专利名称：顺轨方向多基线干涉式综合孔径微波辐射计及其设计方法
顺轨方向多基线干涉式综合孔径微波辐射计及其设计方法通常的被动微波遥感测量方法是对地物的辐射亮温进行直接测量。但是用于直接测量的天线孔径必须是真实的天线孔径，如反射面天线或可以产生真实的窄波束的阵列天线。由于天线的波束宽度(对应地面分辨率)与天线的物理口径(天线口面直径)成反比，与天线的工作波长成正比，因此为了提高遥感图像的空间分辨率就需要以增大天线的物理孔径为代价。如对工作在L波段(1.45GHz)的真实孔径辐射计，如想得到半功率张角为2.5度的波束，天线的物理孔径需要达到5米以上。这样大尺寸的实孔径天线无论是机载系统还是星载系统都难以承受。此外，即使能够实现，为了进行成像还需要进行波束扫描从而带来机械的或电的波束扫描困难，并由于扫描时波束在每一地面象元驻留时间太短，使积分时间下降从而使辐射计灵敏度下降。而且波束越窄，上述困难就越显著，这使得机载和星载微波辐射测量中的高分辨率成像问题成为难以逾越的鸿沟。
从六十年代开始，在射电天文技术中发展起来一种有效稀疏阵列天线的信号处理技术，称为综合孔径射电天文学。八十年代以来，从事空间对地观测的工程师将这一技术引入对地观测的微波辐射计中，用以解决提高分辨率的问题。
1983年，美国NASA戈达德飞行中心的D.M.LeVine等(参考文献LeVine,D.M.,and J.Good,Aperture Synthesis for MicrowaveRadiometers in Space,NASA TM-85033(NTIS#83N-36539),1983.)第一次建议将射电天文中的综合孔径技术引入对地观测的微波辐射计，用以提高其分辨率。从80年代中期始，NASA的JPL实验室和Massachusetts州立大学(Umass)的微波遥感实验室(MIRSL)(参考文献Ruf,C.S.,C.T.Swift,A.B.Tanner and D.M.LeVine,Interferometric synthetic aperture microwave radiometry for theremote sensing of the earth,IEEE Trans.GRS,Vo1.26,pp.597-611,1988.LeVine,D.M.,M.Kao,A.B.Tanner,C.T.Swift andA.Griffis,Initial results in the development of a syntheticaperture microwave radiometer,IEEE Trans.GRS,Vol.28,pp.614-619,1990.)在机载微波辐射计上研制了交轨方向(垂直平台运动方向)上的一维综合孔径辐射计ESTAR。它采用空间频率域(可视度函数)采样测量后进行数字综合，要求足够高的谱域采样密度，相应要求天线单元的最小间距不能太大，对于大的口径，尽管稀疏程度很高，但需要的天线单元的数目仍然很多；空间频域采样物理上是通过不同间距的天线单元的相关输出实现的，因此需要很多的相关器，对于星载应用这无疑是一个严重的缺陷，特别是如果要实现两个方向的综合(二维口径)则相关器的数目将难以接受。1991年日本的K.Komiyama(参考文献Komiyama,K.,High resolution imaging bysuper-synthesis(SSR)for the passive microwave remote sensingof the earth,Electronic Letters,Vol.27,pp.389-390,1991.)提出了超综合辐射计(Supersynthesis Radiometers,SSR)的概念。