旋转扫描被动微波成像子母卫星系统

摘要

本发明公开了一种利用干涉式综合孔径成像技术与天线阵列旋转扫描相结合来实现高空间分辨率的子母卫星系统。该系统包括一母星和N个子星，各个所述子星相对于所述母星的位置分布采用针对空间频率采样基线的长度的优化方法而得到。本发明提高了孔径稀疏效率，简化辐射成像仪的系统复杂度，提高了空间频域覆盖，提高了空间分辨力，结合离心力和重力梯度稳定，实现了简单的子星姿态稳定控制。

说明书

技术领域

本发明主要涉及航天遥感领域内被动微波成像仪，尤其涉及一种利用干涉式综合孔径成像技术与天线阵列旋转扫描相结合来实现高空间分辨率的子母卫星系统。

背景技术

微波遥感技术是本世纪六十年代以后发展起来的一个新兴的科学技术领域，是继可见光和红外遥感之后又一有效的对地观测手段。它在遥感技术领域占有越来越重要的地位，目前已广泛应用于全球变化监测、空间探测、资源开发、环境保护以及其它民用和军事领域。

微波遥感包括有源微波遥感和无源微波遥感。有源遥感又称主动遥感，它通过接收和分析目标对遥感器发射的微波信号的散射响应获取目标信息；无源遥感又称被动遥感，它通过接收和分析目标自身辐射的微波信号，获得关于目标特性的信息。有源微波遥感器包括雷达高度计、散射计和合成孔径雷达等；无源微波遥感器即微波辐射计。

微波辐射计通过接收地物自身的微波噪声辐射获取地物的特征信息，与主动微波遥感器(雷达)相比，具有体积小、重量轻等优势，并对目标表面粗糙度等宏观结构特征不敏感，在大气、海洋、植被和土壤湿度测量等方面获得了很好的应用，是目前数量最多的星载微波遥感器。

由于微波辐射计所测量的地物噪声辐射是不相干的随机噪声信号，无法象合成孔径雷达(SAR)那样对平台运动轨迹上不同位置测量到的信号进行相干处理，实现大的等效口径。因此传统的单天线全功率微波辐射计的空间分辨力完全决定于接收天线的物理口径。而对于星载平台来说，天线尺寸和重量都受到严格的限制。因此提高空间分辨力一直是微波辐射测量技术中的瓶颈问题，现有的星载微波辐射计的地面空间分辨率都是几十、甚至几百公里，主要应用局限于对大气和海洋的大、中尺度过程与现象的测量。

干涉式综合孔径成像技术的引入为突破这一瓶颈提供了有效的手段。该项技术来源于射电天文领域，1950～1960年代天文学家们首先将其应用于提高射电天文望远镜的角分辨率，取得了很好的效果，如文献[1]A.Richard Thompson，James M.Moran，George W.Swenson，“Interferometry and synthesis in radioastronomy”，Krieger Publishing Company，Malabar，Florida，1994公开的技术。从20世纪80年代开始，该项技术被引入到遥感领域应用于对地观测，如文献[2]C.S.Ruf，C.T.Swift，A.B.Tanner and D.M.Le Vine，“Interferometricsynthetic aperture microwave radiometry for the remote sensing of the earth”，IEEE Trans.GRS，Vol.26，No.5，pp.597-611，Sep，1988中公开的技术。文献2中公开技术的基本原理是利用具有不同基线长度和方向的二元干涉仪进行空间频率域的采样，然后再经过傅利叶变换获得空间图像。由于二元干涉仪中的单元天线可以被不同的基线共用多次且单元天线孔径很小，因此原来较大的天线物理孔径就可以被稀疏比极大的散布的小单元天线阵列代替，同时无需波束扫描，便于星载实现。

