星载微波辐射计通道分辨率匹配技术及其在FY-3卫星MWRI中的应用

基于仿真模型对圆锥扫描星载微波成像仪不同频率和极化二维天线方向图地面足迹的模拟,对FY-3卫星微波成像仪(MWRI)原始观测轨道亮温数据,用Backus-Gilbert(BG)分辨率匹配算法分别对分辨率降低(高频通道匹配到低频通道)和分辨率增强(低分辨率匹配到高分辨率)进行了实验分析。结果表明:分辨率降低匹配处理能较好地模拟实际仪器观测,且不另引入噪声,可在MWRI通道分辨率匹配中实际应用;分辨率增强匹配可明显提高低频图像分辨率,但会一定程度引入噪声,实际应用中应考虑在分辨率增强与噪声间进行折中处理,在增强分辨率的同时,使引入的噪声在可接受范围内。     

基于FY-3C星微波成像仪毫米波通道的海面大风算法研究

对基于FY-3C星微波成像仪(MWRI)毫米波通道的海面大风算法进行了研究。根据在中国海域观测到的海面后向热辐射数据,认为联合多个毫米波通道分析方法可利于海面大风反演。对中低风速(0~15m/s)下D-矩阵算法进行修正,给出了适于MWRI的海面风速反演新模型。与浮标数据拟合结果表明:FY-3B,C星MWRI均方差(RMS)分别为1.24,1.18m/s。用带泡沫散射层的双尺度随机粗糙面的复合模型计算后向热发射。考虑各通道频率、灵敏度和定标精度等因素,用回归分析法分析了各通道热辐射特性随海面风速变化的不同响应特性,建立了适于FY-3C星MWRI的大风风速反演模型。中低风速模型和大风速模型反演的全球海面风速分布结果表明:中低风速精度标准差1.2m/s;反演大风数据和海岛固定浮标数据有一致性,模型的实际应用效果较好,可为我国沿海的大风监测和预警提供保障。     

基于最佳倒易晶胞的斜采样遥感图像复原方法

遥感图像的退化受多种因素的影响。本文研究了斜采样方式下混叠、模糊、噪声对图像有效分辨率的影响,在贝叶斯框架下提出了一种基于最佳倒易晶胞的斜采样遥感图像复原方法。该方法基于高斯图像先验假设,首先根据斜采样图像获取系统参数对倒易晶胞的形状进行限制,获取混叠与噪声最小的频域覆盖,然后在Bayesian\|MAP(最大后验概率,Maximum a Posterior Probability )框架下建立耦合模型,通过迭代复原方法得到混叠、模糊、噪声最小化的图像。实验结果说明,本算法考虑了引起图像混叠的图像成像模型特性, 获得了较好的复原结果, 增强了图像分辨率。     

一种并行组合采样系统信号重构方法

提出了在并行组合采样系统这种多通道组合采样系统中,对于时基非同步信号,使用插值算法对组合信号进行重构的方法。实际的并行组合采样中,由于各采样通道之间的采样时钟相位控制存在时基偏差,引起了采样信号的时间非同步,导致采样波形非线性失真。为补偿系统的无杂散动态范围和实际信噪比,有效地还原信号原貌,需要对采样序列进行信号重构。提出了用插值算法来重构信号,实现对时基偏差的校正,并通过仿真验证,分析了此方法的可行性。     

基于压缩感知理论的合成孔径激光雷达成像算法

合成孔径激光雷达是一种主动式有源激光成像雷达,它具有远高于微波合成孔径雷达的成像分辨率,能够实现对远距离目标的精细成像。由于激光信号的带宽极大,普通的硬件设备难以满足奈奎斯特采样定理的要求。提出一种基于压缩感知理论的合成孔径激光雷达成像算法,该方法利用光外差方法探测回波信号,在此基础上通过对外差信号进行随机采样提取信号中的有效信息,使用正交匹配追踪算法实现对目标高分辨距离像图像的重构,最后结合频率变标算法得到目标的高分辨二维图像。仿真结果表明运用新算法对合成孔径激光雷达的回波信号进行采样,能使用远低于奈奎斯特定理所规定的采样率完成信号采样,并有效压低信号旁瓣,实现对目标的超高分辨成像。
     

