綜合孔徑微波輻射計的發(fā)展與應用展望

摘 要：本文簡單介紹了綜合孔徑成像的基本原理，國內外干涉式綜合孔徑輻射計的發(fā)展現(xiàn)狀，包括美國ESRAR，歐空局SMOS衛(wèi)星的主載荷MIRAS，中科院CASC/X，北京航空航天大學的BHU-2D，中科院GIM等，并對干涉式綜合孔徑輻射計的發(fā)展進行了總結與展望。

關鍵詞：綜合孔徑微波輻射計;干涉式微波輻射計;展望

中圖分類號：TL817;TP722.6 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）25-0063-04

1 研究背景

微波輻射計[1]是一個測量物體熱輻射的高靈敏度、高分辨率的微波接收機[2]。其通過接收地物自身的微波熱輻射信號，獲取相應目標的特征信息。微波輻射計體積小，耗能低，能實現(xiàn)全天候監(jiān)測，已被廣泛應用于地球環(huán)境遙感、軍事、醫(yī)學等各個方面[3-5]。與測量目標反射系數(shù)的主動式遙感設備（SAR雷達）不同，微波輻射計是一種測量目標發(fā)射性能的被動遙感設備，其探測結果與雷達成像形成良好的互補。

隨著科技的發(fā)展，微波輻射計的功能也越來越強大，此時，空間分辨率的約束成為了限制其發(fā)展的關鍵因素。對于傳統(tǒng)的孔徑微波輻射計來說，空間分辨率與接收天線口徑的物理尺寸呈正相關，但過大的天線物理尺寸會造成制造困難、成本增加、難以機械掃描等嚴重問題。

為了解決天線物理口徑的制約，合理提高微波輻射計的空間分辨率，學者們在設計微波輻射計過程中加入了在射電天文學中廣泛應用的干涉式綜合孔徑成像技術，即干涉式綜合孔徑輻射計[6]。天文學家在20世紀50年代首次將干涉式綜合孔徑成像技術應用在天文望遠鏡中，角分辨率得到了顯著提高[7]。80年代以來，綜合孔徑技術被應用到微波遙感當中，實現(xiàn)了對地觀測，在被動微波遙感領域掀起熱潮[8]。

綜合孔徑微波輻射計是通過干涉組合數(shù)個稀疏的小口徑天線，合成大的觀測孔徑，應用干涉測量的原理，將天線接收的來自不同位置的測量結果進行負相關輸出，不同的干涉基線對輻射亮溫分布的空間分辨率進行采樣，獲得可見度函數(shù)，然后對其進行逆傅立葉變換得到場景亮溫圖像[9]。與傳統(tǒng)的真實孔徑微波輻射計相比，干涉式綜合孔徑輻射計既降低了天線的物理口徑要求，又解決了天線機械掃描的問題，其空間分辨率和視場范圍均得到了顯著提升。

2 綜合孔徑基本原理

2.1 可見度函數(shù)

由兩個帶天線的輻射單元構成的二元干涉儀[10]是綜合孔徑微波輻射計的基本構成單元，其結構如圖1所示。

它將兩個天線單元的輸出進行負相關計算，在視場范圍內進行采樣，其相關輸出就是可見度函數(shù)（Visibility Function，VF）[10]。

綜合孔徑輻射計中包含若干個二元干涉儀。間距方向各不相同的若干個天線經負相關計算后可得到覆蓋由低到高不同空間頻率的可見度函數(shù)[11]，再通過誤差定標技術減小誤差，選擇合適的反演算法即可得到觀測場景的亮溫分布圖像。

2.2 天線陣列

天線的幾何結構排布是綜合孔徑的關鍵性技術。天線陣列排布決定了視場范圍內可見度函數(shù)采樣，從而決定了綜合孔徑的陣列因子，而陣列因子可以導出系統(tǒng)的角分辨率，從而影響系統(tǒng)的靈敏度。同時，天線陣列的規(guī)?；旧蠜Q定了綜合孔徑輻射計系統(tǒng)的復雜程度。所以，天線的幾何排布是影響系統(tǒng)性能的重要因素。

