綜合孔徑微波輻射成像技術發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

盧海梁, 范清彪, 李鵬飛, 李一楠,*, 嚴頌華, 郎 量, 靳 榕, 李青俠

(1. 湖北珞珈實驗室, 湖北 武漢 430079; 2. 中國空間技術研究院西安分院, 陜西 西安 710100; 3. 武漢大學遙感信息工程學院, 湖北 武漢 430079; 4. 華中科技大學多譜信息處理重點實驗室, 湖北 武漢 430074)

0 引 言

溫度高于絕對零度(0 K)的物體都會產(chǎn)生非相干電磁輻射,物體的這種非相干電磁輻射亦稱為熱輻射[1]。物體在微波頻段的電磁輻射稱為微波熱輻射,或簡稱為“微波輻射”。微波輻射測量技術是利用微波輻射測量設備獲得物體或場景微波輻射強度(亮溫),微波輻射測量設備實質(zhì)上是一臺精確標定后的高靈敏度、高穩(wěn)定度的微波接收機,也稱為“微波輻射計”[2]。

由于微波輻射計不發(fā)射任何信號,也不依賴于其他任何發(fā)射源的信號,并且具有全天時、準全天候(可穿透云層、濃霧、小雨和煙塵等)的特點[3],可以一定深度穿透地表、植被以及人體等,可提供可見光、紅外和主動雷達等其他手段不能提供的信息,其在大氣海洋陸地遙感、月球與深空探測、探測制導、安防安檢、醫(yī)療檢測和科學研究等領域有廣泛的應用[4-5]。但相對于可見光、紅外和主動雷達等探測手段,由于受限于大孔徑天線和笨重的機械掃描轉(zhuǎn)臺,傳統(tǒng)實孔徑微波輻射計的空間分辨較低[4,6]。為提高微波輻射測量技術的空間分辨率,在20世紀80年代,提出了一種基于干涉測量的綜合孔徑微波輻射成像技術,其采用稀疏的小口徑天線陣列合成一個等效的大口徑天線,從而提高空間分辨率,同時可有效降低天線的體積與重量,且無需機械掃描即可實現(xiàn)對物體或場景的寬視場瞬時成像,從而為提高微波輻射測量技術的空間分辨率提供了一種可行的途徑[7]。

然而,由于綜合孔徑微波輻射成像技術的分辨率優(yōu)勢是以系統(tǒng)復雜度和信號處理復雜度為代價的,在相當長的一段時間內(nèi),大型綜合孔徑微波輻射成像系統(tǒng)由于陣元數(shù)目過多導致系統(tǒng)結構和信號處理非常復雜,從而制約了綜合孔徑微波輻射成像系統(tǒng)的規(guī)模及其性能[8]。近些年來,隨著硬件水平和信號處理能力的提升以及綜合孔徑微波輻射成像技術具備功耗低、隱蔽性強、受海雜波干擾小、寬視場瞬時成像等諸多優(yōu)點[3],綜合孔徑微波輻射成像技術在目標探測領域的應用又重新受到重視,且近幾年來綜合孔徑微波輻射成像技術在被動微波遙感和目標探測領域的應用均取得了重要進展[9-15]。鑒于此,本文在回顧綜合孔徑微波輻射成像技術發(fā)展的基礎上,歸納了綜合孔徑微波輻射成像技術的發(fā)展現(xiàn)狀,總結綜合孔徑微波輻射成像技術當前所面臨的問題和未來的發(fā)展趨勢,從而為綜合孔徑微波輻射成像技術在微波遙感和目標探測等領域的應用提供了一定的參考。

1 綜合孔徑微波輻射成像技術發(fā)展回顧

微波輻射測量技術最早、也是最成功的應用領域為射電天文領域,后被應用于地球遙感、目標探測以及其他領域。當前,地球被動微波遙感是微波輻射測量技術應用的重要領域之一,包括大氣遙感、海洋遙感和陸地遙感等[4]。星載微波輻射計作為全球性觀測的重要工具之一,已經(jīng)在地球科學領域扮演著重要角色。許多地球觀測衛(wèi)星都搭載星載微波輻射計,比如1972年發(fā)射的雨云-7號衛(wèi)星搭載了多通道微波掃描輻射計[7]。空間分辨率是微波輻射計的重要指標之一,但高空間分辨率所需的大孔徑天線和笨重的掃描轉(zhuǎn)臺對于傳統(tǒng)實孔徑微波輻射計在體積和重量等方面提出了巨大的挑戰(zhàn)[6-7,16]。

1.1 綜合孔徑微波輻射成像技術發(fā)展歷程

為解決高空間分辨率與傳統(tǒng)實孔徑微波輻射計較大體積與重量之間的矛盾,瑞士的Schanda教授首次提出將綜合孔徑技術應用于微波輻射測量領域;20世紀80年代末,Ruf等[7]研制了世界上第一個綜合孔徑微波輻射計——電子掃描稀疏陣列輻射計(electronically scanned thinned array radiometer, ESTAR)以觀測海表鹽度和土壤濕度。隨后,多個研究機構相繼開展了大量的探索性研究工作,并研制了多個綜合孔徑微波輻射計系統(tǒng)或樣機,其中最具代表性的是歐空局(European Space Agency, ESA)的基于綜合孔徑的微波輻射計(microwave imaging radiometer using aperture synthesis, MIRAS)項目[17-19]和美國航空航天局(National Aeronautics and Space Administration, NASA)的地球靜止軌道綜合孔徑微波輻射計(geostationary synthetic thinned aperture radiometer, GeoSTAR)項目[20]。已于2009年11月2日成功發(fā)射升空的土壤濕度和海洋鹽度(soil moisture and ocean salinity, SMOS)衛(wèi)星[21],其搭載的唯一載荷MIRAS是人類第一顆星載綜合孔徑微波輻射成像系統(tǒng),也是目前有且僅有的一顆在軌的星載綜合孔徑微波輻射成像系統(tǒng)[22]。MIRAS作為一個非常成功的綜合孔徑微波輻射成像系統(tǒng),其對于推動綜合孔徑微波輻射測量技術的發(fā)展和應用具有十分重要的意義。