综合孔径微波辐射计的基本构成单元是二元干涉仪，它的功能是对两个单元天线的输出进行复相关运算，得到的相关输出通常被称为可见度函数(VF，VisibilityFunction)。这两个不同空间位置的单元天线构成一个基线。如果将地物亮温分布称为空间时间域(简称空间域)，则干涉仪在不同基线下的测量值就称为空间频率域(简称频率域)，所得到的不同基线的二元干涉仪的复相关就是与该基线对应的空间频率域坐标处的可见度函数分量采样值。由于二元干涉仪在进行空间频率采样时，其基线在一定距离内平移所得测量结果不变(满足天线远场条件)，因此同一基线或空间频率只需采样一次，而且一个单元天线可以被多条基线共用，这样就使得同样物理孔径的阵列天线的单元数量大量的稀疏。

综合孔径微波辐射计实际上是一组公用单元天线的二元干涉仪的集合。这些不同基线的长度和方向在二维空间频率中覆盖了从低频到高频(决定于长基线)的整个空间，其瞬时输出的可见度函数采样值构成了被观测目标的辐射亮温分布在天线阵孔径投影上的傅利叶变换。因此，辐射亮温分布图像可以通过可见度函数测量结果的反傅利叶变换或其它数值变换算法获得。

根据上面的分析，如何通过不同基线组合的设计(即单元天线的空间位置分布)来实现对空间频率域采样的尽可能大且均匀的覆盖，便成为干涉式综合孔径成像技术的关键问题。依据天线阵列稀疏方式的不同(也即基线组合设计方式的不同)，目前的干涉式综合孔径微波辐射计主要分为一维和二维两大类，如文献[3]D.M.LeVine，“Synthetic aperture radiometer system”，IEEE Trans.MTT，Vol.47，No.12，pp.2228-2236，Dec，1999中公开的。

一维综合孔径微波辐射计一般采用杆状天线组成稀疏天线阵列，仅在顺轨方向利用杆状的真实窄波束实现所需的分辨率，而在交轨方向采用综合孔径技术获得所需的窄波束。因此一维系统实际上是一个综合孔径-真实孔径混和成像系统，基线的设计只需考虑基线长度的区别，没有方向的不同。一维综合孔径微波辐射计以美国的ESTAR(Electronically Scanned Thinned Array Radiometer，简称ESTAR)为代表，如图1所示，数字1表示天线阵，数字2表示目标区域。该系统由美国马塞诸萨大学(UMASS)在美国宇航局(NASA)的支持下于1988年研制成功，并在90年代作了大量的机载试验(Washita92，Washita94，SGP97，SGP99等)，获取了大量的试验数据，并对土壤湿度、海水含盐度等参数做了反演，强有力的验证了综合孔径技术应用于被动微波遥感的可行性与先进性。ESTAR是目前较为成熟的综合孔径微波辐射计之一，其后续星载版本HydroSTAR也正在研制之中。

国内目前对一维综合孔径技术的研究也已经比较成熟，中国科学院空间科学与应用研究中心于2001及2004年先后成功研制出两台C波段及X波段的一维机载综合孔径微波辐射计，并通过校飞试验成功获取了了高空间分辨率的机载微波辐射图像，参考文献[4]Hao Liu，Ji Wu，Shouzheng Ban，etc，“The CAS Airborne X-bandSynthetic Aperture Radiometer：System Configuration and ExperimentalResults”，Proceeding of 2004 IEEE International Geoscience and RemoteSensing Symposium(IGARSS’04)，Alaska，USA。

对于一维的星载系统来说，其不足在于：由于在顺轨方向仍然需要利用波导缝隙天线的真实孔径来获取空间分辨率，因此天线的重量体积的进一步降低受到限制；而且，当接收单元一维线性分布时，可证明当单元个数大于4时不可避免地会出现相同的基线组合。这将导致在孔径较大的情况下，基线的冗余将增多。

