关于微波遥感若干技术及空间遥感方法的研究.doc

关于微波遥感空间遥感方法的研究［摘要］随着微波遥感技术在国民经济发展、环境和灾害监测、资源勘探、科学研究以及军事 中应用的不断深入，这一技术•正在经历着前所未有的发展文章就当前微波遥感发展的若干 前沿技术，例如高性能和新型机理、更高频率的开拓、全电磁波综合探测、小型化以及虚拟 探测等进行了分析论述,重点介绍了三维成像雷达高度计、干涉式综合孔径微波辐射计以及 虚拟探测技术最后介绍了全球地形测量编队小卫星的设想［关词］微波遥感;成像高度计;综合孔径微波辐射计;空间虚拟探测;小卫星1前言人类即将进入的21世纪对地球和地球村的居民来说将是一个极为重要的阶段，因为人类 在20世纪已创造了前所未有的文明,科学与技术得到空前的高速发展在航天、能源、新资 源及信息技术等方面取得了日新月异的进步同时面临看资源短缺、生态环境遭到严重破坏、 人口增长的压力、连续不断的地区冲突、来自霸权主义的威胁等多方面的问题面对这些挑 战如何保证可持续发展?如何合理使用资源?如何促进社会发展并在提高人类生活质量的同 吋建立和维持最佳生态环境是21世纪的最大课题航天技术，特别是遥感技术在解决这些问 题方面正发挥并将继续发挥重要作用。

有人说,21世纪人类依赖航天技术的程度可与19世 纪、20世纪人类依赖石油和电力相比拟遥感技术在航天活动中具有特殊的位置，特别是微 波遥感将发挥越来越重要的作用因此世界先进国家都在积极发展这一技术，不断推岀一系 列的前沿技术这些前沿技术，在频段、遥感参量、遥感手段和方法，以及技术工艺、结构及 新的相关技术应用等方面,都比传统技术上了一个更高的台阶，使微波遥感更能满足用户要求, 更能适应新的观测机制2微波遥感简述微波遥感的发展经历了近50年从工作机理而言有四种基本的模态:散射测量模态(散 射计SCAT)、高度测量模态(高度计ALT)、成像雷达(合成孔径雷达SAR)等三种主动式工作 模态和一种被动式工作模态即辐射测量模态(辐射计RAD)o1978年发射的美国海洋卫星Seasat-A是第一颗综合性微波遥感卫星,而先后发射的 NOAA气象卫星系列上已搭载了微波辐射计80年代，美国提出行星地球使命计划(MTPE), 对地观测系统(EOS)是MTPE的核心，其中很多平台上都有微波遥感任务自80年代以來, 美国、俄罗斯、欧空局、日本、印度等国家都在积极进行微波遥感卫星发射,欧洲遥感卫星 (ERS-1、ERS-2)上的主动微波仪(AMI)系统、美法合作卫星(TOPEX/POSEIDON)的高度计 (ALT)、日本先进对地观测卫星(ADEOS-II)、EOSPM-1卫星、NOAAK-N卫星及欧洲的环境 卫星（ENVISAT）和METOP卫星、海洋卫星OKEANO及加拿大雷达卫星（RADARSAT）等的 主要载荷都是微波遥感器。

除此之外，在月球、火星、金星等只能在一定程度上改善地面分 辨率只有第三种途径才是理想的选择因为它大大降低了对天线口径的要求，但同时它也 大大增加了信号处理的复杂性APL的R.KeithRaney[7]等提出的Rang/Doppler高度计虽然 在沿方位向采用了非聚焦的合成孔径技术，因此只能提高方位向的地而分辨率,而且刈幅没有 增加，仍然达不到三维成像的要求如果能够将常规高度计的信号处理技术同SAR的信号处 理技术以及干涉信号处理技术结合起来，就不难达到三维成像的目的根据目前的技术条件, 这种结合是可能的中科院空间中心,在八六三航天领域的支持下，就星载三维成像雷达高度 计关键技术进行研究，提出了新型的工作原理[8〜10]:1） 偏离天顶点观测，一方面增加了刈幅宽度，同时可以获得距离向的高分辨率（垂直高度的测量转化为斜距的测量）2） 采用孔径合成技术来获得方位向的高分辨率根据需要可以采用聚焦型或非聚焦型孔 径合成处理3） 在海洋应用时，利用脉冲有限技术来获得平均海平面的高度、海面有效波高（只需要处 理回波信号的前面部分），完成传统高度计的测量此时高度跟踪是通过基于BROWN回波的 修正模型来实现。

