综合孔径微波辐射成像技术发展现状与趋势

卢海梁, 范清彪, 李鹏飞, 李一楠,*, 严颂华, 郎 量, 靳 榕, 李青侠

(1. 湖北珞珈实验室, 湖北 武汉 430079; 2. 中国空间技术研究院西安分院, 陕西 西安 710100; 3. 武汉大学遥感信息工程学院, 湖北 武汉 430079; 4. 华中科技大学多谱信息处理重点实验室, 湖北 武汉 430074)

0 引 言

温度高于绝对零度(0 K)的物体都会产生非相干电磁辐射,物体的这种非相干电磁辐射亦称为热辐射[1]。物体在微波频段的电磁辐射称为微波热辐射,或简称为“微波辐射”。微波辐射测量技术是利用微波辐射测量设备获得物体或场景微波辐射强度(亮温),微波辐射测量设备实质上是一台精确标定后的高灵敏度、高稳定度的微波接收机,也称为“微波辐射计”[2]。

由于微波辐射计不发射任何信号,也不依赖于其他任何发射源的信号,并且具有全天时、准全天候(可穿透云层、浓雾、小雨和烟尘等)的特点[3],可以一定深度穿透地表、植被以及人体等,可提供可见光、红外和主动雷达等其他手段不能提供的信息,其在大气海洋陆地遥感、月球与深空探测、探测制导、安防安检、医疗检测和科学研究等领域有广泛的应用[4-5]。但相对于可见光、红外和主动雷达等探测手段,由于受限于大孔径天线和笨重的机械扫描转台,传统实孔径微波辐射计的空间分辨较低[4,6]。为提高微波辐射测量技术的空间分辨率,在20世纪80年代,提出了一种基于干涉测量的综合孔径微波辐射成像技术,其采用稀疏的小口径天线阵列合成一个等效的大口径天线,从而提高空间分辨率,同时可有效降低天线的体积与重量,且无需机械扫描即可实现对物体或场景的宽视场瞬时成像,从而为提高微波辐射测量技术的空间分辨率提供了一种可行的途径[7]。

然而,由于综合孔径微波辐射成像技术的分辨率优势是以系统复杂度和信号处理复杂度为代价的,在相当长的一段时间内,大型综合孔径微波辐射成像系统由于阵元数目过多导致系统结构和信号处理非常复杂,从而制约了综合孔径微波辐射成像系统的规模及其性能[8]。近些年来,随着硬件水平和信号处理能力的提升以及综合孔径微波辐射成像技术具备功耗低、隐蔽性强、受海杂波干扰小、宽视场瞬时成像等诸多优点[3],综合孔径微波辐射成像技术在目标探测领域的应用又重新受到重视,且近几年来综合孔径微波辐射成像技术在被动微波遥感和目标探测领域的应用均取得了重要进展[9-15]。鉴于此,本文在回顾综合孔径微波辐射成像技术发展的基础上,归纳了综合孔径微波辐射成像技术的发展现状,总结综合孔径微波辐射成像技术当前所面临的问题和未来的发展趋势,从而为综合孔径微波辐射成像技术在微波遥感和目标探测等领域的应用提供了一定的参考。

1 综合孔径微波辐射成像技术发展回顾

微波辐射测量技术最早、也是最成功的应用领域为射电天文领域,后被应用于地球遥感、目标探测以及其他领域。当前,地球被动微波遥感是微波辐射测量技术应用的重要领域之一,包括大气遥感、海洋遥感和陆地遥感等[4]。星载微波辐射计作为全球性观测的重要工具之一,已经在地球科学领域扮演着重要角色。许多地球观测卫星都搭载星载微波辐射计,比如1972年发射的雨云-7号卫星搭载了多通道微波扫描辐射计[7]。空间分辨率是微波辐射计的重要指标之一,但高空间分辨率所需的大孔径天线和笨重的扫描转台对于传统实孔径微波辐射计在体积和重量等方面提出了巨大的挑战[6-7,16]。

1.1 综合孔径微波辐射成像技术发展历程

为解决高空间分辨率与传统实孔径微波辐射计较大体积与重量之间的矛盾,瑞士的Schanda教授首次提出将综合孔径技术应用于微波辐射测量领域;20世纪80年代末,Ruf等[7]研制了世界上第一个综合孔径微波辐射计——电子扫描稀疏阵列辐射计(electronically scanned thinned array radiometer, ESTAR)以观测海表盐度和土壤湿度。随后,多个研究机构相继开展了大量的探索性研究工作,并研制了多个综合孔径微波辐射计系统或样机,其中最具代表性的是欧空局(European Space Agency, ESA)的基于综合孔径的微波辐射计(microwave imaging radiometer using aperture synthesis, MIRAS)项目[17-19]和美国航空航天局(National Aeronautics and Space Administration, NASA)的地球静止轨道综合孔径微波辐射计(geostationary synthetic thinned aperture radiometer, GeoSTAR)项目[20]。已于2009年11月2日成功发射升空的土壤湿度和海洋盐度(soil moisture and ocean salinity, SMOS)卫星[21],其搭载的唯一载荷MIRAS是人类第一颗星载综合孔径微波辐射成像系统,也是目前有且仅有的一颗在轨的星载综合孔径微波辐射成像系统[22]。MIRAS作为一个非常成功的综合孔径微波辐射成像系统,其对于推动综合孔径微波辐射测量技术的发展和应用具有十分重要的意义。