1.2 綜合孔徑微波輻射成像技術應用歷程

早期,推動綜合孔徑微波輻射成像技術發(fā)展的主要動力是解決高空間分辨率星載實孔徑微波輻射計在體積重量和功耗等方面所面臨的巨大挑戰(zhàn),以滿足各種應用要求,包括大氣遙感、海洋遙感和陸地遙感。比如,ESA研制的SMOS衛(wèi)星搭載的MIRAS主要獲取全球的土壤濕度分布和海洋鹽度分布以用于全球氣候變化和氣象預測等科學研究[19]。NASA研制的GeoSTAR主要作為一種地球靜止軌道探測器(geostationary earth orbit sounder, GEOS)毫米波遙感問題的解決方案,以獲取高分辨率的全天候大氣溫、濕度觀測以提高對臺風、暴雨、強對流等突發(fā)性氣象災害的監(jiān)測和預報能力,以及預報準確度[20]。文獻[23]提出基于旋轉(zhuǎn)的綜合孔徑微波輻射測量方法以作為地球靜止軌道微波大氣探測的解決方案,并研制了基于旋轉(zhuǎn)的綜合孔徑微波輻射成像系統(tǒng)——地球靜止軌道毫米波大氣探測儀(geostationary interferometric microwave sounder, GIMS)[23]。

與此同時,國內(nèi)外一些高校和研究機構針對綜合孔徑微波輻射成像技術在目標探測領域的應用也開展了一些探索性的研究工作。比如,文獻[24]報道了利用機載綜合孔徑微波輻射成像系統(tǒng)對地偵察的研究工作。文獻[25]指出使用綜合孔徑微波輻射成像系統(tǒng)可觀測到距離1.5 km以外地面上大小為3 m×3 m的金屬目標。文獻[26]研制了一臺一維綜合孔徑微波輻射成像系統(tǒng),并基于此開展了大量的探索性研究工作。

而近幾年來,隨著電子對抗技術的飛速發(fā)展,復雜的電磁環(huán)境使得微波主動雷達的探測性能面臨著極大挑戰(zhàn),而綜合孔徑微波輻射成像技術由于不主動發(fā)射任何信號而具有較強的隱蔽性以及受海雜波、箔條、角反射器等無源或有源干擾影響小等優(yōu)點而再次引起了人們的重視。與此同時,近十年來,器件性能和信號處理能力的飛速發(fā)展也為大規(guī)模綜合孔徑微波輻射成像系統(tǒng)的研制提供了重要支撐。相關重要研究成果包括文獻[9-12]開展的海面目標機載綜合孔徑微波輻射探測實驗,成功地實現(xiàn)了晴朗天氣和濃云天氣條件下海面目標的有效探測。相關研究成果在一定程度上推動了綜合孔徑微波輻射成像技術在海面目標中、遠距離探測方向的發(fā)展和應用。

2 綜合孔徑微波輻射成像技術發(fā)展現(xiàn)狀

自基于干涉測量原理的綜合孔徑微波輻射成像技術概念被提出以來,國內(nèi)外相關研究機構和高校在綜合孔徑微波輻射成像技術方面開展了大量的研究工作,并相繼研制了多個綜合孔徑微波輻射成像系統(tǒng)或樣機。下面分別闡述綜合孔徑微波輻射成像技術在被動微波遙感和目標探測方面的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。

2.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

2.1.1 遙感方向發(fā)展現(xiàn)狀

(1) 美國NASA的ESTAR項目

1983年,美國NASA的戈達德空間中心(Goddard Space Flight Center, GSFC)將射電天文中的綜合孔徑理論引入到星載微波輻射測量技術中以提高其空間分辨率,隨后其聯(lián)合美國Umass大學研制了世界上首臺綜合孔徑微波輻射成像系統(tǒng)——ESTAR系統(tǒng)[27],如圖1所示。ESTAR系統(tǒng)由5根桿狀天線采用最小冗余排布構成一維綜合孔徑微波輻射成像系統(tǒng),工作在L波段,帶寬為20 MHz,并利用該系統(tǒng)開展了大量實驗,成功地獲得了一系列圖像結果,其主要被用于獲取土壤濕度和海洋鹽度[27]。在NASA儀器孵化器(instrument incubator program, IIP)項目的資助下,GSFC和Umass大學又聯(lián)合研制了ESTAR的下一代系統(tǒng)二維掃描稀疏陣列輻射計(two dimensions-scanned thinned array radiometer, 2D-STAR)[28]。該系統(tǒng)是一個二維L波段綜合孔徑微波輻射成像系統(tǒng),其天線陣列為一個11×11的矩形滿陣,如圖2所示。利用該系統(tǒng)也驗證了不同稀疏陣列方案(如Y、T、U、十等)。2D-STAR開展了大量的機載實驗,成功獲得了一系列圖像結果。另外,還有一些ESTAR的其他衍生系統(tǒng),如馬薩諸塞大學下屬Prosensing公司1999年研制的機載ESTAR37[27]和2003年GSFC為“輕型雨云輻射計”使命研制的一維X波段綜合孔徑輻射計原理樣機[29]。ESTAR和2D-STAR等系統(tǒng)的研制和實驗為綜合孔徑微波輻射成像技術的發(fā)展奠定了重要基礎。

