一種微波輻射計全極化數字相關實現方法與流程

本發明屬于空間微波遙感技術領域，涉及一種微波輻射計的數據處理方法。

背景技術：

微波輻射計是一種被動式遙感器，主要應用于氣象、農林、地質、海洋環境監測等方面。海洋占地球表面的百分之七十，是調節全球氣候變化的重要因素。隨著與風向的方位夾角不同，海面風場驅動下毛細波表面的電磁輻射具有橢圓極化特性。該橢圓極化波隨著相對風向的方位角的變化有幾K的變化，根據橢圓極化分量的極化度和極化角可以反演出海面風場的風速和風向。

傳統的微波輻射計只能測量目標微波輻射的水平極化輻射量溫Th和垂直極化輻射量溫Tv。近年來，正交極化分量的復相關分量T3和T4逐漸引起人們的重視。全極化微波輻射計可以得到四個Stokes參數進行海面風場測量，同時具有功耗低，高風速條件下精度高等優勢。全極化輻射計同時使用多路相關技術完成測量，在電磁學上用Stokes極化矢量表示，即：

T3表征線性極化的程度，T4表征了其方向變化的特征，|E_v|²表示垂直極化通道的能量，|E_h|²表示水平極化通道的能量，表示水平極化信號和垂直極化信號的復相關，Re表示取數據的實部，Im表示取數據的虛部，符號<>表示一定積分時間的累加。垂直極化和水平極化的能量通常通過該通道水平分量和垂直分量的自相關得到，通過水平極化的水平和垂直分量與垂直極化的水平和垂直分量進行互相關運算得到。

目前實現相關通常采用數字相關的算法。如中國科學院空間科學與應用研究中心提出的專利號為CN201110020107.9的專利所公開的一種用于全極化微波輻射計系統中可配置的數字相關器。該相關器射頻前端通過混頻放大和正交變換后的信號轉化為差分信號輸入至四個高速ADC輸入端；其中，V通道的I路和Q路信號分別輸入到第一高速ADC1和第三高速ADC3，H通道的I路信號和Q路信號分別輸入到第二高速ADC2和第四高速ADC4；高速ADC將輸入的差分信號進行采樣轉換為數字信號，把數字信號經多路復用后輸入數字相關電路；經過相關處理后，將一定時間累加的相關結果通過數據格式轉換和外部接口電路按要求的順序輸出到計算機上。該方法的不足有以下兩點：一是該方法沒有計算VI和VQ的相關值，該值雖然對相關運算結果沒有影響，但可以用來判斷通道內I路和Q路的正交關系的滿足性，提高對系統狀態的遙測。二是沒有充分利用通道間的相互關系，提高系統的可靠性。

技術實現要素：

本發明解決的技術問題是：克服現有技術的不足，提供了一種全極化數字相關實現方法，通過冗余的方式，對VIVQ和HIHQ信號進行了計算，提高了對系統工作狀態的遙測；把輸入的任意兩個信號進行互相關運算，在VI、VQ、HI、HQ任意一路信號出現異常后，不影響數據處理，提高了系統的可靠性。

本發明的技術解決方案是：一種微波輻射計全極化數字相關實現方法，包括如下步驟：

(1)從天線分別接收V通道和H通道的射頻信號，將兩路射頻信號分別下變頻為中頻信號，然后對兩個通道的中頻信號分別進行2功分，并對功分后的其中一路信號進行正交變換，由此得到VI，VQ，HI，HQ四路信號；

(2)對VI，VQ，HI，HQ四路中頻信號分別進行帶通采樣；

(3)對通道采樣后的數據兩兩進行數字相關運算，得到信號VI²，VQ²，HI²，HQ²，VI*HI，VQ*HQ，HI*VQ，HQ*VI，VI*VQ，HI*HQ，然后在固定時間內把各個相關結果進行累加；

(4)利用累加結果得到TB的四個分量：Tv、Th、T3、T4；包括：

當所有通道采集數據正確時：

當VI通道出現異常時：

當VQ通道出現異常時：

當HI通道出現異常時：

當HQ通道出現異常時：

所述步驟(4)中所有通道采集數據正確的判定方法是條件和同時滿足。

所述步驟(3)中的固定時間為10ms。

本發明與現有技術相比的優點在于：

(1)在現有的方法中，未對VIVQ和HIHQ信號進行計算處理，無法確定I路和Q路的正交狀態。本發明方法在增加了這兩個值的計算后，提高了對系統工作狀態的遙測。

(2)由于本發明方法中，對各路信號之間均進行了相關運算，因此在同時把VI²，VQ²，HI²，HQ²，VI*HI，VQ*HQ，HI*VQ，HQ*VI的結果計算并回傳后，在其中VI，VQ，HI，HQ任意一路出現出現故障后，不影響數據處理，提高了系統的可靠性。

附圖說明

圖1為本發明方法的原理圖。

具體實施方式

如圖1所示，為本發明方法的原理圖，主要步驟如下：

1.從天線分別接收垂直極化通道(V通道)和水平極化通道(H通道)的射頻信號，將射頻信號下變頻為中頻信號，然后對兩個通道的中頻信號分別進行2功分，并對功分后的其中一路信號進行正交變換，由此得到垂直通道的同向分量VI，垂直通道的正交分量(把同向分量移向90度)VQ，水平通道的同向分量HI，水平通道的正交分量HQ四路信號；

2.然后利用A/D轉換器對四路中頻信號分別進行帶通采樣，通道的采樣率需要滿足奈奎斯特采樣定理；

3.對模數轉換后的數據兩兩進行數字相關運算，得到信號VI²，VQ²，HI²，HQ²，VI*HI，VQ*HQ，HI*VQ，HQ*VI，VI*VQ，HI*HQ，然后在10ms內把各個相關結果進行累加，并把累加結果輸出。

利用輸出的相關累加結果得到TB的四個分量：Tv、Th、T3、T4。

當所有通道采集數據正確時：

由于功分后兩路信號的能量相同，正交變換不改變信號的能量，所以I路的能量和Q路的能量是相同的，所以

VI²＝VQ²，HI²＝HQ²。

因為I路和Q路滿足正交關系，所以VI和HI之間的夾角與VQ和HQ之間的夾角都為θ，所以VI*HI＝VQ*HQ；HI和VQ之間的夾角為90-θ，VI和HQ之間的夾角為90+θ，所以HI*VQ＝-HQ*VI。

所以：

在同時把VI²，VQ²，HI²，HQ²，VI*HI，VQ*HQ，HI*VQ，HQ*VI的結果計算并回傳后，在其中VI，VQ，HI，HQ任意一路出現出現故障后，不影響數據處理，提高了系統的可靠性。

當VI通道出現異常時

當VQ通道出現異常時

當HI通道出現異常時

當HQ通道出現異常時

即，當任意一個通道有異常時，仍然能夠得到正確的TB值。

這里的異常，是指該通道無輸出，或者是由于器件原因等導致的該路數據的偏大或偏小。

這里的正常，是指條件和同時滿足，也即V、H通道滿足I、Q正交。

本發明說明書中未作詳細描述的內容屬本領域技術人員的公知技術。