CN108896991A - 一种基于数据融合的星载分布式综合孔径微波辐射计系统 - Google Patents

Abstract

一种基于数据融合的星载分布式综合孔径微波辐射计系统，包括数据融合处理子系统和至少N*M个完全相同的综合孔径微波辐射计子系统，N、M分别取决于整个系统的顺轨和交轨方向的空间分辨率与综合孔径微波辐射计子系统的顺轨和交轨方向的空间分辨率的比值；所有的综合孔径微波辐射计子系统均排布在同一轨道高度，且在地面的投影网格存在有规律的排布重叠；每个综合孔径微波辐射计子系统获取地面的亮温图像记为原始亮温图像；数据融合处理子系统根据每个综合孔径微波辐射计子系统的原始网格重叠关系，通过数据融合的方式确定整个系统在地面的投影网格记为细分网格的亮温值，即数据融合后的高分辨率亮温数据，该高分辨率亮温数据在顺轨方向和交轨方向分别提高了N倍、M倍。

Description

一种基于数据融合的星载分布式综合孔径微波辐射计系统

技术领域

本发明涉及一种基于数据融合的星载分布式综合孔径微波辐射计系统，属 于空间微波遥感技术领域。

背景技术

微波辐射计系统是星载被动微波遥感的重要载荷，其主要可获取全球重要 的物理参量，比如土壤湿度、海洋盐度、大气温湿度等。当前，微波辐射计系 统主要有实孔径微波辐射计系统、相控阵微波辐射计系统、综合孔径微波辐射 计系统等。然而，由于现有体制的微波辐射计系统在获取高空间分辨率的被动 微波遥感图像受到较大的限制，因此，进一步提高星载被动微波遥感的空间分 辨率一直以来是地球被动微波遥感的重要研究内容之一。

在星载被动微波遥感中，微波辐射计系统的空间分辨率主要取决于系统的 天线或天线阵列的物理尺寸，天线物理尺寸越大、空间分辨率越高；同时，微 波辐射计系统也必须满足一定的剎宽要求。

在实孔径微波辐射计系统中，由于受到扫描转台和天线物理尺寸的限制， 实孔径微波辐射计系统无法获取较高的空间分辨率，比如在观测土壤湿度中， 通常采用L波段(波长21cm)进行观测，当星载平台轨道高度约为700km时， 土壤湿度应用需求的空间分辨率约小于50km，此时，所需天线尺寸不小于2.92 m。从体积和重量上讲，在星载平台下这都是非常困难的。同时，由于星载微 波辐射计需要机械扫描实现全景成像。因此，大孔径天线的体积和重量会使机 械扫描平台更加笨重和复杂，极大地限制了微波辐射成像的应用。

在相控阵微波辐射计系统中，空间分辨率同样依赖于相控阵天线的物理尺 寸(规模)，空间分辨率越高，要求相控阵天线数目越多；同时，由于是通过控 制接收单元的相位和幅度实现天线波束的扫描，对于大型相控阵微波辐射计系 统而言，需要的移相器校多，信号处理和系统结构亦较为复杂。

在综合孔径微波辐射计系统中，较高的空间分辨率是以系统硬件和信号处 理的复杂度为代价的。对于大型综合孔径微波辐射计而言，由于天线单元和通 道单元数目过多，系统硬件结构和信号处理将非常复杂，大阵列天线带来的质 量增加以及天线形变等制约了综合孔径微波辐射计的规模，进而限制了其进一 步提高空间分辨率。

综上所述，现有体制的星载微波辐射计系统由于大阵列天线、笨重的扫描 平台或复杂的系统硬件结构和信号处理等因素限制了其进一步提高空间分辨 率。

发明内容

本发明的技术解决问题是：为了进一步提高被动微波遥感的空间分辨率和 降低系统制造难度，提出了一种基于数据融合的星载分布式综合孔径微波辐射 计系统。

本发明的技术解决方案是：一种基于数据融合的星载分布式综合孔径微波 辐射计系统，包括数据融合处理子系统和至少N*M个完全相同的综合孔径微波 辐射计子系统，N、M分别取决于整个系统的顺轨和交轨方向的空间分辨率与 综合孔径微波辐射计子系统的顺轨和交轨方向的空间分辨率的比值；所有的综 合孔径微波辐射计子系统均排布在同一轨道高度，且在地面的投影网格存在有 规律的排布重叠；每个综合孔径微波辐射计子系统获取地面的亮温图像记为原 始亮温图像；数据融合处理子系统根据每个综合孔径微波辐射计子系统的原始 网格重叠关系，通过数据融合的方式确定整个系统在地面的投影网格记为细分 网格的亮温值，即数据融合后的高分辨率亮温数据，该高分辨率亮温数据在顺轨方向和交轨方向分别提高了N倍、M倍。