目前，國內外對天線陣列的研究主要包括一維線陣、平面陣（U、L、T、Y等）和圓環(huán)陣。矩形采樣的平面陣主要包括以下幾類：Y型陣，其代表為歐空局發(fā)射的SMOS衛(wèi)星的主載荷MIRAS系統(tǒng);U型陣，其代表為芬蘭赫爾辛基技術大學研發(fā)的二維機載綜合孔徑輻射計HUT-2D系統(tǒng);T型陣，其代表為北京航空航天大學電磁工學實驗室研制的二維綜合孔徑輻射計BHU-2D系統(tǒng)。矩形采樣平面陣結構簡單，天線呈等間隔排布，減少參數(shù)影響。但其在優(yōu)化過程中存在較大的采樣冗余，造成優(yōu)化算法運算量過大。圓環(huán)陣在一定條件下可以實現(xiàn)零冗余，中科院空間中心在國家863計劃的支持下研制的地球同步軌道毫米波大氣溫度探測儀GIMS，就是國內首個采用旋轉稀疏圓環(huán)陣的二維綜合孔徑輻射計。

3 國內外研究現(xiàn)狀

隨著數(shù)字技術的不斷發(fā)展及對干涉式綜合孔徑成像技術研究的不斷深入，綜合孔徑微波輻射計在不同的維度、目標、軌道中均得到了廣泛的應用。

3.1 不同維度的研究現(xiàn)狀

3.1.1 一維綜合孔徑輻射計。在我國，中科院空間中心從1996年開始進行一維綜合孔徑輻射計的研制，并于2001年4月校飛成功一臺6單元、4度角分辨力的C波段一維綜合孔徑微波輻射計樣機CASC[12]。三年后，于2004年4月，中科院空間中心校飛試驗一臺8單元、2度角分辨力的X波段一維綜合孔徑微波輻射計，成功獲取了高空間分辨率的機載微波輻射圖像[13]。這2臺設備的成功研制，為我國科研單位的深入研究奠定了堅實的基礎。之后，成都十所研制了一維4單元樣機[14]，華中科技大學在毫米波段研制了16單元一維輻射計，實現(xiàn)了對展源的清晰成像[15，16]。

3.1.2 二維綜合孔徑輻射計。北京航空航天大學電磁工學實驗室于2006年7月成功研制出國內首臺二維干涉綜合孔徑輻射計（BHU-2D）[17]。BHU-2D是一個由10個輻射單元組成的T型天線陣列，角分辨率為3.4°。經過一系列的系統(tǒng)測試和成像試驗，BHU-2D成功實現(xiàn)了對室內人工場景和人物場景的輻射亮溫分布圖的繪制，達到了預期的目標[18]。

3.2 不同目標的研究現(xiàn)狀

3.2.1 探測自然環(huán)境。1997年起，芬蘭赫爾辛基技術大學開始二維機載綜合孔徑輻射計HUT-2D的研制[19]。HUT-2D工作在L波段，采用U型稀疏天線陣，該系統(tǒng)包括36個輻射單元和441條基線，于1999年完成4單元原型機的制作，于2007年開展機載實驗[20]。自2007年以來，HUT-2D被投入工作，對宇宙背景和低鹽度水域等自然環(huán)境進行觀察探測。

3.2.2 探測金屬目標。2010年，德國DLR研究所也成功研制了一維旋轉綜合孔徑輻射計系統(tǒng)ANSAS[21]。其具有15個天線單元，利用旋轉Vivaldi天線對地球、天空及放置在不同地面紋理的金屬目標進行成像，靈敏度為0.25～3.3K[22，23]。

