電子偵察衛(wèi)星的被動(dòng)微波遙感應(yīng)用探討

石 榮，李 瀟，華 云

(電子信息控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610036)

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電子偵察衛(wèi)星的被動(dòng)微波遙感應(yīng)用探討

石 榮，李 瀟，華 云

(電子信息控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610036)

電子偵察衛(wèi)星主要接收非合作輻射源目標(biāo)所發(fā)射的電磁信號(hào)，而星載被動(dòng)微波遙感主要是對(duì)自然界中各種物體自發(fā)輻射的微波信號(hào)進(jìn)行接收與處理。根據(jù)二者在多個(gè)方面的相似性，提出將電子偵察衛(wèi)星應(yīng)用于對(duì)地被動(dòng)微波遙感的設(shè)想，并據(jù)此分析了從電子偵察衛(wèi)星所接收到的信號(hào)中提取出被動(dòng)微波遙感信息的方法與途徑，在此基礎(chǔ)上對(duì)相關(guān)應(yīng)用問題進(jìn)行了探討，給出了解決思路。這一設(shè)想不僅有利于電子偵察衛(wèi)星的多功能應(yīng)用，而且也為地面與機(jī)載電子偵察設(shè)備的被動(dòng)微波遙感應(yīng)用拓展提供了參考。

電子偵察衛(wèi)星；被動(dòng)微波遙感；天線噪聲；微波輻射計(jì)；亮溫；噪聲基底

0 引言

2002年我國(guó)自主研制了星載被動(dòng)微波遙感器，并搭載于“神州4號(hào)”飛船上，測(cè)量得到了地球表面南北緯40°以內(nèi)的微波輻射亮溫?cái)?shù)據(jù)，利用該數(shù)據(jù)反演出了有關(guān)地區(qū)的海面溫度、風(fēng)速和大氣水汽含量等氣象結(jié)果[1]。在我國(guó)研制的“風(fēng)云”3號(hào)低軌氣象衛(wèi)星上，微波成像儀采用被動(dòng)微波遙感工作方式，其工作頻率分別為10.65GHz、18.7GHz、23.8GHz、36.5GHz、89GHz，對(duì)應(yīng)的星下點(diǎn)空間分辨率分別達(dá)到了(51×85)km、(30×50)km、(27×45)km、(18×30)km、(9×15)km，根據(jù)此遙感數(shù)據(jù)對(duì)地表水份和溫度、積雪參數(shù)進(jìn)行了成功反演[2-3]。實(shí)際上被動(dòng)微波遙感的頻段最低可至L波段[4]，因?yàn)榈筒ǘ挝⒉艽┩附涤?、樹冠等，從而揭示表面粗糙度、溫度及?gòu)造的影響，所以可測(cè)量土壤濕度、海水含鹽量等表面或表面以下特征。近年來(lái)隨著技術(shù)的發(fā)展，星載被動(dòng)微波遙感在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)[5]、地表溫度[6]和土壤水份反演[7]、城市環(huán)境監(jiān)測(cè)[8]、農(nóng)作物寒害研究[9]、地表融凍[10]及冰雪參數(shù)提取[11]、海表面鹽度探測(cè)[12]、氣象與大氣科學(xué)研究[13]等方面被廣泛應(yīng)用，并發(fā)揮了十分重要的作用。

被動(dòng)微波遙感實(shí)際上是對(duì)近地空間微波背景輻射信號(hào)接收處理的一個(gè)過程，而對(duì)地面輻射源目標(biāo)所發(fā)射的微波信號(hào)進(jìn)行接收處理同樣是電子偵察衛(wèi)星的基本功能。雖然作用對(duì)象有差異，但二者都具有對(duì)微波輻射信號(hào)被動(dòng)接收的共同特點(diǎn)。針對(duì)這一共同點(diǎn)，本文探討了電子偵察衛(wèi)星用于被動(dòng)微波遙感的可能性。在對(duì)被動(dòng)微波遙感基本原理概述的基礎(chǔ)上，對(duì)傳統(tǒng)星載微波輻射計(jì)的組成和信號(hào)處理過程進(jìn)行了介紹，接著分析了從電子偵察衛(wèi)星接收到的信號(hào)中提取微波背景輻射信息的方法，討論了這一應(yīng)用過程所面臨的問題與解決思路，從而為電子偵察與被動(dòng)微波遙感這兩個(gè)專業(yè)方向之間的相互借鑒與綜合應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

