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。

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。

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。

微波黑体发射率计量标准装置的准光照射天线设计

微波黑体发射率计量标准装置拟通过双站测量的方式,获取微波黑体的电磁散射信息,进而基于基尔霍夫热平衡定律获取其发射率信息。在有限的测量空间和较高的测试频段条件下,需要对照射天线进行优化设计,以实现对微波黑体散射特征的有效测量。针对此应用,在毫米波和亚毫米波段基于准光学技术,开展了照射天线仿真设计工作。并结合装置实测场景,对准光照射天线的散射测量收发链路进行仿真,结果表明:通过准光天线设计,可以使得发射天线在目标区形成相位平坦,边缘衰减的照射场分布,可以降低收发天线-目标间的电磁能量传输衰减,同时近似测得目标的远场散射特性已便于反射率积分。综合而言,通过仿真分析,验证了微波黑体发射率计量标准装置中高频段收发天线的设计原理和应用价值,同时也对其它近场测试系统的研制和应用提供了参考。

微波干涉仪测量羽流电子密度反演方法

利用微波干涉仪进行推进器羽流密度测量的反演方法研究.重点针对羽流等离子体密度反演的Abel逆变换数值求解,采用离散化算法、三次样条插值算法、Hankel-Fourier算法以及Nestor-Olsen算法等四种方法进行仿真分析和比较.通过对这四种方法在无噪声和有噪声两种情况下反演误差的比较,找出适用于实际干涉仪数据处理的方法;通过对采样点数和反演之间的关系分析,给出解决欠采样问题的方法和数值参考;在分析比较的基础上,总结数值处理的必要步骤.利用模拟实验测试数据进行验证并对反演结果进行分析.

基于微波干涉雷达的悬索桥振动监测

针对大跨度悬索桥结构复杂,易受外界环境影响而产生复杂振动的问题,设计一个基于调频连续波技术和干涉测量技术的高精度桥梁振动监测雷达。其能够准确检测桥梁的复杂振动,并能对振动的模态进行分析。通过普立大桥的振动监测,实验结果表明,该雷达适用于复杂环境下桥梁振动的监测。其不仅能够准确测量振动的幅度和频率,还能对有车经过和无车经过时桥梁的不同振动状态进行判断和分析;当车辆经过桥梁时,可根据产生大幅度的激绕振动频率的大小获得桥梁上车辆行驶速度。该雷达便携、测量精度高的特点使其具有广阔的应用前景。

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。

微波湿度计探测青藏高原卷云和温湿度分布

鉴于青藏高原地区的气象站和探空数据观测数据非常有限,且其卷云和温湿度分布对全球气候有重要影响,提出联合风云三号卫星微波湿度计(FengYun-3C microwave humidity and temperature sounder,FY-3C MWHTS)在轨观测数据和欧洲中值预报中心发布的青藏高原地区再分析数据,采用改进的神经网络方法分析上对流层和低平流层大气卷云极化和散射信息敏感性,开发青藏高原地区大气卷云检测反演算法。进而利用在轨实时运行的FY-3C星微波湿温探测仪数据提取青藏高原地区全天候大气卷云信息,研究青藏高原区域卷云随季节的变化规律和分布特征。

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。

干涉雷达在高铁桥梁振动检测中的应用

由于高速铁路对桥梁的稳定性及安全性要求高。因此,利用干涉测量技术和相位反演技术,设计了一种能够测得桥梁微弱振动的雷达检测系统。其不仅系统简单、操作灵活,而且振动检测精度及效率高。此外,其能够快速检测获得毫米级的桥梁微弱振动。从而克服了常规桥梁检测方法过程复杂、成本高、精度和效率低等问题,可以广泛应用于高铁桥梁振动的检测中。通过该雷达对京津城际高速铁路凉水河特大桥的检测实验,证明了该雷达的有效性和正确性。实验结果表明,该雷达不仅能够准确获得桥梁振动的实时形变信息,也能对桥梁振动的类型进行判断。