圖1 ESTAR結構示意圖Fig.1 Structure diagram of ESTAR

圖2 2D-ESTAR原理樣機Fig.2 Principle prototype of 2D-ESTAR

(2) ESA的MIRAS

1993年,ESA開始開展了星載二維綜合孔徑微波輻射成像系統(tǒng)MIRAS的研究,并將其作為1999年ESA批準的SMOS衛(wèi)星計劃中的唯一有效載荷[21],其工作在L波段(1 400～1 425 MHz)[30],由單臂天線數(shù)目為21的“Y”型天線陣列構成,如圖3所示[31],軌道高度為755 km,空間分辨率為30～50 km,幅寬為900 km,如圖4所示,重返周期為3～7 d,其主要目的是獲取全球土壤濕度和海洋鹽度。自MIRAS項目啟動以來,ESA及相關研究機構或大學研制了多個版本的原理樣機或試驗樣機系統(tǒng)。最早,丹麥技術大學研制了一個2通道的X波段相關輻射計,稱為TUD(Technical University of Denmark)模型[32];隨后,研制了11單元的“Y”型陣列的原理樣機——MIRAS breadboard樣機[33];其后,又研制了一個12單元的“Y”型陣列的機載樣機——Airborne MIRAS[34],如圖5所示。2005年,作為SMOS計劃的重要參與單位,芬蘭赫爾辛基技術大學提出并于2005年成功研制了二維機載綜合孔徑微波輻射成像系統(tǒng)HUT-2D(Helsinki University of Technology two-dimensional radiometer)[35],如圖6所示。該系統(tǒng)天線陣列采用36單元的U形陣,用于驗證綜合孔徑微波輻射成像技術的原理和定標方法。最終,MIRAS于2009年11月2日成功發(fā)射升空,其是世界上首個投入實際應用的星載綜合孔徑微波輻射成像系統(tǒng),也是目前唯一在軌的星載綜合孔徑微波輻射成像系統(tǒng)[21]。截至目前,MIRAS已經(jīng)在軌工作了十余年,其獲得了大量有價值的遙感數(shù)據(jù),對于推動綜合孔徑微波輻射成像技術的發(fā)展具有重要的實際意義。

圖3 MIRAS系統(tǒng)天線結構示意圖Fig.3 Antenna structure schematic diagram of MIRAS system

圖4 MIRAS空間示意圖Fig.4 Diagram of MIRAS from space

圖5 Airborne MIRAS天線陣列和機載實驗安裝圖Fig.5 Antenna array and airborne experiment of Airborne MIRAS

圖6 HUT-2D系統(tǒng)天線結構示意圖Fig.6 Antenna structure diagram of HUT-2D

基于MIRAS的研究基礎,ESA已經(jīng)開展下一代MIRAS的相關研究計劃,即SMOS-ops[36]。同時,為了改進MIRAS實驗系統(tǒng),文獻[37]提出了MIRAS下一代改進實驗系統(tǒng),即PAU-SA (passive advanced unit-synthetic aperture)系統(tǒng)[37],該系統(tǒng)由3個全被動傳感器組成,其中一個是類似于MIRAS的25單元“Y”型陣的L波段(1.575 42 GHz)綜合孔徑微波輻射成像系統(tǒng),其原理樣機如圖7所示[37],包括天線臂、空載天線、輻射計的8單元天線臂和全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)反射計(global navigation satellite system-reflectometry, GNSS-R)的7單元天線陣。2016年,文獻[38]提出了一種星載分布式綜合孔徑微波輻射成像方案,如圖8所示[39]。其通過多顆衛(wèi)星搭載分布式綜合孔徑微波輻射系統(tǒng)構建長基線,并利用小衛(wèi)星平臺的運動旋轉(zhuǎn)覆蓋完備的空間采樣點,以進一步提升L頻段綜合孔徑微波輻射成像系統(tǒng)的空間分辨率[39],以時間分辨率為代價換取高空間分辨率。

圖7 PAU-SA系統(tǒng)原理樣機Fig.7 System prototype of PAU-SA

圖8 分布式綜合孔徑微波輻射成像系統(tǒng)示意圖Fig.8 Schematic diagram of distributed synthetic aperture microwave radiation imaging system

(3) 美國NASA的GeoSTAR

2002年,美國NASA提出了GeoSTAR研究項目,將其作為一種高空間分辨率的GEOS毫米波遙感方案,以實現(xiàn)高空間分辨率的全天候的大氣溫度和濕度探測[40]。在NASA IIP項目的資助下,美國噴氣推進實驗室(Jet Propulsion Laboratory, JPL)在2005年研制了GeoSTAR第1代樣機,如圖9(a)所示,該樣機系統(tǒng)工作在50～60 GHz,采用交錯“Y”型陣列,每個天線臂包含8個喇叭天線單元,一共包含24個喇叭天線單元[40]。2011年,JPL開始研制GeoSTAR的第2代樣機GeoSTAR-II,如圖9(b)所示,該樣機工作在135～183 GHz,GeoSTAR-II陣列排布由3個尺寸為4×4的子陣組成,一共包含48個天線單元[41]。2016年,JPL研制了GeoSTAR的第3代樣機GeoSTAR-III,如圖9(c)所示[42],該樣機工作在165～183 GHz,同樣采用交錯“Y”型陣,由9個天線子陣組成,每個陣列尺寸為4×4,一共包含144個天線單元。

圖9 GeoSTAR研制的原理樣機Fig.9 Prototype developed by GeoSTAR

(4) ESA的GAS

2005年,ESA提出了地球靜止軌道星載綜合孔徑毫米波成像載荷研制項目GAS(geostationary atmospheric sounder, GAS)[43],用于全天候?qū)Φ靥綔y大氣溫度、濕度廓線,地面分辨率為30 km,每30 min更新一次圖像,同時采用53 GHz、118 GHz、183 GHz和380 GHz 4個頻段。為了減小陣列規(guī)模和系統(tǒng)復雜度,GAS采用的是稀疏“Y”型陣列,通過分時旋轉(zhuǎn)掃描得到較為均勻且完整的空間采樣平面。該項目已于2010年研制了一臺21單元的53 G縮比樣機,如圖10所示[44]。在ESA的支持下,瑞典Omnisys公司在2015年啟動了GAS第2代樣機的研制工作,目前未見后續(xù)相關報道。