FY-3卫星大气湿度微波探测技术发展

介绍了风云三号(FY-3)卫星大气湿度微波探测技术及其发展。阐述了大气湿度微波探测原理。给出了微波湿度计(MWHS)的组成,以及变速扫描、匀速扫描和定点观测三种工作模式。从FY-3卫星01批到03批,MWHS从单一的湿度探测发展为大气温湿度同步探测,灵敏度和定标精度不断提高。其中:A、B星MWHS有150,183.31GHz两个探测频率,150GHz在国际上首次采用准光技术实现了极化分离,有垂直和水平通道2个,183.31GHz与国际同类设备相同,有通道3个;C、D星MWHS增加了118.75GHz探测通道8个,183.31GHz探测通道增加到5个,并增加了150GHz窗区频率,显著提升了微波湿度计的探测能力,实现了多通道的细分探测,并具有大气温度、湿度同步探测的功能,且118GHz首次实现了星载非临边大气探测;03批MWHS将包括探测频率4个、探测通道15个,窗区探测频率由150GHz更改为166GHz,并大幅提高灵敏度、定标精度等系统性能指标。性能比较表明:FY-3卫星MWHS的系统灵敏度优于其他国际同类载荷。给出了FY-3卫星MWHS在台风监测、全球亮温图获取等大气探测和灾害性天气预报与跟踪监测中的应用成果。     

星载微波传感器大气温湿度物理反演算法研究

针对我国下一代静止轨道微波探测器资料应用的需求,对微波50~60GHz和183GHz的温湿遥感通道开展了不同大气条件下探测敏感高度的模拟,发现大气散射对微波探测影响明显,尤其是近地面通道,在未来数据应用时需加以注意。提出一种基于一维变分的大气温湿度廓线物理反演算法。以美国最新一代气象卫星Suomi NPP搭载的ATMS(Advanced Technology Microwave Sounder)获取的观测资料为研究对象,RTTOV(Radiative Transfer for TOVS)快速辐射传输模式为前向算子,利用一维变分算法开展了温湿度廓线反演单点试验。研究发现:地表参数对微波亮温,尤其是地面通道影响较大。同时,反演所需背景场对反演结果影响较明显,反演所得温度与背景场较接近。     

红外甚高光谱分辨率探测仪反演系统的设计与实现

文章基于"高分五号"卫星大气环境红外甚高光谱分辨率探测仪(AIUS)数据,采用最优化反演算法,建立了大气成分廓线反演的业务化处理系统,并对反演结果进行了精度验证。该系统采用分层设计思想和模块化设计思路,具有手动和自动业务化处理的功能。将系统反演结果与微波临边探测仪(MLS)的2级官方产品和先验数据进行对比分析,O_3反演产品在14～50km范围与MLS产品的相对偏差小于15%;H_2O反演产品在18～70km范围与MLS产品的相对偏差小于15%;HCl反演产品在14～40km范围与MLS产品的相对偏差小于10%;N_2O反演产品在10～35km范围与MLS产品的相对偏差小于10%;CO反演产品在14～55km范围与先验廓线的相对偏差小于15%。上述结果表明,反演系统具有良好的准确性和稳定性,能够为中国进行大气环境监测和全球气候变化研究提供算法和技术支持。     

基于贝叶斯稀疏重构的非均匀样本谱估计

在航空电子对抗领域,往往需要利用非均匀样本来估计信号的频谱。针对非均匀样本谱估计问题,提出了贝叶斯稀疏重构谱估计算法(BSRSE)。该算法首先将非均匀采样的谱估计表示为稀疏信号重构问题。然后利用拉普拉斯分布表示稀疏性,建立贝叶斯模型。最后通过构造加速的不动点迭代方法估计参数,从而估计信号频谱。与现有谱估计方法比较,该算法具有较高的频率分辨力、较强的噪声适应能力,且需要较少的样本数。数值仿真验证了该算法的有效性。     

