CN110554440A - 星载微波辐射测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种星载微波辐射测量系统及测量方法，采用一维综合孔径微波辐射探测技术，将三个探测频段分为三排线性馈源阵列排布，结合21块高精度固面拼接技术，降低了大口径高精度可展开天线的加工难度，实现了反射面体积、重量、精度的最优折中。采用新型加权傅里叶变换图像重构算法计算机对可视度函数进行处理，提高了运算效率，减小计算复杂度，校正系统误差。在卫星飞行方向上采用实孔径、交轨方向上采用一维综合孔径的探测方式，实现了高精度、高分辨率探测，同时避免了传统实孔径辐射探测需要的大口径天线扫描困难和二维综合孔径探测的高系统复杂度要求。

Description

星载微波辐射测量系统及测量方法

技术领域

本发明涉及一种星载微波辐射测量系统及测量方法。

背景技术

微波辐射计由于其云雨穿透性和全天候探测能力，以及海洋与地表内部的探测能力，使其在气象、海洋、陆地、大气环境和深空等领域有着广泛的应用。综合孔径微波辐射计通过阵列稀疏、相关接收、图像重构等技术，有效解决了实孔径微波辐射计大口径天线加工困难、在轨机械扫描困难等问题，极大提高了观测的空间分辨率，因而成为近年来微波遥感领域的一个研究热点。而二维综合孔径辐射计由于阵列单元数目极大，两两相关数目更是庞大，高精度定标困难，很难同时满足现如今高空间分辨率、高精度的探测指标和多频段、多极化一体化探测需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种星载微波辐射测量系统及测量方法。

为解决上述问题，本发明提供一种星载微波辐射测量系统，包括：

大口径抛物柱面天线，用于反射目标场景的微波辐射信号；

3排不同频段的双极化一维稀疏馈源阵列，用于同时接收由所述大口径抛物柱面天线反射的目标场景微波辐射信号，并将接收的目标场景微波辐射信号发送至接收机通道阵列；

接收机通道阵列，用于将所述目标场景微波辐射信号放大、滤波、下变频后分为两路信号，其中一路信号传输至高速AD采集器，其中另一路信号传输至平方率检波器；

AD采集器，用于将从所述接收机通道阵列接收到的信号采样后，传输至复相关处理器；

复相关处理器，用于将从所述AD采集器接收到的信号两两进行复相关处理，以得到复相关系数；

平方率检波器，用于将从所述接收机通道阵列接收到的信号检波后，传输至预处理器；

预处理器，用于将从所述平方率检波器接收到的信号进行采样，以得到信号功率值；

中央处理器，用于将所复相关系数和信号功率值进行反归一化处理，得到可见度函数采样值，再将所述可见度函数采样值打包发至地面的计算机；

计算机，用于将所述可见度函数采样值通过预设加权傅里叶变换图像重构算法的处理后，得到目标场景的亮温图像。

进一步的，在上述系统中，所述3排不同频段的双极化一维稀疏馈源阵列包括多块高精度固面单板拼接的大口径抛物柱面的天线反射面，所述3排不同频段的双极化一维稀疏馈源阵列的卫星飞行方向采用实孔径、交轨方向，所述3排不同频段的双极化一维稀疏馈源阵列采用一维综合孔径的方式实现对目标场景的微波辐射探测。

进一步的，在上述系统中，所述微波辐射探测的频段为L波段、C波段和K波段共3个频段，每个频段测量H、V两个极化，总计152个通道。

进一步的，在上述系统中，所述3排不同频段的双极化一维稀疏馈源阵列的L波段的馈源阵列为一排，C波段的馈源阵列为一排，K波段的馈源阵列为一排，且都满足无缺失基线条件。

