摘 要：本文簡單介紹了綜合孔徑成像的基本原理，國內(nèi)外干涉式綜合孔徑輻射計(jì)的發(fā)展現(xiàn)狀，包括美國ESRAR，歐空局SMOS衛(wèi)星的主載荷MIRAS，中科院CASC/X，北京航空航天大學(xué)的BHU-2D，中科院GIM等，并對干涉式綜合孔徑輻射計(jì)的發(fā)展進(jìn)行了總結(jié)與展望。

關(guān)鍵詞：綜合孔徑微波輻射計(jì);干涉式微波輻射計(jì);展望

中圖分類號：TL817;TP722.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）25-0063-04

1 研究背景

微波輻射計(jì)[1]是一個(gè)測量物體熱輻射的高靈敏度、高分辨率的微波接收機(jī)[2]。其通過接收地物自身的微波熱輻射信號，獲取相應(yīng)目標(biāo)的特征信息。微波輻射計(jì)體積小，耗能低，能實(shí)現(xiàn)全天候監(jiān)測，已被廣泛應(yīng)用于地球環(huán)境遙感、軍事、醫(yī)學(xué)等各個(gè)方面[3-5]。與測量目標(biāo)反射系數(shù)的主動(dòng)式遙感設(shè)備（SAR雷達(dá)）不同，微波輻射計(jì)是一種測量目標(biāo)發(fā)射性能的被動(dòng)遙感設(shè)備，其探測結(jié)果與雷達(dá)成像形成良好的互補(bǔ)。

隨著科技的發(fā)展，微波輻射計(jì)的功能也越來越強(qiáng)大，此時(shí)，空間分辨率的約束成為了限制其發(fā)展的關(guān)鍵因素。對于傳統(tǒng)的孔徑微波輻射計(jì)來說，空間分辨率與接收天線口徑的物理尺寸呈正相關(guān)，但過大的天線物理尺寸會造成制造困難、成本增加、難以機(jī)械掃描等嚴(yán)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(jì)的空間分辨率，學(xué)者們在設(shè)計(jì)微波輻射計(jì)過程中加入了在射電天文學(xué)中廣泛應(yīng)用的干涉式綜合孔徑成像技術(shù)，即干涉式綜合孔徑輻射計(jì)[6]。天文學(xué)家在20世紀(jì)50年代首次將干涉式綜合孔徑成像技術(shù)應(yīng)用在天文望遠(yuǎn)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(shù)被應(yīng)用到微波遙感當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)了對地觀測，在被動(dòng)微波遙感領(lǐng)域掀起熱潮[8]。

綜合孔徑微波輻射計(jì)是通過干涉組合數(shù)個(gè)稀疏的小口徑天線，合成大的觀測孔徑，應(yīng)用干涉測量的原理，將天線接收的來自不同位置的測量結(jié)果進(jìn)行負(fù)相關(guān)輸出，不同的干涉基線對輻射亮溫分布的空間分辨率進(jìn)行采樣，獲得可見度函數(shù)，然后對其進(jìn)行逆傅立葉變換得到場景亮溫圖像[9]。與傳統(tǒng)的真實(shí)孔徑微波輻射計(jì)相比，干涉式綜合孔徑輻射計(jì)既降低了天線的物理口徑要求，又解決了天線機(jī)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(shù)

由兩個(gè)帶天線的輻射單元構(gòu)成的二元干涉儀[10]是綜合孔徑微波輻射計(jì)的基本構(gòu)成單元，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

它將兩個(gè)天線單元的輸出進(jìn)行負(fù)相關(guān)計(jì)算，在視場范圍內(nèi)進(jìn)行采樣，其相關(guān)輸出就是可見度函數(shù)（Visibility Function，VF）[10]。

綜合孔徑輻射計(jì)中包含若干個(gè)二元干涉儀。間距方向各不相同的若干個(gè)天線經(jīng)負(fù)相關(guān)計(jì)算后可得到覆蓋由低到高不同空間頻率的可見度函數(shù)[11]，再通過誤差定標(biāo)技術(shù)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(jié)構(gòu)排布是綜合孔徑的關(guān)鍵性技術(shù)。天線陣列排布決定了視場范圍內(nèi)可見度函數(shù)采樣，從而決定了綜合孔徑的陣列因子，而陣列因子可以導(dǎo)出系統(tǒng)的角分辨率，從而影響系統(tǒng)的靈敏度。同時(shí)，天線陣列的規(guī)?；旧蠜Q定了綜合孔徑輻射計(jì)系統(tǒng)的復(fù)雜程度。所以，天線的幾何排布是影響系統(tǒng)性能的重要因素。