1 被動(dòng)微波遙感原理

自然界中所有物體只要溫度高于絕對(duì)零度(0K，對(duì)應(yīng)零下273.15℃)就會(huì)對(duì)外自發(fā)輻射各種波長(zhǎng)的電磁波，從而構(gòu)成一個(gè)從紫外、可見光、紅外、太赫茲一直到微波頻段的電磁輻射強(qiáng)度按波長(zhǎng)分布的頻譜圖。接收外界物體自發(fā)輻射的微波頻段的電磁信號(hào)并精確測(cè)量其輻射強(qiáng)度，是被動(dòng)微波遙感的基本技術(shù)途徑[14]，而其中所使用的接收測(cè)量設(shè)備又被稱之為微波輻射計(jì)、微波無(wú)源成像儀等。物體自發(fā)輻射信號(hào)的強(qiáng)度通常采用亮溫(單位K)來(lái)度量，亮溫不是該物體的熱力學(xué)溫度，而是其等效黑體輻射溫度。物體的亮溫一般比其熱力學(xué)溫度要低，例如：用于微波暗室的吸波材料的亮溫非常接近于其熱力學(xué)溫度；而高導(dǎo)電金屬材料的亮溫就遠(yuǎn)低于其熱力學(xué)溫度。所以自然界中各種物體在亮溫上的差異一定程度上反映了其固有的屬性，這也是被動(dòng)微波遙感能夠得以應(yīng)用的基礎(chǔ)與前提。

在星載被動(dòng)微波遙感中微波輻射計(jì)天線指向地球，如圖1所示[15]，可接收到地表物體自身的輻射，大氣的向上輻射和大氣向下輻射到地表后又散射到天線處的輻射。這些因素綜合在一起可用一個(gè)不同來(lái)波方向的等效視在溫度TP(α,β)來(lái)表示亮溫，其中α,β分別表示天線指向的方位角與俯仰角。在被動(dòng)微波遙感應(yīng)用中天線溫度TA就是等效視在溫度經(jīng)過天線方向圖加權(quán)求和之后的溫度，定義為：

(1)

式中，DA(α,β)為歸一化天線方向圖函數(shù)，且滿足：

(2)

圖1 “風(fēng)云”3號(hào)氣象衛(wèi)星上的被動(dòng)微波遙感設(shè)備

實(shí)際上微波遙感學(xué)科中的天線溫度所反映的輻射能量是通信及電子偵察學(xué)科中天線噪聲溫度的主要組成部分之一，也就是接收系統(tǒng)噪聲基底信號(hào)的重要成分。需要注意的是天線溫度是針對(duì)無(wú)耗天線接收到外界自然輻射而輸出功率的一種度量，不是天線自身的熱力學(xué)溫度。利用瑞利-瓊斯公式和有關(guān)近似處理之后，可得無(wú)耗天線接收到的外界輻射總功率PA為[16]：

PA=kTAΔf

(3)

式中，k=1.38×10-23J/K為波爾茨曼常數(shù)，Δf為信號(hào)接收帶寬。式(3)與通信及電子偵察學(xué)科中噪聲基底的功率計(jì)算公式在形式上是完全一樣的，這也在一定程度上反映了它們相互之間的本質(zhì)聯(lián)系。整個(gè)被動(dòng)微波遙感應(yīng)用就是通過對(duì)PA的高精度測(cè)量來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)外界不同物體的感知與區(qū)分。