进一步的，在上述系统中，所述L波段、C波段和K波段中各个频段的带宽大于600MHz。

进一步的，在上述系统中，所述大口径抛物柱面的天线反射面的尺寸为12m*10m，采用倒U型、碳纤维筋加碳纤维蒙皮轻型结构，由21块高精度固面单板拼接构造抛物柱面。

进一步的，在上述系统中，所述预设加权傅里叶变换图像重构算法包括在精确测量天线方向图的基础上，通过对天线方向图加权处理，以校正综合孔径辐射计天线阵列天线幅度和相位一致性。

根据本发明的另一面，提供一种采用上述任一项所述星载微波辐射测量系统的星载微波辐射测量，其特征在于，所述方法包括：

目标场景的微波辐射信号由大口径抛物柱面天线反射；

3排不同频段的双极化一维稀疏馈源阵列同时接收由所述大口径抛物柱面天线反射的目标场景微波辐射信号，并将接收的目标场景微波辐射信号发送至接收机通道阵列；

所述目标场景微波辐射信号经由所述接收机通道阵列放大、滤波、下变频后分为两路信号，其中一路信号经过AD采集器采样后进入复相关处理器两两进行复相关处理，得到复相关系数；其中另一路信号经过平方率检波器检波后进入预处理器进行采样，得到信号功率值；

中央处理器将所复相关系数和信号功率值进行反归一化处理，得到可见度函数采样值，再将所述可见度函数采样值打包发至地面的计算机；

所述计算机将所述可见度函数采样值通过预设加权傅里叶变换图像重构算法的处理后，得到目标场景的亮温图像。

与现有技术相比，本发明提供了一种高效、高可靠性和高精度的多频段多极化一维综合孔径星载微波辐射测量系统及方法，本发明采用一维综合孔径微波辐射探测技术，将三个探测频段分为三排线性馈源阵列排布，结合21块高精度固面拼接技术，降低了大口径高精度可展开天线的加工难度，实现了反射面体积、重量、精度的最优折中。采用高灵敏度宽带接收技术实现系统高灵敏度接收，同时采用分布式相关处理技术解决综合孔径宽带接收带来的高速采样和相关处理困难。采用新型加权傅里叶变换图像重构算法计算机对可视度函数进行处理，提高了运算效率，减小计算复杂度，校正系统误差。在卫星飞行方向上采用实孔径、交轨方向上采用一维综合孔径的探测方式，实现了高精度、高分辨率探测，同时避免了传统实孔径辐射探测需要的大口径天线扫描困难和二维综合孔径探测的高系统复杂度要求。

附图说明

图1是本发明一实施例的星载微波辐射测量系统的示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明提供一种星载微波辐射测量系统，包括：

大口径抛物柱面天线10，用于反射目标场景的微波辐射信号；

3排不同频段的双极化一维稀疏馈源阵列20，用于同时接收由所述大口径抛物柱面天线10反射的目标场景微波辐射信号，并将接收的目标场景微波辐射信号发送至接收机通道阵列30；

接收机通道阵列30，用于将所述目标场景微波辐射信号放大、滤波、下变频后分为两路信号，其中一路信号传输至高速AD采集器40，其中另一路信号传输至平方率检波器60；

AD采集器40，用于将从所述接收机通道阵列30接收到的信号采样后，传输至复相关处理器50；

复相关处理器50，用于将从所述AD采集器40接收到的信号两两进行复相关处理，以得到复相关系数；

平方率检波器60，用于将从所述接收机通道阵列30接收到的信号检波后，传输至预处理器70；

预处理器70，用于将从所述平方率检波器60接收到的信号进行采样，以得到信号功率值；

中央处理器80，用于将所复相关系数和信号功率值进行反归一化处理，得到可见度函数采样值，再将所述可见度函数采样值打包发至地面的计算机90；

计算机90，用于将所述可见度函数采样值通过预设加权傅里叶变换图像重构算法的处理后，得到目标场景的亮温图像。

在此，本发明提供了一种高效、高可靠性和高精度的多频段多极化星载微波辐射测量系统，实现高精度、高分辨率全极化探测，同时避免大口径天线扫描、高系统复杂度、高计算复杂度要求。