目前，國內(nèi)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(huán)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(fā)射的SMOS衛(wèi)星的主載荷MIRAS系統(tǒng);U型陣，其代表為芬蘭赫爾辛基技術(shù)大學(xué)研發(fā)的二維機(jī)載綜合孔徑輻射計(jì)HUT-2D系統(tǒng);T型陣，其代表為北京航空航天大學(xué)電磁工學(xué)實(shí)驗(yàn)室研制的二維綜合孔徑輻射計(jì)BHU-2D系統(tǒng)。矩形采樣平面陣結(jié)構(gòu)簡單，天線呈等間隔排布，減少參數(shù)影響。但其在優(yōu)化過程中存在較大的采樣冗余，造成優(yōu)化算法運(yùn)算量過大。圓環(huán)陣在一定條件下可以實(shí)現(xiàn)零冗余，中科院空間中心在國家863計(jì)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(nèi)首個(gè)采用旋轉(zhuǎn)稀疏圓環(huán)陣的二維綜合孔徑輻射計(jì)。

3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

隨著數(shù)字技術(shù)的不斷發(fā)展及對干涉式綜合孔徑成像技術(shù)研究的不斷深入，綜合孔徑微波輻射計(jì)在不同的維度、目標(biāo)、軌道中均得到了廣泛的應(yīng)用。

3.1 不同維度的研究現(xiàn)狀

3.1.1 一維綜合孔徑輻射計(jì)。在我國，中科院空間中心從1996年開始進(jìn)行一維綜合孔徑輻射計(jì)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(jì)樣機(jī)CASC[12]。三年后，于2004年4月，中科院空間中心校飛試驗(yàn)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(jì)，成功獲取了高空間分辨率的機(jī)載微波輻射圖像[13]。這2臺設(shè)備的成功研制，為我國科研單位的深入研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。之后，成都十所研制了一維4單元樣機(jī)[14]，華中科技大學(xué)在毫米波段研制了16單元一維輻射計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對展源的清晰成像[15，16]。

3.1.2 二維綜合孔徑輻射計(jì)。北京航空航天大學(xué)電磁工學(xué)實(shí)驗(yàn)室于2006年7月成功研制出國內(nèi)首臺二維干涉綜合孔徑輻射計(jì)（BHU-2D）[17]。BHU-2D是一個(gè)由10個(gè)輻射單元組成的T型天線陣列，角分辨率為3.4°。經(jīng)過一系列的系統(tǒng)測試和成像試驗(yàn)，BHU-2D成功實(shí)現(xiàn)了對室內(nèi)人工場景和人物場景的輻射亮溫分布圖的繪制，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)[18]。

3.2 不同目標(biāo)的研究現(xiàn)狀

3.2.1 探測自然環(huán)境。1997年起，芬蘭赫爾辛基技術(shù)大學(xué)開始二維機(jī)載綜合孔徑輻射計(jì)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(tǒng)包括36個(gè)輻射單元和441條基線，于1999年完成4單元原型機(jī)的制作，于2007年開展機(jī)載實(shí)驗(yàn)[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(huán)境進(jìn)行觀察探測。

3.2.2 探測金屬目標(biāo)。2010年，德國DLR研究所也成功研制了一維旋轉(zhuǎn)綜合孔徑輻射計(jì)系統(tǒng)ANSAS[21]。其具有15個(gè)天線單元，利用旋轉(zhuǎn)Vivaldi天線對地球、天空及放置在不同地面紋理的金屬目標(biāo)進(jìn)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(jì)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(nèi)首個(gè)采用旋轉(zhuǎn)稀疏圓環(huán)陣的二維綜合孔徑輻射計(jì)，在周長2.819m的圓環(huán)上非均勻地稀疏分布著27個(gè)天線輻射單元，通過圓環(huán)自旋增加了觀測基線，從而提高空間分辨率[24]，并實(shí)現(xiàn)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(yīng)用