圖10 GAS縮比樣機及系統(tǒng)方案Fig.10 GAS prototype and GAS system scheme

此外,美國特拉華大學在綜合孔徑微波輻射成像理論和系統(tǒng)方面也開展了大量研究工作,在2009年研制了六邊型綜合孔徑微波輻射成像系統(tǒng)[45]。

2.1.2 探測方向發(fā)展現(xiàn)狀

本世紀初,國外相關機構針對綜合孔徑微波輻射成像技術在目標探測方面的應用開展了探索性研究。2002年,德國航天中心展示了機載綜合孔徑微波輻射成像系統(tǒng)對地軍事實施和目標偵察的研究工作,如圖11所示[24]。2004年,波蘭華沙科技大學嘗試利用多基輻射干涉測量系統(tǒng)的相關測量結果探測空中目標,并利用多普勒頻移方法來估計目標的位置和速度[46]。美國拉莫斯國家實驗室提出了利用多顆小衛(wèi)星搭載多頻段實孔徑微波輻射成像系統(tǒng)組成編隊,利用干涉測量原理通過衛(wèi)星運動形成多個長基線以獲取高分辨率的對地微波被動成像,用于對地軍事偵察[47]。后續(xù)相繼零星文獻報道了一些關于高頻段微波輻射成像系統(tǒng)器件的研究進展。

圖11 德國航天中心機載成像結果Fig.11 Airborne imaging results from German Space Center

由于微波輻射成像技術在軍事領域應用的敏感性,國外對綜合孔徑微波輻射成像技術在目標探測方面的應用報道很少,公開報道僅限上述內(nèi)容,后續(xù)也很少看見公開報道。

2.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

2.2.1 一維綜合孔徑微波輻射成像技術

文獻[48]介紹了一臺L波段5單元一維綜合微波輻射成像系統(tǒng),如圖12所示。文獻[49]報道了國內(nèi)首臺一維6單元的C波段綜合孔徑微波輻射成像系統(tǒng)。文獻[50]報道了一臺8單元X波段的一維綜合孔徑微波輻射成像系統(tǒng),圖13所示。文獻[26]介紹了一臺8 mm的16單元一維拋物柱面綜合孔徑微波輻射成像系統(tǒng)如HUST-ASR (Huazhong University of Science and Technology-aperture synthesis radiometer),該系統(tǒng)是國內(nèi)外第一個采用拋物柱面體制的綜合孔徑微波輻射成像系統(tǒng),如圖14所示。

圖12 L波段一維綜合孔徑微波輻射計原理樣機Fig.12 Prototype of one-dimensional L-band synthetic aperture microwave radiometer

圖13 X波段一維綜合孔徑微波輻射成像系統(tǒng)Fig.13 One-dimensional X-band synthetic aperture microwave radiation imaging system

圖14 一維拋物柱面體制綜合孔徑微波輻射成像系統(tǒng)Fig.14 Synthetic aperture microwave radiation imaging system with one-dimensional parabolic cylindrical system

2.2.2 二維綜合孔徑微波輻射成像技術

文獻[51]介紹了一臺28單元L波段的“Y”型綜合孔徑微波輻射成像系統(tǒng)(見圖15)和一臺19單元的X波段“Y”型綜合孔徑微波輻射成像系統(tǒng)(見圖16)。文獻[52]報道了大量的外場實驗和機載實驗結果,并介紹了鹽度星的兩個重要載荷之一——L波段“Y”綜合孔徑微波輻射成像系統(tǒng)的研制工作情況(見圖17),目前正在開展工程樣機研制。

圖15 L波段的“Y”型綜合孔徑微波輻射成像系統(tǒng)Fig.15 L-band “Y”-shape synthetic aperture microwave radiation imaging system

圖16 X波段的“Y”型綜合孔徑微波輻射成像系統(tǒng)Fig.16 X-band “Y”-shape synthetic aperture microwave radiation imaging system

圖17 海洋鹽度衛(wèi)星空間示意圖Fig.17 Space schematic diagram of ocean salinity satellite

文獻[53]和文獻[54]分別報道了一套24單元94 G的“Y”型陣列和“十”字型的綜合孔徑微波輻射成像系統(tǒng),并利用該系統(tǒng)在亮溫重構技術等方面開展了深入研究。

文獻[55]報道了一臺10單元的“T”型綜合孔徑微波輻射成像系統(tǒng)BHU-2D(BeiHang University-two dimensional),并展示了實驗圖像。文獻[56]又分別報道了一臺48單元的U型綜合孔徑微波輻射成像系統(tǒng)(BHU-2D-U)、256單元綜合孔徑微波輻射成像系統(tǒng)(BHU-256)和1 024單元的一維相控陣綜合孔徑的微波輻射成像系統(tǒng)(BHU-1 024)。

2.2.3 其他體制綜合孔徑微波輻射成像技術

文獻[57]提出了鏡像綜合孔徑微波輻射成像理論與方法,以減少系統(tǒng)的硬件規(guī)模,隨后研制了一臺Ka波段的原理樣機[16],如圖18所示。文獻[58-59]提出了旋轉(zhuǎn)鏡像綜合孔徑微波輻射成像理論與方法,以進一步提高空間分辨率。文獻[16]報道了一套V波段原理樣機,如圖19所示,并給出了大量實驗結果以驗證鏡像綜合孔徑微波輻射成像原理和相關理論的正確性,從而進一步推動了鏡像綜合孔徑微波輻射成像技術的發(fā)展。

圖18 Ka波段鏡像綜合孔徑微波輻射計原理樣機Fig.18 Prototype of Ka-band mirrored synthetic aperture microwave radiometer