1.2 综合孔径微波辐射成像技术应用历程

早期,推动综合孔径微波辐射成像技术发展的主要动力是解决高空间分辨率星载实孔径微波辐射计在体积重量和功耗等方面所面临的巨大挑战,以满足各种应用要求,包括大气遥感、海洋遥感和陆地遥感。比如,ESA研制的SMOS卫星搭载的MIRAS主要获取全球的土壤湿度分布和海洋盐度分布以用于全球气候变化和气象预测等科学研究[19]。NASA研制的GeoSTAR主要作为一种地球静止轨道探测器(geostationary earth orbit sounder, GEOS)毫米波遥感问题的解决方案,以获取高分辨率的全天候大气温、湿度观测以提高对台风、暴雨、强对流等突发性气象灾害的监测和预报能力,以及预报准确度[20]。文献[23]提出基于旋转的综合孔径微波辐射测量方法以作为地球静止轨道微波大气探测的解决方案,并研制了基于旋转的综合孔径微波辐射成像系统——地球静止轨道毫米波大气探测仪(geostationary interferometric microwave sounder, GIMS)[23]。

与此同时,国内外一些高校和研究机构针对综合孔径微波辐射成像技术在目标探测领域的应用也开展了一些探索性的研究工作。比如,文献[24]报道了利用机载综合孔径微波辐射成像系统对地侦察的研究工作。文献[25]指出使用综合孔径微波辐射成像系统可观测到距离1.5 km以外地面上大小为3 m×3 m的金属目标。文献[26]研制了一台一维综合孔径微波辐射成像系统,并基于此开展了大量的探索性研究工作。

而近几年来,随着电子对抗技术的飞速发展,复杂的电磁环境使得微波主动雷达的探测性能面临着极大挑战,而综合孔径微波辐射成像技术由于不主动发射任何信号而具有较强的隐蔽性以及受海杂波、箔条、角反射器等无源或有源干扰影响小等优点而再次引起了人们的重视。与此同时,近十年来,器件性能和信号处理能力的飞速发展也为大规模综合孔径微波辐射成像系统的研制提供了重要支撑。相关重要研究成果包括文献[9-12]开展的海面目标机载综合孔径微波辐射探测实验,成功地实现了晴朗天气和浓云天气条件下海面目标的有效探测。相关研究成果在一定程度上推动了综合孔径微波辐射成像技术在海面目标中、远距离探测方向的发展和应用。

2 综合孔径微波辐射成像技术发展现状

自基于干涉测量原理的综合孔径微波辐射成像技术概念被提出以来,国内外相关研究机构和高校在综合孔径微波辐射成像技术方面开展了大量的研究工作,并相继研制了多个综合孔径微波辐射成像系统或样机。下面分别阐述综合孔径微波辐射成像技术在被动微波遥感和目标探测方面的国内外研究现状。

2.1 国外发展现状

2.1.1 遥感方向发展现状

(1) 美国NASA的ESTAR项目

1983年,美国NASA的戈达德空间中心(Goddard Space Flight Center, GSFC)将射电天文中的综合孔径理论引入到星载微波辐射测量技术中以提高其空间分辨率,随后其联合美国Umass大学研制了世界上首台综合孔径微波辐射成像系统——ESTAR系统[27],如图1所示。ESTAR系统由5根杆状天线采用最小冗余排布构成一维综合孔径微波辐射成像系统,工作在L波段,带宽为20 MHz,并利用该系统开展了大量实验,成功地获得了一系列图像结果,其主要被用于获取土壤湿度和海洋盐度[27]。在NASA仪器孵化器(instrument incubator program, IIP)项目的资助下,GSFC和Umass大学又联合研制了ESTAR的下一代系统二维扫描稀疏阵列辐射计(two dimensions-scanned thinned array radiometer, 2D-STAR)[28]。该系统是一个二维L波段综合孔径微波辐射成像系统,其天线阵列为一个11×11的矩形满阵,如图2所示。利用该系统也验证了不同稀疏阵列方案(如Y、T、U、十等)。2D-STAR开展了大量的机载实验,成功获得了一系列图像结果。另外,还有一些ESTAR的其他衍生系统,如马萨诸塞大学下属Prosensing公司1999年研制的机载ESTAR37[27]和2003年GSFC为“轻型雨云辐射计”使命研制的一维X波段综合孔径辐射计原理样机[29]。ESTAR和2D-STAR等系统的研制和实验为综合孔径微波辐射成像技术的发展奠定了重要基础。

