微波輻射計在衛星發射信號遙感探測中的應用

秦江,雷連發,王皓,陳瑞,朱磊

(1.北方天穹信息技術(西安)有限公司,西安 710100;2.西安電子工程研究所,西安 710100;3.云南省氣象災害防御技術中心,昆明 651700)

0 引言

地基多通道微波輻射計具有高時空分辨率的特點,能夠實時觀測大氣微波輻射亮溫并反演得到對流層大氣溫濕度廓線等參數,在大氣探測中已經得到了廣泛的應用[1-8]。由于地基微波輻射計具有高靈敏度的特點,它不僅僅可以用來觀測大氣輻射亮溫,還可以用來觀測其他目標的微波輻射特性,例如用來觀測太陽等天體的微波輻射特征[9-15],通過改變現有工作方式,在觀測大氣的同時對地表進行掃描觀測,可以實現土壤溫濕度等地表信息的觀測。此外,微波輻射計還被用來觀測研究閃電通道的微波熱輻射特征等[16-19]。通過以上觀測應用可以看出,微波輻射計有著廣泛的應用前景,不僅可用于大氣探測領域,還可以在地表環境和深空探測中進一步拓展發揮重要作用。

地基微波輻射計的高靈敏度特征使其在實際觀測中易受到其他信號的干擾。例如,衛星通信載波的下行發射、星載主動探測儀器發射電磁波等。目前,世界各國發射的各種用途的衛星已經越來越多,現有的衛星通信主要使用C和Ku波段,與地基微波輻射計工作頻段不重合并不會對微波輻射計工作產生影響。然而隨著需求的激增,衛星現有通信頻段資源在使用上已經十分擁擠。隨著微波電路和電子元器件技術的發展,衛星通信頻段逐漸從低頻C和Ku頻段向著Ka等更高頻通道發展,這樣衛星通信不僅可以獲得較寬的工作頻帶,增加通信容量,同時還可以實現較窄的波束和減小天線尺寸[20-21],然而該工作頻段已經進入地基微波輻射計的工作窗口。地基微波輻射計主要通過被動接收K波段(22～31 GHz)和V波段(51～59 GHz)的大氣自身微波熱輻射,實現對大氣溫濕度廓線的反演。如今衛星所采用的高頻通道已經和微波輻射計工作的K波段發生重疊。衛星在飛行過程中經過微波輻射計頂空時,微波輻射計是否會收到衛星的輻射信息?當衛星發射的頻率在微波輻射計工作頻帶內時,是否會干擾微波輻射計的正常工作?如何定量表述對地基微波輻射計常規觀測的影響方式和強度?這些問題都需要進行深入研究,確保微波輻射計在常規觀測和數據應用中不會受到衛星通信信號的干擾。

2022年10月,在西安市利用地基微波輻射計垂直向上觀測大氣溫濕度廓線的時候,觀測到來自天頂方向的一個輻射信號,頻率在25 GHz附近。觀測期間每天在固定時間觀測到該信號,每天3次,間隔約8 h。進一步通過天線跟蹤觀測發現該信號目標在天空中處于移動狀態。本文將針對這一觀測事實,通過理論分析和實驗數據研究衛星發射電磁波對地基微波輻射計正常業務觀測的影響機制,以及微波輻射計在衛星目標跟蹤觀測和狀態監測中的應用,為后續微波輻射計的改進設計和高精度、不間斷實時觀測提供有效的改進方案。

1 實驗觀測

1.1 觀測儀器

本研究所使用的微波輻射計為自主研制的MWP967KV型地基多通道微波輻射計,該型號微波輻射計工作在K波段和V波段,分別用于測量水汽頻段和氧氣頻段的大氣下行輻射亮溫,微波輻射計系統參數見表1。為實現長期穩定、精確探測大氣溫濕特性,觀測系統通過定期的液氮標定以及實時的Tipping標定、熱源定標和噪聲源定標等多種定標方法來實現定標確保觀測精度。該設備還集成了多要素微氣象站可實時監測工作現場溫、濕、壓、風和降雨等氣象參數,此外還能夠通過集成不同的傳感器提供大氣PM2.5、PM10、CO、SO2、NO2、O3等大氣污染物監測。