2 傳統(tǒng)星載微波輻射計(jì)組成與微波功率測(cè)量

微波輻射計(jì)是能夠測(cè)量十分微弱的微波輻射功率的高靈敏度接收設(shè)備，超外差式微波輻射計(jì)接收機(jī)組成框圖如圖2所示。圖2中天線接收到的信號(hào)經(jīng)過低噪聲放大與變頻濾波之后，在中頻處進(jìn)行輸出功率的測(cè)量，并通過測(cè)量值來(lái)計(jì)算當(dāng)前的天線溫度，從而感知外界物體的自發(fā)微波輻射。為了消除接收通道增益變化所引入的誤差，特別設(shè)置了一個(gè)校正源，通過開關(guān)切換方式對(duì)通道增益進(jìn)行隨時(shí)校正。

圖2 超外差式微波輻射計(jì)接收機(jī)組成框圖

圖2所示系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中除了天線所接收到來(lái)自外界物體自身的微波輻射之外，不可避免地會(huì)引入附加的其它噪聲信號(hào)，如天線損耗、饋線損耗、接收機(jī)內(nèi)部噪聲等，這通常用天線后端的等效噪聲溫度Tsys來(lái)綜合描述，Tsys又被稱為輻射計(jì)的系統(tǒng)噪聲溫度，可以理解為除天線溫度影響之外的其它噪聲之和。于是在圖2所示的中頻處信號(hào)功率PT為：

(4)

式中，G是從天線后端至中頻輸出處總的放大倍數(shù)。在事先精確已知G、Δf、Tsys的條件下，在獲得PT的精確測(cè)量值之后，由式(4)求解出天線溫度TA。

TA實(shí)際上主要反映了天線主波束所指方向上的外界物體自身的自發(fā)微波輻射信息[16]，所以當(dāng)天線指向不同方向上時(shí)，TA將隨指向角度α,β不斷發(fā)生變化。如果以天線二維指向角α,β為自變量，將天線溫度TA的相對(duì)數(shù)值用灰度值展現(xiàn)出來(lái)就形成了一幅二維圖像，這就是通常所說(shuō)的被動(dòng)微波遙感成像。如果系統(tǒng)工作于毫米波頻段，則被稱為毫米波無(wú)源成像；如果系統(tǒng)工作于太赫茲頻段，則被稱為太赫茲無(wú)源成像。顯然被動(dòng)微波遙感圖像是外界物體自發(fā)微波輻射特性的一個(gè)本質(zhì)性反映。

3 電子偵察中接收信號(hào)的構(gòu)成分析

電子偵察是電子對(duì)抗的重要組成部分之一，主要針對(duì)敵方的雷達(dá)、無(wú)線通信、遙測(cè)遙控、武器制導(dǎo)、導(dǎo)航、敵我識(shí)別等電子設(shè)備所發(fā)射的電磁波信號(hào)進(jìn)行搜索、截獲、分析、識(shí)別、測(cè)向與定位，確定其技術(shù)參數(shù)、工作規(guī)律、所在位置、類型及用途，進(jìn)而獲取敵方的編成、部署、武器配備以及行動(dòng)意圖等軍事情報(bào)。無(wú)論電子偵察中對(duì)信息的處理與利用如何復(fù)雜，電子偵察的第一步都是接收外界輻射源目標(biāo)所發(fā)射的電磁波信號(hào)。從這一點(diǎn)上看，電子偵察與被動(dòng)微波遙感是相通的。

