综合孔径微波辐射计的技术发展及其应用展望

介绍了综合孔径微波辐射计成像的基本原理, 回顾了干涉式综合孔径技术在过去十余年间的发展历程, 较详细地介绍并分析了目前世界上已有或在研的综合孔径微波辐射计系统, 其中包括美国的ESTAR 及其2D2STAR , GeoSTAR 计划, 欧空局SMO S 计划上的主载荷MIRAS, 芬兰赫尔辛基技术大学的HUT 22D, 以及中科院空间中心研制的C 波段及X 波段综合孔径微波辐射计等。最后, 对干涉式综合孔径技术的应用前景作了简要介绍与展望。     

综合孔径微波辐射计及其反演成像

介绍了综合孔径微波辐射计的基本思想,以及对地观测的综合孔径微波辐射计与综合孔径射电天文望远镜的区别。给出了综合孔径微波辐射计任意基线干涉测量的可见度函数与基线参数的关系,推导了可见度函数的一般表达式和综合孔径微波辐射计亮度温度反演的一般函数空间表示。给出了亮度温度反演的数值算法和算例。     

小波离散点插值处理在综合孔径微波辐射计中的应用

土壤湿度和海水盐度是影响全球气候和水体循环的重要因素,但是对土壤湿度和海水盐度的测量都需要较低的微波测量频率,这时天线孔径和空间分辨率的矛盾就更加突出,而应用综合孔径微波辐射计就是在减小天线孔径和重量的前提下提高空间分辨率的一项新兴的被动微波遥感技术。综合孔径微波辐射计测量的是视场范围内亮温分布对于天线阵中不同基线的干涉天线单元之间的可见度函数分量,根据测得的可见度函数可以反演得到亮温图像。在综合孔径微波辐射计设计中,天线阵列设计和成像反演算法是两项关键技术。提出一种基于小波变换的离散点插值方法,它对二维综合孔径微波辐射计的Fourier成像反演算法进行了修正处理。     

移动通讯信号对星载微波辐射计的影响分析-以风云三号气象卫星微波湿度计为例

以风云三号气象卫星微波湿度计为例，通过手机信号对183.31GHz接收机的干扰实验，找到了干扰途径，进行了机理分析，并定量分析了移动通讯基站对在轨运行的星载微波辐射计的影响，给出在星载微波辐射计中预防和解决干扰的措施，并进行了实验验证。
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一种一维综合孔径微波辐射计的定标方法

综合孔径微波辐射计是被动微波遥感发展的新方向。综合孔径技术利用了以小口径天线阵列合成大的观测口径的技术，解决了在较低频率时天线物理口径要足够大才能得到期望的空间分辨率的严重缺陷。土壤湿度和海水盐度是影响全球气候和水气循环的重要因素。这些参数一般是在L波段范围观测得到，综合孔径辐射计就是减少天线孔径和重量，并最终可以观测反演出这两个参数的一项新兴技术。综合孔径辐射计不同于全功率辐射计，它测量的是视场亮温分布对于天线阵中不同基线长度的可视度函数分量。它的系统主体是稀疏天线阵和多通道相关接收机。在实际应用中，要得到土壤湿度等参数的反演，较高的系统亮温分辨率以及亮温与测量量之间的准确对应是至关重要的，这即是定标工作要完成的任务。定标直接影响微波辐射图解译和判读的准确度，是实现定量化微波遥感的前提。针对一雏综合孔径辐射计系统，给出了一种定标方案。其中分析了天线阵以及多通道相关接收机部分的定标，由得到的矩阵形式的空间频率响应信息推出了亮温图像的反演公式。     