SSR利用二元干涉仪输出信号的瞬时频率随位置变化的线性调频段，采取类似于SAR的匹配接收处理方法，实现孔径综合，这种技术可以在物理口径(即干涉仪张成的空间)确定的情况下，将阵列稀疏到只有两个单元的极限情况，利用干涉输出在运动过程中的变化克服稀疏阵栅瓣的影响。但Komiyama的试验用的是点源目标。这种目标对入射角没有选择性，因此可以利用很大的数据采集窗口。而对于实用的遥感应用，当入射角变换增大时，地物的辐射特性将发生变化，而且对地观测中随着遥感器平台的运动，天线的照射区域也在移动，即辐射计的视场在变化，单基线空间频率覆盖要求的测量区间不能满足，这时Komiyama的方法将无法使用。
为了解决ESTAR用于二维成像天线单元和相关器数目太多和SSR不能用于对地观测的要求，而发明本专利。
本发明提出一种在顺轨方向(沿遥感器平台运动方向)进行多基线干涉测量的对地观测综合孔径微波辐射计，它采用干涉测量获取可视度函数的采样，利用不同倾角和长度的基线在同一测量区间上空间频率覆盖的不同，通过多个基线的组合在较小区间上获得足够的空间频率覆盖，并利用数值成象算法获得观测区域的地物亮度温度。这种形式的微波辐射计可以大大减少实现综合孔径微波辐射计所须的基线数目和天线单元数目，并且由于实现完整空间频率覆盖和可视度函数采样所要求的平台运动范围不大，从而入射角的变化也不大，能够满足扩展目标的测量要求，克服地球曲率对测量的限制。
图1是干涉式综合孔径微波辐射计的原理框图。
结合图1说明本发明的工作流程。单元1为稀疏天线阵，N为天线单元数，每个天线单元对应一个接收信道，所以N也是接收信道数目，1-1,2-1,…N-1分别是稀疏天线阵中的天线单元，它们按照基线组合要求具有一定的空间布局 1-2,2-2,…N-2是每个接收信道的校准/测量切换-相干/不相干校准切换开关，开关在数管、控制和通信单元控制下将接收机分别切换到天线输出端、相干噪声源输出端和内部不相干噪声源(匹配负载)，实现对测量信号、相干噪声和不相干噪声的分别校准测量，利用校准测量的结果修正信道噪声和不平衡对可见度函数测量的影响；1-3,2-3,…N-3是每个天线对应的接收信道，包括低噪声放大、混频和中放；1-4,2-4,…N-4对于采用数字相关器的系统，是正交检波器，对于采用模拟相关器的系统，为功分器组件；5是相关器组件，对于采用数字相关器的系统，该组件是一个数字相关器组，它对每个信道输出的正交检波I、Q信号实现A/D采样并进行组合复相关，对于采用模拟相关器的系统，该组件是一组模拟相关器和A/D采样，它对接收信道输出的信号进行组合配对和模拟相关，并对模拟相关器输出的I、Q信号进行采样；6是数管、控制和通信单元，它提供整个系统工作的开关时序，控制校准/测量切换-相干/不相干校准切换开关和系统热控系统，并控制接收系统与成像处理器之间的数据通信；7是成像处理器，它实现对可见度函数采样结果的相干/不相干校准处理，并用数值方法实现亮温反演成像处理；8是定标噪声源，它们提供每个信道一个相干的噪声输入，作为相干校准的信号源；9是公共本振，它提供给每个接收信道一个相干的本振输入，以保证各个信道的相干性。
本项发明所涉及的主要内容包括(1)顺轨方向利用平台相对观测区域的运动实现空间频率覆盖，减小该方向上的基线数目、天线单元数目和相关器数目；(2)顺轨方向采用多基线组合，在较小数据采集区间上的实现空间频率覆盖，满足空间对地观测要求。基线的具体设计步骤为图2是不同取向的基线的空间频率覆盖图。图2中横轴为顺轨方向对平台高度的归一化偏移量，即平台相对观测成像区域中心的的距离，纵轴为对物理基线长度的归一化空间频率。对扩展目标亮温分布的成像要求可见度函数和空间频率的完整覆盖，由于不同基线长度和倾角在同样的移动区域内具有不同绝对空间频率覆盖，所以可以通过它们的组合在较小的观测区域内实现空间频率覆盖和可见度函数采样。