由圖2可見，超外差式輻射計(jì)接收機(jī)的組成要素與典型的電子偵察接收機(jī)幾乎完全一樣；由式(4)可見，微波輻射計(jì)對(duì)外界物體自身輻射的測(cè)量計(jì)算式與電子偵察中噪聲基底的計(jì)算式也幾乎完全一樣。微波輻射計(jì)接收機(jī)和電子偵察接收機(jī)都是利用天線接收外部的微波輻射信號(hào)，再將對(duì)應(yīng)頻段的信號(hào)低噪聲放大、下變頻至中頻后進(jìn)行處理。在被動(dòng)微波遙感應(yīng)用中主要是對(duì)中頻信號(hào)的功率進(jìn)行精確測(cè)量；在電子偵察應(yīng)用中主要是對(duì)中頻信號(hào)的各種信號(hào)參數(shù)，如載頻、功率、信噪比、調(diào)制樣式等，進(jìn)行測(cè)量分析。被動(dòng)微波遙感中感興趣的信號(hào)是外界物體自身的自發(fā)微波輻射信號(hào)，在接收機(jī)的中頻處將其記為Sr(t)；而電子偵察中感興趣的信號(hào)是人工輻射源目標(biāo)發(fā)射的電磁信號(hào)，在接收機(jī)的中頻處將其記為So(t)。盡管有此差異，但是電子偵察接收機(jī)在接收信號(hào)So(t)的同時(shí)，實(shí)際上也在接收同一頻段上的信號(hào)Sr(t)，如圖3所示。

圖3 電子偵察接收機(jī)接收到的信號(hào)類別圖示

由圖3可知，電子偵察接收機(jī)中頻信號(hào)SIF(t)可表示為：

(5)

式中，Sn(t)是除天線溫度影響之外的其它噪聲之和，其功率Pn為：

(6)

而外界自然物體身的自發(fā)微波輻射信號(hào)Sr(t)的功率Pr為：

Pr=GkTAΔf

(7)

由于So(t),Sr(t),Sn(t)三者互不相關(guān)，所以電子偵察接收機(jī)中頻信號(hào)SIF(t)的總功率PIF可以表示為：

(8)

式中，Po表示人工輻射源目標(biāo)發(fā)射的電磁信號(hào)So(t)的功率。

由于在電子偵察接收處理中將So(t)作為目標(biāo)信號(hào)，而將Sr(t)與Sn(t)都作為噪聲看待，所以外界自然物體自身的自發(fā)微波輻射信號(hào)是被包含在接收機(jī)的噪聲基底之中的。電子偵察接收機(jī)的中頻處噪聲基底的總功率PT由前面的式(4)所表達(dá)，顯然由式(6)、(7)可得：

(9)

式(9)的物理意義在于：電子偵察接收機(jī)的噪聲基底信號(hào)中有一部分是來(lái)自外界物體的自發(fā)微波輻射所產(chǎn)生的，而這一部分正好是被動(dòng)微波遙感應(yīng)用所感興趣的信號(hào)。只要準(zhǔn)確測(cè)量得到這部分信號(hào)的功率，那么從理論上講，電子偵察接收到的信號(hào)也可以用于被動(dòng)微波遙感信息的提取。

4 從噪聲基底信號(hào)中提取被動(dòng)微波遙感信息

雖然在理論上電子偵察接收機(jī)的噪聲基底信號(hào)中已經(jīng)同時(shí)包含了被動(dòng)微波遙感所要關(guān)注的信號(hào)，但是要從中精確地提取被動(dòng)微波遙感信息，卻對(duì)接收機(jī)的工作穩(wěn)定性和測(cè)量準(zhǔn)確性提出了較高的要求。由于微波輻射計(jì)對(duì)天線溫度TA測(cè)量的分辨精度(又稱為輻射計(jì)靈敏度)的要求一般都達(dá)到了0.1～1K的量級(jí)，這需要具有較長(zhǎng)的積分時(shí)間，在此期間整個(gè)系統(tǒng)的放大增益G要保持恒定，否則系統(tǒng)增益起伏將引起附加的溫度變化，導(dǎo)致測(cè)量誤差增大。這也是在圖3所示的電子偵察接收機(jī)天線后端增加了一個(gè)校正源來(lái)隨時(shí)對(duì)放大增益G進(jìn)行標(biāo)校的原因所在。