圖19 V波段鏡像綜合孔徑微波成像原理樣機Fig.19 Prototype of V-band mirrored synthetic aperture microwave imaging

文獻[60]提出了基于旋轉(zhuǎn)圓環(huán)陣列綜合孔徑微波輻射成像方法的地球靜止軌道毫米波大氣探測儀GIMS的解決方案,以面向大氣探測需求。文獻[61]展示了第一代原理樣機GIMS-I,如圖20(a)所示;文獻[62]展示了地球靜止軌道毫米波大氣探測儀全尺寸樣機GIMS-II,如圖20(b)所示。文獻[63]介紹了研制的一臺L波段旋轉(zhuǎn)圓形綜合孔徑微波輻射成像系統(tǒng)原理樣機時鐘掃描微波干涉輻射計(clock scan microwave interferometric radiometer, CSMIR),如圖21所示。文獻[64]又提出了基于一維拋物柱面的主被動聯(lián)合探測鹽度計系統(tǒng),并將其作為鹽度星的載荷方案之一,其原理樣機如圖22所示。目前,該方案已經(jīng)作為鹽度星的兩個重要載荷之一,正在被開展工程樣機研制。

圖20 GIMS研制樣機Fig.20 GIMS development prototype

圖21 L波段旋轉(zhuǎn)圓形綜合孔徑微波輻射成像系統(tǒng)原理樣機CSMIRFig.21 L-band rotating circular synthetic aperture microwave radiation imaging system prototype CSMIR

圖22 一維拋物柱面的主被動聯(lián)合探測鹽度計Fig.22 Active and passive joint detection salinity meter with one-dimensional parabolic cylindrical surface

2.2.4 探測方向發(fā)展現(xiàn)狀

在國內(nèi),綜合孔徑微波輻射成像技術應用于目標探測領域的研究主要集中于理論分析和實驗驗證。

20世紀90年代,國內(nèi)一些研究機構開始探索將微波輻射成像技術應用于目標探測領域。1995年,文獻[4]就嘗試利用微波輻射成像系統(tǒng)探測目標。1998年,文獻[65]探討了毫米波輻射成像系統(tǒng)探測空中隱身目標的相關問題。文獻[66]研究了微波輻射成像系統(tǒng)探測隱身目標的若干基本問題。隨著綜合孔徑微波輻射成像技術和硬件水平的發(fā)展以及其兼具分辨率高和瞬時視場寬等優(yōu)點,其在目標探測方面的應用也成為了綜合孔徑微波輻射成像技術研究的重要領域之一。2004年,文獻[25]又報道了利用綜合孔徑微波輻射成像系統(tǒng)探測到1.5 km遠的3 m×3 m的地面金屬目標的實驗結果。2005年,文獻[26]研究了綜合孔徑微波輻射成像技術在目標探測方面的應用,開發(fā)綜合孔徑微波輻射成像仿真平臺,并利用研制的HUST-ASR系統(tǒng)開展了大量的實驗研究,分析了綜合孔徑微波輻射成像系統(tǒng)探測空中目標的關鍵性能指標。2008年,文獻[67]提出了將機載綜合孔徑微波輻射成像技術應用于目標探測領域,并分析了探測系統(tǒng)的關鍵指標與探測距離之間的關系。同年,文獻[68]又分析了濃霧對微波輻射被動探測系統(tǒng)探測性能的影響,并基于32單元8 mm的綜合孔徑微波輻射成像系統(tǒng)開展了仿真分析。2012年,文獻[69]探討了綜合孔徑微波輻射成像技術在遠距離目標探測應用中的天線陣列優(yōu)化設計問題,并指出隨著科學技術和制造工藝的發(fā)展,綜合孔徑微波輻射成像系統(tǒng)必將取得重大進展。2015年,文獻[70]仿真分析了綜合孔徑微波輻射成像系統(tǒng)探測空中隱身目標的基本性能,并給出了仿真分析結果。

2016年,文獻[71]提出將機載/星載高分辨率綜合孔徑微波輻射成像技術用于海面目標探測,并于2018年在國內(nèi)外首次開展了海面目標機載驗證實驗(見圖23),驗證了海面目標機載綜合孔徑微波輻射探測技術的可行性[10](實驗結果如圖24所示),并提出了海面目標綜合孔徑微波輻射被動探測算法,以提高海面目標探測性能及挖掘更多的目標信息[72]。文獻[12]利用研制的綜合孔徑微波輻射成像系統(tǒng)又開展了空中目標的探測實驗(見圖25),驗證了利用地基綜合孔徑微波輻射成像技術探測空中運動目標的可行性[12]。近幾年來,綜合孔徑微波輻射探測技術在理論研究和實驗驗證等方面取得了重要研究成果,是國內(nèi)近十年來在微波輻射探測領域取得的重要進展之一,對于推動綜合孔徑微波輻射成像技術在目標探測領域的應用具有十分重要的實際意義。

圖23 機載校飛試驗Fig.23 Airborne calibration flight test

圖24 海面目標機載實驗結果Fig.24 Airborne experimental results of sea surface targets

圖25 空中目標試驗結果Fig.25 Experimental results about aerial targets

3 綜合孔徑微波輻射成像技術發(fā)展趨勢

地球被動微波遙感和目標探測等方面的實際應用需求是推動綜合孔徑微波輻射成像技術發(fā)展的主要動力,硬件技術水平和信號處理能力的提升也為綜合孔徑微波輻射成像技術的發(fā)展提供了重要支撐。目前,高空間分辨率和多手段聯(lián)合是綜合孔徑微波輻射探測技術發(fā)展的重要趨勢。

