CN1426130A - 星载旋转扫描干涉式成像微波辐射计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微波对地观测技术的星载旋转扫描干涉式成像微波辐射计。它包括天线A，天线A扫描机构，伸杆A，卫星的三轴稳定部分，卫星的自旋部分，天线B，伸杆B，天线C，伸杆C；伸杆A安装在卫星的三轴稳定部分的一侧，卫星的自旋部分安装在卫星的三轴稳定部分的另一侧，伸杆B和伸杆C沿径向安装在卫星的自旋部分上，天线A扫描机构一端与伸杆A连接，另一端与天线A连接，天线B和天线C分别固定在伸杆B和伸杆C的顶端；所述的卫星的自旋部分中放置有公共本振、相关器AB、相关器AC和数字处理部分。本发明在相同天线体积和重量的限制条件下，可比现有技术方案在低轨道对地观测卫星上实现更高的被动微波遥感的空间分辨力。

Description

星载旋转扫描干涉式成像微波辐射计

                     技术领域

本发明涉及一种微波遥感技术，特别是涉及一种属于微波对地观测技术的星载旋转扫描干涉式成像微波辐射计。

                     背景技术

微波遥感由于具有全天时、全天候和对地物具有一定穿透能力的特点，并能进行极化和相干接收，在遥感技术领域占有越来越重要的地位。它包括有源微波遥感和无源微波遥感：有源微波遥感器包括雷达高度计、散射计(实孔径雷达)和合成孔径雷达(SyntheticAperture Radar，SAR)；无源微波遥感器即微波辐射计。

作为一种被动微波遥感器，微波辐射计是用来测量地物自身微波辐射的高灵敏度的接收机。尽管微波辐射计具有诸多优点，其在空间分辨力上还远不能和合成孔径雷达(SAR)相比。这主要是由于微波辐射计所接收的地物的电磁辐射信号是一种随机噪声，信号在时间上是不相干的，不能象合成孔径雷达(SAR)那样通过对飞行过程中不同接收点上的信号先进行相干接收和存储，然后再进行孔径合成处理，实现大孔径综合。由此可见，如果微波辐射计能在空间分辨力上有所突破，将可以大大扩展其应用范围。

为了提高微波辐射计的空间分辨力，并使其用于星载，唯一的手段就是增大辐射计接收天线的物理口径尺寸。而大尺寸真实孔径天线必然引入重量和体积的增大及扫描成像的困难，这对于星载来说是一个严重的障碍。但是，如果我们能够从两个方面加以突破，将大孔径天线的辐射计用于星载并不是不可能的。这就是：(1)解决天线重量和发射状态下的折叠问题；(2)解决在轨运行时的电扫描问题。

对上面问题的解决可以通过两个途径，一是采用伞型折叠的网状抛物面天线；二是采用便于折叠的稀疏阵列天线。采用伞型折叠的网状抛物面天线带来的技术困难是网状抛物面制造十分困难且成本极高，即使可以实现，在轨运行时的扫描问题又会变得十分突出增加新的困难。因此采用稀疏的阵列天线似乎较为合理。但是，根据阵列天线的设计理论，稀疏后的天线会产生高电平的栅瓣，且不宜进行相控扫描；如果阵列单元稀疏程度不高，就不能有效地减轻天线的重量，也不能使天线在发射时折叠在一个很小的体积中。这些因素在很长时间里影响了高分辨率星载被动微波遥感技术的发展。

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，如参考文献[1]Thompson，A.R.，J.M.Moran and G.W. Swenson，Jr.Interferometry andsynthesis in radio astronomy，Krieger Publishing Company，Malabar，Florida，1994。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。这为星载高分辨率微波辐射计技术带来了一次革命性的突破。

辐射综合孔径观测的是称为可视度函数(Visibility Function，VF)的一组二元干涉信号。每一对二元干涉信号是将两个单元天线的输出进行相干相乘。由于地面观测目标位于天线的远场，在基线(两个天线之间的距离和方向)相同的两个天线单元之间进行信号相干测量时，结果应该是相同的，这就为大量稀疏天线单元提供了条件。换一句话讲，我们在进行两个天线单元之间的相干测量时，相同间距和方向的天线单元之间的干涉测量只需进行一次。因此，我们可以通过天线单元的共用简化阵列的构成，大量进行阵列单元的稀疏。