在增益G保持恒定且已精確測(cè)定的條件下，高精度測(cè)量中頻接收帶寬內(nèi)的噪聲基底信號(hào)功率PT，然后由式(4)可得：

(10)

由式(10)可見，增加測(cè)量帶寬Δf雖然也有利于TA測(cè)量精度的提高，但是會(huì)降低被動(dòng)微波遙感的頻譜靈敏度[16]，給后續(xù)遙感信息分析造成不利影響，所以測(cè)量帶寬Δf需要適當(dāng)選取。另一方面，準(zhǔn)確獲得天線后端等效噪聲溫度Tsys的數(shù)值對(duì)于提高TA測(cè)量精度也同樣重要。這一點(diǎn)也是通過圖3中的校正源來(lái)實(shí)現(xiàn)的，例如采用一個(gè)已知噪聲溫度的標(biāo)準(zhǔn)噪聲源，即可對(duì)等效噪聲溫度Tsys進(jìn)行隨時(shí)校正。

由上文可見，將電子偵察衛(wèi)星用于被動(dòng)微波遙感時(shí)，除了保持整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性之外，還需要采取各種校正措施來(lái)確保遙感信號(hào)功率的高精度測(cè)量。

5 面臨的問題與解決思路

將電子偵察衛(wèi)星用于被動(dòng)微波遙感還有如下問題需要解決：

1) 被動(dòng)微波遙感頻段的選取。

外界物體自身的自發(fā)輻射的電磁信號(hào)在各頻段上都連續(xù)存在，如前所述，低端可至L波段。雖然電子偵察衛(wèi)星的接收系統(tǒng)也是一個(gè)頻域?qū)掗_系統(tǒng)，但在衛(wèi)星接收信號(hào)的過程中，地面與空中的輻射源目標(biāo)發(fā)射的電磁信號(hào)與外界物體自發(fā)輻射的電磁信號(hào)是混合在一起的。如果在所觀測(cè)的頻段上有通信、雷達(dá)等人工輻射源目標(biāo)信號(hào)存在，顯然這會(huì)對(duì)同一頻段上的被動(dòng)微波遙感造成很大的影響，甚至遙感失效。所以需要合理選取那些人工輻射源目標(biāo)較少占用的頻點(diǎn)和帶寬用于被動(dòng)微波遙感，以獲得比較純粹的外界物體自然輻射的信號(hào)來(lái)做微波被動(dòng)遙感測(cè)量。

2) 被動(dòng)微波遙感的空間分辨率。

如果接收天線口徑越大，天線主波束越窄，那么被動(dòng)微波遙感所對(duì)應(yīng)的地面空間分辨率就越高。但并不是所有的電子偵察衛(wèi)星都具有大口徑接收天線，在這一點(diǎn)上與專門設(shè)計(jì)用來(lái)對(duì)地被動(dòng)微波接收的遙感衛(wèi)星是有一定的差異的。但是將電子偵察衛(wèi)星用于被動(dòng)微波遙感是在不過多增加新的星載設(shè)備的條件下，來(lái)獲得更多的對(duì)地觀測(cè)信息，所以從總體上講，電子偵察衛(wèi)星的被動(dòng)微波遙感應(yīng)用是對(duì)現(xiàn)有航天對(duì)地觀測(cè)的一個(gè)重要補(bǔ)充。利用電子偵察衛(wèi)星所提供的被動(dòng)微波遙感數(shù)據(jù)也可以在一定程度上完成對(duì)地表溫度、土壤水份、冰雪參數(shù)、海面鹽度、氣象與大氣等的科學(xué)研究任務(wù)。另一方面，也可以采用多天線合成孔徑的方法[4]來(lái)提高電子偵察衛(wèi)星對(duì)地被動(dòng)微波遙感的空間分辨率。