3.2.3 探測大氣溫濕度。2010—2012年，中科院空間中心在國家863計劃的支持下研制了地球同步軌道毫米波大氣溫度探測儀GIMS。GIMS是國內首個采用旋轉稀疏圓環(huán)陣的二維綜合孔徑輻射計，在周長2.819m的圓環(huán)上非均勻地稀疏分布著27個天線輻射單元，通過圓環(huán)自旋增加了觀測基線，從而提高空間分辨率[24]，并實現(xiàn)了在靜止軌道上遙感探測大氣溫濕度廓線[25]。

3.3 不同軌道的應用

3.3.1 機載對地遙感綜合孔徑微波輻射計。20世紀80年代末期，美國麻塞諸薩州立大學（University of Massachusetts）與美國航天局（NASA）戈達德空間飛行中心（Goddard Space Flight Center）經過反復合作試驗，成功研制了世界上第一臺機載干涉式綜合孔徑微波輻射計ESTAR[26，27]。ESTAR是一個工作在L波段（1.4GHZ）由5個輻射計單元組成7條基線的一維綜合孔徑輻射計。ESTAR進行了大量的機載試驗，對土壤濕度和海水含鹽度[28]進行一系列探測，將探測結果進行反演推算，其結果與傳統(tǒng)真實孔徑輻射計保持高度的一致性，但在系統(tǒng)校正精度、陣列排布優(yōu)化和圖像反演算法上仍需要進一步研究。

3.3.2 低軌星載綜合孔徑微波輻射計。2009年11月，歐洲太空局研制發(fā)射了目前地球上唯一一臺可以同時測量土壤濕度和海水含鹽度變化的SMOS衛(wèi)星[29，30]。SMOS衛(wèi)星的主載荷MIRAS[29]是一個工作在L波段的二維綜合孔徑微波輻射計[30]。其順軌方向和交軌方向均采用綜合孔徑技術獲取高空間分辨率，是世界上第一臺在軌運行的星載綜合孔徑輻射計[31]。MIRAS采用Y型二維稀疏天線陣，將69個天線單元分布在每根約長4.5m的Y型臂上，系統(tǒng)中包含5 000多個數(shù)字相關器，是目前全球復雜程度最高的綜合孔徑輻射計系統(tǒng)[32，33]。

3.3.3 地球靜止軌道綜合孔徑微波輻射計。2002年起，美國航空局（NASA）航天實驗室（JPL）開始研發(fā)二維毫米波綜合孔徑輻射計GeoSTAR [34]。GeoSTAR采用stagger-Y型陣列，在毫米波段對大氣溫度及濕度進行全天候監(jiān)測。2005年，JPL完成了24單元的地面樣機研制，并展開了一系列地面近場及遠場試驗[35]。

2010年，歐空局完成了下一代地球靜止軌道毫米波輻射計GAS的研制[36]。GAS采用旋轉采樣方案，利用旋轉Y型天線，將天線單元數(shù)目降到了100左右，成功進行了地面成像試驗[37]。

4 應用展望

隨著綜合孔徑輻射計技術的發(fā)展，其在地球遙感、氣象探測、軍事偵察等方面得到了廣泛應用。如今，在微波低頻段（特別是在L波段）綜合孔徑輻射計的研究日益成熟，實現(xiàn)了對土壤濕度、海水含鹽度、大氣溫度的探測。

由于毫米波、亞毫米波具有穿透力強、空間分辨率高、對人體安全、可以進行全天候監(jiān)測等優(yōu)點，因此，毫米波綜合孔徑成像技術不斷發(fā)展，在人體安檢、反隱身探測中得到了廣泛應用。

除了上述提到的對地觀測外，中科院國家空間科學中心于2004在空間科學任務中應用了綜合孔徑輻射計——太陽極軌成像空間望遠鏡。在低于150MHz的射電頻段上對黃道面附近傳播的行星際日冕物質拋射事件進行遙感觀測成像。

隨著人們對綜合孔徑成像技術的深入研究，以及微波器件的日益發(fā)展，干涉式綜合孔徑輻射計將得到更廣泛的應用。

參考文獻：

[1] Ulaby F T，Moore R K，F(xiàn)ung A K. Microwave Remote Sensing： Active and Passive. Vol. III： From Theory to Applications[J]. Artech House Inc，1986（5）：1223-1227.

