星载被动微波遥感技术及其应用进展

星载被动微波遥感是指利用高灵敏度接收机通过接收场景和目标的自然微波辐射来提取目标信息的一种遥感手段。被动微波遥感又称微波辐射计遥感。人类利用微波辐射计从空间进行对地遥感已有50多年的历史。目前,星载微波辐射计已经成为气象和海洋卫星的主载荷,在数值天气预报、海洋环境监测和全球变化研究中发挥着越来越重要的作用。本文分析了国内外星载被动微波遥感技术与应用进展,以及被动微波遥感技术发展趋势及其关键技术问题,针对中国星载被动微波遥感的定量化应用,在数据与数据处理流程,算法标准化、亮温和反演参数的定标/检验标准化等方面提出了一些思考和建议,以期望被动微波遥感数据被越来越广泛地得到应用,最大限度地提升星载地球被动微波遥感技术的应用效能。

微波辐射计静止轨道遥感试验技术

在地球静止轨道上对大气进行微波遥感探测尚无先例。为验证静止轨道微波探测仪器关键技术,研究高轨微波辐射传输特性并积累遥感数据,研制了微波探测试验载荷,搭载于风云四号A星进行在轨试验。微波探测载荷采用真实孔径圆周扫描体系,配置双频段(183,425 GHz)五通道。载荷在轨试验中,各项指标正常,183GHz频段灵敏度优于0.5K,425GHz灵敏度优于1.9K,性能稳定并超过3个月考核寿命。对微波探测载荷183GHz与极轨载荷先进技术微波辐射计(advanced technology microwave sounder,ATMS)进行亮温交叉比对的结果显示,两者亮温相近,变化趋势一致,验证了探测数据的有效性。载荷还在静止轨道获取了极轨无法探知的3K/h量级亮温变化,并在风云四号A星姿态调整期间完成了静止轨道微波遥感成像。验证了在静止轨道上进行真实孔径体制微波遥感探测的有效性。

航空遥感系统全极化微波散射计系统设计与校飞试验

全极化微波散射计是具有散射计和成像两种工作模式的主动式微波遥感设备,在复杂环境观测及多维信息获取中具有良好应用前景。该文对全极化微波散射计系统的设计方案进行详细介绍,系统根据两种工作模式的需求设计4 MHz、40 MHz、120 MHz、200 MHz四种带宽,有效解决成像散射计带宽与后向散射系数测量精度间矛盾。基于匹配滤波的数字中频信号处理方法,推导了衡量后向散射系数测量精度的归一化标准差,并针对数字滤波器加窗效应、数据段重叠率与归一化标准差关系进行理论分析以最小化归一化标准差。海洋及陆地校飞试验结果表明,全极化微波散射计系统兼具高精度后向散射系数测量和高分辨率微波成像特性。散射工作模式下,当数据重叠率、滚降系数、回波信噪比分别为50%、0.5、5.53 dB时,系统性能接近最优,可获得较高且稳定的后向散射系数测量精度;成像模式下,距离向与方位向分辨率分别为0.89 m、0.43 m,使全极化微波散射计具有良好目标探测特性。

FY-3卫星大气湿度微波探测技术发展

介绍了风云三号(FY-3)卫星大气湿度微波探测技术及其发展。阐述了大气湿度微波探测原理。给出了微波湿度计(MWHS)的组成,以及变速扫描、匀速扫描和定点观测三种工作模式。从FY-3卫星01批到03批,MWHS从单一的湿度探测发展为大气温湿度同步探测,灵敏度和定标精度不断提高。其中:A、B星MWHS有150,183.31GHz两个探测频率,150GHz在国际上首次采用准光技术实现了极化分离,有垂直和水平通道2个,183.31GHz与国际同类设备相同,有通道3个;C、D星MWHS增加了118.75GHz探测通道8个,183.31GHz探测通道增加到5个,并增加了150GHz窗区频率,显著提升了微波湿度计的探测能力,实现了多通道的细分探测,并具有大气温度、湿度同步探测的功能,且118GHz首次实现了星载非临边大气探测;03批MWHS将包括探测频率4个、探测通道15个,窗区探测频率由150GHz更改为166GHz,并大幅提高灵敏度、定标精度等系统性能指标。性能比较表明:FY-3卫星MWHS的系统灵敏度优于其他国际同类载荷。给出了FY-3卫星MWHS在台风监测、全球亮温图获取等大气探测和灾害性天气预报与跟踪监测中的应用成果。

