基于數據融合的分布式綜合孔徑微波輻射高分辨率成像算法

胡泰洋, 張晉宇, 盧海梁, 李鵬飛, 李一楠, 呂容川

(1. 南京理工大學電子工程與光電技術學院, 江蘇 南京 210094;2. 中國空間技術研究院西安分院, 陜西 西安 710100)

0 引 言

我國是一個極端災害天氣頻發的國家,每年因極端災害天氣給國民生產和生活帶來巨大影響,造成很多人員傷亡和數以千億計的經濟損失,且呈逐年上升的趨勢。因此,準確、迅速地預測臺風、暴雨和中小尺度強對流等極端災害天氣對于提升我國防災減災的能力具有非常重要的意義。

當前,在全球和區域范圍內對極端天氣的觀測主要是通過氣象衛星的遙感載荷對大氣探測實現的,氣象衛星又分為極軌氣象衛星和靜止軌道氣象衛星,遙感載荷主要有光學載荷、紅外載荷和微波載荷等,而微波載荷主要是指微波輻射計,由于其具有全天時、準全天候可穿透云層、濃霧、小雨和煙塵等優點,在氣象預測、全球環境監測、災害預測、全球氣候變化等領域發揮著重要作用。

目前,國內外均實現氣象衛星遙感載荷的在軌觀測,并取得了非常有效的觀測效果,可以在一定程度上滿足數值天氣預報、地表監測和氣候預測研究的需求,但由于氣象衛星在觀測范圍和時間頻次等方面存在體制的限制,還不能滿足數值天氣預報和即時天氣預報等方面的需求,世界氣象組織(World Meteorological Organization, WMO)和歐洲氣象衛星應用組織(European Organization for the Exploitation of Meteorological Satellites, EUMETSAT)對數值天氣預報時空分辨率的最低需求為100 km@12 h；WMO對即時天氣預報時空分辨率的最低需求為50 km@1 h，而EUMETSAT對即時天氣預報時空分辨率的需求更高，其中最低需求為5 km@0.3 h，而理想需求則高達1 km@0.03 h(1.8 min)。

而對于越來越高的時間和空間分辨率的需求,星載微波輻射計的軌道形式主要有靜止軌道和分布式極軌,技術形式主要有實孔徑和綜合孔徑技術。

星載微波輻射計可以有效地監測暴雨、臺風和強對流等災害性天氣的產生、發展和消亡過程,但是傳統的實孔徑微波輻射計如果要提高空間分辨率,將面臨著天線口徑大、加工形變精度要求高、掃描驅動難度大以及衛星平臺的體積和重量限制等諸多問題,單純依靠提高天線口徑來提升空間分辨率將受到極大限制。例如,美國在1997年提出的GEM (geostationary microwave observatory)系統和歐空局在2002年提出的GOMAS (geostationary observatory for microwave atmospheric sounding)系統,由于技術條件的限制,目前還在方案論證階段。

因此,為了提高微波輻射計的空間分辨率,綜合孔徑微波輻射測量技術應運而生。通過稀疏的小口徑天線陣列合成一個等效的大口徑天線,從而突破實孔徑微波輻射計中天線物理口徑的限制,進而提高空間分辨率,可有效地降低系統的體積和重量,且無需機械掃描即可實現對整個視場的凝視成像。例如,已于2009年11月發射升空的歐空局用于土壤濕度和海洋鹽度(soil moisture and ocean salinity, SMOS)衛星,此外還有歐洲開展的GAS (geostationary atmospheric sounder)項目和NASA的GeoSTAR (geostationary synthetic thinned aperture radiometer)項目。

為了滿足更高的時間和空間分辨率,美國NASA提出了8個小衛星組成星座,并在2016成功發射了旋風全球導航衛星系統(cyclone global navigation satellite system, CYGNSS),實現對熱帶氣旋、臺風的頻繁觀測。國內的部分遙感載荷研制單位結合當前小衛星編隊的技術發展水平,提出了分布式綜合孔徑技術方案,其中小衛星組網使地面重訪周期大大縮短,實現了高時間分辨率,綜合孔徑體制提高了系統的空間分辨率,而分布式綜合孔徑在綜合孔徑的基礎上大大增加了最長基線的長度,進一步提高被動微波遙感的空間分辨率,成為國內外研究的熱點。