二维综合孔径微波辐射计在顺轨和交轨方向均是采用综合孔径技术来实现获取高空间分辨力所需的窄波束。与一维系统不同，二维综合孔径辐射计在二维孔径平面上实现天线阵列的有效稀疏，最大限度的发挥了综合孔径技术的优越性。基线的在二维平面上分布，基线组合的设计必须同时考虑基线长度和基线方向的优化。典型的二维系统以欧洲在研的MIRAS(Microwave Imaging Radiometer using ApertureSynthesis，简称MIRAS)为代表，如参考文献[5]：M.Martin-Neira and J.M.Goutoule，“MIRAS-A two-dimensional aperture-synthesis radiometer for soilmoisture and ocean salinity observations，”ESA Bulletin，no.92，pp.95-104，Nov.1997；中公开的技术。MIRAS采用Y型天线阵列稀疏方案，每根臂长达4.5米，整个系统含69个天线及接收机单元，以及约5000个相关器，是目前最先进的综合孔径辐射计系统。MIRAS的概念1994年由欧洲空间局(ESA)提出，并于1998年被确定ESA土壤湿度和海水盐度对地观测卫星(Soil Moisture and Ocean Salinitymission，SMOS)的唯一载荷，该卫星预计于2007年发射。但是对于现有二维系统而言，例如Y形、U形、十字形，其局部仍存在将接收单元一维线性排布的情况，因此也不可避免的会出现一维情况下的基线冗余的情况。

综合分析以上介绍的现有的高分辨力的综合孔径辐射计系统，无论是以ESTAR为代表的一维系统还是以MIRAS为代表的二维系统，其稀疏天线阵列的设计都是固定不扫描的，只是通过对天线单元在二维空间分布上的优化，获取不同的基线组合。

诚然，干涉式综合孔径概念引入被动遥感对地观测的初衷之一就是为了避免大口径天线机械扫描的困难。但通过这样的方式减小天线的发射体积与重量并规避天线机械扫描的困难也是有代价的，那就是整个辐射计系统的复杂化，每一个单元天线均需单独配备一个接收机，所有接收机的中频输出需要输入到相关器作复相关运算。这一点在二维系统中尤为突出，以MIRAS为例，整个系统包括69个接收机以及多达5000个单元的数字相关器阵列，这无疑将增加系统工程研制的成本及难度，并对系统工作的稳定性及系统定标带来极大的挑战。

因此，现有技术的不足就需要一种改进的综合孔径被动微波成像系统。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术存在的不足，为了更有效提高被动微波遥感的空间分辨力，降低现有的采用固定式天线稀疏方案的干涉式综合孔径辐射计的系统复杂程度，达到更高的孔径稀疏程度，从而提供一种改进的旋转扫描被动微波成像子母卫星系统。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种旋转扫描被动微波成像子母卫星系统，包括：

一母星，用来与地球测控和通信以及控制整个系统的工作状态；

N个子星，每个所述子星通过一牵引系绳或刚性伸杆与母星物理连接，并具有重力梯度平衡能力以确保其姿态稳定；所述母星与N个所述子星分布在同一个平面上；N的取值没有特别限定，主要根据空间分辨率的要求来选定，分辨率要求高，则N的取值也就大；一般N可以是大于或等于2的整数。

如图2所示，当系统处于工作状态时，整个子母卫星系统围绕所述母星自旋，自旋轴指向被观测目标。

在上述技术方案中，所述母星与各所述子星均配备有太阳能帆板单独供电。

在上述技术方案中，所述子星主要包括一个圆极化单元天线与接收机，用于在旋转过程中完成对观测区域的天线波束覆盖及对该区域辐射亮温的相干接收；所述母星主要包括一个数字信号处理单元，完成对各子星接收信号的数字相关运算，获得干涉图像；所述母星还包括一个同步信号器，用于向各子星统一提供一个公共本振信号或同步信号，以保证各接收机所接收信号的相干性；所述母星与所述子星之间的数据传输及相干本振或同步信号的传输可通过无线或有线方式来完成。所述母星完成整个卫星与地面之间的通信链路。此外，母星与各子星还均需配备太阳能帆板单独供电。