图1 ESTAR结构示意图Fig.1 Structure diagram of ESTAR

图2 2D-ESTAR原理样机Fig.2 Principle prototype of 2D-ESTAR

(2) ESA的MIRAS

1993年,ESA开始开展了星载二维综合孔径微波辐射成像系统MIRAS的研究,并将其作为1999年ESA批准的SMOS卫星计划中的唯一有效载荷[21],其工作在L波段(1 400～1 425 MHz)[30],由单臂天线数目为21的“Y”型天线阵列构成,如图3所示[31],轨道高度为755 km,空间分辨率为30～50 km,幅宽为900 km,如图4所示,重返周期为3～7 d,其主要目的是获取全球土壤湿度和海洋盐度。自MIRAS项目启动以来,ESA及相关研究机构或大学研制了多个版本的原理样机或试验样机系统。最早,丹麦技术大学研制了一个2通道的X波段相关辐射计,称为TUD(Technical University of Denmark)模型[32];随后,研制了11单元的“Y”型阵列的原理样机——MIRAS breadboard样机[33];其后,又研制了一个12单元的“Y”型阵列的机载样机——Airborne MIRAS[34],如图5所示。2005年,作为SMOS计划的重要参与单位,芬兰赫尔辛基技术大学提出并于2005年成功研制了二维机载综合孔径微波辐射成像系统HUT-2D(Helsinki University of Technology two-dimensional radiometer)[35],如图6所示。该系统天线阵列采用36单元的U形阵,用于验证综合孔径微波辐射成像技术的原理和定标方法。最终,MIRAS于2009年11月2日成功发射升空,其是世界上首个投入实际应用的星载综合孔径微波辐射成像系统,也是目前唯一在轨的星载综合孔径微波辐射成像系统[21]。截至目前,MIRAS已经在轨工作了十余年,其获得了大量有价值的遥感数据,对于推动综合孔径微波辐射成像技术的发展具有重要的实际意义。

图3 MIRAS系统天线结构示意图Fig.3 Antenna structure schematic diagram of MIRAS system

图4 MIRAS空间示意图Fig.4 Diagram of MIRAS from space

图5 Airborne MIRAS天线阵列和机载实验安装图Fig.5 Antenna array and airborne experiment of Airborne MIRAS

图6 HUT-2D系统天线结构示意图Fig.6 Antenna structure diagram of HUT-2D

基于MIRAS的研究基础,ESA已经开展下一代MIRAS的相关研究计划,即SMOS-ops[36]。同时,为了改进MIRAS实验系统,文献[37]提出了MIRAS下一代改进实验系统,即PAU-SA (passive advanced unit-synthetic aperture)系统[37],该系统由3个全被动传感器组成,其中一个是类似于MIRAS的25单元“Y”型阵的L波段(1.575 42 GHz)综合孔径微波辐射成像系统,其原理样机如图7所示[37],包括天线臂、空载天线、辐射计的8单元天线臂和全球导航卫星系统反射计(global navigation satellite system-reflectometry, GNSS-R)的7单元天线阵。2016年,文献[38]提出了一种星载分布式综合孔径微波辐射成像方案,如图8所示[39]。其通过多颗卫星搭载分布式综合孔径微波辐射系统构建长基线,并利用小卫星平台的运动旋转覆盖完备的空间采样点,以进一步提升L频段综合孔径微波辐射成像系统的空间分辨率[39],以时间分辨率为代价换取高空间分辨率。

图7 PAU-SA系统原理样机Fig.7 System prototype of PAU-SA

图8 分布式综合孔径微波辐射成像系统示意图Fig.8 Schematic diagram of distributed synthetic aperture microwave radiation imaging system

(3) 美国NASA的GeoSTAR

2002年,美国NASA提出了GeoSTAR研究项目,将其作为一种高空间分辨率的GEOS毫米波遥感方案,以实现高空间分辨率的全天候的大气温度和湿度探测[40]。在NASA IIP项目的资助下,美国喷气推进实验室(Jet Propulsion Laboratory, JPL)在2005年研制了GeoSTAR第1代样机,如图9(a)所示,该样机系统工作在50～60 GHz,采用交错“Y”型阵列,每个天线臂包含8个喇叭天线单元,一共包含24个喇叭天线单元[40]。2011年,JPL开始研制GeoSTAR的第2代样机GeoSTAR-II,如图9(b)所示,该样机工作在135～183 GHz,GeoSTAR-II阵列排布由3个尺寸为4×4的子阵组成,一共包含48个天线单元[41]。2016年,JPL研制了GeoSTAR的第3代样机GeoSTAR-III,如图9(c)所示[42],该样机工作在165～183 GHz,同样采用交错“Y”型阵,由9个天线子阵组成,每个阵列尺寸为4×4,一共包含144个天线单元。