表1 地基微波輻射計系統主要性能參數

1.2 觀測實驗

2022年10月,在常規大氣觀測實驗中發現25 GHz通道每天在相對固定的時段受到干擾,每天可觀測到3次,時間間隔約8 h,呈現出明顯的周期變化,其他通道則無變化,如圖1所示。通過連續觀測可以看出該信號對25 GHz通道影響較為明顯。

圖1 微波輻射計觀測亮溫變化

由于微波輻射計波束寬度較窄,只有該信號進入到主波束內才可能被觀測到,即在干擾時段干擾源處在天頂方向附近。為此,本研究通過改變微波輻射計天線的方位和俯仰角,掃描天空主動尋找該信號并對該信號進行連續跟蹤觀測。掃描過程中首先確定一個大概方向,在此方向附近對天空進行方位和俯仰精細掃描,基于信號幅度最大法(即在掃描過程中得到該信號的最大輻射亮溫)實現對天空目標的方向定位。獲取目標方位以后,通過連續跟蹤,獲得對該信號輻射亮溫及空間位置隨時間變化的實時觀測。

2 理論分析

衛星影響地基微波輻射計觀測的機理主要有自身熱輻射和主動發射的“衛星通信載波電磁波”或“星載雷達發射波”,即衛星的主動發射信號。這兩種信號經過大氣衰減后到達微波輻射計天線被接收。衛星自身熱輻射主要取決于衛星的空間尺寸和熱輻射特征,而發射電磁波的影響主要取決于衛星的等效輻射功率和星地距離。

對于衛星自身熱輻射,假設衛星為黑體(表面發射率為1),被微波輻射計觀測的輻射亮溫主要取決于衛星表面溫度和衛星在微波輻射計天線波束中的空間占比。微波輻射計接收到的衛星自身熱輻射可通過式(1)、式(2)進行計算。

(1)

(2)

式中:ΔT′s表示衛星在天線波束內接收的經過大氣衰減后被微波輻射計接收的亮溫;Ts是衛星的平均輻射亮溫;ΩS和ΩA分別是衛星和天線波束的立體角;θ是微波輻射計天線俯仰角;θs為衛星的視角;θA為天線波束寬度;τ(θ)是在觀測方向上大氣的總衰減;R表示衛星在天線波束內的空間占比。

微波輻射計天線在K波段波束寬度約為4°,根據式(2)可以計算不同高度不同尺度的衛星在微波輻射計天線波束中的空間占比,結果如圖2所示?？梢缘玫?0 m的衛星在天線波束中的占比在1 000 km高度時候約為5.69×10-8,在300 km時候約為6.32×10-7。如果是同步軌道衛星,高度約為36 000 km,這個空間占比將更小。由于衛星在天線波束中的空間占比非常小,對于單個衛星自身僅有幾百K的輻射亮溫來說,到達天線的亮溫遠小于0.1 K。因此,現有大氣觀測所用的微波輻射計很難觀測到衛星自身的熱輻射亮溫,可以被忽略。當然理論上在衛星足夠多的時候也是會觀測到它的輻射亮溫。

圖2 衛星在微波輻射計天線波束角中的占比隨衛星高度和衛星尺寸的變化

衛星不僅僅有自身熱輻射,還有衛星下行通信或星載對地探測設備主動發射的電磁波。衛星發射信號很強,在衛星處于微波輻射計天線波束內部的時候,微波輻射計有可能接收到衛星發射的電磁波。

電磁波在自由空間傳播條件下,電磁波功率衰減可根據式(3)進行計算[22-23]。

Ls=32.45+20lg(f)+20lg(r)

(3)

式中:Ls為自由空間傳輸衰減,單位為dB;f為工作頻率,單位為MHz;r為信號傳輸距離,單位為km。

根據式(3),本文計算了在工作頻率25 GHz、不同傳輸距離時的信號空間傳輸衰減,如圖3所示。圖中顯示了傳輸距離在400～40 000 km范圍內衛星發射電磁波的空間傳輸衰減,在400 km軌道高度信號衰減超過了170 dB,在36 000 km的地球同步軌道上信號衰減超過210 dB。