本文提出了星載分布式綜合孔徑微波輻射數據融合的方法,該方法借鑒了主被動數據融合的思想,以同一軌道上的小衛星編隊作為分布式綜合孔徑微波輻射系統的平臺,該系統是由多個小型綜合孔徑微波輻射計組成,通過調整平臺的姿態使小型綜合孔徑微波輻射計在地面的亮溫初始網格按照一定的規則重疊,最后利用數據融合算法獲得高分辨率的亮溫數據。

1 分布式綜合孔徑微波輻射計模型

對于傳統的大型綜合孔徑微波輻射計而言,其所面臨的主要問題是高分辨率所需的大型天線陣列所帶來的系統復雜度和信號處理復雜度等難題,空間分辨率越高,系統復雜度和信號處理復雜度越高。通過借鑒SMAP (soil moisture active passive)衛星的主被動融合思想,本文研究基于數據融合的星載分布式綜合孔徑微波輻射測量方法。

綜合孔徑微波輻射測量原理是基于干涉測量的,利用多個稀疏的小天線構成一個等效的實孔徑天線對觀測的場景亮溫進行采樣,其基本單元是由許多天線對組成的基線,通過對組成基線的天線對所接收的電壓信號進行復相關,得到可見度函數采樣,最后通過誤差校正和亮溫重構技術恢復出觀測場景的亮溫圖像,其原理示意圖如圖1所示。

圖1 干涉測量基本原理圖Fig.1 Basic principle diagram of interferometry

綜合孔徑微波輻射測量模型已較為成熟,在綜合孔徑微波輻射測量方法中,主要是基于熱輻射理論,采取隨機噪聲信號的分析方法來建立其微波輻射測量模型。圖2給出了基于數據融合的星載分布式綜合孔徑微波輻射測量系統簡易示意圖,所有的小型綜合孔徑微波輻射測量系統(衛星平臺)都在同一直線(軌道面)上,其在地面的亮溫網格按照一定的規律重疊。雖然基于數據融合的分布式綜合孔徑方法有別于傳統的綜合孔徑方法,采用了分布式體制結構,但其微波輻射測量方法依然是以熱輻射理論和“綜合孔徑”的思想為基礎的,因此可借鑒綜合孔徑微波輻射測量模型分析方法,基于熱輻射理論、利用隨機噪聲信號的分析方法來建立基于數據融合的綜合孔徑微波輻射測量模型。

圖2 基于數據融合的星載分布式綜合孔徑微波輻射測量 方法示意圖Fig.2 Schematic diagram of satellite-borne distributed synthetic aperture microwave radiation measurement method based on data fusion

2 數據融合算法

數據融合需要基于綜合孔徑微波輻射測量系統的亮溫原始網格,并通過數據融合算法獲得細分網格高空間分辨率亮溫的高精度預估值。

其中,數據融合算法的具體實現過程如下:

(1) 基于原始網格亮溫與細分網格亮溫的關系,構造所有原始網格和細分網格的亮溫方程組;

(2) 通過合適的方法求解亮溫方程組,從而獲得細分網格(高空間分辨率亮溫)的高精度預估值。

假設需要將空間分辨率提高倍,等效于將原始網格的每個方向都均勻劃分為份。下面以二維綜合孔徑微波輻射計為例,假設二維方向分別為軸(順軌方向)和軸(交軌方向),選擇其中一個小型綜合孔徑微波輻射計的原始網格作為參考。通過初步研究可知:若要滿足在二維方向對原始網格進行等間距的劃分,原始網格被劃分的份數剛好等于所需小型綜合孔徑微波輻射計的個數。如圖3所示,給出了=2時網格劃分和數據融合的樣例。此時,分布式綜合孔徑微波輻射測量系統由4個相同的小型綜合孔徑微波輻射計組成,分別命名為、、和。

圖3 數據融合網格劃分流程圖Fig.3 Flow chart of meshing generation for data fusion

其中,作為基本參考單元,在的基礎上向軸方向(交軌方向)上調整2角度(橫滾角、對應軸空間分辨率的一半),在的基礎上向軸方向(順軌方向)上調整2角度(俯仰角、對應軸空間分辨率的一半),在的基礎上向軸和軸方向上均同時調整了2、2角度,如圖3所示。最后,整個系統的所有小型綜合孔徑微波輻射計在地面的網格劃分出現重疊,形成一個細分網格,其空間分辨率等效于一個物理尺寸兩倍于單個小型綜合孔徑微波輻射計的傳統綜合孔徑微波輻射計的空間分辨率。