在上述技术方案中，各所述子星相对于所述母星的位置分布采用针对空间频率采样基线的长度的优化方法而得；优化方法为：1)定义基线的长度就是某两个子星之间的距离；2)在N个子星中每次任取两个形成一条基线，共有C_N²条基线；3)使这些基线的长度从短到长基本上等间距均匀分布。采用上述优化方法获得的子星的分布，当整个星座系统完成一圈旋转后，干涉测量将覆盖整个空间频率域，满足成像运算的要求。

在上述技术方案中，所述母星的位置位于整个子母卫星系统的重心上。

在上述技术方案中，每个所述子星通过一个重力梯度杆和该子母星系统自旋产生的离心力实现姿态稳定，使其单元天线方向图的主瓣始终指向被观测目标。

与现有的技术相比，本发明具有以下优点：

(1)通过子母卫星结构的自旋大大减少实现高分辨力被动微波遥感所需的天线单元数及相关器的数目，提高孔径稀疏效率，简化辐射成像仪的系统复杂度；

(2)由于星体的旋转将使每条采样基线覆盖所有的方向，优化设计时只需考虑基线的长度，从而在同样单元天线数量的情况下大大提高了空间频域覆盖，提高了空间分辨力；

(3)由于基线的优化是在整个二维平面内进行，因此可以有效的避免了天线单元分布出现局部线性的情况(如Y形、U形、十字形等)，从而可以达到基线零冗余，天线单元数可以降低到干涉式综合孔径成像理论所限定的最小值；

(4)结合离心力和重力梯度稳定，实现了简单的子星姿态稳定控制。

附图说明

图1是现有技术中NASA的HydroSTAR的卫星(一维综合孔径微波辐射计)示意图；

图2是本发明的旋转扫描被动微波成像子母卫星系统示意图；

图3(a)是本发明的实施例1中8个子星的优化分布示意图；

图3(b)是本发明的实施例1中8单元零冗余28条基线长度的优化结果图；纵坐标表示基线的相对长度，横坐标表示基线顺序；

图4(a)是本发明的实施例行星际CME太阳极轨成像子母卫星系统的母星示意图；

图4(b)是本发明的实施例行星际CME太阳极轨成像子母卫星系统的子星示意图。

图5(a)是本发明的实施例2中8个子星的优化分布示意图；

图5(b)是本发明的实施例2中8单元零冗余28条基线长度的优化结果图；纵坐标表示基线的相对长度，横坐标表示基线顺序；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

在本发明中，将综合孔径技术与天线单元的旋转扫描结合起来，利用较少数目的一组天线单元通过旋转进行分时的空间频率域采样，使用同样多的天线与接收机单元的情况下，得到了更多的基线组合及更高的空间分辨力；或在同样空间分辨力的情况下只用很少的天线和接收机单元，大大减小系统的复杂度。

实施例1

本实施例以行星际CME(CME：Coronal Mass Ejection，日冕物质抛射)太阳极轨旋转扫描被动微波成像子母卫星系统为例。利用本实施例，从大倾角的太阳极轨轨道上(远地点0.5-1.5AU)居高临下的遥感观测由太阳发出的日冕物质抛射事件等离子云(在地球轨道附近其等离子密度可达每立方厘米80，速度可达1000KM/S)，并对其进行成像监测。特别需要关注日地连线上的CME。

如图2所示，数字10表示按照本发明的本实施例旋转扫描被动微波成像子母卫星系统，它由1颗母星11与8颗子星12构成，8颗子星12非等间距分布于一个以母星11为圆心的圆周上，子星12之间间距分布根据基线采样优化方法确定(将在后面详述)。圆周直径100-200米(根据最后确定的观测频率调整)，母星11位于系统重心处。每颗子星12通过一根非导电的牵引系绳13与母星11物理连接，因此整个卫星系统自旋稳定，转速2转/小时，自旋轴指向太阳。发射时，子星12收拢于母星11内，进入轨道后通过母星11自旋的离心力慢慢从母星11释放出来，逐渐达到探测时所要求的空间位置和自旋速度。探测时每半小时取得一幅图像，图像空间分辨力为3-6度，视场90-120度，图像约20×20-100×100个像素探测到的行星际CME图像为灰度图像。