3.1 高空間分辨率

高空間分辨率是綜合孔徑微波輻射成像技術發(fā)展的重要趨勢之一,其在地球被動微波遙感和目標探測等應用領域中均具有重要的實際應用意義[4]。在地球被動微波遙感領域,高空間分辨率在提高極端天氣的預測能力和全球氣候氣象的研究水平等方面均具有積極作用[4];在目標探測領域,高空間分辨率可提高微波輻射探測技術的探測距離,其對于該探測技術在目標探測領域的應用具有重要的推動作用。當前,提高空間分辨率的兩個重要途經(jīng)是擴大天線陣列規(guī)模和提高工作頻段。

3.1.1 擴大天線陣列規(guī)模

在被動微波遙感領域,獲取高空間分辨率的海洋鹽度、土壤濕度和大氣溫濕度廓線等重要的地球物理參量依然是重要科學目標之一,是全球氣象研究、氣候研究和提升極端天氣預測能力的重要基礎[4],且受地球物理參量與工作頻段密切相關的限制,更大規(guī)模的天線陣列成為高空間分辨率地球被動微波遙感提高空間分辨率的有效解決途經(jīng)[4]。目前,在軌或正在研制的星載綜合孔徑微波輻射成像系統(tǒng)的空間分辨率仍然沒有達到探測要素的時空分辨率要求,比如海表鹽度、海面溫度、大氣溫濕度等[4]。國外一些研究機構也相繼提出和論證了更大規(guī)模的星載綜合孔徑微波輻射成像系統(tǒng)方案[36,39]。

在目標探測領域,綜合孔徑微波輻射成像技術具有獨特的優(yōu)點,包括瞬時視場寬、功耗低、隱蔽性強、受云/霧/煙塵和海雜波影響小等[3],其對隱身目標也具有較好的探測能力。但與主動微波雷達相比,綜合孔徑微波輻射成像技術的空間分辨率相對較低,這導致其探測距離有限,這也是目前綜合孔徑微波輻射成像技術應用于目標探測領域所面臨的最大瓶頸。相關研究表明,綜合孔徑微波輻射成像系統(tǒng)的探測能力取決于系統(tǒng)的角(空間)分辨率和靈敏度[9],而提高系統(tǒng)角(空間)分辨率相對于提高系統(tǒng)靈敏度而言更容易一些。因此,提高系統(tǒng)角(空間)分辨率是提高系統(tǒng)探測距離的重要途經(jīng)之一。而增加系統(tǒng)天線陣列規(guī)模以構建更大規(guī)模的天線陣列是獲取更高空間分辨率的重要手段和發(fā)展趨勢。

綜上所述,在被動微波遙感領域和目標探測領域,更大規(guī)模的天線陣列是綜合孔徑微波輻射成像技術的重要發(fā)展趨勢之一。國外提出的SMOS-ops、SMOS-H和星載分布式綜合孔徑微波輻射成像方案等均通過增加天線陣列的規(guī)模來提高系統(tǒng)的空間分辨率[36,39]。

3.1.2 提高工作頻段

綜合孔徑微波輻射成像技術的空間分辨率取決于天線陣列的最大物理尺寸和工作頻率,通過增加天線陣列的物理尺寸,可進一步提高微波輻射成像技術的空間分辨率[4]。但對于彈載、機載和星載等平臺,由于空間有限,其對于綜合孔徑微波輻射成像系統(tǒng)的體積、重量和功耗等都有較為嚴格的限制,增加天線陣列的物理尺寸不一定是最佳途經(jīng)。因此,對于這類空間有限的平臺,提高工作頻段則是進一步提升成像系統(tǒng)空間分辨率的重要途經(jīng),比如工作頻率由Ka波段提升至W波段或太赫茲頻段低端(如140 G、220 G)。近些年來,隨著工藝水平和技術能力的進步,包含W波段和太赫茲頻段低端在內(nèi)的器件關鍵性能提升為高頻段綜合孔徑微波輻射成像系統(tǒng)的研制提供了堅實的基礎。同時,高頻段微波器件相對于低頻段器件在體積和重量等方面也具有較大的優(yōu)勢,適用于空間有限的平臺。

需要特別指出的是,對于應用于目標探測領域的綜合孔徑微波輻射成像技術,提高工作頻段是獲取高空間分辨率的一種有效技術途經(jīng)。但對于地球被動微波遙感而言,由于獲取的地球物理參量與工作頻段密切相關,提高工作頻段以獲取高空間分辨率的手段則會受到較大的限制。

3.1.3 關鍵技術與所面臨的挑戰(zhàn)

盡管近年來硬件技術水平和信號處理能力的提升為大規(guī)模天線陣列的綜合孔徑微波輻射成像技術提供了重要的基礎,但大規(guī)模天線陣列的綜合孔徑微波輻射成像技術面臨以下幾項關鍵技術挑戰(zhàn)。

(1) 天線陣列設計與選擇。盡管大規(guī)模綜合孔徑微波輻射成像系統(tǒng)天線陣列規(guī)模較大,但同樣希望以最少的硬件代價獲得最佳的系統(tǒng)指標,比如瞬時視場、空間分辨率、系統(tǒng)靈敏度和系統(tǒng)探測性能等。國內(nèi)外相關學者對于綜合孔徑微波輻射成像技術中天線陣列的設計與選擇也開展了大量的研究,提出了多種陣列優(yōu)化算法和陣列設計方案[73]。但當天線陣元數(shù)目巨大時,同時由于一些系統(tǒng)指標的相互制約,造成天線陣列設計和選擇面臨著獲得最優(yōu)解困難、運算時間長等挑戰(zhàn)。因此,如何高效地設計和選擇天線陣列是大規(guī)模綜合孔徑微波輻射成像手段中的一項關鍵技術,需予以攻克。

