劉淑一, 賈 巖, 高卓妍, 張祥坤,*, 董曉龍, 劉和光

(1. 中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心中國科學(xué)院微波遙感技術(shù)重點實驗室, 北京 100190;2. 中國科學(xué)院大學(xué)電子電氣與通信工程學(xué)院, 北京 100049)

0 引 言

航空遙感系統(tǒng)是我國首個綜合性國家航空遙感系統(tǒng),以國產(chǎn)中型飛機新舟60作為飛行平臺,集成紅外、可見光、微波等10個高性能遙感載荷,可用于陸地、海洋、大氣等多源遙感信息獲取。相比于航天遙感,航空遙感系統(tǒng)具有分辨率高、連續(xù)觀測及快速機動等優(yōu)點,可廣泛應(yīng)用于農(nóng)林、水利、海洋等領(lǐng)域,在山體滑坡、洪澇、地震等災(zāi)害預(yù)警及災(zāi)后救援中發(fā)揮重要作用。

全極化微波散射計作為航空遙感系統(tǒng)主要載荷之一,其定位是以海洋和大氣測量為主,兼顧陸地觀測要求的成像微波散射計[1],監(jiān)測對象包括海面風(fēng)場、海洋波浪譜[2]、陸地植被和作物生長情況[3]、降雪與海冰分布情況等[4]。相比于傳統(tǒng)單極化、雙極化散射計,全極化微波散射計不僅測量回波同極化分量[5], 并且測量回波同極化分量與交叉極化分量之間相關(guān)系系數(shù)[6],使回波頻率、幅相及極化信息得到全部利用,提高散射計高風(fēng)速下測量精度,避免風(fēng)場反演時產(chǎn)生風(fēng)向模糊[7]。為了兼顧不同環(huán)境下測量需求,全極化微波散射計配有散射計和微波成像兩種工作模式,在雨雪等可見度低的復(fù)雜觀測場景下[8],成像工作模式高分辨率目標(biāo)探測特性與散射計高精度后向散射系數(shù)測量特性的結(jié)合[9],有助于快速鎖定待測區(qū)域,同時獲取目標(biāo)后向目標(biāo)后向散射、空間分布與極化等多維度信息,提高后向散射系數(shù)測量及地球物理參數(shù)反演精度。

2004年美國航天局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)戈達德太空飛中心研制出用于土壤濕度及海洋鹽度測量的L波段機載成像散射計,并在IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers)地球科學(xué)與遙感大會(International Geoscience and Remote Sensing Symposium,IGARSS)會議中提出成像散射計這一概念[10]。2006年至2007年,戈達德太空飛中心通過校飛試驗分別驗證成像散射計成像及后向散射測量功能[11-12]。2010年澳大利亞墨爾本大學(xué)聯(lián)合多家研究機構(gòu)研發(fā)增加干涉合成孔徑雷達(interferometric synthetic aperture radar, InSAR)工作模式的L波段極化成像散射計,并成功應(yīng)用于植被覆蓋率、土壤濕度等環(huán)境變量監(jiān)測中[13]。2019年,加拿大曼尼托巴大學(xué)研制具有散射計和高度計兩種工作模式的陸基雙波段極化雷達[14],并將其應(yīng)用至海冰研究中。20世紀(jì)90年代,國內(nèi)開始進行多模態(tài)微波遙感設(shè)備研制,2002年,我國第一個多模態(tài)微波遙感器搭載神舟四號飛入太空。散射計作為多模態(tài)微波遙感器的主要模態(tài)之一[15],在軌期間,積累大量有效的主動式微波遙感數(shù)據(jù)及經(jīng)驗,為多模態(tài)微波遙感儀器的發(fā)展奠定堅實基礎(chǔ)[16]。2010年至今,國家空間科學(xué)中心致力于研制合成孔徑技術(shù)與散射計相結(jié)合的Ku波段全極化成像散射計系統(tǒng),將多維信息獲取的概念應(yīng)用于散射計系統(tǒng)設(shè)計中[17]。

本文首先對全極化微波散射計的系統(tǒng)設(shè)計方案進行詳細介紹。其次,基于匹配濾波的數(shù)字中頻信號處理方法,推導(dǎo)用于衡量全極化微波散射計后向散射系數(shù)測量精度的歸一化標(biāo)準(zhǔn)差。最后,針對數(shù)字濾波器性能和數(shù)據(jù)段重疊率對后向散射系數(shù)測量精度影響進行理論分析。為驗證全極化微波散射計兩種工作模式可行性,2019年6月在山東省東營市及陜西省西安市分別進行海洋及陸地校飛試驗。基于校飛試驗結(jié)果,分析了散射計模式下的后向散射系數(shù)測量精度及成像模式下的圖像分辨率。