海南VHF雷达观测到的低纬F区电离层场向不规则体事件分析

中国海南VHF雷达具有快速扫描观测及对电离层不规则体进行二维成像的能力.采用时间序列上的连续观测,可以获得场向不规则体发展变化的一系列二维空间图像.本文对海南VHF雷达2011年10月27日夜间观测到的电离层不规则体事件进行分析,主要结果表明,本次观测到的不规则体可分为三个阶段.在初步形成阶段,不规则体开始出现时非常微弱,发展变化很慢,主要表现为向上可扩展,持续时间约14min.在扩大增强阶段,不规则体快速向上并向两侧扩展,持续时间约14min;不规则体强度前期迅速增大,后期略有减弱,空间尺度达200km以上.在东漂离开阶段,不规则体强度进一步减弱,扩展面积达到最大,主要表现为东向漂移,持续时间近30min.这次观测首次给出了海南地区上空电离层不规则体的形成和发展过程.结合其他台站的观测进行对比分析发现,海南观测到的雷达羽与其他地区的雷达羽具有明显不同,海南地区的雷达羽特性及其对应的物理过程有待进一步观测研究.

基于调频连续波雷达的高铁桥梁振动监测方法

监测高速铁路桥梁的运营性能,评估桥梁损伤情况、桥梁寿命是保证列车安全运营的重要环节。针对位移计、加速度计等传统监测方法安装复杂、不能多点连续测量、搭建成本高等缺点,为桥梁振动监测提供一种安装灵活、观测周期短、成本低的非接触测量方法,利用自主研发调频连续波(frequency modulated continuous wave,FMCW)微形变雷达对盐通高速铁路的海安特大桥24 m简支梁桥进行监测,获取并分析衡量桥梁运营性能的自振频率、阻尼比、动力系数等竖向振动参数。试验结果表明,自振频率、阻尼比分别为7.1432 Hz、2.778%,各速度级下的动力系数实测值均小于运营动力系数,随列车运行速度的增加,动力系数实测值有增加的趋势,与《高速铁路桥梁运营性能检定规定(试行)》中的相关要求一致。

基于单比特量化的噪声雷达系统与处理方法

噪声雷达通过发射随机信号探测目标信息,具备低截获概率与良好的电子对抗性能,但随机信号引入的高距离旁瓣会严重影响系统动态范围。通常采用大时宽带宽积信号来降低噪声雷达的旁瓣水平,但会引起采样率和数据量的增加。单比特量化能够降低高速采样器件的难度,同时降低数据存储设备负担。文中设计并构建了单比特噪声雷达实验系统,介绍了系统方案与信号处理方法,开展了实际点目标的距离成像实验,并基于真实实验数据分析了时间宽度对距离旁瓣水平的影响。实验结果表明:对于大时宽带宽积的噪声雷达,通过采用单比特技术能够在保持动态范围不变的同时大幅降低数据量。

固体目标微形变探测仪及其在高铁桥梁的应用

微形变量在工程上意义重大,可用以判断目标的健康状态和自然灾害的预警。传统的形变监测手段有位移计、加速度计、GPS、三维激光扫描等,存在设备安装困难、工作效率低、受天气影响较大等缺点。因此,结合调频连续波技术和干涉技术,设计了一款固体目标微形变探测仪,操作简便、便携、可全天时全天候进行监测。首先对系统进行室内测试,验证了形变测量精度可达亚毫米级。再对海安特大桥的某32 m双线简支箱梁进行微形变监测实验,实验中选取了四个典型监测点,在箱梁上单线加载以及荷载速度相同的实验条件下,系统准确测得梁的1/4和1/2跨的位移量,以及上、下行线1/2跨的位移差异。将测得的时程曲线进一步分析,获得了桥梁的自振频率与强振频率。实测结果与理论分析一致,证明了固体目标微形变探测仪的有效性。