在波束限制的范围内，通过距离门技术来获得距离向的分辨率，通过孔径合 成技术来获得方位向的分辨率通过双天线相干技术，获得分辨率单元的高度值，从而达到三 维成像的目的4） 在海冰和陆地应用时採用偏离重心点算法（OCOQoffsetcenterofgravity）^:进行高度跟 踪OCOG算法是一种与回波模型无关的算法它既可以获得较大范围内的平均高度值，还 可以获得分辩单元的平均高度值用OCOG算法获得的高度值与用相干技术获得的高度值进行比较，可以更可靠地获得第三维高度信息主要进行方 位向的波束锐化处理，获得方位向较高的分辨率部分是相干信息的形成和处理单元并获収 分辨率单元内的高度值三维成像雷达高度计信号处理包括:距离向和方位向脉冲压缩（二维 成像）、多视处理、相干图像配准、相位解缠、相位差■高度转换-三维成像等过程3干涉式综合孔径微波辐射计[1V14]干涉式综合孔径微波辐射计是近年来被动微波遥感技术发展的一个热点,是射电天文综 合孔径望远镜在对地观察领域的发展和应WL1-3J.干涉式综合孔径微波辐射计通过采用不 同基线的干涉测量，得到合成一个等效大口径天线所需要的所有的基线组合，并通过干涉测量 得到的可视度函数反演成像得到观察区域的亮温分布.在天线的远区,可视度函数与亮温分 布成傅里叶变换关系，而且所有相同长度和取向的基线的干涉测量结果相同，所以可以大大稀 疏天线的布局.综合孔径微波辐射计的主要优点是:通过小口径天线的干涉组合合成大口径 天线，避免了高精度大口径天线的加工闲难及大口径天线机械扫描带來的问题,并在一定程度 上缓解市于积分时间引起空间分辨率和温度分辨率的矛盾.综合孔径微波辐射计的基本单 元是二元干涉仪，综合孔径微波辐射计实际上是多个具有不同基线的二元干涉仪的组合。

对 于微波辐射接收机，由于接收的是随机噪声,大孔径天线接收的功率输出P正比于输出电压的 统计均值（VF,visibilityfunction）0亮温分布图像可以通过可见度函数测量结果的反Fourier变 换获得进行成像变换所盂要的可见度函数，即具有不同基线参数的可见度函数分量的获得 可以通过不同基线组合或考基线的运动（对应基线投影的变化）实现综合孔径微波辐射计的 空间分辨率决定于干涉测量的最人基线长度综合孔径微波辐射计干涉基线组合必须满足反 演亮度分布对可见度函数分量的要求对地观测的综合孔径微波辐射讣在技术上有以下特 点:a.多采用固定基线的方式以满足测量的积分要求;b.稀疏的程度较小,必须满足理想采样条 件，釆样率由视场范围决定;C.天线间距不引起入射角的明显变化这些要求是综合孔径微波 辐射计用于对地观测所需要解决的问题为干涉式综合孔径微波辐射计的系统示意图如果 被观测的目标在观测过程中没有时间变化，大孔径天线的输出只筒用两个小孔径天线在不同 的位置上进行干涉测量，并将干涉结果相干叠加，就能达到与大孔径天线相同的测量结果，这 就是微波辐射测量的综合孔径原理根据式（2）进行直接的孔径综合，要求将两个小天线逐一 取遍所有的位置组合（i,j）。

显然这样直接的孔径综合的效率很低，没有实际的应用价值但是 可以注意到以下两点乩求和公式中很多项是重复的,因而可以进行大量的稀疏根据天线理 论，当目标位于天线的远区时，对孔径综合起作用的是用來进行干涉测量的两个小孔径天线的 相对位置（称为基线），而与这两个基本天线的绝对位置无关,即综合孔径的结果是rh基线的长 度和取向决定的如果在大孔径天线中满足采样定理要求的所有可能的基线都被取遍，就可 以得到与大孔径天线完全相同的综合结果b.通过相关器可以得到两个射频电压乘积的均值 和相位差，然后就可以计算对于来自全部N个孔径单元的信号之间存在任何一种所要求的相 位关系时的求和结果特别是可以综合出大孔径天线的波束指向某些不同方向时的测量结果, 从而实现波束的数字扫描4关于空间虚拟技术至今,空间遥感主要经历信息获取（遥感器）、星上预处理、信息传输、地面预处理及最终 用户处理等过程，而载荷平台都是一颗卫星或一个独立的平台因此信息质量主要是取决于 遥感器的性能和以后的处理能力，这就对遥感器提出了很高甚至是苛刻的要求为了达到所 需要的信息质量指标，不得不把遥感器做的越來越复杂以微波遥感为例，用户对图像分辨率 提出很高的要求，在21世纪开发多参量微波遥感器（包括极化、相位、频段等信息）及三维成 像遥感器后，遥感器将变得越来越复杂，势必增加功耗、质量和体积。