进一步的，所有综合孔径微波辐射计子系统的排布方式如下：其中一个综 合孔径微波辐射计子系统作为参考，指向为星下点指向(0，0)，则所有N*M个 综合孔径微波辐射计子系统的指向分别为其中n∈[0,1,2,...,N-1],m∈[0,1,2,...,M-1]，θ_x、θ_y分别为综合孔径微波辐射计子系统的X轴 和Y轴的角分辨率。

进一步的，所述的数据融合步骤如下：

(1)基于原始网格与细分网格的关系，构造所有原始网格和细分网格的亮 温方程组；

(2)求解亮温方程组，从而获得细分网格的亮温值。

进一步的，亮温方程组表达形式如下：

其中，综合孔径微波辐射计子系统获取观测的原始网格点为(l,s)，细分 网格点为(l·N,s·M)，为细分网格每个点的亮温值；

从上之下依次为第1个综合孔径微波辐射计子系统原始网格每个点的亮温值、第 2个综合孔径微波辐射计子系统原始网格每个点的亮温值……第N*M个综合孔 径微波辐射计子系统原始网格每个点的亮温值。

进一步的，步骤(2)中求解亮温方程组采用最小二乘法或者将网格边界的 原始网格亮温作为对应细分网格的初始值，以增加亮温方程的个数，通过迭代 求解。

进一步的，所述的综合孔径微波辐射计子系统包括天线阵列、接收机通道 阵列、A/D阵列、相关器以及信号处理子系统；

天线阵列接收自然场景的微波辐射信号；

接收机通道阵列中的接收机通道的个数等于天线阵列中天线的个数；每个 接收机通道接收一个天线输出的微波辐射信号，并进行放大、滤波、下变频、 中频放大、中频滤波、IQ解调，最终输出中频信号；

A/D阵列是由多个A/D组成，A/D的个数等于天线个数的两倍，每两个A/D 分别对一路接收机通道输出的中频信号的I路信号和Q路信号进行模数转换；

相关器对A/D阵列输出的中频信号I路和Q路数字信号进行两两相关，获 得观测场景的相关矩阵；

信号处理子系统对观测场景的相关矩阵进行反演，获得观测对应的亮温图 像。

进一步的，所述的天线阵列阵型为“Y”型，“T”型，或者“十字”型。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)在相同的空间分辨率下，本发明提出的高分辨率微波辐射计系统解决 方案能大幅降低传统的大型星载综合孔径辐射计系统的复杂度和工程制造难 度，从而缓解了目前传统的大型综合孔径微波辐射计的硬件系统和信号处理复 杂度高的难题；

(2)在相同的工艺和硬件技术水平下，本发明提出的高分辨率微波辐射计 系统可获得更高的被动微波遥感的空间分辨率，从而满足目前对地被动微波遥 感高分辨率的实际需求；

(3)本发明采取数据融合算法使得分布式系统只需位于同一轨道上即具备 提高二维空间分辨率的能力，从而避免了只简单地采取分布式体制增加整个系 统的天线阵面物理尺寸所带来的对小卫星轨道、姿态和相对位置控制精度要求 过高的难题，使得目前已有的卫星轨道、姿态和相对位置控制技术即可满足本 发明的需求，从而使得本发明在现有的航天工程技术上即可实现。

总体而言，通过本发明所构思的上述系统解决方案与传统的大型综合孔径 微波辐射计系统相比，具有工程难度小、可批量化生产，能为高空间分辨率被 动微波遥感获取提高一种切实、可行的解决途径。

