電子偵察衛(wèi)星的被動微波遙感應(yīng)用探討

石 榮，李 瀟，華 云

(電子信息控制重點實驗室，四川 成都 610036)

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電子偵察衛(wèi)星的被動微波遙感應(yīng)用探討

石 榮，李 瀟，華 云

(電子信息控制重點實驗室，四川 成都 610036)

電子偵察衛(wèi)星主要接收非合作輻射源目標所發(fā)射的電磁信號，而星載被動微波遙感主要是對自然界中各種物體自發(fā)輻射的微波信號進行接收與處理。根據(jù)二者在多個方面的相似性，提出將電子偵察衛(wèi)星應(yīng)用于對地被動微波遙感的設(shè)想，并據(jù)此分析了從電子偵察衛(wèi)星所接收到的信號中提取出被動微波遙感信息的方法與途徑，在此基礎(chǔ)上對相關(guān)應(yīng)用問題進行了探討，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，而且也為地面與機載電子偵察設(shè)備的被動微波遙感應(yīng)用拓展提供了參考。

電子偵察衛(wèi)星；被動微波遙感；天線噪聲；微波輻射計；亮溫；噪聲基底

0 引言

2002年我國自主研制了星載被動微波遙感器，并搭載于“神州4號”飛船上，測量得到了地球表面南北緯40°以內(nèi)的微波輻射亮溫數(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、風速和大氣水汽含量等氣象結(jié)果[1]。在我國研制的“風云”3號低軌氣象衛(wèi)星上，微波成像儀采用被動微波遙感工作方式，其工作頻率分別為10.65GHz、18.7GHz、23.8GHz、36.5GHz、89GHz，對應(yīng)的星下點空間分辨率分別達到了(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)對地表水份和溫度、積雪參數(shù)進行了成功反演[2-3]。實際上被動微波遙感的頻段最低可至L波段[4]，因為低波段微波能穿透降雨、樹冠等，從而揭示表面粗糙度、溫度及構(gòu)造的影響，所以可測量土壤濕度、海水含鹽量等表面或表面以下特征。近年來隨著技術(shù)的發(fā)展，星載被動微波遙感在地質(zhì)災害監(jiān)測[5]、地表溫度[6]和土壤水份反演[7]、城市環(huán)境監(jiān)測[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[12]、氣象與大氣科學研究[13]等方面被廣泛應(yīng)用，并發(fā)揮了十分重要的作用。

被動微波遙感實際上是對近地空間微波背景輻射信號接收處理的一個過程，而對地面輻射源目標所發(fā)射的微波信號進行接收處理同樣是電子偵察衛(wèi)星的基本功能。雖然作用對象有差異，但二者都具有對微波輻射信號被動接收的共同特點。針對這一共同點，本文探討了電子偵察衛(wèi)星用于被動微波遙感的可能性。在對被動微波遙感基本原理概述的基礎(chǔ)上，對傳統(tǒng)星載微波輻射計的組成和信號處理過程進行了介紹，接著分析了從電子偵察衛(wèi)星接收到的信號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微波遙感這兩個專業(yè)方向之間的相互借鑒與綜合應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

1 被動微波遙感原理

自然界中所有物體只要溫度高于絕對零度(0K，對應(yīng)零下273.15℃)就會對外自發(fā)輻射各種波長的電磁波，從而構(gòu)成一個從紫外、可見光、紅外、太赫茲一直到微波頻段的電磁輻射強度按波長分布的頻譜圖。接收外界物體自發(fā)輻射的微波頻段的電磁信號并精確測量其輻射強度，是被動微波遙感的基本技術(shù)途徑[14]，而其中所使用的接收測量設(shè)備又被稱之為微波輻射計、微波無源成像儀等。物體自發(fā)輻射信號的強度通常采用亮溫(單位K)來度量，亮溫不是該物體的熱力學溫度，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溫度；而高導電金屬材料的亮溫就遠低于其熱力學溫度。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，這也是被動微波遙感能夠得以應(yīng)用的基礎(chǔ)與前提。

在星載被動微波遙感中微波輻射計天線指向地球，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不同來波方向的等效視在溫度TP(α,β)來表示亮溫，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 “風云”3號氣象衛(wèi)星上的被動微波遙感設(shè)備

實際上微波遙感學科中的天線溫度所反映的輻射能量是通信及電子偵察學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)噪聲基底信號的重要成分。需要注意的是天線溫度是針對無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溫度。利用瑞利-瓊斯公式和有關(guān)近似處理之后，可得無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為信號接收帶寬。式(3)與通信及電子偵察學科中噪聲基底的功率計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。整個被動微波遙感應(yīng)用就是通過對PA的高精度測量來實現(xiàn)對外界不同物體的感知與區(qū)分。

