波器的数学模型的时域描述较为简便，因此该模型由时域表示。检波器参数化模型接收由滤波器参数化模型传递的噪声信号，经过逆傅里叶变换，输出该噪声信号的电压，利用该电压值即可计算仿真的辐射计灵敏度、线性度和动态范围的性能指标。具体地，所述输入信号通过上述各参数化模型及其对应的传输函数，将输入信号最终传输至检波器参数化模型，并通过该检波器参数化模型，利用Vd(t)，将输入信号转换为对应的定标热源输出电压VH和定标冷源输出电压VC。作为上述技术方案的改进之一，所述将上述输入信号分别输入至全功本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种全功率式微波辐射计系统仿真方法，其特征在于，该方法包括：根据预先建立的热辐射噪声模型，分别模拟生成定标冷源输入信号和定标热源输入信号；将上述输入信号分别输入至全功率式微波辐射计系统中，对应地输出定标热源输出电压和定标冷源输出电压，计算全功率式微波辐射计系统的仿真性能指标；调整全功率式微波辐射计系统的参数直至仿真性能指标满足要求。

【技术特征摘要】
1.一种全功率式微波辐射计系统仿真方法，其特征在于，该方法包括：根据预先建立的热辐射噪声模型，分别模拟生成定标冷源输入信号和定标热源输入信号；将上述输入信号分别输入至全功率式微波辐射计系统中，对应地输出定标热源输出电压和定标冷源输出电压，计算全功率式微波辐射计系统的仿真性能指标；调整全功率式微波辐射计系统的参数直至仿真性能指标满足要求。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据预先建立的热辐射噪声模型，分别模拟生成定标冷源输入信号和定标热源输入信号；具体包括：当观测目标的辐射谱为常数时，热辐射噪声为带限的高斯白噪声：μ＝0σ＝kT(1)其中，k为玻尔兹曼常数；T为热辐射噪声的亮温；μ为高斯白噪声的均值；σ为高斯白噪声的标准差；其中，热辐射噪声的亮温T为定标热源的亮温或定标热源的亮温；对于高斯白噪声，其时域和频域信号都服从正态分布：s(t)～N(0，σ)S(f)N(0，πσ)(2)其中，s(t)为高斯白噪声的时域；S(f)为高斯白噪声的频域；设矩形窗函数为C(f)，则带限的高斯白噪声Sb(f)为：Sb(f)＝C(f)S(f)(3)假设观测目标辐射谱为A(f)，则热辐射噪声的频谱SA(f)为：SA(f)＝A(f)Sb(f)(4)因此，热辐射噪声的频谱SA(f)为热辐射噪声模型，在每个频点都服从均值为零、方差为A(f)πσ的高斯分布，使用呈高斯分布的伪随机数来仿真实现；当热辐射噪声的亮温T为定标热源的亮温TH时；根据建立的热辐射噪声模型，模拟生成定标热源输入信号，作为热辐射噪声的热源频谱；当热辐射噪声的亮温T为定标冷源的亮温TC时；根据建立的热辐射噪声模型，模拟生成定标冷源输入信号，作为热辐射噪声的冷源频谱。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述全功率式微波辐射计系统包括五个级联的低噪放、混频器、射频放大器、滤波器和检波器；所述低噪放的参数化模型Sl(f)为：Sl(f)＝Hl(f)SA(f)+Nl(f)(6)其中，Hl(f)为低噪放的传递函数；Hl(f)为低噪放的噪声信号；所述混频器的参数化模型Sm(f)为：Sm(f)＝Sl(f)Hm(f)+Nm(f)(7)其中，Hm(f)为混频器的传递函数；Nm(f)为混频器自身噪声；其中，混频器的传递函数Hm(f)为：Hm(f)＝Am(f)δ(f-f0-Δf)(8)其中，Δf表示本振频率的偏移量；δ(·)为单位冲激响应；Am(f)为变频损耗；f为频率；f0为本振频率；所述射频放大器的参数化模型Sa(f)为：Sa(f)＝Ha(f)Sm(f)+Na(f)(9)其中，Ha(f)为射频放大器的传递函数；Na(f)为射频放大器的噪声信号；所述滤波器的参数化模型Sf(f)为：Sf(f)＝Hf(f)Sa(f)+Nf(f)(10)其...

【专利技术属性】
技术研发人员：段永强，王振占，王文煜，
申请(专利权)人：中国科学院国家空间科学中心，
类型：发明
国别省市：北京,11