[2]Niels Skou D L V. Microwave Remote Sensing Fundamentals and Applications [M]. New York：John Wiley amp; Sons，2006.

[3]Jung K K，Sang W Y，Chae Y S，et al. Development of a Passive Millimeter-wave Imaging System[C]// Waveform Diversity and Design Conference， 2009 International. IEEE， 2009.

[4] Yujiri L. Passive Millimeter Wave Imaging[C]//Microwave Symposiu Digest， 2006. IEEE MTT-S International， 2006.

[5]Zhou C，Xiong J，Li L，et al. Research on Passive Millimeter Wave Imaging Using Compressed Sensing Architecture[C]// International Conference on Advanced Computer Theory and Engineering. IEEE，2010.

[6]吳季，劉浩，孫偉英，等.綜合孔徑微波輻射計的技術發(fā)展及其應用展望[J].遙感技術與應用，2005（1）：24-29.

[7]Thompson A R，Moran J M，Swenson G W. Interferometry and Synthesis in Radio Astronomy[M].Florida：Krieger Publishing Company，1994.

[8]Ruf C S，Swift C T，Tanner A B，et al. Interferometric Synthetic Aperture Microwave Radiometry for the Remote Sensing of the Earth[J]. IEEE Trans GRS，1988（5）：597-611.

[9]吳季，劉浩，閻敬業(yè)，等.干涉式被動微波成像技術[J].遙感技術與應用，2009（1）：1-12.

[10]Swift C T， Le VineD M， Ruf C S. Aperture Synthesis Concept in Microwave Remote Sensing of the Earth[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory Techniques，1991（12）：1931-1935.

[11]魏文俊.綜合孔徑微波輻射計天線位置誤差及其校正方法研究[D].武漢：華中科技大學，2013.

[12] DONG X， WU J， ZHU S Y， et al." The Design and Implementation of CAS" C-band Interferometric Synthetic Aperture Radiometer[C]//Proceedings of Geoscience and Remote Sensing Symposium， 2000.

[13] LIU H， WU J， BAN S， et al. The CAS Airborne X-band Synthetic Aperture Radiometer： System Configuration and Experimental Results[C]//Proceedings of Geoscience and Remote Sensing Symposium，2004.

[14]Jian H， Tiguo G. A Novel Millimeter Wave Synthetic Aperture Radiometer Passive Imaging System[C]//International Conference on Microwave amp; Millimeter Wave Technology，2004.

[15] Li Q，Chen K， Guo W，et al. An Aperture Synthesis Radiometer at Millimeter Wave Band[C]// International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology. IEEE，2008.

[16]陳柯，郭偉，桂良啟，等.L波段數(shù)字相關綜合孔徑輻射計的研制[J].華中科技大學學報（自然科學版），2008（1）：12-14.

[17]陳柯，朱耀庭，郭偉，等.Ka波段毫米波綜合孔徑輻射計成像研究[J].微波學報，2010（2）：85-89.

[18]薛永，苗俊剛，萬國龍.8mm波段二維綜合孔徑微波輻射計（BHU-2D）[J].北京航空航天大學學報，2008（9）：1020-1023.

[19]Rautiainen K，Kainulainen J， Auer T，et al. Helsinki University of Technology L-Band Airborne Synthetic Aperture Radiometer[J]. IEEE Transactions on Geoscience amp; Remote Sensing， 2008（3）：717-726.

[20] Kainulainen J，Rautiainen K，Lemmetyinen J，et al. Experimental Study on Radiometric Performance of Synthetic Aperture Radiometer HUT-2D—Measurements of Natural Targets[J].IEEE Transactions on Geoscience amp; Remote Sensing，2011（2）：814-826.