基于地基干涉雷达的高速铁路桥梁运营性能检定

目前应用最广泛的高速铁路桥梁检定方法为位移计、加速度计等接触式传感器,但其难以大量铺设,且工作效率低,每类传感器只能完成单一测量任务。而地基干涉雷达系统发射功率小、信噪比高、安装灵活,测量精度可达亚毫米级,一次测量即可完成多项桥梁参数检定的任务。利用矢量网络分析仪构建发射步进频率连续波信号的地基干涉雷达系统,对盐通高速铁路沿线的32 m简支箱梁桥进行实验。高速铁路检测车由310 km/h逐级提速至385 km/h,雷达系统可准确测量桥梁跨中的动挠度,进而分析其动力系数、挠跨比、强振频率、自振频率及阻尼比等参数。将仿真结果和拉线式位移计的实测结果与地基干涉雷达的实测结果进行综合对比分析,证明地基干涉雷达在高铁桥梁运营性能检定应用中的准确性和有效性。

二维干涉式被动毫米波近场目标成像分析

近场成像是干涉式被动毫米波成像技术的重要应用领域,阵列构型是影响近场相位误差的重要因素。搭建二维合成孔径近场成像仿真系统,实现目标场景生成、近/远场前向仿真、图像重构和近场相位误差等功能。利用该系统对空间分辨力相同条件下的常用二维天线阵型的近场误差进行定量评估和分析,针对二单元的近场扫描成像试验系统,提出一种将接收机通道误差、近场相位误差分步校正的自定标方法。比较基于参考点源的近场成像方法,该方法仅需先验距离信息,无需再对参考点源进行成像,具有操作简单、成像速度快的优势。

多子带频域超宽带合成雷达半实物仿真

宽带合成技术是实现距离向高分辨的一种有效手段,目前频域宽带合成方法拓展至超宽带合成,合成带宽受限,合成信号质量随子带数增加而恶化。针对这些问题,提出了一种适用于频率步进线性调频信号的多子带频域超宽带合成方法,采用预失真、子带间高精延时对齐、相位自适应调整等技术对影响信号合成质量的系统失真、延时误差、子带拼接处相位跳变改进,并搭建步进频雷达半实物仿真系统以验证所提方法的有效性及合成信号性能。实验结果表明,43个28 MHz带宽的子脉冲合成的超分辨距离向信号,带宽为1.0357 GHz,时间分辨率高达0.8720 ns,具有良好的点目标分辨性能,未来可应用于二维合成孔径雷达超分辨成像。

基于混叠脉冲压缩处理的脉冲簇设计

基于脉冲压缩技术进行脉冲簇高脉冲重复频率的时序设计,采用不同中心频率的参考信号进行全去斜处理的方法,然后通过低通滤波器进行滤除,将混叠脉冲进行有效分离。处理方法具有灵活性和多样性,可以提高系统的脉冲重复频率,可以实现12%以上的占空比。高脉冲重复频率的脉冲簇设计,可以获得高采样数,对于星载的应用具有重要意义。通过仿真进行验证,可以达到5~13 k Hz的高脉冲重复频率。

星载微波散射计高分辨率σ~0图像重构方法研究

针对我国海洋二号卫星微波散射计(HaiYang-2Scatterometer,HY2-SCAT)数据存在的空间分辨率较低、无法满足对于地球冰冻圈、生物圈探测需求的问题,以其数据拓展应用为目标,开展了微波散射计高分辨率后向散射系数(σ0)图像重构技术仿真研究。采用仿真的方法实现并对比了AART(Additive Algebraic Reconstruction Technique)、MART(Multiplicative Algebraic Reconstruction Technique)、SIR(Scatterometer Image Reconstruction)3种分辨率增强的图像重构算法,得出了AART算法没有噪声抑制能力、MART算法噪声抑制能力较弱、SIR算法具有较强的噪声抑制能力,能更好地重构图像,达到分辨率增强效果的结论。然后采用HY2-SCAT测量L1B数据对结论进行了验证,重构了岛屿的地貌特征,得到了分辨率增强、细节丰富、边界清晰的重构图像;重构后的图像还可以应用于植被、冰盖和台风观测等地球地理学研究领域。