本发明的星载微波辐射测量系统一实施例中，所述3排不同频段的双极化一维稀疏馈源阵列20包括多块高精度固面单板拼接的大口径抛物柱面的天线反射面，所述3排不同频段的双极化一维稀疏馈源阵列20的卫星飞行方向采用实孔径、交轨方向，所述3排不同频段的双极化一维稀疏馈源阵列20采用一维综合孔径的方式实现对目标场景的微波辐射探测。

在此，所述每排一维稀疏馈源阵列要求的反射面精度各不相同，通过优化布局，使得多块拼接高精度固面单元所需形面精度各有不同，降低了加工难度。所述馈源阵列接收到的场景辐射信号经过采用宽带高灵敏度接收技术和分布式相关处理技术的宽带高灵敏度相关接收子系统进行在轨复运算处理，实现高灵敏度探测，得到可见度函数采样值，再由采用新型加权傅里叶变换图像重构算法的计算机处理后，得到目标场景的亮温图像。

相比于现有的方案，一维综合孔径辐射计综合了实孔径辐射计和二维综合孔径辐射计的优缺点，工程实现相对容易，能够同时实现高空间分辨率、高探测精度的多频段、多极化一体化探测。

本发明采用3排不同频段的双极化一维稀疏馈源阵列照射由多块高精度固面单板拼接的大口径抛物柱面天线反射面，在卫星飞行方向上采用实孔径、交轨方向上采用一维综合孔径的方式实现对目标场景的微波辐射探测。其中，所述每排一维稀疏馈源阵列要求的反射面精度各不相同，通过优化布局，使得多块拼接高精度固面单元所需形面精度各有不同，降低了加工难度。所述馈源阵列接收到的场景辐射信号经过采用宽带高灵敏度接收技术和分布式相关处理技术的宽带高灵敏度相关接收子系统进行在轨复运算处理，实现高灵敏度探测，得到可见度函数采样值，再由采用新型加权傅里叶变换图像重构算法的计算机处理后，得到目标场景的亮温图像

本发明的星载微波辐射测量系统一实施例中，所述微波辐射探测的频段为L波段、C波段和K波段共3个频段，每个频段测量H、V两个极化，总计152个通道，可实现多频段、多极化，多通道综合孔径探测。

本发明的星载微波辐射测量系统一实施例中，所述大口径抛物柱面的天线反射面的尺寸为12m*10m，采用倒U型、碳纤维筋加碳纤维蒙皮轻型结构，由21块高精度固面单板拼接构造抛物柱面，保证最小包络、最小重量的同时，保证了天线反射面形面精度全面高于0.5mm，高精度区域达到0.1mm。

本发明的星载微波辐射测量系统一实施例中，所述3排不同频段的双极化一维稀疏馈源阵列20的L波段的馈源阵列为一排，C波段的馈源阵列为一排，K波段的馈源阵列为一排，且都满足无缺失基线条件。

在此，采用此阵列排布方法，使得所述21块拼接的高精度固面所需精度各有不同，K波段需求精度较高，达到0.1mm，L波段、C波段精度要求0.5mm，降低了加工难度，同时使得天线反射面高精度区域在中心位置，天线反射面展开时以高精度区域为中心进行展开，降低了天线反射面的展开精度要求。

本发明的星载微波辐射测量系统一实施例中，所述L波段、C波段和K波段中各个频段的带宽大于600MHz。

在此，所述宽带高灵敏度相关接收子系统采用宽带高灵敏度接收技术，各个频段的带宽大于600MHz，极大的提高了系统的探测灵敏度，由此带来的高速采样和相关处理困难通过所述分布式相关处理技术解决。

