毫米波超综合孔径辐射计成像技术

　　0　引　言

　　微波辐射计是被动微波遥感的主要工具,但是较低的空间分辨率限制了实孔径微波辐射计的广泛应用[1]。近年来采用稀疏天线阵列的干涉式综合孔径辐射计(syntheticaperture interferometric radiometer,SAIR)有效地解决了微波辐射计的空间分辨率与天线尺寸之间的矛盾,并迅速成为微波无源遥感领域的研究热点[2],但是当工作频段延伸到毫米波频段,SAIR对稀疏天线阵列和接收机通道的一致性和稳定性等方面都提出了极高的技术要求,对于当前机载或车载的SAIR都难以达到,因此必须采用复杂和精密的实时校正方法来获取高分辨率的微波辐射图像[3]。此外SAIR尽管可以采用最小冗余稀疏天线阵列,在为了能够得到更高的空间分辨率的驱使下,天线单元的数量仍然可以达到了成百甚至上千。采用超综合孔径辐射计(super-syn-thesis radiometer,SSR)能够以较小数量的天线单元(极限的情况下只包括一个二元干涉仪),利用SSR与被测场景的相对运动获得很高空间分辨率的微波辐射图像。因此SSR系统相对SAIR而言简单可靠,同时极大的降低了辐射计系统定标的难度。超综合孔径技术最初是一种应用于射电天文观测的高分辨率干涉测量技术,该技术利用二元干涉仪在空间频率平面的投影随地球转动而变化的特点对天体图像进行空间频率采样,并最终反演出天体图像。1991年Komiyama将该超综合孔径技术引入到对地观测微波遥感领域,提出了超综合孔径辐射计(SSR)的概念[4],与SAIR要求场景位于天线阵列远场不同,SSR是一种近场成像技术。随后,Komiyama等人研制了工作频率为6.6 GHz和10 GHz的SSR原理样机[5-7],对点源目标、天空和建筑物等展源目标进行了一系列的成像实验,成像结果验证了上述设想。SSR工作的基本原理是:当空中沿直线运动的二元干涉仪对地面点源目标进行观测时,干涉仪的输出信号具有一个随位置变化的线性调频区间,可以近似为一个线性调频信号,因此Komiyama采用合成孔径雷达技术中常用的基于匹配滤波的脉冲压缩技术获得该点源目标的位置并实现高的空间分辨率。

　　将傅氏反演的方法应用于超综合孔径辐射计的近场成像技术中,在傅氏反演方法下给出了SSR的空间分辨率和灵敏度;进一步设计了毫米波(Ka波段)SSR简单样机,即二元干涉仪,分别采用匹配滤波和傅氏反演的信号处理方法完成一维噪声点源成像实验,验证了毫米波超综合孔径技术的可行性和傅氏反演的方法的正确性,最后对SAIR和SSR各自的工作特点进行了比较。

　　1　SSR傅氏反演成像技术

　　1.1　基本理论

　　超综合孔径辐射计的基本结构如图1所示,它是由两个天线单元和一个复相关器组成的一个沿x轴方向运动的二元干涉仪,为了在x轴方向上利用孔径综合技术实现高的空间分辨率,天线单元在该方向上通过较宽的波束连续的接收场景的热辐射信号。图1中,点目标所在位置在XZ平面的坐标为(0,-h),该目标到达两个天线单元的距离分别为r1,r2,两个天线单元的基线长度为d,基线与垂直方向的夹角为α。SSR初始位置坐标为(-x,0),并沿x轴正方向匀速运动,fc为接收的热辐射信号的中心频率,则两个天线在位置x处收到的亮度过程b1(x;t)、b2(x;t)可以表示为