a．根据遥感器平台高度和分辨率要求，确定空间频率的最大值和最长的基线长度2倍基线长度的实孔径天线的分辨率应与设计分辨率相同；b．根据观测区域的大小确定最小基线采样间隔与最小基线间隔相同尺度的实孔径天线的分辨率与观测区域大小相同；c．根据空间频率的最大值、平台高度、测量区域内入射角变化范围和地球曲率变化对观测区域的限制确定基线数目和基线组合参数；d．根据基线空间频率覆盖情况确定每个基线的物理长度和取向。
(3)采用相干/不相干校准，修正系统噪声和信道不平衡对可见度函数测量的影响误差；(4)根据可视度函数采用进行观测区域的亮度温度反演反演成像通过对测量得到的可见度函数逼近或亮温分布-可见度函数变换算子广义逆的优化实现，可以采用两种方法进行可见度函数的反演。第一种是矩量法，该方法以对可见度函数的逼近为目标函数进行优化；第二种是基于Backus-Gilbert理论的线性算法，该方法通过对亮温分布-可见度函数变换算子的广义逆的求取实现。
图1中稀疏天线阵有不同的构成方式，以下是具体实施(1)摆扫式成像图3所示给出了摆扫式成像稀疏天线阵的示意。
稀疏天线阵1作成摆扫式成像天线阵，即在顺轨方向上采用多基线综合孔径技术，在交轨方向的分辨率就是天线实孔径分辨率。交轨面内的干涉天线单元简化为一个。其在顺轨方向上只采用三条基线(对应三个单元天线)；在交轨方向上只采用一个杆状天线。三个单元天线成像时需要扫描，因此需要有一套随动系统以实现对观测区域的凝视，杆状天线的波束摆扫需要通过机械扫描或相控电扫描实现。在本方案中交轨方向的空间分辨率是由杆状天线在该方向的物理长度决定的，该方向上的刈幅则是通过杆状天线的波束扫描实现的；在顺轨方向上的空间分辨单元是由该方向上的三个干涉天线与杆状天线的孔径综合实现的。(2)相控阵波束摆扫式成像图4给出了相控阵波束摆扫式成像稀疏天线阵的示意。稀疏天线阵作成相控阵波束摆扫式成像天线阵，此方案与方案(1)基本相同，杆状天线采用相控阵天线，同时简化了干涉天线的数量与波束扫描方案。相控阵天线需要在平台移动时完成如图示的扫面动作。由于平台沿x方向运动，所以波束不但要完成沿y方向的摆扫，还要完成沿x方向的扫描以保证，波束始终照射到成像区域。在此方案中，单元干涉天线无需进行扫描。(3)二维综合孔径成像图5给出了二维综合孔径成像稀疏天线阵示意图。
稀疏天线阵作成二维综合孔径成像，本方案采用顺轨方向的多基线干涉和交轨方向的稀疏阵技术实现二维成像。顺轨方向单元天线成像时需要扫描，因此需要有一套随动系统；也可采用小的相控阵天线进行电扫描。本方案中交轨方向的空间分辨率是通过稀疏天线阵的孔径综合实现的；顺轨方向的空间分辨率则是通过基线运动的孔径综合实现的。
本项发明与已有的技术相比，具有以下的优点
(1)在顺轨方向上利用平台运动引起的空间频率变化，实现空间频率的覆盖和可见度函数采样，减少了该方向上要求的物理基线数目和天线单元数目，有利于星载应用；(2)在顺轨方向上采用多基线组合实现空间频率覆盖和可见度函数采样，可以在较小的测量区域内获得进行反演成像要求的空间频率和可见度函数分量，使顺轨方向干涉式综合孔径技术适合空间对地观测要求。
(3)对可见度函数测量结果，通过数值方法反演亮温分布，可以适用于不规则的可见度函数采样分布，提高反演的精度，并能够实现反演方法的校准。
权利要求
1．一种微波辐射计的设计方法，其特征在于(1)顺轨方向利用平台相对观测区域的运动实现空间频率覆盖，减小该方向上的基线数目、天线单元数目和相关器数目；(2)顺轨方向采用多基线组合，在较小数据采集区间上的实现空间频率覆盖，满足空间对地观测要求；(3)采用相干/不相干校准，修正系统噪声和信道不平衡对可见度函数测量的影响误差；(4)对可见度函数测量结果通过数值反演，包括矩量法和Backus-Gilbert方法，获得观测区域的亮温分布；