K波段谱分析技术的微波辐射计方案设计

以探测大气中水汽吸收谱线为应用背景,系统设计了一种基于快速傅里叶变换(FFT)的宽带宽的谱分析技术的微波辐射计。阐述了谱分析技术的微波辐射计的设计原理,详细介绍了系统结构设计、接收机方案设计和谱仪的方案设计,并分析了系统的主要技术指标、正交接收机指标及谱仪的设计。该系统可实现的辐射计探测频率为22.235 GHz,设计带宽达到500 MHz,谱分辨力为60 kHz。

机载全极化微波辐射计系统设计及海面亮温的提取方法

机载全极化微波辐射计(Airborne full Polarization Microwave Radiometer,APMR)是国家重大科技基础设施航空遥感系统的主要载荷之一,用于获取来自地球表面和大气的微波辐射电场的极化信息,从而反演地球表面和大气的物理参数.APMR是一个5频点的被动微波遥感器,中心频点分别为10.7 GHz,18.7 GHz,23.8 GHz,37.0 GHz和90 GHz.其中,23.8 GHz和90 GHz采用水平和垂直极化接收方式;10.7 GHz,18.7 GHz和37.0 GHz采用全极化接收方式,同时接收观测场景辐射的4个Stokes参数亮温.该文在介绍我国第一台机载全极化微波辐射计APMR系统主要技术特点和基本性能指标的基础上,提出了由辐射计输出参数进行全极化定标、再进行海面亮温提取的二级数据处理方法,从而得到海面亮温的4个Stokes参数信息,其可用于海面风向、风速等参数的反演.APMR于2020年6月在东营进行了海上的搭载飞行试验,从实验结果中提取到的海面亮温与预期情况一致,这使仪器的工作性能以及海面亮温的提取方法得到验证,为未来机载平台获得海洋表面参数提供了新的技术手段.

SFCW干涉雷达用于高铁车桥耦合振动监测的实验研究

传统的高铁车桥耦合振动监测手段为位移计、加速度计、倾角仪等接触式测量手段,存在安装困难、工作效率低等缺点。地基干涉雷达是非接触式测量手段,体积小、安装灵活,可作为传统监测手段的一种有效补充。基于矢量网络分析仪(vector network analyzer,VNA)搭建一套Ku频段的步进频连续波(stepped frequency continuous wave,SFCW)干涉雷达,与自主研发的Ka频段的调频连续波(frequency modulated continuous wave,FMCW)干涉雷达对比验证该系统微形变监测的可行性。实验对象为盐通高铁的32 m简支箱梁,实验用车为和谐号16节重联列车,运行速度为250 km/h。实验结果表明,两套雷达系统的动挠度测量结果相差0.013 mm,实测精度达亚毫米级。SFCW干涉雷达可以20 Hz的采样频率准确地测量桥梁的自振频率和强振频率,频谱测量精度达0.1 Hz,且SFCW干涉雷达的信噪比更高。

FY-3B卫星微波湿度计热真空定标方法和结果分析

本文论述了风云三号卫星B星微波湿度计(MWHS-3B)发射前热真空定标的原理和方法,建立了各种定标误差的修正算法,获得了MWHS-3B的系统线性度、观测不同目标的灵敏度和最终定标精度等关键技术指标。这些参数已经用于MWHS-3B在轨数据的处理。

风云三号卫星先进微波大气探测仪系统设计与研制

先进微波大气探测仪(AMAS)是安装在风云三号卫星(C/D星)上的新一代微波湿度计,是风云三号卫星(A/B星)微波湿度计的继承和发展。在150 GHz(水平极化和垂直极化)和183.31 GHz(水平极化,三通道)的基础上,探测频率和通道设置为89 GHz(垂直极化)、118.75 GHz(水平极化,八通道)、150 GHz(垂直极化)、183.31 GHz(水平极化,五通道),仍采用垂直于飞行方向的交轨扫描方式,科学目标是探测全球大气温度和湿度的垂直分布、降雨等。本文介绍了微波湿度计-II的系统设计与构成,描述了微波湿度计-II的性能指标要求。测试结果表明,性能指标满足设计要求。