图9 GeoSTAR研制的原理样机Fig.9 Prototype developed by GeoSTAR

(4) ESA的GAS

2005年,ESA提出了地球静止轨道星载综合孔径毫米波成像载荷研制项目GAS(geostationary atmospheric sounder, GAS)[43],用于全天候对地探测大气温度、湿度廓线,地面分辨率为30 km,每30 min更新一次图像,同时采用53 GHz、118 GHz、183 GHz和380 GHz 4个频段。为了减小阵列规模和系统复杂度,GAS采用的是稀疏“Y”型阵列,通过分时旋转扫描得到较为均匀且完整的空间采样平面。该项目已于2010年研制了一台21单元的53 G缩比样机,如图10所示[44]。在ESA的支持下,瑞典Omnisys公司在2015年启动了GAS第2代样机的研制工作,目前未见后续相关报道。

图10 GAS缩比样机及系统方案Fig.10 GAS prototype and GAS system scheme

此外,美国特拉华大学在综合孔径微波辐射成像理论和系统方面也开展了大量研究工作,在2009年研制了六边型综合孔径微波辐射成像系统[45]。

2.1.2 探测方向发展现状

本世纪初,国外相关机构针对综合孔径微波辐射成像技术在目标探测方面的应用开展了探索性研究。2002年,德国航天中心展示了机载综合孔径微波辐射成像系统对地军事实施和目标侦察的研究工作,如图11所示[24]。2004年,波兰华沙科技大学尝试利用多基辐射干涉测量系统的相关测量结果探测空中目标,并利用多普勒频移方法来估计目标的位置和速度[46]。美国拉莫斯国家实验室提出了利用多颗小卫星搭载多频段实孔径微波辐射成像系统组成编队,利用干涉测量原理通过卫星运动形成多个长基线以获取高分辨率的对地微波被动成像,用于对地军事侦察[47]。后续相继零星文献报道了一些关于高频段微波辐射成像系统器件的研究进展。

图11 德国航天中心机载成像结果Fig.11 Airborne imaging results from German Space Center

由于微波辐射成像技术在军事领域应用的敏感性,国外对综合孔径微波辐射成像技术在目标探测方面的应用报道很少,公开报道仅限上述内容,后续也很少看见公开报道。

2.2 国内发展现状

2.2.1 一维综合孔径微波辐射成像技术

文献[48]介绍了一台L波段5单元一维综合微波辐射成像系统,如图12所示。文献[49]报道了国内首台一维6单元的C波段综合孔径微波辐射成像系统。文献[50]报道了一台8单元X波段的一维综合孔径微波辐射成像系统,图13所示。文献[26]介绍了一台8 mm的16单元一维抛物柱面综合孔径微波辐射成像系统如HUST-ASR (Huazhong University of Science and Technology-aperture synthesis radiometer),该系统是国内外第一个采用抛物柱面体制的综合孔径微波辐射成像系统,如图14所示。

图12 L波段一维综合孔径微波辐射计原理样机Fig.12 Prototype of one-dimensional L-band synthetic aperture microwave radiometer

图13 X波段一维综合孔径微波辐射成像系统Fig.13 One-dimensional X-band synthetic aperture microwave radiation imaging system

图14 一维抛物柱面体制综合孔径微波辐射成像系统Fig.14 Synthetic aperture microwave radiation imaging system with one-dimensional parabolic cylindrical system

2.2.2 二维综合孔径微波辐射成像技术

文献[51]介绍了一台28单元L波段的“Y”型综合孔径微波辐射成像系统(见图15)和一台19单元的X波段“Y”型综合孔径微波辐射成像系统(见图16)。文献[52]报道了大量的外场实验和机载实验结果,并介绍了盐度星的两个重要载荷之一——L波段“Y”综合孔径微波辐射成像系统的研制工作情况(见图17),目前正在开展工程样机研制。

图15 L波段的“Y”型综合孔径微波辐射成像系统Fig.15 L-band “Y”-shape synthetic aperture microwave radiation imaging system

图16 X波段的“Y”型综合孔径微波辐射成像系统Fig.16 X-band “Y”-shape synthetic aperture microwave radiation imaging system

图17 海洋盐度卫星空间示意图Fig.17 Space schematic diagram of ocean salinity satellite

文献[53]和文献[54]分别报道了一套24单元94 G的“Y”型阵列和“十”字型的综合孔径微波辐射成像系统,并利用该系统在亮温重构技术等方面开展了深入研究。

文献[55]报道了一台10单元的“T”型综合孔径微波辐射成像系统BHU-2D(BeiHang University-two dimensional),并展示了实验图像。文献[56]又分别报道了一台48单元的U型综合孔径微波辐射成像系统(BHU-2D-U)、256单元综合孔径微波辐射成像系统(BHU-256)和1 024单元的一维相控阵综合孔径的微波辐射成像系统(BHU-1 024)。

2.2.3 其他体制综合孔径微波辐射成像技术

文献[57]提出了镜像综合孔径微波辐射成像理论与方法,以减少系统的硬件规模,随后研制了一台Ka波段的原理样机[16],如图18所示。文献[58-59]提出了旋转镜像综合孔径微波辐射成像理论与方法,以进一步提高空间分辨率。文献[16]报道了一套V波段原理样机,如图19所示,并给出了大量实验结果以验证镜像综合孔径微波辐射成像原理和相关理论的正确性,从而进一步推动了镜像综合孔径微波辐射成像技术的发展。