多波段微波辐射计反演大气温湿廓线性能分析

为了为星载、机载以及地基微波大气温湿廓线探测仪通道的设置、大气参数反演指标的论证、反演算法的开发以及反演产品的质量评定提供参考依据,基于快速辐射传输模式(RTTOV10)和大气参数廓线库,建立了基于神经网络的微波大气温湿廓线反演性能分析方法,分析了反演方法、通道选择、亮温观测误差和地表比辐射率等因素对大气温湿廓线反演性能的影响。模拟试验分析表明:1神经网络反演算法显著优于线性统计回归反演算法,特别是对亮温观测噪声的敏感性相对较弱;2183.31GHz附近的水汽探测通道能够为大气温度廓线反演提供一定的信息;118.75GHz附近的温度探测通道对整个大气的温度反演均有明显影响,在200hPa附近误差的影响量达0.4K;350~60GHz和118.75GHz附近的温度探测通道对基于183.31GHz附近通道的湿度廓线反演具有重要影响,而且存在一定的互补性;4微波亮温观测误差以及地表比辐射率假定对大气温湿廓线反演有着显著影响。     

L波段合成孔径微波辐射计机理及原理性实验

简要介绍了被动微波遥感在低频波段上的应用和孔径合成方法提高空间分辨率的原理,完成了双通道相关干涉辐射计原理样机的设计与研制,对系统的互相关处理功能进行了原理性实验。结果表明,系统将双通道之间的相位差完整地复现出来,解决了孔径合成技术中互相关处理这一关键技术。     

封面说明

封面图是神舟4号飞船搭载的多模态微波遥感器中微波辐射计在2003年1-4月间获取数据经处理后所形成的图像。 多模态微波辐射计共有5个频率即6.6GHz、13.9GHz、19.35GHz、22.235GHz和37.0GHz。其中除22.234GHz水汽通道为单极化外,其余频率均为双极化。局部入射角为42.6°。该辐射计的频率选择可以适用于多种用途,如6.6GHz、13.9GHZ和19.35GHZ适合于反演地表参量如土壤水份、植被含水量和地表温度等,而高频范围如22.235GHz、37.0GHz可用于检测大气水汽含量,液水含量及地物分类等。同时该辐射计的频率选择与搭载于Aqua上的AM-     

综合孔径辐射计的接收机结构及单双边带选择

根据I/Q解调实现方式的不同,将综合孔径辐射计接收机的结构分为I/Q下变频及先下变频再I/Q解调两种。分析了综合孔径辐射计在这两种接收机结构下分别选择单、双边带工作模式反演成像时是否会产生镜像干扰。结果表明,只有在综合孔径辐射计接收机为先下变频再I/Q解调结构且选择双边带模式时,系统反演成像会产生镜像干扰,在其它3种情况下皆不会产生;通过频域分析得到镜像干扰产生的原因是接收机在信号处理过程中将射频输入信号的负频分量混叠到中频输出解析信号中。最后,对综合孔径辐射计的单双边带两种工作模式进行了比较,并通过仿真验证了镜像干扰分析结果。     

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。     

人工神经网络反演算法反演北京地区湿度廓线

微波湿度计（MWHS）是风云三号卫星的主要有效载荷之一,其频率为150GHz（双极化）和183.3lGHz（三通道）,分别用于探测大气窗区和水汽廓线。采用垂直于飞行方向的交轨扫描方式,科学目标是探测大气湿度的垂直分布。本文简要介绍微波大气湿度探测的基本原理,阐述了湿度廓线反演的各种方法,着重运用人工神经网络算法,反演北京地区的大气湿度的垂直分布。结果表明,运用风云三号微波湿度计数据,大气湿度垂直分布反演值与已知的探空数据相比,虽有误差,但在可接受范围之内,反演结果可应用于气象,通信等领域,并具有重要应用价值。     