HY-2A卫星大气校正微波辐射计在轨数据定标和检验研究

海洋二号(HY-2A)卫星大气校正微波辐射计(ACMR)是为雷达高度计提供大气路径延迟校正的微波辐射计。本文针对ACMR热真空定标试验的原理、方法、实施过程及试验结果进行了阐述和分析,得到了ACMR 3个频率的辐射传输系数和非线性系数,并进行了天线订正的发射前算法分析,给出了天线温度系数。利用这些系数对在轨数据进行了处理,得到了在轨天线温度转换系数,并与Jason-1、Jason-2卫星上搭载的微波辐射仪(JMR)进行了匹配比较,结果表明一致性良好。

毫米波/亚毫米波临边探测仪准光技术

毫米波/亚毫米波临边探测仪中的辐射计通常需要工作在多个频段,如多频段共馈源,则其带宽往往不能达到要求。当多个探测频段共用一个主反射镜,采用准光学技术实现探测频率分离,则可以节省很大的空间。准光极化线栅和准光频率选择器相配合用来分离频率范围在118 GHz^340 GHz的4个频带,准光极化线栅是一个准光功率分配/合成器,将4个频段的信号分为(183 GHz/240 GHz)和(118 GHz/340 GHz)2组信号。准光频率选择器是一个高频频率选择表面,可以将高频段的电磁波透射,低频段的电磁波反射。反射和透射的电磁波分别进入2个频段的接收模块,实现信号的接收。本文利用HFSS仿真软件对周期单元的结构参数进行仿真优化,并通过仿真结果完成了准光极化线栅和准光频率选择器的技术实现。实测结果与毫米波/亚毫米波临边探测仪的设计要求一致。

CGLS算法在综合孔径微波辐射计中的应用

高效的反演成像算法是综合孔径微波辐射计的关键技术之一。由于综合孔径微波辐射计反演成像在数学上是病态的反问题,所以需要进行正则化处理以克服其病态特性而获得稳定的解。与直接正则化方法相比,共轭梯度最小二乘(Conjugate Gradients Least Squares,CGLS)迭代法具有无须明确正则化参数、无须对传递矩阵求逆等优点。提出将共轭梯度最小二乘法应用于综合孔径辐射计成像中,并基于全极化干涉式微波辐射计(Full Polarization Interferometric Radiometer,FPIR)系统,比较了其与经典的最小范数正则化的性能。仿真结果表明:与最小范数正则化相比,CGLS正则化算法能有效降低FPIR系统图像反演误差,以获取高精确度的观测场景的亮温分布满足FPIR系统探测海面风场、海表面盐度和土壤湿度等应用需求。

海洋二号卫星微波散射计自然扩展目标在轨定标

海洋二号卫星微波散射计(HY-2 Scatterometer,HY-2 SCAT)是一种旋转扫描笔形波束散射计,能够对同一观测面元提供4次方位角和入射角的观测组合,并通过地球物理模型反演海面风场.为达到设计的风场反演精度,要求其系统定标精度达到0.5 dB.利用不同区域自然扩展目标对HY-2 SCAT进行在轨外定标,并与OSCAT散射计在同时期内的测量结果进行了对比.定标结果显示可以消除因散射计天线指向偏差带来的方位向测量误差.针对HY-2 SCAT方位向测量偏差进行了误差分析,利用仿真方法以及海洋二号卫星雷达高度计同期测量数据的反演结果进行比对,验证了误差来源.

利用嫦娥一号卫星微波探测仪数据反演月球表面物理温度

本文利用理论研究的结果,建立了月表物理温度反演模型,结合嫦娥一号微波探测仪(CELMS)数据对全月球物理温度进行了反演。同时分析了物理温度变化对微波辐射的影响及其与表面地形等的关系,为其他月表信息反演提供了依据和物理温度的测量信息。

全极化微波辐射计加法型模拟复相关器研究

全极化微波辐射计的核心部分是复相关器。介绍了一种加法型模拟复相关器,它采用混合耦合器构成移相网络,在中频将电磁波信号相位调整到特定状态,从而实现了用加法思想获取全部Stokes参量。分别研制了分布参数和集总参数的移相网络,对它们测量并进行比较。最后对加法型模拟复相关器进行了整体测试,给出了噪声源测量下的相位反演能力测试。结果表明加法型模拟复相关器具有较好的极化测量性能。

