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。

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。

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。

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。

星载微波数据在热带气旋监测中的应用

基于国内外星载微波数据在热带气旋监测中的发展,本文利用风云三号微波湿温探测仪(FY-3C MWHTS)在轨观测数据,对2016年典型热带气旋莎莉嘉发生过程的大气三维温湿度垂直分布、降水分布以及热带气旋移动路径进行分析,并采用NCEP再分析资料和WRF数值模式对该时空区域数据进行高时空分辨率数值模拟,分析250 hPa附近大气环流场对台风内部动力和移动路径进行分析,结合星载微波数据,联合预测台风路径,并与实测台风移动路径进行比较。结果证明,结合数值模拟数据和星载微波实测数据,能够有效预测降雨区域和移动路径,为目前热带气旋业务预报提供有效的补充资料。

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。

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。

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。

FMCW毫米波雷达在高铁桥梁动挠度监测的应用

针对高铁桥梁传统振动监测方法过程复杂、成本高、精度低等问题,对盐通高铁桥梁的挠度监测应用了基于FMCW体制的地基毫米波雷达,该体制雷达操作方便、体积重量小、精度高、成本低。阐述了由雷达回波相位反演桥梁形变信息的基本原理,简要介绍了其系统组成以及雷达参数,展示并分析了在盐通高铁联调联试期间不同车速运行时24 m简支梁跨中竖向动挠度监测结果。数据结果表明:在一定的速度范围内,随着列车车速逐级提升,桥梁跨中位置的动挠度呈现出总体增加的趋势,在某些速度上存在挠度减小的情况,当车速达到340 km/h时,竖向动挠度达到峰值,随着车速再增加,桥梁产生的竖向挠度会有所下降。实验结果证明,所采用的FMCW毫米波雷达是一个高精度的桥梁振动监测雷达,能够准确监测桥梁的复杂振动,其便携、高精度的优势为我国高铁桥梁健康监测提供了新的方法。

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。

桥梁振动监测雷达的设计与实现

针对传统桥梁振动检测方法过程复杂、成本高、精度低、效率低等问题,利用调频连续波技术和干涉测量技术,设计了一个操作方便、精度高、系统小、成本低的桥梁振动监测雷达。利用该雷达对北京地铁某一桥梁在过车时的振动状态进行了监测。试验结果表明该雷达能够准确测量桥梁的强迫振动和自振。所提出的由雷达回波相位反演桥梁形变信息的方法能够有效地测量桥梁振动状态,从而提高桥梁振动状态检测的分辨率及效率。该系统可以应用于桥梁的监测、预警和维护,具有广阔前景。

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。

FY-3E微波湿度计发射前定标的非线性系数在星上定标中的适用性分析

星载微波湿度计发射前定标和在轨定标的最大不同是冷源的使用:在轨定标的冷源是宇宙冷空背景温度,通常为2.7 K,而发射前定标的冷源通常控制在80—100 K。这样通过发射前定标得到的非线性系数是否可以用于在轨定标一直是一个非常关心和值得研究的问题。本文通过在FY-3E微波湿度计发射前热真空定标中除了传统需要的冷热、变温定标源之外,另外设计了一个独立的位于180—200 K附近的定标源。利用该验证源,本文提出了三点定标公式,基于冷空不变性并通过外推到冷空亮温的模拟观测计算非线性系数。随后通过比较传统和新型非线性系数推导方法的结果,并将两组系数带入同一组数据中分析两组发射前定标系数用于在轨定标的适用性。结论表明,通过对传统方法和新方法的计算结果比较,发现将两组非线性方法应用于同一数据集的结果存在差异,说明传统方法得到的发射前系数存在误差。并且该方法简化了发射前标定过程,提高了非线性系数用于星上标定的精度。

基于立方星辐射计直接检波系统的毫米波零偏置肖特基二极管检波器设计

基于立方星辐射计直接检波系统,设计并实现了中心频率分别为89 GHz和150 GHz的两款毫米波零偏置肖特基检波器。检波器设计基于ACST的零偏置肖特基二极管。为了获得稳定、优越的性能以及较好的宽带特性,并易于与前级系统集成,更适于立方星辐射计小型化,在直流接地电路与输出电路处采用扇形线结构,并通过一段可调传输线对其端口阻抗进行优化。本文对肖特基二极管及检波器电路结构进行了分析、建模和优化。测试结果表明,W波段检波器在85~95 GHz范围内具有2500 V/W的典型灵敏度,在89 GHz测试的线性度为0.9994。D波段检波器在145~155 GHz范围内的典型灵敏度约为1600 V/W,在150 GHz测试的线性度为0.9992。这些结果验证了改进电路结构在检波器设计上的优越性和在直接检波系统中应用的可行性。