这样的一台遥感器只能 作为大卫星的载荷为解决这一问题，从20世纪90年代,有关国家都在研究遥感器的小型化 和卫星一体化设计等问题，并获得了可喜的进展但受到目前技术发展、器件水平的限制，复 杂功能的遥感器不易做的太小，如合成孔径雷达的小型化受天线尺寸的限制另一方面，有些 新的功能用一个平台不易完成，如高分辨率三维图像的获取随着科学技术的发展，特别是计 算机技术、信号处理等前沿技术的发展，一种虚拟现实技术逐步发展起来在人类生活中已 显现出难以想像的作用借助于该技术，人们可以实现以往无法获得的效果那么这种虚拟 现实技术在天上能否实现?天上能不能组成虚拟卫星、虚拟雷达、虚拟辐射计、虚拟干涉仪、 虚拟成像系统以及虚拟三维成像系统等等，形成21世纪特有的空间虚拟观测技术?航天技术 发展至今，在技术上已具备发展空间虚拟探测技术的基本条件近十儿年,特别是近儿年，美国 等科技先进国家的航天大国，已在研究这一技术而且开始了技术演示、验证空间虚拟技术 的可行性得到了证明空间虚拟探测的基本技术在空间形成虚拟现实且完成给定的功能不是一件轻而易举的 事，需要解决一系列关键技术和理论问题,主要包括下列几点:a技术建立在多颗相互具有严格 关系的小卫星组基础上，因此小卫星技术是不可缺少的（另文讨论有关小卫星遥感问题）;b.形 成特定功能的虚拟技术的构策及总体设计技术，即要提出为形成特定功能所需要的卫星数量 及英空间分布及每颗卫星上的载荷性能、星间关系等;c・卫星自主运行、自主编队、自主处理 技术;d.编队飞行技术是一项专门的技术,也需要解决一系列相关技术，如发射、变轨、轨道保 持与控制等;e.空间虚拟功能及相关软件技术;f.虚拟系统的控制技术;g.适应虚拟探测的有效 载荷技术;h.形成虚拟技术的理论分析和计算技术;i.精度定位及时间测量技术。

上述每一项技 术都是一个大的技术领域，需要专门研究国际上的若干实例国际上已经有一些编队飞行，形成虚拟现实的系统尽管这些系统是 初步的，技术上尚需要进一步改进，但其发展势头迅猛，而且在21世纪将形成航天技术的生力 军它在很大程度上，具有改变未来空间探测方法的能力由于前节所叙述的基本技术已逐 步解决，越來越多地出现了编队飞行卫星即在已发射的卫星基础上，补充新的卫星來重组形成 虚拟探测系统此外美国在地球轨道EarthOrbit-l（EO-l）上用GPS建立飞行器自主导航系统 （SANS-GEO）以便 EO-1 与 LandSat-7（LS-7）编队 E 行EO・1 在 LS-7 后约 45050km 处与 LS-7 编队飞行在空间组成虚拟雷达，在地面形成所需要的足迹以儿个分布式工作的小卫星实 现高精度的虚拟合成孔径雷达是一项令人十分感兴趣的技术一旦这一技术得以实现，其在 国防和国民经济建设中的应用前景将是非常广阔的一种示范系统全球三维地形测量编队小 卫星设想随着微波遥感技术在灾害和环境监测、灾害评估与救援、交通和基础设施规划、城 市建设、军事侦察、军事指挥中应用的深入，以及在地质学、地理学、冰川学、水文学、植 物学、生态学、海洋学、海冰研究中应用的深入,一维数据或二维图像已经不能完全满足应 用的需要，于是三维地形数据（图）的要求便提了出来。

通过三维成像获取三维地。