2 傳統(tǒng)星載微波輻射計組成與微波功率測量

微波輻射計是能夠測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接收機組成框圖如圖2所示。圖2中天線接收到的信號經(jīng)過低噪聲放大與變頻濾波之后，在中頻處進行輸出功率的測量，并通過測量值來計算當前的天線溫度，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)置了一個校正源，通過開關(guān)切換方式對通道增益進行隨時校正。

圖2 超外差式微波輻射計接收機組成框圖

圖2所示系統(tǒng)在實際應(yīng)用中除了天線所接收到來自外界物體自身的微波輻射之外，不可避免地會引入附加的其它噪聲信號，如天線損耗、饋線損耗、接收機內(nèi)部噪聲等，這通常用天線后端的等效噪聲溫度Tsys來綜合描述，Tsys又被稱為輻射計的系統(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的精確測量值之后，由式(4)求解出天線溫度TA。

TA實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]，所以當天線指向不同方向上時，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的相對數(shù)值用灰度值展現(xiàn)出來就形成了一幅二維圖像，這就是通常所說的被動微波遙感成像。如果系統(tǒng)工作于毫米波頻段，則被稱為毫米波無源成像；如果系統(tǒng)工作于太赫茲頻段，則被稱為太赫茲無源成像。顯然被動微波遙感圖像是外界物體自發(fā)微波輻射特性的一個本質(zhì)性反映。

3 電子偵察中接收信號的構(gòu)成分析

電子偵察是電子對抗的重要組成部分之一，主要針對敵方的雷達、無線通信、遙測遙控、武器制導、導航、敵我識別等電子設(shè)備所發(fā)射的電磁波信號進行搜索、截獲、分析、識別、測向與定位，確定其技術(shù)參數(shù)、工作規(guī)律、所在位置、類型及用途，進而獲取敵方的編成、部署、武器配備以及行動意圖等軍事情報。無論電子偵察中對信息的處理與利用如何復雜，電子偵察的第一步都是接收外界輻射源目標所發(fā)射的電磁波信號。從這一點上看，電子偵察與被動微波遙感是相通的。

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

圖3 電子偵察接收機接收到的信號類別圖示

由圖3可知，電子偵察接收機中頻信號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中頻信號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發(fā)射的電磁信號So(t)的功率。

由于在電子偵察接收處理中將So(t)作為目標信號，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)微波輻射信號是被包含在接收機的噪聲基底之中的。電子偵察接收機的中頻處噪聲基底的總功率PT由前面的式(4)所表達，顯然由式(6)、(7)可得：

(9)

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

4 從噪聲基底信號中提取被動微波遙感信息

雖然在理論上電子偵察接收機的噪聲基底信號中已經(jīng)同時包含了被動微波遙感所要關(guān)注的信號，但是要從中精確地提取被動微波遙感信息，卻對接收機的工作穩(wěn)定性和測量準確性提出了較高的要求。由于微波輻射計對天線溫度TA測量的分辨精度(又稱為輻射計靈敏度)的要求一般都達到了0.1～1K的量級，這需要具有較長的積分時間，在此期間整個系統(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，導致測量誤差增大。這也是在圖3所示的電子偵察接收機天線后端增加了一個校正源來隨時對放大增益G進行標校的原因所在。

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

(10)

由式(10)可見，增加測量帶寬Δf雖然也有利于TA測量精度的提高，但是會降低被動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，所以測量帶寬Δf需要適當選取。另一方面，準確獲得天線后端等效噪聲溫度Tsys的數(shù)值對于提高TA測量精度也同樣重要。這一點也是通過圖3中的校正源來實現(xiàn)的，例如采用一個已知噪聲溫度的標準噪聲源，即可對等效噪聲溫度Tsys進行隨時校正。

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

5 面臨的問題與解決思路

將電子偵察衛(wèi)星用于被動微波遙感還有如下問題需要解決：

1) 被動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)也是一個頻域?qū)掗_系統(tǒng)，但在衛(wèi)星接收信號的過程中，地面與空中的輻射源目標發(fā)射的電磁信號與外界物體自發(fā)輻射的電磁信號是混合在一起的。如果在所觀測的頻段上有通信、雷達等人工輻射源目標信號存在，顯然這會對同一頻段上的被動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較少占用的頻點和帶寬用于被動微波遙感，以獲得比較純粹的外界物體自然輻射的信號來做微波被動遙感測量。