3.3.1 機(jī)載對地遙感綜合孔徑微波輻射計(jì)。20世紀(jì)80年代末期，美國麻塞諸薩州立大學(xué)（University of Massachusetts）與美國航天局（NASA）戈達(dá)德空間飛行中心（Goddard Space Flight Center）經(jīng)過反復(fù)合作試驗(yàn)，成功研制了世界上第一臺機(jī)載干涉式綜合孔徑微波輻射計(jì)ESTAR[26，27]。ESTAR是一個(gè)工作在L波段（1.4GHZ）由5個(gè)輻射計(jì)單元組成7條基線的一維綜合孔徑輻射計(jì)。ESTAR進(jìn)行了大量的機(jī)載試驗(yàn)，對土壤濕度和海水含鹽度[28]進(jìn)行一系列探測，將探測結(jié)果進(jìn)行反演推算，其結(jié)果與傳統(tǒng)真實(shí)孔徑輻射計(jì)保持高度的一致性，但在系統(tǒng)校正精度、陣列排布優(yōu)化和圖像反演算法上仍需要進(jìn)一步研究。

3.3.2 低軌星載綜合孔徑微波輻射計(jì)。2009年11月，歐洲太空局研制發(fā)射了目前地球上唯一一臺可以同時(shí)測量土壤濕度和海水含鹽度變化的SMOS衛(wèi)星[29，30]。SMOS衛(wèi)星的主載荷MIRAS[29]是一個(gè)工作在L波段的二維綜合孔徑微波輻射計(jì)[30]。其順軌方向和交軌方向均采用綜合孔徑技術(shù)獲取高空間分辨率，是世界上第一臺在軌運(yùn)行的星載綜合孔徑輻射計(jì)[31]。MIRAS采用Y型二維稀疏天線陣，將69個(gè)天線單元分布在每根約長4.5m的Y型臂上，系統(tǒng)中包含5 000多個(gè)數(shù)字相關(guān)器，是目前全球復(fù)雜程度最高的綜合孔徑輻射計(jì)系統(tǒng)[32，33]。

3.3.3 地球靜止軌道綜合孔徑微波輻射計(jì)。2002年起，美國航空局（NASA）航天實(shí)驗(yàn)室（JPL）開始研發(fā)二維毫米波綜合孔徑輻射計(jì)GeoSTAR [34]。GeoSTAR采用stagger-Y型陣列，在毫米波段對大氣溫度及濕度進(jìn)行全天候監(jiān)測。2005年，JPL完成了24單元的地面樣機(jī)研制，并展開了一系列地面近場及遠(yuǎn)場試驗(yàn)[35]。

2010年，歐空局完成了下一代地球靜止軌道毫米波輻射計(jì)GAS的研制[36]。GAS采用旋轉(zhuǎn)采樣方案，利用旋轉(zhuǎn)Y型天線，將天線單元數(shù)目降到了100左右，成功進(jìn)行了地面成像試驗(yàn)[37]。

4 應(yīng)用展望

隨著綜合孔徑輻射計(jì)技術(shù)的發(fā)展，其在地球遙感、氣象探測、軍事偵察等方面得到了廣泛應(yīng)用。如今，在微波低頻段（特別是在L波段）綜合孔徑輻射計(jì)的研究日益成熟，實(shí)現(xiàn)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(qiáng)、空間分辨率高、對人體安全、可以進(jìn)行全天候監(jiān)測等優(yōu)點(diǎn)，因此，毫米波綜合孔徑成像技術(shù)不斷發(fā)展，在人體安檢、反隱身探測中得到了廣泛應(yīng)用。

除了上述提到的對地觀測外，中科院國家空間科學(xué)中心于2004在空間科學(xué)任務(wù)中應(yīng)用了綜合孔徑輻射計(jì)——太陽極軌成像空間望遠(yuǎn)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(zhì)拋射事件進(jìn)行遙感觀測成像。

隨著人們對綜合孔徑成像技術(shù)的深入研究，以及微波器件的日益發(fā)展，干涉式綜合孔徑輻射計(jì)將得到更廣泛的應(yīng)用。

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