干涉合成孔径雷达海浪遥感研究

海浪是重要的海洋环境参数, 它对港口建设、海上航行、油气田开发等具有重要的意义。合成孔径雷达(Syn thet ic Apertu re Radar, SAR ) 是目前大范围测量海浪的主要工具, 用它来估计海浪主波系统的波长和传播方向比较好, 但要定量的提供海浪的振幅以及SAR 图像强度与实际海面的关系是相当困难的, 而且由SAR 图像获取海浪方向谱也比较复杂。沿航迹干涉合成孔径雷达(Along-Track Interferometric Synthet ic Aperture Radar,ATI-SAR ) 是在平台飞行方向上安置两根天线的双天线合成孔径雷达。相对于合成孔径雷达, 真实孔径雷达调制传递函数对沿航迹干涉合成孔径雷达相位图像的影响很小, 因此沿航迹干涉合成孔径雷达更适合测量海浪。详细介绍了沿航迹干涉合成孔径雷达海浪遥感的成像机制, 为进一步反演海浪方向谱奠定了基础, 最后针对目前研究存在的问题以及今后有待研究的方向进行了探讨。     

一种被动式毫米波干涉成像相位校准方法的应用及仿真

被动式毫米波孔径合成辐射计是采用稀疏的天线阵来进行干涉成像。成像中可视度的相位误差对成像质量影响很大。给出了影响可视度误差因素的分析,并对整个校准系统进行了结构建模,同时介绍了一种对可视度相位进行实时校准的方法--冗余基线校准法(Redundant SpacingCalibration,简称RSC),仿真了两种天线布局下的校准效果,证明了冗余基线校准方法对被动式毫米波干涉成像中相位误差校准的有效性。     

Analysis of uncertainty in visibilty samples via average correlation in a synthetic aperture interferometric radiometer

Synthetic aperture interferometric radiometry (SAIR) has provided an effective approach for achieving high spatial resolution in remote sensing at microwave frequencies. The radiometric sensitivity of a synthetic aperture interferometric radiometer is determined by the uncertainty in visibility samples. Generally, visibility samples can be calculated by utilizing either nominal or redundant correlation methods, such as in microwave imaging radiometry with aperture synthesis. In this paper, we use the average of results from both methods, which results in a 1.5 dB improvement in the signal-to-noise ratio (SNR) of visibility samples by assuming double side band (DSB) inphase/quadrature (I/Q) demodulation. Moreover, the requirement for the baseband signals to have a high sampling rate for optimum visibility sample uncertainty can be greatly relaxed, regardless of the type of demodulation. The receiver complexity, volume, and power consumption will be also much lower, which is critical for airborne and space-borne SAIR applications. The mathematical derivation is presented in detail followed by verifications with several experiment results based on the SAIR prototype instrument.     

Discrimination between crude-oil spills and monomolecular sea slicks by airborne radar and infrared radiometer—possibilities and limitations

Abstract

The applicability of an X-band (9·4 GHz) real aperture radar (RAR) and an infrared (IR) radiometer to discriminate between crude-oil spills and monomolecular sea slicks is investigated over the same sea area. The results from quasi-simultaneous overflights over a crude-oil spill and three different sea slicks (oleyl alcohol, di-(ethylenglycol)-mono-isostearyletherand methyl oleate)show that the advantage of an imaging radar is its uniequi vocal potential for surveying large sea surfaces and that the advantage of an IR sensor is its ability to determinate quickly the thick centres of crude-oil spills. However, neither the RAR nor the IR radiometer can discriminate between crude-oil spills and sea slicks. Therefore, an airborne coastal patrol with the objective of monitoring oil pollution must comprise a package of additional sensors, e.g. a microwave radiometer and/or a lidar system.     

基于小波变换空间变迹的SAR图像旁瓣抑制方法

为了进一步提高旁瓣抑制的效果,本文提出一种基于小波变换空间变迹的合成孔径雷达图像旁瓣抑制方法。该方法对成像后的复数图像分别进行实部和虚部的二维小波分解,对分解后得到的各子通道进行空间变迹旁瓣抑制,将旁瓣抑制后的各子通道数据通过小波重构得到实部数据和虚部数据,再对重构后的实部数据和虚部数据分别进行空间变迹旁瓣抑制,最终生成基于小波变换空间变迹旁瓣抑制后的复数图像。实验结果表明,该方法能够在基本不损失图像分辨率的基础上,有效抑制图像的旁瓣电平。