圖3 25 GHz頻率不同傳輸距離對應的衰減量

衛星發射信號經過空間傳輸衰減和極化衰減后到達地面,被微波輻射計接收。到達微波輻射計天線口面的功率Pr可利用式(4)進行計算。

Pr=PEIRP-Ls-Lr

(4)

式中:PEIRP為衛星天線等效輻射功率,單位dBW;Ls為空間傳輸衰減;Lr為極化衰減。

根據式(4)可以準確估計特定軌道衛星下行輻射到達微波輻射計天線口面功率的范圍。圖4顯示了軌道高度約為36 000 km的地球同步軌道,工作頻率25 GHz,極化衰減按最大3 dB計算,等效輻射功率在45～70 dBW(75～100 dBm)范圍內衛星下行輻射電磁波到達微波輻射計天線口面的功率為-139.5～-114.5 dBm。

圖4 不同等效輻射功率到達微波輻射計天線口面功率

地基微波輻射計天線增益大于30 dB,因此衛星輻射信號經過天線到達微波輻射計接收機的功率為-110～-85 dBm。由熱力學公式可知,微波輻射計接收到的輻射亮溫,可按式(5)進行計算。

(5)

式中:Ta表示微波輻射計觀測的亮溫;k為玻爾茲曼常數(1.38×10-23J/K);B為微波輻射計工作帶寬。

根據式(5)可計算得到微波輻射計接收的衛星的發射功率在45～70 dBW時,微波輻射計帶寬按300 MHz計算,接收的輻射亮溫為2.5～750 K。由于微波輻射計觀測亮溫靈敏度小于1 K(-113.8 dBm),明顯低于衛星發射信號到達接收機的功率,因此微波輻射計是可以接收到該信號的。

3 進一步的針對性觀測實驗及其數據分析

3.1 衛星信號影響的頻率范圍

為了研究衛星信號對微波輻射計影響的頻率范圍,對微波輻射計進行了改造,在24～26 GHz范圍內增加觀測通道,所增加的通道頻點為24.4 GHz、24.6 GHz、24.8 GHz、24.9 GHz、24.95 GHz、25.0 GHz、25.05 GHz、25.1 GHz、25.2 GHz、25.4 GHz、25.6 GHz。通過增加觀測通道,可以看到該信號影響的頻率范圍,如圖5所示。

圖5 衛星信號影響的頻率范圍

3.2 對衛星發射信號的跟蹤觀測

圖6 微波輻射計對衛星信號的跟蹤觀測(方位正北為0,向東為正,向西為負)

圖7 微波輻射計對衛星的俯仰掃描結果(圖中天線仰角90°為天頂方向)

3.3 對衛星等效輻射功率的估計

3.4 衛星信號對微波輻射計影響的角度范圍

衛星輻射方向偏離微波輻射計波束中心一定角度后,由于天線增益降低,微波輻射計就很難接收到衛星的發射信號。假設衛星發射信號的變化超過1 K(-113.8 dBm)時能被微波輻射計明顯觀測到,衛星最大輻射亮溫418.5 K(-87.6 dBm),則微波輻射計天線觀測到目標的最大的幅度偏差ΔP的計算如式(6)所示。

ΔP=-87.6-(-113.8)=26.2 dB

(6)

根據以上計算結果可以看出,當目標偏離波束中心天線增益下降超過26.2 dB時,微波輻射計就很難接收到目標的輻射信號。從微波輻射計天線方向圖可以得到該幅度偏差對應的角度約為±6°,即衛星發射方向與微波輻射計天線中心偏差超過約6°時,微波輻射計就可能追蹤不到衛星信號了,在常規觀測中也就不會受到衛星下行輻射信號的干擾了,如圖8所示。這個計算分析結果與實際的觀測結果較為吻合,考慮到不同仰角大氣衰減的差異,實驗中輻射計天線偏離大概5°～6°受到衛星的影響就很弱。從以上分析可以看出,衛星對微波輻射計影響是有區域范圍的,由微波輻射計和衛星的相對位置決定。為了徹底避免這個影響,只能調整微波輻射計的工作頻率或觀測方向。