图18 Ka波段镜像综合孔径微波辐射计原理样机Fig.18 Prototype of Ka-band mirrored synthetic aperture microwave radiometer

图19 V波段镜像综合孔径微波成像原理样机Fig.19 Prototype of V-band mirrored synthetic aperture microwave imaging

文献[60]提出了基于旋转圆环阵列综合孔径微波辐射成像方法的地球静止轨道毫米波大气探测仪GIMS的解决方案,以面向大气探测需求。文献[61]展示了第一代原理样机GIMS-I,如图20(a)所示;文献[62]展示了地球静止轨道毫米波大气探测仪全尺寸样机GIMS-II,如图20(b)所示。文献[63]介绍了研制的一台L波段旋转圆形综合孔径微波辐射成像系统原理样机时钟扫描微波干涉辐射计(clock scan microwave interferometric radiometer, CSMIR),如图21所示。文献[64]又提出了基于一维抛物柱面的主被动联合探测盐度计系统,并将其作为盐度星的载荷方案之一,其原理样机如图22所示。目前,该方案已经作为盐度星的两个重要载荷之一,正在被开展工程样机研制。

图20 GIMS研制样机Fig.20 GIMS development prototype

图21 L波段旋转圆形综合孔径微波辐射成像系统原理样机CSMIRFig.21 L-band rotating circular synthetic aperture microwave radiation imaging system prototype CSMIR

图22 一维抛物柱面的主被动联合探测盐度计Fig.22 Active and passive joint detection salinity meter with one-dimensional parabolic cylindrical surface

2.2.4 探测方向发展现状

在国内,综合孔径微波辐射成像技术应用于目标探测领域的研究主要集中于理论分析和实验验证。

20世纪90年代,国内一些研究机构开始探索将微波辐射成像技术应用于目标探测领域。1995年,文献[4]就尝试利用微波辐射成像系统探测目标。1998年,文献[65]探讨了毫米波辐射成像系统探测空中隐身目标的相关问题。文献[66]研究了微波辐射成像系统探测隐身目标的若干基本问题。随着综合孔径微波辐射成像技术和硬件水平的发展以及其兼具分辨率高和瞬时视场宽等优点,其在目标探测方面的应用也成为了综合孔径微波辐射成像技术研究的重要领域之一。2004年,文献[25]又报道了利用综合孔径微波辐射成像系统探测到1.5 km远的3 m×3 m的地面金属目标的实验结果。2005年,文献[26]研究了综合孔径微波辐射成像技术在目标探测方面的应用,开发综合孔径微波辐射成像仿真平台,并利用研制的HUST-ASR系统开展了大量的实验研究,分析了综合孔径微波辐射成像系统探测空中目标的关键性能指标。2008年,文献[67]提出了将机载综合孔径微波辐射成像技术应用于目标探测领域,并分析了探测系统的关键指标与探测距离之间的关系。同年,文献[68]又分析了浓雾对微波辐射被动探测系统探测性能的影响,并基于32单元8 mm的综合孔径微波辐射成像系统开展了仿真分析。2012年,文献[69]探讨了综合孔径微波辐射成像技术在远距离目标探测应用中的天线阵列优化设计问题,并指出随着科学技术和制造工艺的发展,综合孔径微波辐射成像系统必将取得重大进展。2015年,文献[70]仿真分析了综合孔径微波辐射成像系统探测空中隐身目标的基本性能,并给出了仿真分析结果。

2016年,文献[71]提出将机载/星载高分辨率综合孔径微波辐射成像技术用于海面目标探测,并于2018年在国内外首次开展了海面目标机载验证实验(见图23),验证了海面目标机载综合孔径微波辐射探测技术的可行性[10](实验结果如图24所示),并提出了海面目标综合孔径微波辐射被动探测算法,以提高海面目标探测性能及挖掘更多的目标信息[72]。文献[12]利用研制的综合孔径微波辐射成像系统又开展了空中目标的探测实验(见图25),验证了利用地基综合孔径微波辐射成像技术探测空中运动目标的可行性[12]。近几年来,综合孔径微波辐射探测技术在理论研究和实验验证等方面取得了重要研究成果,是国内近十年来在微波辐射探测领域取得的重要进展之一,对于推动综合孔径微波辐射成像技术在目标探测领域的应用具有十分重要的实际意义。

图23 机载校飞试验Fig.23 Airborne calibration flight test

图24 海面目标机载实验结果Fig.24 Airborne experimental results of sea surface targets

图25 空中目标试验结果Fig.25 Experimental results about aerial targets

3 综合孔径微波辐射成像技术发展趋势

地球被动微波遥感和目标探测等方面的实际应用需求是推动综合孔径微波辐射成像技术发展的主要动力,硬件技术水平和信号处理能力的提升也为综合孔径微波辐射成像技术的发展提供了重要支撑。目前,高空间分辨率和多手段联合是综合孔径微波辐射探测技术发展的重要趋势。