所述分布式相关处理技术，对宽带高灵敏度接收信号进行AD采样、I/Q变换、低通滤波，抽取降速等处理，将降速后的数字低中频信号通过光纤传送到后级，后级采用基于光通信的分布式相关处理架构，以及分时隙的数据分发架构。整个系统的相关处理通过多个相同的分布式相关处理单元实现，最后将多个分布式相关处理单元的单个时隙相关结果进行求和得到整个时间段内的相关处理结果，实现了宽带高速高效采样和相关处理。

本发明的星载微波辐射测量系统一实施例中，所述预设加权傅里叶变换图像重构算法包括在精确测量天线方向图的基础上，通过对天线方向图加权处理，以校正综合孔径辐射计天线阵列天线幅度和相位一致性，算法架构简单，时间复杂度和空间复杂度低。

本发明的高效、高可靠性和高精度的多频段多极化一维综合孔径星载微波辐射测量系统一实施例中，所述宽带高灵敏度接收技术采用高集成度芯片技术，把接收机主要核心部件集成到一个芯片上，减小传输线以及传输线间的损耗，确保高灵敏度接收，其1.4GHz接收机系统灵敏度可达0.4K，达到了综合孔径接收机灵敏度国际水平。

如图1所示，本发明还提供另一种采用上述星载微波辐射测量系统的星载微波辐射测量方法，包括：

步骤1，目标场景的微波辐射信号由大口径抛物柱面天线10反射；

步骤2，3排不同频段的双极化一维稀疏馈源阵列20同时接收由所述大口径抛物柱面天线10反射的目标场景微波辐射信号，并将接收的目标场景微波辐射信号发送至接收机通道阵列30；

步骤3，所述目标场景微波辐射信号经由所述接收机通道阵列30放大、滤波、下变频后分为两路信号，其中一路信号经过高速AD采集器40采样后进入复相关处理器50两两进行复相关处理，得到复相关系数；其中另一路信号经过平方率检波器60检波后进入预处理器70进行采样，得到信号功率值；

步骤4，中央处理器80将所复相关系数和信号功率值进行反归一化处理，得到可见度函数采样值，再将所述可见度函数采样值打包发至地面的计算机90；

步骤5，所述计算机90将所述可见度函数采样值通过预设加权傅里叶变换图像重构算法的处理后，得到目标场景的亮温图像。

综上所述，本发明提供了一种高效、高可靠性和高精度的多频段多极化一维综合孔径星载微波辐射测量系统及方法，本发明采用一维综合孔径微波辐射探测技术，将三个探测频段分为三排线性馈源阵列排布，结合21块高精度固面拼接技术，降低了大口径高精度可展开天线的加工难度，实现了反射面体积、重量、精度的最优折中。采用高灵敏度宽带接收技术实现系统高灵敏度接收，同时采用分布式相关处理技术解决综合孔径宽带接收带来的高速采样和相关处理困难。采用新型加权傅里叶变换图像重构算法计算机对可视度函数进行处理，提高了运算效率，减小计算复杂度，校正系统误差。在卫星飞行方向上采用实孔径、交轨方向上采用一维综合孔径的探测方式，实现了高精度、高分辨率探测，同时避免了传统实孔径辐射探测需要的大口径天线扫描困难和二维综合孔径探测的高系统复杂度要求。

本发明采用一维综合孔径微波辐射探测技术，相比于传统实孔径辐射计，通过在卫星飞行方向上采用实孔径、交轨方向上采用一维综合孔径的探测方式，避免了大口径天线的机械扫描。相比于二维综合孔径辐射计，大大较少了接收通道的数目，降低了相关运算的复杂度，实现了两种探测体制的最优折中。通过将三个探测频段分为三排线性馈源阵列排布，结合21块高精度固面拼接技术，降低了大口径高精度可展开天线的加工难度，实现了反射面体积、重量、精度的最优折中。采用高灵敏度宽带接收技术实现系统高灵敏度接收，同时采用分布式相关处理技术解决综合孔径宽带接收带来的高速采样和相关处理困难。采用新型加权傅里叶变换图像重构算法计算机对可视度函数进行处理，减小计算复杂度，校正系统误差。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种星载微波辐射测量系统，其特征在于，包括：