脉冲体制毫米波SAR多通道信号处理方法研究

为实现高分辨率、宽测绘带的综合观测目的,以毫米波频段多通道合成孔径雷达(SAR)信号模型为基础,对同时具备距离多通道、方位多通道的SAR成像处理流程进行分析,针对非均匀通道重构容易受到姿态误差影响的问题,引入惯导设备姿态数据实现参数校准,并基于上海卫星工程研究所Ka频段多通道SAR机载挂飞数据完成方法验证。数据处理结果表明:通过二维多通道数据处理,能够有效改善欠采样下的SAR图像方位模糊特性并优化噪声特性,提升图像可判读性。研究结果可为毫米波多通道SAR成像系统的研制与应用处理提供参考。     

靶场时统中自适应Loran-C接收机的研究

针对运载火箭的时间同步问题,提出了一种基于ESPRIT算法估计Loran-C接收机天波延迟的信号处理新技术,为设计具有自适应调节最佳采样点的Loran-C接收机打下良好的基础。利用频谱相除技术构建了延迟时间测量的信号模型,研究了频谱相除后信号的幅频特性。针对通带外噪声被放大的现象,提出频域加窗的措施。最后,提出用ESPRIT算法估计了天波延迟,避免了诸如AR、ARMA、MUSIC等算法在整个时域计算参数的弊端,更适合于适时应用。仿真结果表明,频域加窗影响识别天波的分辨率,ESPRIT算法能够正确估计天波的延迟,而且比FFT具有更高的分辨率。     

基于GPS测量数据的卫星在轨轨道预报算法研究

为提高微小卫星的在轨轨道预报能力,针对常用的低轨近圆卫星轨道,根据解析的轨道动力学模型,基于无奇点变量的拟平均要素法,用Kalman滤波技术给出了一种卫星解析星历参数在轨估计算法,用GPS测量信息对相关星历模型参数进行在轨估计。给出了算法流程。先由外部标志判断滤波器初始化状态,若需初始化,则可基于GPS测量数据,或地面上注星历参数,或上次滤波所得星历参数进行;若初始化已完成,则对星历模型参数进行Kalman滤波,得到更新的星历参数。给出了滤波算法中轨道预报、残差计算、量测计算和UD分解的计算模型。仿真结果表明:对轨道高度450km以上的近地圆轨道,7d内的预报精度优于20km。算法具自启动(自初始化)、收敛性佳、对测量数据的采样要求不严格等优点,实用性好。     

高稳定13～18GHz GaAs FET介质振荡器

本文介绍一种Ku波段串联反馈式GaAsFET介质稳频振荡器(简称KuDRO)。该振荡器由一个Ku波段FET振荡电路及一个高Q、低耗的介质谐振器串联反馈电路组成。其性能指标:在13～18GHz频带内用不同尺寸的介质谐振器在一块MIC基片上分别制出5种点频率的高稳定振荡器,功率输出为10～20mW;室温频率稳定度达2×10~(-5);在-45℃～+70℃温度范围内频率温度系数达±2PPm/℃,功率温度系数为0.02dB/℃相位噪声达-75dBC/Hz;杂波抑制度小于-60dBC;体积为36×30×16mn~3;重量为35g。     

基于PSO-VMD算法的生命探测方法研究

生命探测雷达在航空航天领域有着重要的应用,通过探测飞行员的呼吸、心跳、肢体动作等微弱信号,实现对飞行员的生命监测。针对实际场景中生命体微弱信号检测困难的问题,提出一种将包络熵作为粒子群算法适应度函数的变分模态分解（variational mode decomposition,VMD）参数优化算法。首先,利用粒子群算法对适应度函数进行选择,确定VMD算法中固有模态分量的分解层数以及惩罚因子个数的组合;其次,通过频谱分析选择特定层数的固有模态分量并重构雷达回波信号;最终达到去除噪声,提取生命体弱信号的目的。对比实验表明,所提出的方法相比经验模态分解算法能够更加准确地提取生命体信息,仿真结果验证了算法的有效性。     

挠性卫星模态参数辨识技术研究

针对挠性卫星在轨高精度控制需求,提出一种以飞轮为执行机构、星敏为测量元件的挠性卫星模态参数辨识技术。对卫星整体进行动力学建模并作线性化化简,导出了特征系统实现(ERA)和OKID算法。根据星上实现,给出了相应的辨识策略:构造状态观测器,推导与初始条件无关的Markov参数,再用该参数对系统进行辨识。由数学仿真验证该方法的可行性,结果表明:该辨识算法能有效辨识出整星的模态参数,且在一定的噪声影响下仍能保证辨识的精度,OKID+ERA算法的频率辨识精度优于2%,系统阻尼辨识精度优于10%,有一定的工程应用价值。     