(2) 大規(guī)模采集與相關處理。由于大規(guī)模天線陣列所需的接收機通道數(shù)目較多,且要求同時對所有接收機輸出的中頻信號進行高精度同步采集和高速實時相關處理,以獲取相關矩陣(可見度函數(shù))并用于后續(xù)的亮溫圖像重建。天線陣列規(guī)模越大,接收機通道越多,對高精度同步采集和大規(guī)模相關處理的要求越高。對于大規(guī)模綜合孔徑微波輻射成像系統(tǒng)而言,相關處理的挑戰(zhàn)主要體現(xiàn)在以幾何量級增加的超大規(guī)模運算量以及其運算所需的大規(guī)模高性能硬件的支撐。盡管目前的硬件運算能力得到飛速發(fā)展,但當前的硬件水平在大規(guī)模高精度同步和相關處理方面仍然面臨著巨大的挑戰(zhàn)。因此,對于大規(guī)模綜合孔徑微波輻射成像系統(tǒng)而言,高精度大規(guī)模采集和相關處理也是其關鍵技術之一。

(3) 系統(tǒng)誤差校正與定標。綜合孔徑微波輻射成像系統(tǒng)中各硬件的非理想特性不可避免地會引入各種誤差,其將會降低綜合孔徑微波輻射亮溫圖像質(zhì)量,甚至導致圖像變形或失真。大規(guī)模綜合孔徑微波輻射成像系統(tǒng)由于硬件規(guī)模更加巨大、系統(tǒng)更加復雜,其種類繁多的誤差同樣將不可避免地影響綜合孔徑微波輻射亮溫圖像質(zhì)量[4]。特別地,大規(guī)模天線陣列由于組裝和外力等因素會發(fā)生形變,進而引入天線誤差。在完成系統(tǒng)的誤差校正(相對定標)后,需要對系統(tǒng)進行絕對定標,以獲得定量化的場景亮溫圖像,即觀測場景定量化的綜合孔徑微波輻射亮溫圖像。目前,對綜合孔徑微波輻射成像系統(tǒng)的誤差校正與定標技術雖然已經(jīng)開展了很長時間的研究,并取得了相當多的進展,但基本上對校正硬件的性能要求都很高,在大規(guī)模陣列情況下實現(xiàn)起來尤為復雜。因此,必須研究大規(guī)模綜合孔徑微波輻射成像系統(tǒng)的誤差校正與定標技術,以獲取高質(zhì)量的微波輻射亮溫圖像,尤其是在對定量化要求高的地球被動微波遙感領域。

(4) 亮溫圖像重建技術。在綜合孔徑微波輻射成像技術中,由校正定標后的可見度函數(shù)重建得到的高質(zhì)量的亮溫圖像是由亮溫圖像重建技術實現(xiàn)的,其對亮溫圖像質(zhì)量有著直接的影響。盡管在理想情況下,校正后的可見度函數(shù)與觀測場景亮溫圖像滿足近似傅里葉變換關系,但由于系統(tǒng)噪聲和各類型誤差校正殘差的存在,其成像正演數(shù)學模型變?yōu)镕redholm第一類線性積分方程形式,其對應的反問題數(shù)學上具有病態(tài)特性,無法得到精確解[4],因此需要研究合適的亮溫重構技術以獲得高質(zhì)量的亮溫圖像。目前,對綜合孔徑微波輻射成像圖像重構技術已經(jīng)開展了大量的研究,并獲得了高質(zhì)量的亮溫圖像。但對于大規(guī)模綜合孔徑微波輻射成像系統(tǒng)而言,系統(tǒng)誤差校正后的系統(tǒng)殘差必然更加復雜,而研究高精度的亮溫圖像重構技術是獲得高質(zhì)量亮溫圖像的關鍵之一。

同時,高頻段作為提高綜合孔徑微波輻射成像系統(tǒng)的重要技術途經(jīng)之一,同樣面臨著以下挑戰(zhàn)。

(1) 高頻段對探測距離的影響。晴朗大氣及云、霧、煙塵和降雨等低可見度天氣對不同頻段的微波信號衰減不同,整體而言系統(tǒng)工作頻段越高、衰減越大;而衰減越大,導致目標與背景的對比度越小,從而最終影響系統(tǒng)的最遠探測距離,即衰減越大,最遠探測距離越小。因此,在最終考慮系統(tǒng)工作頻段時,需要綜合考慮云、霧、煙塵和降雨等低可見度天氣的影響以及平臺空間的限制與要求。

(2) 高頻段對瞬時視場的影響。綜合孔徑微波輻射成像系統(tǒng)的瞬時視場取決于天線陣列的最小單元間距,最小單元間距越大,瞬時視場越窄,反之越寬。對于單個天線而言,其有效面積(物理尺寸)與系統(tǒng)的靈敏度有關,天線單元有效面積越大,靈敏度越高。而單個天線單元有效面積(物理尺寸)又影響天線陣列的最小間距,有效面積越大,靈敏度越高,但同時由于單個天線有效面積(物理尺寸)越大,勢必造成最小單元間距越大,從而使得綜合孔徑微波輻射成像系統(tǒng)瞬時視場變窄。因此,在進行天線陣列設計時需要綜合考慮系統(tǒng)靈敏度和瞬時視場的要求。

3.1.4 兩種應用領域的差異

盡管綜合孔徑微波輻射成像技術可應用于地球被動微波遙感和目標探測兩個領域,但兩個方向的應用對綜合孔徑微波輻射成像系統(tǒng)的性能要求各有側重,其具體體現(xiàn)在以下幾個方面。

(1) 頻段選擇。考慮到大氣的衰減效應,應用于目標探測的系統(tǒng)工作頻段主要考慮大氣的窗口頻段[3],比如W波段和D波段。而由于地球物理參量與系統(tǒng)工作頻段密切相關,應用于地球被動微波遙感的系統(tǒng)工作頻率常選擇對該探測要素最敏感的工作頻段,比如海表鹽度最佳頻段為L波段,海表溫度最佳頻段為C波段。