大口径抛物柱面天线，用于反射目标场景的微波辐射信号；

3排不同频段的双极化一维稀疏馈源阵列，用于同时接收由所述大口径抛物柱面天线反射的目标场景微波辐射信号，并将接收的目标场景微波辐射信号发送至接收机通道阵列；

接收机通道阵列，用于将所述目标场景微波辐射信号放大、滤波、下变频后分为两路信号，其中一路信号传输至高速AD采集器，其中另一路信号传输至平方率检波器；

AD采集器，用于将从所述接收机通道阵列接收到的信号采样后，传输至复相关处理器；

复相关处理器，用于将从所述AD采集器接收到的信号两两进行复相关处理，以得到复相关系数；

平方率检波器，用于将从所述接收机通道阵列接收到的信号检波后，传输至预处理器；

预处理器，用于将从所述平方率检波器接收到的信号进行采样，以得到信号功率值；

中央处理器，用于将所复相关系数和信号功率值进行反归一化处理，得到可见度函数采样值，再将所述可见度函数采样值打包发至地面的计算机；

计算机，用于将所述可见度函数采样值通过预设加权傅里叶变换图像重构算法的处理后，得到目标场景的亮温图像。

2.如权利要求1所述的星载微波辐射测量系统，其特征在于，所述3排不同频段的双极化一维稀疏馈源阵列包括多块高精度固面单板拼接的大口径抛物柱面的天线反射面，所述3排不同频段的双极化一维稀疏馈源阵列的卫星飞行方向采用实孔径、交轨方向，所述3排不同频段的双极化一维稀疏馈源阵列采用一维综合孔径的方式实现对目标场景的微波辐射探测。

3.如权利要求2所述的星载微波辐射测量系统，其特征在于，所述微波辐射探测的频段为L波段、C波段和K波段共3个频段，每个频段测量H、V两个极化，总计152个通道。

4.如权利要求3所述的星载微波辐射测量系统，其特征在于，所述3排不同频段的双极化一维稀疏馈源阵列的L波段的馈源阵列为一排，C波段的馈源阵列为一排，K波段的馈源阵列为一排，且都满足无缺失基线条件。

5.如权利要求1所述的星载微波辐射测量系统，其特征在于，所述L波段、C波段和K波段中各个频段的带宽大于600MHz。

6.如权利要求1所述的星载微波辐射测量系统，其特征在于，所述大口径抛物柱面的天线反射面的尺寸为12m*10m，采用倒U型、碳纤维筋加碳纤维蒙皮轻型结构，由21块高精度固面单板拼接构造抛物柱面。

7.如权利要求1所述的星载微波辐射测量系统，其特征在于，所述预设加权傅里叶变换图像重构算法包括在精确测量天线方向图的基础上，通过对天线方向图加权处理，以校正综合孔径辐射计天线阵列天线幅度和相位一致性。

8.一种采用如权利要求1～7任一项所述星载微波辐射测量系统的星载微波辐射测量，其特征在于，所述方法包括：

目标场景的微波辐射信号由大口径抛物柱面天线反射；

3排不同频段的双极化一维稀疏馈源阵列同时接收由所述大口径抛物柱面天线反射的目标场景微波辐射信号，并将接收的目标场景微波辐射信号发送至接收机通道阵列；

所述目标场景微波辐射信号经由所述接收机通道阵列放大、滤波、下变频后分为两路信号，其中一路信号经过AD采集器采样后进入复相关处理器两两进行复相关处理，得到复相关系数；其中另一路信号经过平方率检波器检波后进入预处理器进行采样，得到信号功率值；

中央处理器将所复相关系数和信号功率值进行反归一化处理，得到可见度函数采样值，再将所述可见度函数采样值打包发至地面的计算机；

所述计算机将所述可见度函数采样值通过预设加权傅里叶变换图像重构算法的处理后，得到目标场景的亮温图像。