1983年，美国NASA戈达德飞行中心的D.M.LeVine等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)在机载微波辐射计上进行了垂直飞行方向上的一维综合孔径辐射计的研制工作，并进行了大量的飞行实验，如参考文献[2]Ruf，C.S.，C.T.Swift，A.B.Tanner and D.M.Le Vine，“Interferometric synthetic aperturemicrowave radiometry for the remote sensing of the earth”，IEEE Trans.GRS，Vol.26，pp.597-611，1988。这台称为电扫描、稀疏阵列辐射计(ESTAR，Electrical Scan Thinned Array Radiometer)的遥感器，只在垂直飞行轨迹的方向上进行孔径综合。当其进一步提高空间分辨力并大量增加天线单元时，将需要很多的相关器，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提出了超综合辐射计(SupersynthesisRadiometers，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，如参考文献[3]Komiyama，K.，“High resolutionimaging by supersynthesis(SSR)for the passive microwave remotesensing of the earth”，Electronic Letters，Vol.27，pp.389-390，1990。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，利用干涉基线在运动过程中对观测目标方向投影长度的变化实现相当于多基线的空间频率覆盖。Komiyama等进行了一系列的模型实验，验证了上述的设想，需要指出的是，Komiyama的分析结果认为SSR的分辨率可以突破真实孔径的限制，这是不正确的。应该指出，将干涉天线单元的数量稀疏到只有两个是一个十分理想的尝试，但是由于这要求单元天线将从各种不同的入射角观测目标以获得各种不同空间频率的可视度函数，因此只能对极少数特性不随入射角变化的目标适用，不能广泛的用于对地观测。

通过美国马萨诸塞州立大学微波遥感实验室的工作，我们了解到利用干涉测量成像需要测量各种不同基线长度的干涉函数，或可视度函数。这通常也称为对可视度函数的完整的空间频率覆盖。另一方面通过日本Komiyama的工作我们了解到，一条基线如果其在被观测目标方向上的投影长度随平台的移动有变化，其测量的空间频率实际上也会发生变化，也即其输出在空间频率上具有一定的带宽。如果我们同时利用时间轴上的分割，也即分时的测量，我们将可以比较合理的进一步稀疏阵列单元，获得可以适于对地观测应用的新的方案。

                     发明内容

本发明的目的是克服上面两种方案各自的不足，将上面两种机理结合，并利用时间轴上的分割，设计出最少只需要三个天线单元组成两条基线，并可在目标的入射角变化很小的范围内成像的，能广泛地用于对地观测的星载旋转扫描干涉式成像微波辐射计。

本发明的目的是这样实现的：本发明提供的一种星载旋转扫描干涉式成像微波辐射计，包括天线A，天线A扫描机构，伸杆A，卫星的三轴稳定部分，卫星的自旋部分，天线B，伸杆B，天线C，伸杆C；伸杆A安装在卫星的三轴稳定部分的一侧，卫星的自旋部分安装在卫星的三轴稳定部分的另一侧，伸杆B和伸杆C沿径向安装在卫星的自旋部分上，天线A扫描机构一端与伸杆A连接，另一端与天线A连接，天线B和天线C分别固定在伸杆B和伸杆C的顶端；所述的卫星的自旋部分中放置有公共本振、相关器AB、相关器AC和数字处理部分。

其中天线A接收到的信号经安装在紧靠天线A的伸杆A顶端的信道A与来自公共本振的信号下变频和放大后再分成两路分别传送到相关器AB和相关器AC中，天线B接收到的信号经安装在紧靠天线B的伸杆B顶端的信道B与来自公共本振的信号下变频和放大后传送到相关器AB中，天线C接收到的信号经安装在紧靠天线C的伸杆C顶端的信道C来自公共本振的信号下变频和放大后传送到相关器AC中，相关器AB和相关器AC将各自收到的两路信号相乘，并将结果传输到数字处理部分中，然后将数字信号传输到卫星的平台公共的数传信道下传到地面站。

本发明的优点在于：本发明在相同天线体积(指运载过程中的折叠体积)和重量的限制条件下，可以比现有各种技术方案在低轨道对地观测卫星上实现更高的被动微波遥感的空间分辨力。