(1)

(2)

(3)

(4)

建立小型綜合孔徑微波輻射計、、和的所有初始網格亮溫與細分網格亮溫預估值間關系,構造方程組如下:

(5)

由于邊界的原始網格無法依據式(1)～式(4)建立其亮溫與細分網格亮溫預估值的準確方程關系,從而造成該方程組是一個欠定方程組,因此可采取最小二乘法求解欠定方程組的最優解。同時也可根據網格邊界的原始網格亮溫作為對應細分網格的初始值,增加亮溫方程的個數,使得欠定方程組變成正定方程組或是超定方程組,然后通過多次迭代求解,當解收斂至一定值時作為細分網格亮溫的預估值。

(6)

(7)

假設期望的空間分辨率和均為10 km,軌道高度為600 km,則根據式(6)和式(7)可知對小衛星平臺的順軌和交規方向精度要求為0.95°,而目前小衛星平臺的指向精度可達到0.01°,遠遠高于系統所要求的指向精度。由此可知，相對于圖3中的分布式綜合孔徑微波輻射計系統而言,本文提出的基于數據融合的星載分布式綜合孔徑微波輻射測量方法更具可行性。

同時,此數據融合方法也適用于傳統的實孔徑微波輻射計,只要保證能夠在地面網格劃分中可以劃分出多個細分網絡,通過對多個在軌的實孔徑微波輻射計輸出數據進行融合,便可以達到提升分辨率的目的,為在軌微波輻射計的高分辨率應用提供了一種新的方法。

3 地面驗證實驗及處理結果

在上述理論分析和仿真分析的基礎上,通過實驗驗證理論分析和仿真分析的結果。利用一套W波段輻射計系統來搭建驗證系統,對自然場景成像進行驗證。整個實驗系統包括W波段輻射計系統、二維旋轉平臺、W波段噪聲源、W波段矩形喇叭天線、W波段低噪聲放大器。二維旋轉平臺主要是用于在水平方向和垂直方向旋轉天線陣列實現網格細分,W波段噪聲源、W波段低噪聲放大器和W波段矩形喇叭天線主要是用于外部源定標。W波段輻射計系統的主要參數如表1所示。

表1 W波段輻射計系統主要參數

實驗驗證方案示意圖如圖4所示,通過二維旋轉平臺的水平旋轉方向和垂直方向的旋轉獲得同一自然場景的不同亮溫網格,等效于多個小型綜合孔徑微波輻射計對同一個場景在不同的俯仰角下的觀測結果。

圖4 實驗系統框圖Fig.4 Block diagram of the experimental imaging system

通過對W波段輻射計采集自然場景圖像,再通過提出的數據融合算法對采集的自然場景的微波輻射圖像進行處理,從而驗證提出的數據融合算法的可行性。如圖5所示,給出了實驗中所采用的W波段輻射計的實物圖。圖6給出了觀測場景的光學圖片。根據算法要求,利用W波段輻射計從多個不同的俯仰姿態按照一定的規則觀測自然場景,得到了16張不同俯仰方位角度下的微波輻射亮溫圖像,如圖7所示。通過提出的數據融合算法獲得融合后圖像如圖8所示。

圖5 實驗中所用的W波段輻射計Fig.5 W-band radiometer in experiment

圖6 觀測場景的光學圖片Fig.6 Optical image of the observation scene

圖8 數據融合后的亮溫圖像Fig.8 Radiometric image after data fusion

通過對比圖7和圖8可發現:圖8中的小窗戶能夠很清楚地分辨,大樓前的放置游艇也可以清晰地看見輪廓,而圖7中原始圖片無論從哪個方位觀測,不同的小窗戶之間難以區分,游艇也很模糊,說明通過數據融合后的算法分辨率較原始觀測的亮溫圖像更高,通過統計在一張圖像的像素點數,大約為原始圖像分辨率的4倍。由此可知,本文提出的數據融合算法是可行的,能夠大幅提升原始觀測亮溫圖像的分辨率。

4 結 論

為了進一步提高被動微波遙感的空間分辨率,本文提出了基于數據融合的綜合孔徑微波輻射測量方法,該方法借鑒了數據融合的思想,利用同一軌道的小衛星編隊作為分布式平臺,對數據融合模型的相關理論進行研究,最后通過地面的實驗以及處理結果進一步驗證理論的正確性,為后續被動微波遙感的空間分辨率的提高從數據維角度提供了一種新的方法。