綜合孔徑微波輻射計的發展與應用展望

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展現狀，包括美國ESRAR，歐空局SMOS衛星的主載荷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，能實現全天候監測，已被廣泛應用于地球環境遙感、軍事、醫學等各個方面[3-5]。與測量目標反射系數的主動式遙感設備（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展的關鍵因素。對于傳統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，然后對其進行逆傅立葉變換得到場景亮溫圖像[9]。與傳統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

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（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[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的角分辨率，從而影響系統的靈敏度。同時，天線陣列的規模基本上決定了綜合孔徑輻射計系統的復雜程度。所以，天線的幾何排布是影響系統性能的重要因素。

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，其代表為歐空局發射的SMOS衛星的主載荷MIRAS系統;U型陣，其代表為芬蘭赫爾辛基技術大學研發的二維機載綜合孔徑輻射計HUT-2D系統;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。矩形采樣平面陣結構簡單，天線呈等間隔排布，減少參數影響。但其在優化過程中存在較大的采樣冗余，造成優化算法運算量過大。圓環陣在一定條件下可以實現零冗余，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陣的二維綜合孔徑輻射計。

3 國內外研究現狀

隨著數字技術的不斷發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°。經過一系列的系統測試和成像試驗，BHU-2D成功實現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 不同目標的研究現狀

3.2.1 探測自然環境。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陣的二維綜合孔徑輻射計，在周長2.819m的圓環上非均勻地稀疏分布著27個天線輻射單元，通過圓環自旋增加了觀測基線，從而提高空間分辨率[24]，并實現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，其結果與傳統真實孔徑輻射計保持高度的一致性，但在系統校正精度、陣列排布優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衛星[29，30]。SMOS衛星的主載荷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，系統中包含5 000多個數字相關器，是目前全球復雜程度最高的綜合孔徑輻射計系統[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、可以進行全天候監測等優點，因此，毫米波綜合孔徑成像技術不斷發展，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展，干涉式綜合孔徑輻射計將得到更廣泛的應用。

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