附图说明

图1为本发明的综合孔径微波辐射计子系统方框图。

图2 N＝M＝2时基于数据融合的星载分布式综合孔径微波辐射计系统样例。

具体实施方式

下面结合附图及实例对本发明作详细说明。

本发明涉及一种基于数据融合的星载分布式综合孔径微波辐射计系统，假 设综合孔径微波辐射计子系统的X轴和Y轴角分辨率分别为θ_x、θ_y，需要将角 分辨率分别提高N，M倍(即θ_x/N、θ_y/M)，则对于星载分布式综合孔径微波 辐射计系统而言，所需综合孔径微波辐射计子系统的个数为N*M；(突然出现 一个X\Y轴请增加解释)

所有的综合孔径微波辐射计子系统均在同一轨道高度，相距距离适中，以 其中一个综合孔径微波辐射计子系统的指向为参考(0，0)(星下点指向)，则 所有N*M个综合孔径微波辐射计子系统的指向分别为其中 n∈[0,1,2,...,N-1],m∈[0,1,2,...,M-1]；

如图1所示，所有综合孔径微波辐射计子系统的硬件结构是完全相同的， 其包括天线阵列、接收机通道阵列、A/D阵列、相关器、信号处理子系统等。

所述的天线阵列是由多个天线按照一定形状排布的天线阵列，常见的天线 阵列阵型主要有“Y”型，“T”型，“十字”型等，天线阵列主要用于接收自然 场景的微波辐射信号；

所述的接收机通道阵列是由多个接收机通道组成，接收机通道的个数等于 天线个数，接收机通道主要是接收天线输出的射频信号，并进行放大、滤波、 下变频、中频放大、中频滤波、IQ解调，最终输出中频信号；

所述的A/D阵列是由多个A/D组成，A/D的个数等于天线个数的两倍，主 要是对接收机通道输出的中频信号I路和Q路信号进行量化；

所述的相关器主要对输出的中频信号I路和Q路信号进行两两相关，获得 观测场景的相关矩阵；

所述的信号处理子系统主要对观测场景的相关矩阵进行反演，获得观测对 应的亮温图像。

由于所有综合孔径微波辐射计子系统是完全相同，只是指向略有不同、且 存在一定的指向规律，那么所有综合孔径微波辐射计子系统在地面的网格划分 会按照一定的规律重叠；假设单个综合孔径微波辐射计子系统在地面的网格称 为“原始网格亮温”(低空间分辨率)，所有综合孔径微波辐射计子系统在地面 按照一定规律重叠的网格称为“细分网格亮温”(高空间分辨率)，随后通过数 据融合处理子系统采用数据融合算法，获得细分网格亮温值，即高分辨率的亮 温。

所述的数据融合算法主要包括两个步骤：

1、基于原始网格亮温与细分网格亮温的关系，构造所有原始网格和细分 网格的亮温方程组；

其中，综合孔径微波辐射计子系统获取观测的原始亮温网格点为(l,s)， 细分网格点为(l·N,s·M)。

2、通过合适的方法求解亮温方程组，从而获得细分网格(高空间分辨率) 亮温值。

由于上述方程组是一个欠定方程，因此可采取合适的方法求解欠定方程组 的最优解，比如可得到最小二乘法下的最优解；另一方面，也可根据网格边界 的原始网格亮温作为对应细分网格的初始值，增加亮温方程的个数，使得欠定 方程变成正定方程或是超定方程，然后通过多次迭代求解，当解收敛至一定值 时作为细分网格亮温值。

实施例

下面以二维综合孔径微波辐射计系统为例，假设二维方向分别为X轴(顺 轨方向)和Y轴(交规方向)，选择其中一个综合孔径微波辐射计子系统的原 始网格作为参考。通过初步研究可知：若要满足在二维方向对原始网格进行等 间距的划分，原始网格被划分的份数刚好等于所需综合孔径微波辐射计子系统 的个数。如图2所示，给出了N＝M＝2时网格划分和数据融合的样例。此时， 分布式综合孔径微波辐射测量系统由四个相同的综合孔径微波辐射计子系统组 成，分别命名为A、B、C和D。

其中，A作为基本参考单元，B在A的基础上向Y轴方向(交轨方向)上 调整θ_y/2角度(横滚角)对应Y轴空间分辨率的一半，C在A的基础上X轴方 向(顺轨方向)上调整θ_x/2角度(俯仰角)对应X轴空间分辨率的一半，D在 A的基础上向X轴和Y轴方向上均同时调整了θ_x/2、θ_y/2角度，如图2所示。 最后，整个系统的所有综合孔径微波辐射计子系统在地面的网格划分出现交错， 其空间分辨率等效于一个物理尺寸两倍于单个综合孔径微波辐射计子系统A的 的空间分辨率。