                     附图说明

图1是星载旋转扫描干涉式成像微波辐射计的结构关系原理图；

图2是星载旋转扫描干涉式成像微波辐射计的电连接关系图；

图3是图1中天线A(1)及其相联机构的结构图；

图4是图1中三轴稳定部分(4)和自旋部分(5)的连接示意图；

图5是图1中天线B(6)及其相联机构的结构图；

图6是实施例2中星载旋转扫描干涉式成像微波辐射计的结构关系图。

                   具体实施方式

实施例1：

本实施例所描述的星载旋转扫描干涉式成像微波辐射计由天线A1，天线A扫描机构2，伸杆A3，卫星的三轴稳定部分4，卫星的自旋部分5，天线B6，伸杆B7，天线C8，伸杆C9组成，如图1所示。其中卫星的三轴稳定部分4是卫星的主体，卫星的自旋部分5的主要功能是为了提供天线B6和天线C8及其支撑伸杆的旋转。伸杆A3安装在卫星的三轴稳定部分4的一侧，卫星的自旋部分5安装在卫星的三轴稳定部分4与之对应的另一侧，伸杆B7和伸杆C9安装在卫星的自旋部分5上，且伸杆B7和伸杆C9穿过卫星自旋部分5的中心形成一直线，其旋转平面与伸杆A3垂直，如图4所示。天线A扫描机构2安装在伸杆3的顶端，天线A1固定在天线A扫描机构2上，如图3所示。天线B6和天线C8分别固定在伸杆B7和伸杆C9的顶端，如图5所示。

如图2所示，天线A1接收到的信号经信道A10与来自公共本振13的相干本振信号下变频和放大。信道A10安装在紧靠天线A1的伸杆A3的顶端。公共本振13的信号由卫星的旋转部分5经卫星三轴稳定部分4传向位于伸杆A3顶端的信道A10；信道A10的输出信号由伸杆A3的顶端经卫星三轴稳定部分4传向位于卫星旋转部分5中的相关器AB14和AC15。当公共本振13的信号(微波频率)和信道A10的输出信号(中频)通过卫星的三轴稳定部分4和卫星旋转部分5的连接处时，需要使用常规的同轴型微波旋转关节。

天线B6接收到的信号经信道B11与来自公共本振13的相干本振信号下变频和放大。信道B11安装在紧靠天线B6的伸杆B7的顶端。公共本振13的信号由卫星旋转部分5沿伸杆传向位于伸杆B7顶端的信道B11；信道B11的输出信号由伸杆B7的顶端沿伸杆传向位于卫星旋转部分5中的相关器AB14。

天线C8接收到的信号的走向与天线B6相似，不同的只是信道C12的输出信号由伸杆C9的顶端沿伸杆传向位于卫星旋转部分5中的相关器AC15。

相关器AB14将来自信道A10和信道B11的信号相乘；相关器AC15将来自信道A10和信道C12的信号相乘，并将结果传输到位于卫星旋转部分5的数字处理部分16中，然后将数字信号通过常规低频滑环由卫星旋转部分5传送到卫星三轴稳定部分4，再通过卫星平台的公共数传系统下传到地面站。

成像需要的干涉信号来自于天线A和天线B接收到的信号之间的干涉，以及天线A和天线C接收到的信号之间的干涉。所谓干涉是指将两个天线接收到的信号通过公共本振13下变频、放大并输入相关器相乘。即地物辐射的微波噪声信号同时进入三个天线并由三个信道分别相干放大(共用一个相干本振)，然后由两个相关器相乘。也即信道A与信道B的输出经相关器AB相乘；信道A与信道C的输出经相关器AC相乘。天线A的扫描机构2提供一维的旋转扫描。它的功能是确保在整个成像测量过程中，尽管卫星在飞行，但扫描机构2始终使天线A1的波束照射在被测区域上。伸杆A3将天线A1与卫星的三轴稳定部分4相连并获得所需要的基线长度。伸杆B7将天线B6与卫星的自旋部分5相连并获得所需要的基线长度；伸杆C9则将天线C8与卫星的自旋部分5相连并获得所需要的基线长度。在一个测量周期内，也即每测量一幅图像，卫星的自旋部分旋转一周。如果一幅图像在沿卫星的飞行方向上长100公里，则自旋速度约为10-13秒一周。

此外为了减少卫星的稳定部分和自旋部分之间的高频信号连接，如前所述可将公共本振13、以及相关器AB14及相关器AC15、数字处理部分16均放置在卫星的自旋部分5中。这样需要通过旋转关节和滑环的只有通向信道A10的公共本振13信号、信道A10通向相关器AB14的中频输出信号、相关器输出并采样后的数字信号，以及电源。由于这些信号的幅度均比较大，因此不易受旋转关节和滑环引入的干扰。

根据被测区域面积和卫星平台高度选择天线A1的形式和辐射方向图，比如可以选择喇叭天线，其方向图由喇叭天线孔径确定。天线A的扫描机构2可选择带有角编码器的电机，其固定部分与伸杆A3相连接，移动部分与天线A1相连接。如果一幅图像在沿卫星的飞行方向上长100公里，由于天线A1的回扫还需要一定的时间，因此测量时间应适当小于卫星飞行100公里的总时间T。如果T为13秒，则测量时间可小于10秒，剩余的3秒钟用于天线A1的回扫。必要时还需要考虑应该给天线A1留出一段时间令其波束指向冷空用于定标。

