面向海表盐度和温度遥感的微波辐射计研究综述

微波辐射计能够探测获取全天候、高时空分辨率、高灵敏度海表盐度和温度,在全球海洋科学研究中的作用越来越显著。文章总结了国内外现有在轨及在研载荷的技术特点。通过对比载荷的性能参数,分析了实孔径体制和综合孔径体制在探测幅宽、空间分辨率、探测精度及系统可实现性等方面的优缺点及需要解决的技术难点。通过分析,空间分辨率将显著影响微波辐射计实孔径体制或综合孔径体制的选择。此外,对比现有在轨载荷实际性能,采用综合孔径体制的灵敏度较差,实孔径圆锥扫描体制次之,采用实孔径推扫体制最好。最后,针对载荷现有技术能力,对未来用于海表盐度和温度探测的微波辐射计发展方向提出了建议。     

星载综合孔径微波辐射计冗余空间定标方法研究

星载综合孔径微波辐射计系统为了实现更好的辐射测量性能,在地面对通道间剩余相位通过相位定标实验进行测量,其结果用于亮温重构时对通道间剩余相位进行补偿。冗余空间定标方法基于自身阵列冗余基线信息,该方法无需额外资源支持即可对星载综合孔径微波辐射计系统定标,可作为一种在轨的验证方案对系统综合孔径微波辐射计系统通道间剩余相位进行评估。系统性的介绍了基于星载综合孔径微波辐射计系统观测到的场景,冗余空间定标方法以及对平坦场景提出利用模拟的平坦目标响应相位修正的方法,可在点源场景、平坦场景下利用冗余空间定标方法求解通道间剩余相位,并结合仿真验证该方法的可行性。     

基于系统函数优化的非规则天线阵列综合孔径辐射计亮温反演算法

为改善非规则天线阵列综合孔径辐射计反演图像质量,提出了基于系统函数优化的亮温反演方法。通过优化非规则天线阵列的系统函数,消除单元天线非规则排列对系统性能的影响,并在优化过程中引入正则化,稳定反演图像。为补偿正则化引起的反演图像质量损失,在反演算法中引入了迭代运算。仿真结果表明:所提出的反演算法能有效改善非规则天线阵列综合孔径辐射计的亮温反演图像质量,可应用于基于小卫星编队的分布式综合孔径遥感图像反演中,并能为基于小卫星编队的分布式综合孔径阵列优化提供理论基础。     

高分辨星载海洋微波辐射测量技术发展综述

星载微波辐射计作为海洋观测的一种重要技术手段,能够全天时、全天候对海洋环境参数进行长期连续的观测,具有宽幅、高精度等特点,能够为数值预报、台风监测、防灾减灾等应用提供重要保障。随着海洋应用需求不断提升,星载海洋微波辐射探测技术也向着更高分辨率、更高精度的方向发展。文章对高分辨率海洋微波辐射测量新技术的概念、系统组成以及发展情况进行了介绍,包括基于密集馈源阵列的多波束推扫辐射计、集中式综合孔径辐射计以及分布式综合孔径辐射计。文章结合三种高分辨率微波辐射测量技术的特点和当前技术水平对未来星载海洋微波辐射测量技术的发展思路进行了讨论,对其中的重要的关键技术进行了梳理,并针对不同应用需求给出了发展建议。     

圆心松弛的圆环格点阵及其灵敏度优化研究

针对目前综合孔径辐射计圆环格点阵圆心位置固定,不能最大程度利用圆环中可布阵区域的问题,提出圆环格点阵圆心优化方法,在不增大布阵区域的前提下,增加了布阵自由度,为阵列性能进一步优化提供了基础。基于圆心松弛的圆环格点阵,提出一种满足给定无混叠视场范围和空间角分辨率要求的广义圆环格点阵设计方法。基于广义圆环格点阵,当给定阵元数时,依据阵列退化因子优化灵敏度。仿真结果表明:优化后的阵列具有更高的辐射测量灵敏度。     

SMOS在轨定标概述

SMOS卫星的唯一载荷MIRAS是一个二维综合孔径微波辐射计,具有72个接收机以及约5 000个数字相关单元,是目前在轨的最复杂的综合孔径微波辐射计。MIRAS在轨定标采用分步定标的方法,将系统采用不同的定标方法分别进行校正。文章首先介绍了MIRAS定标系统的组成,其次介绍了系统定标的方法,最后介绍了在轨定标的过程。     