3) 天線波束、接收通道等資源的調(diào)度與分配。

如前所述，對(duì)地遙感的空間分辨率越高，天線波束越窄，微波遙感對(duì)地瞬時(shí)覆蓋面積就越小。為了獲得大面積的遙感信息，這就要求接收天線波束掃描覆蓋不同的地面區(qū)域。電子偵察衛(wèi)星對(duì)地偵察的主要任務(wù)是截獲雷達(dá)、通信等人工輻射源目標(biāo)的信號(hào)，而輻射源目標(biāo)所在區(qū)域與微波遙感區(qū)域可能是不同的，且所重點(diǎn)關(guān)注的頻段也有差異，這會(huì)造成兩類任務(wù)共用天線波束與接收通道等的矛盾。為了解決這一矛盾，可以通過任務(wù)規(guī)劃，以時(shí)分復(fù)用的方式來(lái)分配電子偵察任務(wù)對(duì)天線和接收通道的占用時(shí)間，以及被動(dòng)微波遙感任務(wù)對(duì)天線和接收通道的占用時(shí)間。通過合理的資源調(diào)度與分配來(lái)實(shí)現(xiàn)兩種功能的共用。

另外，星載電子偵察與星載被動(dòng)微波遙感的共用還有一些工程實(shí)現(xiàn)方面的問題，在此就不詳細(xì)討論了。

6 結(jié)束語(yǔ)

電子偵察衛(wèi)星與被動(dòng)微波遙感衛(wèi)星都需要對(duì)外界微波輻射信號(hào)進(jìn)行接收處理，并從中獲取各自所關(guān)注信息。雖然最終用途不一樣，接收的重點(diǎn)信號(hào)對(duì)象也有差異，但二者在多個(gè)方面具有共同的特點(diǎn)。正是基于這樣的考慮，本文在對(duì)二者工作原理和信號(hào)處理對(duì)比分析的基礎(chǔ)上，提出將電子偵察衛(wèi)星用于被動(dòng)微波遙感的設(shè)想，并從理論上分析了其可能的實(shí)現(xiàn)途徑。這對(duì)于電子偵察衛(wèi)星的多功能應(yīng)用具有重要意義。另一方面，根據(jù)本文所提出的思路，不僅可以在星載電子偵察中實(shí)現(xiàn)被動(dòng)微波遙感，也可以將滿足一定條件的地面與機(jī)載電子偵察系統(tǒng)用于被動(dòng)微波遙感成像，這樣也可以增強(qiáng)電子偵察與被動(dòng)微波遙感應(yīng)用的融合，進(jìn)一步推進(jìn)電子偵察系統(tǒng)的多功能應(yīng)用的發(fā)展?！?/p>

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Passive microwave remote sensing application of electronic reconnaissance satellite

Shi Rong, Li Xiao, Hua Yun

(Science and Technology on Electronic Information Control Laboratory, Chengdu 610036,Sichuan，China)

The electronic reconnaissance satellite is usually utilized to receive electromagnetic signals from the non-collaborative radiation objects. The mission of passive microwave remote sensing satellite is to receive and process spontaneous signals produced by all kinds of objects in nature. According to the similarity between them, the novel idea about passive microwave remote sensing application of electronic reconnaissance satellite is put forward. The approach for the passive microwave remote sensing information extracted from the received signals of electronic reconnaissance satellite is analyzed. The relative problems about practical application are discussed and then the troubleshooting methods are given. It is important for multi-function application of the electronic reconnaissance satellite. It is also an interesting reference for passive microwave remote sensing by electronic equipment on earth and in the air.

electronic reconnaissance satellite； passive microwave remote sensing； antenna noise； microwave radiometer； brightness temperature； noise floor

2016-06-21；2016-09-12修回。

石榮(1974-)，男，博士，主要研究方向?yàn)殡娮訉?duì)抗、通信與雷達(dá)系統(tǒng)、遙感應(yīng)用等。

TN971；TP72

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