3.1 高空间分辨率

高空间分辨率是综合孔径微波辐射成像技术发展的重要趋势之一,其在地球被动微波遥感和目标探测等应用领域中均具有重要的实际应用意义[4]。在地球被动微波遥感领域,高空间分辨率在提高极端天气的预测能力和全球气候气象的研究水平等方面均具有积极作用[4];在目标探测领域,高空间分辨率可提高微波辐射探测技术的探测距离,其对于该探测技术在目标探测领域的应用具有重要的推动作用。当前,提高空间分辨率的两个重要途经是扩大天线阵列规模和提高工作频段。

3.1.1 扩大天线阵列规模

在被动微波遥感领域,获取高空间分辨率的海洋盐度、土壤湿度和大气温湿度廓线等重要的地球物理参量依然是重要科学目标之一,是全球气象研究、气候研究和提升极端天气预测能力的重要基础[4],且受地球物理参量与工作频段密切相关的限制,更大规模的天线阵列成为高空间分辨率地球被动微波遥感提高空间分辨率的有效解决途经[4]。目前,在轨或正在研制的星载综合孔径微波辐射成像系统的空间分辨率仍然没有达到探测要素的时空分辨率要求,比如海表盐度、海面温度、大气温湿度等[4]。国外一些研究机构也相继提出和论证了更大规模的星载综合孔径微波辐射成像系统方案[36,39]。

在目标探测领域,综合孔径微波辐射成像技术具有独特的优点,包括瞬时视场宽、功耗低、隐蔽性强、受云/雾/烟尘和海杂波影响小等[3],其对隐身目标也具有较好的探测能力。但与主动微波雷达相比,综合孔径微波辐射成像技术的空间分辨率相对较低,这导致其探测距离有限,这也是目前综合孔径微波辐射成像技术应用于目标探测领域所面临的最大瓶颈。相关研究表明,综合孔径微波辐射成像系统的探测能力取决于系统的角(空间)分辨率和灵敏度[9],而提高系统角(空间)分辨率相对于提高系统灵敏度而言更容易一些。因此,提高系统角(空间)分辨率是提高系统探测距离的重要途经之一。而增加系统天线阵列规模以构建更大规模的天线阵列是获取更高空间分辨率的重要手段和发展趋势。

综上所述,在被动微波遥感领域和目标探测领域,更大规模的天线阵列是综合孔径微波辐射成像技术的重要发展趋势之一。国外提出的SMOS-ops、SMOS-H和星载分布式综合孔径微波辐射成像方案等均通过增加天线阵列的规模来提高系统的空间分辨率[36,39]。

3.1.2 提高工作频段

综合孔径微波辐射成像技术的空间分辨率取决于天线阵列的最大物理尺寸和工作频率,通过增加天线阵列的物理尺寸,可进一步提高微波辐射成像技术的空间分辨率[4]。但对于弹载、机载和星载等平台,由于空间有限,其对于综合孔径微波辐射成像系统的体积、重量和功耗等都有较为严格的限制,增加天线阵列的物理尺寸不一定是最佳途经。因此,对于这类空间有限的平台,提高工作频段则是进一步提升成像系统空间分辨率的重要途经,比如工作频率由Ka波段提升至W波段或太赫兹频段低端(如140 G、220 G)。近些年来,随着工艺水平和技术能力的进步,包含W波段和太赫兹频段低端在内的器件关键性能提升为高频段综合孔径微波辐射成像系统的研制提供了坚实的基础。同时,高频段微波器件相对于低频段器件在体积和重量等方面也具有较大的优势,适用于空间有限的平台。

需要特别指出的是,对于应用于目标探测领域的综合孔径微波辐射成像技术,提高工作频段是获取高空间分辨率的一种有效技术途经。但对于地球被动微波遥感而言,由于获取的地球物理参量与工作频段密切相关,提高工作频段以获取高空间分辨率的手段则会受到较大的限制。

3.1.3 关键技术与所面临的挑战

尽管近年来硬件技术水平和信号处理能力的提升为大规模天线阵列的综合孔径微波辐射成像技术提供了重要的基础,但大规模天线阵列的综合孔径微波辐射成像技术面临以下几项关键技术挑战。

(1) 天线阵列设计与选择。尽管大规模综合孔径微波辐射成像系统天线阵列规模较大,但同样希望以最少的硬件代价获得最佳的系统指标,比如瞬时视场、空间分辨率、系统灵敏度和系统探测性能等。国内外相关学者对于综合孔径微波辐射成像技术中天线阵列的设计与选择也开展了大量的研究,提出了多种阵列优化算法和阵列设计方案[73]。但当天线阵元数目巨大时,同时由于一些系统指标的相互制约,造成天线阵列设计和选择面临着获得最优解困难、运算时间长等挑战。因此,如何高效地设计和选择天线阵列是大规模综合孔径微波辐射成像手段中的一项关键技术,需予以攻克。

