電子偵察衛星的被動微波遙感應用探討

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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電子偵察衛星的被動微波遙感應用探討

石 榮，李 瀟，華 云

(電子信息控制重點實驗室，四川 成都 610036)

電子偵察衛星主要接收非合作輻射源目標所發射的電磁信號，而星載被動微波遙感主要是對自然界中各種物體自發輻射的微波信號進行接收與處理。根據二者在多個方面的相似性，提出將電子偵察衛星應用于對地被動微波遙感的設想，并據此分析了從電子偵察衛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，在此基礎上對相關應用問題進行了探討，給出了解決思路。這一設想不僅有利于電子偵察衛星的多功能應用，而且也為地面與機載電子偵察設備的被動微波遙感應用拓展提供了參考。

電子偵察衛星；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°以內的微波輻射亮溫數據，利用該數據反演出了有關地區的海面溫度、風速和大氣水汽含量等氣象結果[1]。在我國研制的“風云”3號低軌氣象衛星上，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，根據此遙感數據對地表水份和溫度、積雪參數進行了成功反演[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。近年來隨著技術的發展，星載被動微波遙感在地質災害監測[5]、地表溫度[6]和土壤水份反演[7]、城市環境監測[8]、農作物寒害研究[9]、地表融凍[10]及冰雪參數提取[11]、海表面鹽度探測[12]、氣象與大氣科學研究[13]等方面被廣泛應用，并發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射的微波信號進行接收處理同樣是電子偵察衛星的基本功能。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上，對傳統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方向之間的相互借鑒與綜合應用奠定了基礎。

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，對應零下273.15℃)就會對外自發輻射各種波長的電磁波，從而構成一個從紫外、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途徑[14]，而其中所使用的接收測量設備又被稱之為微波輻射計、微波無源成像儀等。物體自發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用的基礎與前提。

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。在被動微波遙感應用中天線溫度TA就是等效視在溫度經過天線方向圖加權求和之后的溫度，定義為：

(1)

式中，DA(α,β)為歸一化天線方向圖函數，且滿足：

(2)

圖1 “風云”3號氣象衛星上的被動微波遙感設備

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，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聯系。整個被動微波遙感應用就是通過對PA的高精度測量來實現對外界不同物體的感知與區分。

2 傳統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，特別設置了一個校正源，通過開關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所示系統在實際應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。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的相對數值用灰度值展現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。如果系統工作于毫米波頻段，則被稱為毫米波無源成像；如果系統工作于太赫茲頻段，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微波輻射特性的一個本質性反映。

3 電子偵察中接收信號的構成分析

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、敵我識別等電子設備所發射的電磁波信號進行搜索、截獲、分析、識別、測向與定位，確定其技術參數、工作規律、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；在電子偵察應用中主要是對中頻信號的各種信號參數，如載頻、功率、信噪比、調制樣式等，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，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微波輻射所產生的，而這一部分正好是被動微波遙感應用所感興趣的信號。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同時包含了被動微波遙感所要關注的信號，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，在此期間整個系統的放大增益G要保持恒定，否則系統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，將電子偵察衛星用于被動微波遙感時，除了保持整個系統的穩定性之外，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輻射的電磁信號在各頻段上都連續存在，如前所述，低端可至L波段。雖然電子偵察衛星的接收系統也是一個頻域寬開系統，但在衛星接收信號的過程中，地面與空中的輻射源目標發射的電磁信號與外界物體自發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的地面空間分辨率就越高。但并不是所有的電子偵察衛星都具有大口徑接收天線，在這一點上與專門設計用來對地被動微波接收的遙感衛星是有一定的差異的。但是將電子偵察衛星用于被動微波遙感是在不過多增加新的星載設備的條件下，來獲得更多的對地觀測信息，所以從總體上講，電子偵察衛星的被動微波遙感應用是對現有航天對地觀測的一個重要補充。利用電子偵察衛星所提供的被動微波遙感數據也可以在一定程度上完成對地表溫度、土壤水份、冰雪參數、海面鹽度、氣象與大氣等的科學研究任務。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域。電子偵察衛星對地偵察的主要任務是截獲雷達、通信等人工輻射源目標的信號，而輻射源目標所在區域與微波遙感區域可能是不同的，且所重點關注的頻段也有差異，這會造成兩類任務共用天線波束與接收通道等的矛盾。為了解決這一矛盾，可以通過任務規劃，以時分復用的方式來分配電子偵察任務對天線和接收通道的占用時間，以及被動微波遙感任務對天線和接收通道的占用時間。通過合理的資源調度與分配來實現兩種功能的共用。

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方面的問題，在此就不詳細討論了。

6 結束語

電子偵察衛星與被動微波遙感衛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上，提出將電子偵察衛星用于被動微波遙感的設想，并從理論上分析了其可能的實現途徑。這對于電子偵察衛星的多功能應用具有重要意義。另一方面，根據本文所提出的思路，不僅可以在星載電子偵察中實現被動微波遙感，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用的融合，進一步推進電子偵察系統的多功能應用的發展。■

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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，主要研究方向為電子對抗、通信與雷達系統、遙感應用等。

TN971；TP72

A