2) 被動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，那么被動微波遙感所對應(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，在這一點上與專門設(shè)計用來對地被動微波接收的遙感衛(wèi)星是有一定的差異的。但是將電子偵察衛(wèi)星用于被動微波遙感是在不過多增加新的星載設(shè)備的條件下，來獲得更多的對地觀測信息，所以從總體上講，電子偵察衛(wèi)星的被動微波遙感應(yīng)用是對現(xiàn)有航天對地觀測的一個重要補充。利用電子偵察衛(wèi)星所提供的被動微波遙感數(shù)據(jù)也可以在一定程度上完成對地表溫度、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]來提高電子偵察衛(wèi)星對地被動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，對地遙感的空間分辨率越高，天線波束越窄，微波遙感對地瞬時覆蓋面積就越小。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)星對地偵察的主要任務(wù)是截獲雷達、通信等人工輻射源目標的信號，而輻射源目標所在區(qū)域與微波遙感區(qū)域可能是不同的，且所重點關(guān)注的頻段也有差異，這會造成兩類任務(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，以時分復用的方式來分配電子偵察任務(wù)對天線和接收通道的占用時間，以及被動微波遙感任務(wù)對天線和接收通道的占用時間。通過合理的資源調(diào)度與分配來實現(xiàn)兩種功能的共用。

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

6 結(jié)束語

電子偵察衛(wèi)星與被動微波遙感衛(wèi)星都需要對外界微波輻射信號進行接收處理，并從中獲取各自所關(guān)注信息。雖然最終用途不一樣，接收的重點信號對象也有差異，但二者在多個方面具有共同的特點。正是基于這樣的考慮，本文在對二者工作原理和信號處理對比分析的基礎(chǔ)上，提出將電子偵察衛(wèi)星用于被動微波遙感的設(shè)想，并從理論上分析了其可能的實現(xiàn)途徑。這對于電子偵察衛(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現(xiàn)被動微波遙感，也可以將滿足一定條件的地面與機載電子偵察系統(tǒng)用于被動微波遙感成像，這樣也可以增強電子偵察與被動微波遙感應(yīng)用的融合，進一步推進電子偵察系統(tǒng)的多功能應(yīng)用的發(fā)展。■

[1] 李蕓，王振占.“神州4號”飛船微波輻射計亮溫反演海面溫度、風速和大氣水汽含量[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用，2005，20(1)：133-136.

[2] 楊虎，施建成. FY-3微波成像儀地表參數(shù)反演研究[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用，2005，20(1)：194-200.

[3] 孫知文，施建成，楊虎，等.風云三號微波成像儀積雪參數(shù)反演算法初步研究[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用，2007，22(2)：264-267.

[4] 張升偉，董曉龍，吳季.L波段合成孔徑微波輻射計機理及原理性實驗[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用，2000，15(2)：95-99.

[5] 陳昊，金亞秋.星載微波輻射計對玉樹地震巖石破裂輻射異常的初步檢測[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用，2010，25(6)：860-866.

[6] 劉晶，馬紅章，楊樂，等．基于被動微波的地表溫度反演研究綜述[J]．遙感技術(shù)與應(yīng)用，2012，27(6)：812-821.[7] 陳書林，劉元波，溫作民.衛(wèi)星遙感反演土壤水分研究綜述[J].地球科學進展，2012，27(11)：1192-1203.

[8] 張濤，張立新，蔣玲，等.中國城市微波發(fā)射率提取與特征分析[J].遙感學報，2012，16(6)：1280-1288.

[9] 陳修治，陳水森，蘇泳嫻，等．基于被動微波遙感的2008年廣東省春季低溫與典型作物寒害研究[J]．遙感技術(shù)與應(yīng)用，2012，27(3)：387-395.

[10]張立新，蔣玲梅，柴琳娜，等．地表凍融過程被動微波遙感機理研究進展[J]．地球科學進展，2011，26(10)：1023-1029.

[11]張顯峰，包慧漪，劉羽，等.基于微波遙感數(shù)據(jù)的雪情參數(shù)反演方法[J].山地學報，2014，32(3)：307-313.

[12]嚴明，嚴衛(wèi)，王迎強，等.基于微波遙感的海表面鹽度探測機制研究進展[J].遙感信息，2015，30(2)：17-25.

[13]閻守邕，劉亞嵐，余濤，等.現(xiàn)代遙感科學技術(shù)體系及其理論方法[M].北京：電子工業(yè)出版社，2013.

[14]Woodhouse I H.微波遙感導論[M].董曉龍，徐星歐，徐曦煜，譯. 北京：科學出版社，2014.

[15]中國風云.FY-3C氣象衛(wèi)星[Z/OL].[2016-06-10]. http://nsmc.gov.cn/NSMC/Channels/100371.html.

[16]李興國，李躍華.毫米波近感技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：北京理工大學出版社，2009.

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，主要研究方向為電子對抗、通信與雷達系統(tǒng)、遙感應(yīng)用等。

TN971；TP72

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