(2) 大规模采集与相关处理。由于大规模天线阵列所需的接收机通道数目较多,且要求同时对所有接收机输出的中频信号进行高精度同步采集和高速实时相关处理,以获取相关矩阵(可见度函数)并用于后续的亮温图像重建。天线阵列规模越大,接收机通道越多,对高精度同步采集和大规模相关处理的要求越高。对于大规模综合孔径微波辐射成像系统而言,相关处理的挑战主要体现在以几何量级增加的超大规模运算量以及其运算所需的大规模高性能硬件的支撑。尽管目前的硬件运算能力得到飞速发展,但当前的硬件水平在大规模高精度同步和相关处理方面仍然面临着巨大的挑战。因此,对于大规模综合孔径微波辐射成像系统而言,高精度大规模采集和相关处理也是其关键技术之一。

(3) 系统误差校正与定标。综合孔径微波辐射成像系统中各硬件的非理想特性不可避免地会引入各种误差,其将会降低综合孔径微波辐射亮温图像质量,甚至导致图像变形或失真。大规模综合孔径微波辐射成像系统由于硬件规模更加巨大、系统更加复杂,其种类繁多的误差同样将不可避免地影响综合孔径微波辐射亮温图像质量[4]。特别地,大规模天线阵列由于组装和外力等因素会发生形变,进而引入天线误差。在完成系统的误差校正(相对定标)后,需要对系统进行绝对定标,以获得定量化的场景亮温图像,即观测场景定量化的综合孔径微波辐射亮温图像。目前,对综合孔径微波辐射成像系统的误差校正与定标技术虽然已经开展了很长时间的研究,并取得了相当多的进展,但基本上对校正硬件的性能要求都很高,在大规模阵列情况下实现起来尤为复杂。因此,必须研究大规模综合孔径微波辐射成像系统的误差校正与定标技术,以获取高质量的微波辐射亮温图像,尤其是在对定量化要求高的地球被动微波遥感领域。

(4) 亮温图像重建技术。在综合孔径微波辐射成像技术中,由校正定标后的可见度函数重建得到的高质量的亮温图像是由亮温图像重建技术实现的,其对亮温图像质量有着直接的影响。尽管在理想情况下,校正后的可见度函数与观测场景亮温图像满足近似傅里叶变换关系,但由于系统噪声和各类型误差校正残差的存在,其成像正演数学模型变为Fredholm第一类线性积分方程形式,其对应的反问题数学上具有病态特性,无法得到精确解[4],因此需要研究合适的亮温重构技术以获得高质量的亮温图像。目前,对综合孔径微波辐射成像图像重构技术已经开展了大量的研究,并获得了高质量的亮温图像。但对于大规模综合孔径微波辐射成像系统而言,系统误差校正后的系统残差必然更加复杂,而研究高精度的亮温图像重构技术是获得高质量亮温图像的关键之一。

同时,高频段作为提高综合孔径微波辐射成像系统的重要技术途经之一,同样面临着以下挑战。

(1) 高频段对探测距离的影响。晴朗大气及云、雾、烟尘和降雨等低可见度天气对不同频段的微波信号衰减不同,整体而言系统工作频段越高、衰减越大;而衰减越大,导致目标与背景的对比度越小,从而最终影响系统的最远探测距离,即衰减越大,最远探测距离越小。因此,在最终考虑系统工作频段时,需要综合考虑云、雾、烟尘和降雨等低可见度天气的影响以及平台空间的限制与要求。

(2) 高频段对瞬时视场的影响。综合孔径微波辐射成像系统的瞬时视场取决于天线阵列的最小单元间距,最小单元间距越大,瞬时视场越窄,反之越宽。对于单个天线而言,其有效面积(物理尺寸)与系统的灵敏度有关,天线单元有效面积越大,灵敏度越高。而单个天线单元有效面积(物理尺寸)又影响天线阵列的最小间距,有效面积越大,灵敏度越高,但同时由于单个天线有效面积(物理尺寸)越大,势必造成最小单元间距越大,从而使得综合孔径微波辐射成像系统瞬时视场变窄。因此,在进行天线阵列设计时需要综合考虑系统灵敏度和瞬时视场的要求。

3.1.4 两种应用领域的差异

尽管综合孔径微波辐射成像技术可应用于地球被动微波遥感和目标探测两个领域,但两个方向的应用对综合孔径微波辐射成像系统的性能要求各有侧重,其具体体现在以下几个方面。

(1) 频段选择。考虑到大气的衰减效应,应用于目标探测的系统工作频段主要考虑大气的窗口频段[3],比如W波段和D波段。而由于地球物理参量与系统工作频段密切相关,应用于地球被动微波遥感的系统工作频率常选择对该探测要素最敏感的工作频段,比如海表盐度最佳频段为L波段,海表温度最佳频段为C波段。