圖8 微波輻射計天線方向圖(虛線表示天線增益下降26.2 dB)

3.5 衛星發射信號在微波輻射計天線波束寬度測量中的應用

從理論分析和觀測結果可以看出,微波輻射計能夠觀測到衛星的發射信號。衛星發射信號對于地基微波輻射計常規大氣觀測是一個干擾信號,影響微波輻射計的觀測和大氣溫濕度廓線的反演等。然而該信號也可以被利用,例如用來測量微波輻射計的波束寬度。衛星可被看作是一個輻射源,微波輻射計對準衛星進行掃描的過程就類似于測量天線波束寬度的過程。

微波輻射計的天線模型可近似為高斯天線模型[29-30],微波輻射計對衛星的掃描亮溫與角度的關系可以利用式(7)進行表示。

(7)

式中:Tb表示輻射計掃描衛星過程中不同觀測角度的亮溫;Ad表示衛星目標在微波輻射計天線中心時的輻射亮溫;G表示方向性函數;θA表示天線半功率波束寬度;x表示天線中心偏離衛星的角度。

對微波輻射計掃描的衛星數據進行大氣衰減校準并進行高斯函數擬合,結果如圖9所示。擬合得到最大輻射亮溫Ad=418.9 K,天線波束寬度θA=3.82°,與微波暗室測量的天線波束寬度測量結果3.8°非常一致。利用該信號可實現對微波輻射計觀測頻率波束寬度的測量,該方法相比傳統的微波暗室測量簡單有效,不需要專業的儀器儀表和實驗室,能夠在外場環境下進行。

圖9 大氣衰減校準后的亮溫與高斯擬合結果對比

4 結束語

2022年10月中下旬在西安利用地基微波輻射計常規大氣觀測過程中,觀測到一個有規律的干擾信號,中心頻率約為25 GHz,每天會有3次,間隔時間約8 h。利用微波輻射計跟蹤觀測,發現應該是衛星過境期間,衛星發射電磁波造成的干擾?；谶@個事實,本文通過理論分析和實驗觀測,研究了微波輻射計觀測衛星發射信號的基本理論模型和可行性,并進行了跟蹤觀測實驗,得到了以下結論。

1)通過對該目標的跟蹤觀測,驗證了微波輻射計可以對衛星的發射信號進行跟蹤觀測。通過對這個信號的觀測,發現每天3次過境并不是一個目標一天3次過境,而是飛行周期24 h的3個不同目標過境。這樣的衛星屬于地球傾斜同步軌道衛星,高度約36 000 km,星下點軌跡為近“8”字形狀。本次觀測實驗說明地基微波輻射計還可以被用于衛星軌道監測,實現微波輻射計功能的拓展。

2)該信號中心頻率約為25 GHz,對地基微波輻射計影響的頻率范圍為24.4～25.6 GHz,帶寬有1 GHz的頻帶。經過距離衰減和極化衰減后到達天線口面的輻射亮溫超過400 K。結合觀測結果,通過反向推導計算得到衛星的等效輻射功率約為66.9 dBW。實驗證明微波輻射計在衛星等效輻射功率的監測中可得到進一步應用。

3)衛星發射信號還可以被進一步利用,實現對地基微波輻射計天線方向圖的測量。經過實驗得到微波輻射計在25 GHz的半功率波束寬度為3.82°,與微波暗室的測量結果較為一致,該方法簡單有效,可在外場環境下進行,不需要專業的微波暗室環境和儀器儀表。

隨著技術的發展,衛星將會越來越多,頻段的重疊也會越來越多,對微波輻射計的影響也會日益增多。未來微波輻射計的改進設計和在觀測過程中需要考慮對這個問題的應對措施,例如智能化調整工作頻率和觀測空域等。此外,還可以研究利用微波輻射計在被動監測跟蹤衛星方面的技術和方法。