2．一种微波辐射计，其特征在于稀疏天线阵1，N为天线单元数，每个天线单元对应一个接收信道，所以N也是接收信道数目，1-1,2-1,…N-1分别是稀疏天线阵中的天线单元，它们按照基线组合要求具有一定的空间布局；1-2,2-2,…N-2是每个接收信道的校准/测量切换-相干/不相干校准切换开关，开关在数管、控制和通信单元控制下将接收机分别切换到天线输出端、相干噪声源输出端和内部不相干噪声源(匹配负载)，实现对测量信号、相干噪声和不相干噪声的分别校准测量，利用校准测量的结果修正信道噪声和不平衡对可见度函数测量的影响；1-3,2-3,…N-3是每个天线对应的接收信道，包括低噪声放大、混频和中放；1-4,2-4,…N-4对于采用数字相关器的系统，是正交检波器，对于采用模拟相关器的系统，为功分器组件；相关器组件5，对于采用数字相关器的系统，该组件是一个数字相关器组，它对每个信道输出的正交检波I、Q信号实现A/D采样并进行组合复相关，对于采用模拟相关器的系统，该组件是一组模拟相关器和A/D采样，它对接收信道输出的信号进行组合配对和模拟相关，并对模拟相关器输出的I、Q信号进行采样；数管6控制和通信单元，它提供整个系统工作的开关时序，控制校准/测量切换-相干/不相干校准切换开关和系统热控系统，并控制接收系统与成像处理器之间的数据通信；成像处理器7，它实现对可见度函数采样结果的相干/不相干校准处理，并用数值方法实现亮温反演成像处理；定标噪声源8，它们提供每个信道一个相干的噪声输入，作为相干校准的信号源；公共本振9，它提供给每个接收信道一个相干的本振输入，以保证各个信道的相干性。
3．根据权利要求2所述微波辐射计，其特征在于相关器采用数字相关器或模拟相关器的方法实现顺轨方向多基线的干涉式综合孔径微波辐射计；
4．根据权利要求2所述微波辐射计，其特征在于在顺轨方向上采用多基线综合孔径技术，在交轨方向的分辨率就是天线实孔径分辨率。交轨面内的干涉天线单元简化为一个，其在顺轨方向上只采用三条基线(对应三个单元天线)；在交轨方向上只采用一个杆状天线，三个单元天线成像时需要扫描，因此需要有一套随动系统以实现对观测区域的凝视，杆状天线的波束摆扫需要通过机械扫描或相控电扫描实现；在本方案中交轨方向的空间分辨率是由杆状天线在该方向的物理长度决定的，该方向上的刈幅则是通过杆状天线的波束扫描实现的；在顺轨方向上的空间分辨单元是由该方向上的三个干涉天线与杆状天线的孔径综合实现。
5．根据权利要求2所述微波辐射计，其特征在于采用顺轨方向的多基线干涉和交轨方向的稀疏阵技术实现二维成像，顺轨方向单元天线成像时需要扫描，因此需要有一套随动系统；也可采用小的相控阵天线进行电扫描，本方案中交轨方向的空间分辨率是通过稀疏天线阵的孔径综合实现的；顺轨方向的空间分辨率则是通过基线运动的孔径综合实现的。
6．根据权利要求2所述微波辐射计，其特征在于采用顺轨方向多基线和交轨方向稀疏天线阵组合，顺轨方向天线波束扫描实现对成像区域的凝视，交轨方向通过稀疏天线阵的数字处理实现波束覆盖的干涉式综合孔径微波辐射计。
全文摘要
顺轨方向多基线干涉式综合孔径微波辐射计及其设计方法属于干涉式综合孔径微波辐射计技术领域,解决了ESTAR用于二维成像天线单元和相关器数目太多和SSR不能用于对地观测的要求的问题,稀疏天线阵有不同的构成方式:摆扫式成像、相控阵波束摆扫式成像、二维综合孔径成像。在顺轨方向上利用平台运动引起的空间频率变化,实现空间频率的覆盖和可见度函数采样,减少了该方向上要求的物理基线数目和天线单元数目,有利于星载应用。
文档编号G01S13/90GK1301969SQ9912734
公开日2001年7月4日 申请日期1999年12月30日 优先权日1999年12月30日
发明者吴季, 董晓龙 申请人:中国科学院空间科学与应用研究中心