一维综合孔径微波辐射计在轨定标方法

G矩阵反演法是一维综合孔径辐射计普遍采用的图像重构算法，其实现包含两个关键要素：系统响应G矩阵标定和有效的数值反演算法。目前，在轨运行的辐射计采用系统误差分步测量的定标方法。在G矩阵反演法和点源测量G矩阵的理论基础上，对相应点源测量试验过程和水体成像试验过程进行了介绍，并对成像精度进行了分析，验证了整体定标的可行性。接着，提出了在轨G矩阵定标方法，并分析了卫星机动对载荷的影响。相比于目前在轨应用的分步测量系统误差的定标方法，该方法利用外部定标源整体标定系统响应G矩阵，能够简化分步定标各系统参数的定标过程，实现符合设计的成像精度，为后续高精度的图像重构算法提供保证，给一维综合孔径辐射计在轨定标提供了新的思路。     

用于地球遥感的双天线相关辐射计的灵敏度

文章利用付氏分析法推导出计算双天线相关辐射计灵敏度的一般表达式，给出影响灵敏度的物理参数以及它们之间的关系。同时，对传统的全功率辐射计和单天线相关辐射计进行了简单讨论。     

基于粒子群算法的大型低冗余度线阵综合

天线阵列排布与优化，是一维综合孔径辐射计的一项关键技术，其通过决定可见度函数采用分布来影响辐射计最终的成像质量。以往的学者们都将寻找理论上最优的大型阵元数低冗余度线阵（LRLA）作为研究的首要目标，以获得最优的空间分辨率。文章在此基础上，着重考虑工程实现过程中的系统可靠性要求，研究在任意一个阵元出现故障的情况下，通过冗余优化设计，确保系统性能不受影响。基于此，提出了一种基于粒子群优化的排列结构约束搜索算法，能够在较短时间内获得一系列满足条件的大阵元数LRLA排列。同时，文章还给出进一步冗余优化的方法，以确保生成的阵列在出现两个阵元故障时，辐射计系统基线缺失的概率高于设定的阈值，从而保证系统具有令人满意的可靠性。文章提出的方法以及得到的LRLA排列，虽然在一定程度上增加了辐射计系统的复杂度，但是，一些额外天线阵元的引入可以确保足够的阵列冗余度，从而减小阵元/接收机失效的影响，增加系统对阵列位置误差等的鲁棒性，改善系统的灵敏度指标。     

8mm辐射计特性参数测试及定标

文中简介了小口径天线毫米波辐射计定标系统的设计原理、结构、输出亮温的计算模型 ,研究了从液氮温度到室温范围内进行多点定标的方法 ,并对 8mm辐射计进行了特性参数测试及定标实验 ,得出了微波辐射计的定标方程和灵敏度、线性度、稳定度以及积分时间等指标。在该系统上按给定的程序进行定标 ,精度为 1 .0 6K。     

干涉式合成孔径微波辐射测量技术

干涉式合成孔径微波辐射测量技术是对地无源微波遥感技术的一个重大发展。在微波频段的低端，采用此技术天线无需扫描就能以较小的收集面积获得高空间分辨率的亮温分布图像。较深入地阐述了此技术的系统性能，较详细地介绍了电扫描稀薄阵列辐射计（ＥＳＴＡＲ）的构成原理和基本参数，并概述其原型的某些试验结果。     

微波辐射计静止轨道遥感试验技术

在地球静止轨道上对大气进行微波遥感探测尚无先例。为验证静止轨道微波探测仪器关键技术,研究高轨微波辐射传输特性并积累遥感数据,研制了微波探测试验载荷,搭载于风云四号A星进行在轨试验。微波探测载荷采用真实孔径圆周扫描体系,配置双频段(183,425 GHz)五通道。载荷在轨试验中,各项指标正常,183GHz频段灵敏度优于0.5K,425GHz灵敏度优于1.9K,性能稳定并超过3个月考核寿命。对微波探测载荷183GHz与极轨载荷先进技术微波辐射计(advanced technology microwave sounder,ATMS)进行亮温交叉比对的结果显示,两者亮温相近,变化趋势一致,验证了探测数据的有效性。载荷还在静止轨道获取了极轨无法探知的3K/h量级亮温变化,并在风云四号A星姿态调整期间完成了静止轨道微波遥感成像。验证了在静止轨道上进行真实孔径体制微波遥感探测的有效性。     