[21]Dill S，Peichl M， Suess H. Determination of Dielectric Material Properties Using Passive MMW Measurements for Security Applications[C]// SPIE Defence and Security Symposium. DLR，2007.

[22]Peichl M，Dill S，Jirousek M，et al. Passive Microwave Remote Sensing For Security Applications[C]// Radar Conference， 2007. EuRAD 2007. European. IEEE Xplore，2007.

[23]Dill S， Peichl M， Sü? H. Study of Passive MMW Personnel Imaging with Respect to Suspicious and Common Concealed Objects for Security Applications[J]. Proc Spie，2008（7117）：17-21.

[24] Zhang C， Liu H， Wu J， et al. Imaging Performance Analysis for the Geostationary Interferometric Microwave Sounder （GIMS） demonstrator[C]// Microwave Radiometry and Remote Sensing of the Environment. IEEE，2012.

[25] Liu H，Wu J， Zhang S，et al. The Geostationary Interferometric Microwave Sounder （GIMS）： Instrument Overview and Recent Progress[C]// Geoscience and Remote Sensing Symposium. IEEE， 2011.

[26] Vine D M L，Griffis A J，Swift C T， et al. ESTAR： A Synthetic Aperture Microwave Radiometer for Remote Sensing Applications[J]. Proceedings of the IEEE，2002（12）：1787-1801.

[27] Vine D M L， Koblinsky C， Howden S， et al. Salinity Measurements during the Gulf Stream Experiment[C]// Geoscience and Remote Sensing Symposium， 2000. Proceedings. IGARSS 2000. IEEE 2000 International. IEEE，2000.

[28]" Vine D M L， Koblinsky C，Howden S， et al. Salinity Measurements during the Gulf Stream Experiment[C]// Geoscience and Remote Sensing Symposium， 2000. Proceedings. IGARSS 2000. IEEE 2000 International. IEEE， 2000.

[29] Kerr Y H， Waldteufel P， Wigneron J P， et al. Soil Moisture Retrieval from Space： the Soil Moisture and Ocean Salinity （SMOS） mission[J]. IEEE Transactions on Geoscience amp; Remote Sensing， 2002（8）：1729-1735.

[30] Kerr Y H， Waldteufel P，Wigneron J P，et al. The SMOS Mission： New Tool for Monitoring Key Elements ofthe Global Water Cycle[J]. Proceedings of the IEEE，2010（5）：666-687.

[31]Wu L， Torres F， Corbella I， et al. Radiometric Performance of SMOS Full Polarimetric" Imaging[J].IEEE Geosci and Remote Sensing Letter，2013（6）：1454-1458.

[32] Barre H M J， Duesmann B， Kerr Y H. SMOS： The Mission and the System[J]. IEEE Transactions on Geoscience amp; Remote Sensing，2008（3）：587-593.

[33] Font J，Camps A，Borges A， et al. SMOS： The Challenging Sea Surface Salinity Measurement From Space[J]. Proceedings of the IEEE， 2013（5）：649-665.

[34] Lambrigtsen B，Tanner A，Gaier T，et al. Developing a GeoSTAR Science Mission[C]// Geoscience and Remote Sensing Symposium， 2007. IGARSS 2007. IEEE International. IEEE，2007.

[35] Tanner A B，Wilson W J， Lambrigsten B H，et al. Initial Results of the Geostationary Synthetic Thinned Array Radiometer （GeoSTAR） Demonstrator Instrument[J]. IEEE Transactions on Geoscience amp; Remote Sensing，2007（7）：1947-1957.

[36] Carlstrom A，Christensen J，Ingvarson P，et al. Geostationary Atmospheric Sounder （GAS） demonstrator development[C]// European Conference on Antennas and Propagation. IEEE，2009.

[37] Laganà A R，Iero D A M， Isernia T，et al. On the Design and Optimization of the Array Elements in the GEO Atmospheric Sounder Instrument： A New Design Procedure[C]// Geoscience and Remote Sensing Symposium. IEEE， 2010.