星载微波辐射热定标源辐射性能研究与应用

基于周期性阵列角锥结构星载微波辐射热定标源,运用时域有限差分算法(Finite Difference Time Domain,FDTD),建立有限大辐射体电磁波散射模型,探索该结构下热定标源在6.3～230 GHz内辐射特性变化趋势,分析热定标源辐射性能(包括反射率r和发射率e)随涂层厚度t、角锥高宽比以及角锥宽度p的变化规律。研究结果表明:热定标源反射率在低频段主要依赖涂层吸波性能,高频段则主要取决于涂层界面反射率;在低频段内,随涂层厚度的增加,热定标源反射率逐渐减小,发射率有所增大,但在高频处,呈现出较快的震荡趋势;在特定涂层厚度下,随着角锥高宽比增加,热定标源在全工作频段内反射率减小,发射率增大,且随着角锥宽度的增加,反射率增大,发射率减小。综合热定标源辐射性能研究结果,结合型号产品具体应用需求,设计开发出热定标源产品,并进行发射率测量,实测发射率均为0.998。

海洋4A散射计幅相校正算法FPGA优化实现

海洋4A散射计将是世界上首个采用相控阵数字波束合成体制的星载微波散射计。其中,相控阵散射计高精度测量的实现依赖于散射计系统中各通道的一致性,因此需要实时对各通道的幅度和相位进行校正,以确保阵列能够正确地合成所需的波束。针对此问题,提出了一种相控阵散射计通道幅相实时校正算法,所提算法采用现场可编程门阵列(field-programmable gate array,FPGA)实现,利用FPGA的并行处理能力和高速性能,对接收到的信号进行实时处理,实现了通道的幅度和相位校准。仿真、FPGA硬件调试以及实测数据分析表明,所提算法能够有效地对通道进行幅相校正,其校正的幅度和相位平均误差小于1%;所提算法提高了数字波束合成的性能,为相控阵散射计的高精度测量提供了可行性。

风云三号A星微波湿度计数据处理与应用

主要介绍了风云三号A星(FY-3A)有效载荷之一——微波湿度计的结构、运行状态以及数据接收和数据处理的具体形式。利用神经网络算法建立反演模型,并与国外已经业务运行的先进微波探测单元B型(AMSU-B)比较,性能相当。反演北京地区2008年7—12月相对湿度和水汽密度廓线,对比探空数据,分析反演均方差。同时,分析了台风到来时不同通道的亮温显示结果,从而证明:风云三号微波湿度计不仅能全球范围内探测大气水汽等相关信息,同样在台风、热带气旋的检测和判断未来的走势中也发挥了重要作用。

FY-3C微波温湿探测仪及其在台风监测中的应用

2013 年9 月23 日11 时07 分发射的风云三号C（FY-3C）星是我国第二代极轨气象卫星的第三颗星.其上装载的新型微波温湿探测仪已于2013 年9 月30 日开机工作.与风云三号A/B 星微波湿度计（MWHS）相比,新一代微波湿度计（MWHTS）在118GHz 氧气吸收线和183GHz 水汽吸收线设计了两组共15 个大气探测通道,在大气窗区设置了89GHz 和150GHz 探测通道.118GHz 是国际上首次使用的星载探测频点.本文主要对新一代微波湿度计系统进行阐述,对其开机后的在轨性能进行分析,并着重分析利用微波湿度计监测台风菲特的生成、演化、增强和消亡的整个过程,从而为数值天气预报和现报提供重要的价值.

地基差分干涉微形变监测实验系统

利用Agilent矢量网络分析仪(VNA)测量S参数的端口与X波段天线相连,并置于滑轨上合成方位向孔径,构成基于低成本实验室通用设备的地基合成孔径雷达(Ground Based Synthetic Aperture Radar,GBSAR)系统,且具备和实际雷达系统同样有效的二维成像功能。利用该系统对目标进行干涉成像,然后得出两幅图像的相位差,结合相位与形变量之间的几何模型,实现了目标的形变监测。实验证明,该地基差分干涉微形变监测系统对于毫米级的微形变具有显著的分辨能力。