在此例中我们假设卫星平台高度800公里，地面成像区域长和宽均为100公里。为获得近10-20公里的地面分辨率，伸杆A3的长度可取25个波长；伸杆B和伸杆C的长度可分别取140个波长；天线B和天线C均需选择对称振子天线。

实施例2：

在本例中，可将卫星的自旋部分5上安装的干涉天线和相应的信道由两个增加为三个，即由天线B、天线C、天线D组成，同时相应地增加了天线D17伸杆D18，信道D和相关器AD。伸杆B7、伸杆C9和伸杆D18的一端连接相应的天线，另一端安装在卫星的自旋部分5上，且这三个伸杆构成一个与伸杆A3垂直的平面，同时这三个伸杆之间的角度为120度，如图6所示。

增加了一个信道，可以减慢卫星旋转部分的转速，提高采样率也即对空间频率的覆盖和积分时间，从而提高了图像质量和稳定度。

Claims (11)

1、一种星载旋转扫描干涉式成像微波辐射计，包括天线A(1)，天线A扫描机构(2)，伸杆A(3)，卫星的三轴稳定部分(4)，卫星的自旋部分(5)，天线B(6)，伸杆B(7)，天线C(8)，伸杆C(9)，其特征是：伸杆A(3)安装在卫星的三轴稳定部分(4)的一侧，卫星的自旋部分(5)安装在卫星的三轴稳定部分(4)的另一侧，伸杆B(7)和伸杆C(9)沿径向安装在卫星的自旋部分(5)上，天线A扫描机构(2)一端与伸杆A(3)连接，另一端与天线A(1)连接，天线B(6)和天线C(8)分别固定在伸杆B(7)和伸杆C(9)的顶端；其中卫星的自旋部分中放置有公共本振、相关器AB、相关器AC和数字处理部分；

其中天线A(1)接收到的信号经安装在紧靠天线A(1)的伸杆A(3)顶端的信道A(10)与来自公共本振(13)的信号下变频和放大后再分成两路分别传送到相关器AB(14)和相关器AC(15)中，天线B(6)接收到的信号经安装在紧靠天线B(6)的伸杆B(7)顶端的信道B(11)与来自公共本振(13)的信号下变频和放大后传送到相关器AB(14)中，天线C(8)接收到的信号经安装在紧靠天线C(8)的伸杆C(9)顶端的信道C(12)来自公共本振(13)的信号下变频和放大后传送到相关器AC(15)中，相关器AB(14)和相关器AC(15)将各自收到的两路信号相乘，并将结果传输到数字处理部分(16)中，然后将数字信号传输到卫星的平台公共的数传信道下传到地面站。

2、如权利要求1所述的星载旋转扫描干涉式成像微波辐射计，其特征是：所述的天线A扫描机构(2)由固定部分和移动部分组成，其固定部分与伸杆A(3)相连接，其移动部分与天线A(1)相连接。

3、权利要求1所述的星载旋转扫描干涉式成像微波辐射计，其特征是：所述的天线A(1)为喇叭天线。

4、权利要求1所述的星载旋转扫描干涉式成像微波辐射计，其特征是：所述的天线B(6)和天线C(8)为对称振子天线。

5、权利要求1所述的星载旋转扫描干涉式成像微波辐射计，其特征是：所述的伸杆B(7)和伸杆C(9)形成一直线，其旋转平面与固定伸杆(3)垂直。

6、如权利要求1所述的星载旋转扫描干涉式成像微波辐射计，其特征是：所述的固定伸杆(3)的长度为25个波长。

7、如权利要求1所述的星载旋转扫描干涉式成像微波辐射计，其特征是：所述的卫星的自旋部分(5)可带动除天线A(1)以外的另外几个由伸杆连接的干涉天线单元旋转。

8、如权利要求1所述的星载旋转扫描干涉式成像微波辐射计，其特征是：所述的伸杆B和伸杆C长度均为140个波长。

9、如权利要求1所述的星载旋转扫描干涉式成像微波辐射计，其特征是：所述的安装在卫星的自旋部分(5)上的天线可由两个增加为三个。

10、如权利要求9所述的星载旋转扫描干涉式成像微波辐射计，其特征是：所述的伸杆B(7)、伸杆C(9)和伸杆D(18)构成一个与固定伸杆(3)垂直的平面，且这三个伸杆之间的角度为120度，天线D(17)安装在伸杆D(18)的顶端。

11、如权利要求1所述的星载旋转扫描干涉式成像微波辐射计，其特征是：所述的天线A(1)经信道A(10)相干放大后的信号与另外旋转天线单元经各自信道相干放大后的信号相乘。

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