假设A、B、C和D原始网格的亮温测量值分别为和细分网格的亮温值为由此可以得到A、B、C和D的原始网格亮温和细分网格的亮温值间的关系分 别如式(1)～(4)所示：

建立A、B、C和D的所有初始网格亮温与细分网格亮温值间关系，构造 方程组如式(5)所示：

由于边界的原始网格无法依据(1)～(4)建立其原始亮温与细分网格亮温值的 方程关系，从而造成该方程组是一个欠定方程，因此可采取合适的方法求解欠 定方程组的最优解，比如可得到最小二乘法下的最优解；另一方面，也可根据 网格边界的原始网格亮温作为对应细分网格的初始值，增加亮温方程的个数， 使得欠定方程变成正定方程或是超定方程，然后通过多次迭代求解，当解收敛 至一定值时作为细分网格亮温值。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并 不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换 和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。本发明未详细说明部分属于本 领域技术人员公知常识。

Claims (7)

1.一种基于数据融合的星载分布式综合孔径微波辐射计系统，其特征在于：包括数据融合处理子系统和至少N*M个完全相同的综合孔径微波辐射计子系统，N、M分别取决于整个系统的顺轨和交轨方向的空间分辨率与综合孔径微波辐射计子系统的顺轨和交轨方向的空间分辨率的比值；所有的综合孔径微波辐射计子系统均排布在同一轨道高度，且在地面的投影网格存在有规律的排布重叠；每个综合孔径微波辐射计子系统获取地面的亮温图像记为原始亮温图像；数据融合处理子系统根据每个综合孔径微波辐射计子系统的原始网格重叠关系，通过数据融合的方式确定整个系统在地面的投影网格记为细分网格的亮温值，即数据融合后的高分辨率亮温数据，该高分辨率亮温数据在顺轨方向和交轨方向分别提高了N倍、M倍。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所有综合孔径微波辐射计子系统的排布方式如下：其中一个综合孔径微波辐射计子系统作为参考，指向为星下点指向(0，0)，则所有N*M个综合孔径微波辐射计子系统的指向分别为其中n∈[0,1,2,...,N-1],m∈[0,1,2,...,M-1]，θ_x、θ_y分别为综合孔径微波辐射计子系统的X轴和Y轴的角分辨率。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的数据融合步骤如下：

(1)基于原始网格与细分网格的关系，构造所有原始网格和细分网格的亮温方程组；

(2)求解亮温方程组，从而获得细分网格的亮温值。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：亮温方程组表达形式如下：

其中，综合孔径微波辐射计子系统获取观测的原始网格点为(l,s)，细分网格点为(l·N,s·M)，为细分网格每个点的亮温值；从上之下依次为第1个综合孔径微波辐射计子系统原始网格每个点的亮温值、第2个综合孔径微波辐射计子系统原始网格每个点的亮温值……第N*M个综合孔径微波辐射计子系统原始网格每个点的亮温值。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：步骤(2)中求解亮温方程组采用最小二乘法或者将网格边界的原始网格亮温作为对应细分网格的初始值，以增加亮温方程的个数，通过迭代求解。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的综合孔径微波辐射计子系统包括天线阵列、接收机通道阵列、A/D阵列、相关器以及信号处理子系统；

天线阵列接收自然场景的微波辐射信号；

接收机通道阵列中的接收机通道的个数等于天线阵列中天线的个数；每个接收机通道接收一个天线输出的微波辐射信号，并进行放大、滤波、下变频、中频放大、中频滤波、IQ解调，最终输出中频信号；

A/D阵列是由多个A/D组成，A/D的个数等于天线个数的两倍，每两个A/D分别对一路接收机通道输出的中频信号的I路信号和Q路信号进行模数转换；

相关器对A/D阵列输出的中频信号I路和Q路数字信号进行两两相关，获得观测场景的相关矩阵；

信号处理子系统对观测场景的相关矩阵进行反演，获得观测对应的亮温图像。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于：所述的天线阵列阵型为“Y”型，“T”型，或者“十字”型。