其中，如图4(b)所示，每个子星12包括：

一圆极化单元天线21，利用已有技术制作十字形对称振子天线，采用顶加载鞭状天线实现，其中之一兼作重力梯度杆22；

一通信和控制天线23，用于与母星11之间进行数据传输及相干本振或同步信号的传输；

子星太阳能帆板25，用于给子星提供能源；

一接收机单元，由放大器及模拟数字转换器组成，用于观测目标区域发出的微波信号；

无线数字发射机，用于向母星传输观测数据；

无线数字接收机：用于从母星接收同步时钟信号；

上述接收机单元、无线数字发射机、无线数字接收机均设置在图4(b)中所示的壳体25内，其连接关系为本领域技术人员熟知。

如图4(a)所示，母星11主要包括：

对地球测控和通信天线31，用于与地面测控设备之间通信；

母星太阳能帆板32，用于给母星11提供能源；

一数字信号处理单元，由数字相关器及图像反演单元两个模块组成，用于完成对各子星接收信号的数字相关运算，获得干涉图像；

一系统控制与数据管理单元，用于系统工作时序的产生、工作参数的采集、数据打包等系统管理工作；

一无线数字发射机，用于向各子星发送同步时钟信号；

一无线数字接收机：用于从各子星接收观测数据；

上述数字信号处理单元、系统控制与数据管理单元、无线数字发射机、无线数字接收机均设置在图4(a)中所示的主体33内，8根牵引系绳13的一端连接在主体33的外表面，另一端连接到子星12的壳体25外表面。

在本实施例中，各部分元件或电路的选取和连接除特别指出外均采用本领域技术人员熟知的方式实现。

下面参照图3(a)、(b)介绍本实施例中8个子星的分布间距的确定方法：1)定义基线的长度就是某两个子星之间的距离；2)在8个子星中每次任取两个形成一条基线，共有C₈²＝28条基线；3)如图3(a)所示，利用算法作优化(如模拟退火算法)，子星在以母星为圆心的圆周上使这些基线的长度从短到长基本上等间距均匀分布；在图3(a)中，虚线圆周表示以母星11为圆心的平面圆周，三角形表示各子星12分布在圆周上，基线长度的分布参照图3(b)所示。采用上述优化方法获得的子星的分布，当整个星座系统完成一圈旋转后，干涉测量将覆盖整个空间频率域，满足成像运算的要求。在本实施例中，采用8个子星，且8个子星分布在同一个以母星为圆心的圆周上，这样按照上述方法得到的8个子星的布局如图3(a)所示。本实施例仅用来描述本发明，本领域技术人员应该理解，本发明的子星数目不应限制在8个，且子星的分布也不应当限制在圆周上。

当本实施例提供的旋转扫描被动微波成像子母卫星系统处于工作状态时，利用子星上的天线及接收机完成对观测区域CME射电辐射的接收，再通过无线方式将已经量化的观测数据从子星传输到母星上，在母星上完成对8个子星接收信号的数字相关及亮温反演形成图像。为保证8颗子星接收信号之间相关性，由母星11提供一个公共时钟通过无线方式传输给子星，实现整个成像仪系统的同步接收。

实施例2

如图5(a)所示，依照本发明的8个子星的分布情况，仍然使这些基线的长度从短到长基本上等间距均匀分布如图5(b)所示。不同于实施例1的是8个子星没有分布在圆周上，图5(a)中的圆周表示以母星为圆心的圆周，三角形表示子星。其它同实施例1。

按照本发明提供的技术方案，设计出满足要求的不同数目子星和不同的分布形式对于本领域技术人员来说是可以胜任的。

从应用角度来看，本发明虽主要应用于空间科学探测和对地观测，但也可应用于地面成像设备。此外，该方案同样适用于微波频段以外的更高或更低电磁波谱段的被动遥感成像设备。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。