(2) 空间分辨率。由于探测目标尺寸小,对用于目标探测的系统空间分辨率的要求非常高,要求分辨率达到数百米、数十米甚至数米。而对于地球被动微波遥感而言,其观测对象是大尺度缓变的地球物理参量,系统空间分辨率在数十千米或数千米,这就导致两种应用领域对空间分辨率的要求存在较大的差异。

(3) 实时性。由于探测目标大多数为时敏目标,对探测系统的实时性要求较高,需要探测系统须具备较高的实时性。然而,对于地球被动微波遥感应用而言,由于探测的地球物理参量是缓变的,对系统实时性要求不高,因此可进行离线处理。

(4) 绝对定标。在目标探测领域,主要是利用目标与背景的微波辐射亮温差异实现对目标的探测,仅需误差校正后的微波辐射亮温相对图像,即可实现对目标的探测,其对绝对定标的要求较为宽松;但在地球被动微波遥感领域中,由于需要获取高精度定量化的地球物理参量,因此需要进行绝对定标,且对绝对定标的精度要求高。

根据上述两种应用领域对系统关键性能的侧重差异不难发现:应用于目标探测领域的综合孔径微波辐射成像系统的总体性能指标需求要高于应用于地球被动微波遥感领域的总体性能指标需求,绝对定标除外。

3.2 多手段联合

多手段联合是综合孔径微波辐射成像技术的重要发展趋势之一,包括多频段、主被动和多极化等。

在地球被动微波遥感领域,重要的地球物理参量通常会受到多个因素影响,单一的探测频段或探测手段往往由于缺乏同步辅助测量要素,使得地球物理参量的测量精度受到一定的影响。比如在SMOS卫星项目中,MIRAS作为唯一的有效载荷,负责获取海表L波段的亮温,用于反演海表盐度,但由于缺少同步海表粗糙度辅助信息以校正海表粗糙度对海表亮温的贡献,进而影响了海表盐度的探测精度,尤其在高风速下。正是基于此考虑, 国内外相关研究机构提出多种解决方案,文献[51]提出了多频段联合探测方案,包含L波段和X波段综合孔径微波辐射成像系统。文献[1]提出了主被动双模联合探测方案,其包含L波段综合孔径微波辐射成像系统和L波段散射计。文献[37]提出了MIRAS的下一代改进实验系统PAU-SA系统,其包含L波段综合孔径微波辐射成像系统和GNSS-R等多个探测手段。上述方案均是通过其他探测手段(如GNSS-R、散射计、红外辐射计)或多频段探测(如X波段辐射计)同步获取海表粗糙度、海表物理温度等辅助信息,以改进海表盐度的测量精度。

在目标探测领域,复杂地海环境和电磁环境下各类型目标的有效探测与识别是当前目标探测领域的研究难点和热点问题之一[74],多手段联合是解决复杂环境下各类型目标有效探测与识别的重要途经。随着电子对抗技术和隐身技术的飞速发展,传统单一手段无法实现对目标的有效探测,多手段联合优势互补可在复杂环境下获取目标的多源异构信息以实现对目标的有效探测与识别,其具体手段包括主被动联合探测、目标多频段多极化信息获取等。比如在末制导中,主被动双模或多模制导模式可提高对目标的探测能力和抗干扰能力;同样,在海面目标探测领域,综合孔径微波成像技术可实现海面目标的宽幅普查与粗分类,合成孔径雷达可实现对海面目标的详查与融合精细化识别,两种手段联合可避免被动探测手段分辨率差和主动探测手段工作时间短、隐蔽性差以及受海杂波干扰大等问题。

4 结束语

综合孔径微波辐射成像技术的功耗低、隐蔽性强、受海杂波干扰小以及宽视场瞬时成像等优点在目标探测领域具有很好的技术独特性;且近几年来综合孔径微波辐射成像技术在目标探测领域的应用取得了重要进展,其在目标探测领域的应用也再次引起了人们的重视。高空间分辨率是综合孔径微波辐射成像技术应用于地球被动微波遥感和目标探测领域所面临的主要技术瓶颈。而近些年来硬件水平和信号处理能力的大幅提升为综合孔径微波辐射成像系统获取高空间分辨率提供了有力的支撑。本文回顾了综合孔径微波辐射成像技术的发展历程,综述了综合孔径微波辐射成像技术的现状并重点介绍了近几年来综合孔径微波辐射成像技术在目标探测领域的研究进展。基于此,归纳了综合孔径微波辐射成像技术的发展趋势,指出在地球被动微波遥感和目标探测领域,高空间分辨率和多手段联合是综合孔径微波辐射成像技术的重要发展方向,扩大天线阵列规模和提高工作频段是实现高空间分辨率综合孔径微波辐射成像技术的重要途径。

当前,硬件水平和信号处理能力的提升以及目标的全天时、全天候、隐蔽性宽幅探测的需求,将极大地推动大规模综合孔径微波辐射成像技术的发展,综合孔径微波辐射成像技术在地球被动微波遥感和目标探测领域将会得到更广泛的应用。