加拿大雷达星-2的分辨率将达3米

在雷达星-1投入运行3年后,加拿大计划研制下一颗雷达成像卫星—雷达星-2,预计2001年底发射。主承包商为MDA公司。雷达星-2由轨道科学公司的平台和Spar宇航公司的合成孔径雷成构成,天线尺寸15m×1.5m。卫星重2.5 t,平均功率1 kW,峰值功率3 kW(只可持续18 min)。雷达采用电子扫描,工作频率5.3 GHz,按几种方式,分辨率可达3 m～100 m,成像面积为25 km~2～500 km~2,视场10～60°,扫描场1600 km。由于装有640片收/发     

星载微波辐射计分辨率匹配的平滑参数选择

为了反演获得准确的大气海洋参数,须要将星载微波辐射计分辨率不同的观测亮温进行分辨率统一的重采样处理。结合卫星的相关参数,使用渐削圆形口径和正轴等距投影的方式对星载微波辐射计的天线方向图进行仿真模拟。使用Backus-Gilbert方法对包含地理信息的模拟天线方向图以及AMSR-E真实数据进行观测亮温重采样试验,并分析了调整平滑参数时匹配误差和噪声参数两个关键指标的变化,得出选定的最佳平滑参数是当平滑参数从0向无穷大变化时,首次出现构造天线方向图非负的平滑参数。试验表明,目前常用的固定滤波分辨率匹配方法结果较好且计算效率高,具有一定的应用价值。     

多普勒测风激光雷达风廓线探测精度对比分析

在晴空干洁的大气条件下,多普勒测风激光雷达能够以较高的时间、空间分辨率,获得大气三维风场信息。为验证北京遥测技术研究所研制的WINDLE LIDAR型多普勒测风激光雷达探测的准确性,2020年4月~5月,用该雷达在北京市南郊观象台和L波段探空雷达进行同时同址对比观测。2022年6月~7月,用该雷达与北京遥测技术研究所的WINDLE U7相干测风激光雷达进行同时同址对比观测。通过对数据进行相关性分析,得到比对结果如下：1）垂直探测距离大于5 km,最大探测高度可达8.5 km;2）与L波段探空雷达对比,风速和风向数据拟合总相关系数分别为0.990和0.998。总体风速和风向的系统偏差、标准偏差分别为0.114 m/s和3.078°、0.489 m/s和3.969°,二者具有较好的一致性;3）与WINDLE U7雷达对比,风速和风向数据拟合总相关系数分别为0.999和0.999。总体风速和风向的系统偏差和标准偏差分别为0.209 m/s和1.077°、0.255 m/s和1.220°,可以看出该雷达系统的优越性。     

基于第二代小波的序列图像超分辨率复原算法研究

介绍了第二代小波(SGWs)的基本原理和特点,在此基础上提出了低分辨率采样图像高分辨率 (HR)重建算法。它不但具有结构简单,逆变换容易,可扩展性好的优点,并且克服了第一代 小波(FGWs) 的不均匀采样和定义在有限区间上的难题,指出了小波变换时数据不规则性的 处理方法,并利用硬／软阈值对小波系数降噪,使得重构后的图像具有最佳的PSNR和最低的 重构误差。实验和仿真结果表明,与传统方法相比,该算法在提高了图像的分辨率同时PSNR 最多能提高3 dB左右。
     

基于最佳匹配原则的自适应随机共振算法研究

针对传统微弱信号检测手段在强噪声背景中改善探测性能不理想的问题,将随机共振应用到强噪声背景探测中,分析其基础理论,结合粒子群优化算法与最佳匹配原则,提出一种新的基于最佳匹配原则的自适应微弱周期信号检测方法。方法首先按最佳匹配原则估计随机共振系统参数,再通过优化算法在小范围内快速稳定地得出最佳系统参数与混合信号中微弱周期信号频率。实验结果表明,检测值与真实周期信号频率值误差仅为0.75%,并且方法提高了信噪比,实现了利用噪声增强微弱信号的目的。