基于SVM和"嫦娥一号"数据的月球表面亮温分布

月球表面的微波辐射亮度温度分布与月表物质的物理化学和地理分布特性密切相关.为了分析月球表面微波辐射亮温的分布特点,利用支持向量机(SVM)方法对嫦娥一号(CE-1)绕月卫星搭载的微波辐射计获得的2C级亮温数据建立回归分析模型,并利用粒子群算法优化SVM回归模型,建立了月球表面不同地理位置的4个频率通道(3GHz,7.8GHz,19.35GHz,37GHz)的微波辐射亮温与时间的关系,获得了这4个频率的微波辐射亮温在月表很窄时间段的全球分布,因而显示出了更多的细节特征.最后对这些特征进行了描述并对影响月球表面亮温的因素进行了讨论.     

星载微波辐射计的天线方向图校正和亮温计算

在简要介绍星载微波辐射计周期定标技术基础上,着重分析了外部周期定标技术,采用天线方向图校正技术进行了误差分析,对“冷”、“热”定标源进行了计算,提出了提高星载微波辐计定标精度的措施。     

基于车载微波辐射计的地面观测试验方法

微波遥感具有全天时全天候的优点,并对云雾、雨雪和植被等有一定的穿透能力。地基微波辐射计以机动灵活的方式接收地表在微波波段的电磁辐射特性,被广泛用于土壤水分、冻融过程等微波遥感定量试验中。以车载多通道双极化微波辐射计(RPG-6CH-DP)为例,针对不同植被覆盖地表,在内蒙古多伦地区开展了为期3个月的野外观测试验,获得了L(1.4GHz)、C(6.925GHz)、X(10.65GHz)三个频率下的极化亮温观测数据。结果发现,L波段对植被的穿透能力最强,对土壤水分变化最敏感。微波辐射计观测地物的方位角、入射角均对观测亮温有直接影响。这为解译地物微波辐射传输过程及其相互作用机理、各种理论模型的发展和验证、地表参数反演算法的改进,以及相关地球观测卫星计划的载荷方案论证奠定了基础。     

热屏等温型热流计仿真模型分析

文章建立了热屏等温型热流计的简化仿真模型,对此模型进行稳态和瞬态模拟标定,并与近似理论分析结果进行比较,验证了仿真模型的正确性。计算了敏感片背面发射率不同时的静态灵敏度和温度瞬态响应特性,结果表明,敏感片背面发射率高时,瞬态响应速度快,静态灵敏度低;在选择敏感片背面发射率时,要综合考虑静态灵敏度和瞬态响应速度。文章建立的热流计仿真模型可以提供热流计分析平台,为设计和优化热流计提供参考。     

Diurnal change of MW and IR thermal emissions from lunar craters with relevance to rock abundance

Abnormal “hot spots” during a total eclipse on the lunar surface were revealed by using a ground based infrared (IR) scanner and visible telescope in the early 1960s, which turned out to be “cold spots” on the microwave (MW) brightness temperature distribution at night according to the Chang'E (CE)-1 radiometer's observations. In this paper, a theoretical analysis of radiative transfer is presented to explain this abnormal phenomenon of diurnal changes. Two typical craters, representing the abnormal fresh craters rich in rock abundance and an old one almost free of rocks located at similar latitudes are chosen for comparison of the diurnal temperature change. Using the measurements of CE-1 multi-channel microwave radiometer, brightness temperatures from these two craters are presented and applied to inversions of the physical temperatures of lunar regolith media, based on a three-layer radiative transfer model. The correlation between the diurnal MW and IR thermal changes of the lunar surface and the rock abundance is discussed.     

提高微波辐射计灵敏度研究的综述

介绍影响微波辐射计灵敏度的两个主要因素 :系统增益和本机噪声。围绕这两个影响因素 ,介绍提高辐射测量灵敏度所采取的两种方法 :电的或人工的方法以及软件处理的方法。最后讨论微波辐射计灵敏度研究中存在的问题 ,并指出其今后的发展方向