(2) 空間分辨率。由于探測目標尺寸小,對用于目標探測的系統(tǒng)空間分辨率的要求非常高,要求分辨率達到數(shù)百米、數(shù)十米甚至數(shù)米。而對于地球被動微波遙感而言,其觀測對象是大尺度緩變的地球物理參量,系統(tǒng)空間分辨率在數(shù)十千米或數(shù)千米,這就導致兩種應用領域?qū)臻g分辨率的要求存在較大的差異。

(3) 實時性。由于探測目標大多數(shù)為時敏目標,對探測系統(tǒng)的實時性要求較高,需要探測系統(tǒng)須具備較高的實時性。然而,對于地球被動微波遙感應用而言,由于探測的地球物理參量是緩變的,對系統(tǒng)實時性要求不高,因此可進行離線處理。

(4) 絕對定標。在目標探測領域,主要是利用目標與背景的微波輻射亮溫差異實現(xiàn)對目標的探測,僅需誤差校正后的微波輻射亮溫相對圖像,即可實現(xiàn)對目標的探測,其對絕對定標的要求較為寬松;但在地球被動微波遙感領域中,由于需要獲取高精度定量化的地球物理參量,因此需要進行絕對定標,且對絕對定標的精度要求高。

根據(jù)上述兩種應用領域?qū)ο到y(tǒng)關鍵性能的側重差異不難發(fā)現(xiàn):應用于目標探測領域的綜合孔徑微波輻射成像系統(tǒng)的總體性能指標需求要高于應用于地球被動微波遙感領域的總體性能指標需求,絕對定標除外。

3.2 多手段聯(lián)合

多手段聯(lián)合是綜合孔徑微波輻射成像技術的重要發(fā)展趨勢之一,包括多頻段、主被動和多極化等。

在地球被動微波遙感領域,重要的地球物理參量通常會受到多個因素影響,單一的探測頻段或探測手段往往由于缺乏同步輔助測量要素,使得地球物理參量的測量精度受到一定的影響。比如在SMOS衛(wèi)星項目中,MIRAS作為唯一的有效載荷,負責獲取海表L波段的亮溫,用于反演海表鹽度,但由于缺少同步海表粗糙度輔助信息以校正海表粗糙度對海表亮溫的貢獻,進而影響了海表鹽度的探測精度,尤其在高風速下。正是基于此考慮, 國內(nèi)外相關研究機構提出多種解決方案,文獻[51]提出了多頻段聯(lián)合探測方案,包含L波段和X波段綜合孔徑微波輻射成像系統(tǒng)。文獻[1]提出了主被動雙模聯(lián)合探測方案,其包含L波段綜合孔徑微波輻射成像系統(tǒng)和L波段散射計。文獻[37]提出了MIRAS的下一代改進實驗系統(tǒng)PAU-SA系統(tǒng),其包含L波段綜合孔徑微波輻射成像系統(tǒng)和GNSS-R等多個探測手段。上述方案均是通過其他探測手段(如GNSS-R、散射計、紅外輻射計)或多頻段探測(如X波段輻射計)同步獲取海表粗糙度、海表物理溫度等輔助信息,以改進海表鹽度的測量精度。

在目標探測領域,復雜地海環(huán)境和電磁環(huán)境下各類型目標的有效探測與識別是當前目標探測領域的研究難點和熱點問題之一[74],多手段聯(lián)合是解決復雜環(huán)境下各類型目標有效探測與識別的重要途經(jīng)。隨著電子對抗技術和隱身技術的飛速發(fā)展,傳統(tǒng)單一手段無法實現(xiàn)對目標的有效探測,多手段聯(lián)合優(yōu)勢互補可在復雜環(huán)境下獲取目標的多源異構信息以實現(xiàn)對目標的有效探測與識別,其具體手段包括主被動聯(lián)合探測、目標多頻段多極化信息獲取等。比如在末制導中,主被動雙模或多模制導模式可提高對目標的探測能力和抗干擾能力;同樣,在海面目標探測領域,綜合孔徑微波成像技術可實現(xiàn)海面目標的寬幅普查與粗分類,合成孔徑雷達可實現(xiàn)對海面目標的詳查與融合精細化識別,兩種手段聯(lián)合可避免被動探測手段分辨率差和主動探測手段工作時間短、隱蔽性差以及受海雜波干擾大等問題。

4 結束語

綜合孔徑微波輻射成像技術的功耗低、隱蔽性強、受海雜波干擾小以及寬視場瞬時成像等優(yōu)點在目標探測領域具有很好的技術獨特性;且近幾年來綜合孔徑微波輻射成像技術在目標探測領域的應用取得了重要進展,其在目標探測領域的應用也再次引起了人們的重視。高空間分辨率是綜合孔徑微波輻射成像技術應用于地球被動微波遙感和目標探測領域所面臨的主要技術瓶頸。而近些年來硬件水平和信號處理能力的大幅提升為綜合孔徑微波輻射成像系統(tǒng)獲取高空間分辨率提供了有力的支撐。本文回顧了綜合孔徑微波輻射成像技術的發(fā)展歷程,綜述了綜合孔徑微波輻射成像技術的現(xiàn)狀并重點介紹了近幾年來綜合孔徑微波輻射成像技術在目標探測領域的研究進展。基于此,歸納了綜合孔徑微波輻射成像技術的發(fā)展趨勢,指出在地球被動微波遙感和目標探測領域,高空間分辨率和多手段聯(lián)合是綜合孔徑微波輻射成像技術的重要發(fā)展方向,擴大天線陣列規(guī)模和提高工作頻段是實現(xiàn)高空間分辨率綜合孔徑微波輻射成像技術的重要途徑。

當前,硬件水平和信號處理能力的提升以及目標的全天時、全天候、隱蔽性寬幅探測的需求,將極大地推動大規(guī)模綜合孔徑微波輻射成像技術的發(fā)展,綜合孔徑微波輻射成像技術在地球被動微波遙感和目標探測領域?qū)玫礁鼜V泛的應用。