1 全極化微波散射計系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)組成

全極化微波散射計按在機載平臺安裝部位可分為兩部分:位于機腹天線罩內(nèi)的散射計頭部及位于機艙內(nèi)的控制計算機及配電單元;散射計頭部由天線單元、微波前端單元、發(fā)射機單元、接收機單元、頻率綜合器單元、數(shù)據(jù)處理與通信單元、電源單元及伺服平臺等組成,三維結(jié)構(gòu)圖如圖1所示,系統(tǒng)框圖如圖2所示,主要性能指標(biāo)如表1所示?？刂朴嬎銠C及配電單元是全極化微波散射計的控制核心,負(fù)責(zé)系統(tǒng)運行控制、狀態(tài)監(jiān)測、數(shù)據(jù)接收及存儲。機艙內(nèi)的控制計算機及配電單元收到來自機上作業(yè)管理系統(tǒng)的控制指令后,對指令進行解析并通過平臺氣密接口將指令信息傳遞給機腹天線罩內(nèi)的數(shù)據(jù)處理與通信單元,全極化微波散射計開始工作。系統(tǒng)發(fā)射信號采用周期線性調(diào)頻脈沖,水平極化與垂直極化信號通過極化選擇開關(guān)及兩個不同極化的波導(dǎo)開口陣列天線交替發(fā)射。水平極化和垂直極化接收單元同時接收來自接收天線回波信號,獲得觀測目標(biāo)的全極化散射信息。其中,伺服平臺用于控制天線旋轉(zhuǎn)及旋轉(zhuǎn)角度測量,通過數(shù)字控制方式提供高精度俯仰角與方位角控制信號,利用光纖滑環(huán)代替高頻滑環(huán),解決微波及中頻信號在通過散射計頭部的滑環(huán)時各旋轉(zhuǎn)方向插損不同的問題;微波前端單元用于發(fā)射機水平垂直極化信號切換、發(fā)射接收隔離及測量內(nèi)定標(biāo)模式切換;頻率綜合單元為系統(tǒng)提供高穩(wěn)定度時鐘和低相位噪聲的本振信號;數(shù)據(jù)處理與控制單元主要由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、高速數(shù)傳模塊以及數(shù)字信號處理模塊等組成,用于數(shù)據(jù)通訊、微波前端控制、時序控制、回波信號的采樣、實時處理及參數(shù)估計等工作。

表1 全極化微波散射計系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)

圖2 全極化微波散射計系統(tǒng)框圖

為得到高分辨微波圖像,成像散射計系統(tǒng)需采用比傳統(tǒng)散射計大的工作帶寬,而大帶寬則會使散射計的回波信號信噪比下降,降低后向散射系數(shù)的測量精度。為兼顧高精度后向散射系數(shù)測量和高分辨率微波成像特性,全極化微波散射計根據(jù)兩種工作模式的需求設(shè)計4 MHz、40 MHz、120 MHz、200 MHz四種帶寬,當(dāng)系統(tǒng)工作在小帶寬模式時,可以獲得較高的后向散射系數(shù)精度,當(dāng)系統(tǒng)工作在大帶寬模式時可以獲得較高的成像分辨率。

1.2 系統(tǒng)定標(biāo)

作為一種主動式高精度后向散射系數(shù)測量設(shè)備,散射計必須進行定標(biāo)[18-20]。為減小通道間增益不平衡、串?dāng)_的影響[21],獲得目標(biāo)真實散射矩陣,全極化微波散射計采用極化定標(biāo)與輻射定標(biāo)相結(jié)合的系統(tǒng)定標(biāo)方案:先在地面利用三面角反射器對后向散射系數(shù)進行絕對定標(biāo),確定散射計系統(tǒng)同極化增益的準(zhǔn)確值,再根據(jù)標(biāo)定過的同極化增益旋轉(zhuǎn)極化散射矩陣已知的二面角反射器,確定交叉極化時整個信道的增益。在飛行過程中利用內(nèi)定標(biāo)環(huán)路進行相對定標(biāo),對系統(tǒng)中抖動、溫漂等因素造成的增益波動實時校準(zhǔn)。

在機上測量的間歇,全極化微波散射計可切換到內(nèi)定標(biāo)模式,內(nèi)定標(biāo)模式采用基于脈沖體制的交替定標(biāo)法。測量發(fā)射-接收通道增益的模式為內(nèi)定標(biāo)1模式,此時發(fā)射信號經(jīng)校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)被直接耦合到兩路接收機,通過數(shù)字單元分析其功率譜,監(jiān)測和補償發(fā)射和接收通道的增益波動。由于系統(tǒng)發(fā)射單元和接收單元機上作業(yè)時保持常開機狀態(tài),發(fā)射信號會通過耦合及組件表面?zhèn)鲗?dǎo)等方式泄露至接收機單元,對內(nèi)定標(biāo)信號產(chǎn)生較強電磁干擾。因此,內(nèi)定標(biāo)1模式采用光纖延時定標(biāo)方法,在校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)中引入光纖延遲線在時序上將內(nèi)定標(biāo)信號與發(fā)射、接收及泄露信號在時序上分離,避免內(nèi)定標(biāo)信號受到干擾,從而保證內(nèi)定標(biāo)1模式的測量精度,降低對系統(tǒng)收發(fā)隔離度要求。測量帶內(nèi)平坦度曲線的模式稱為內(nèi)定標(biāo)模式2。此時發(fā)射機不工作,采樣接收支路的熱噪聲并計算熱噪聲電平,調(diào)整自動增益控制(automatic gain control, AGC)值,使接收機輸入電平保持不變。為保證后向散射系數(shù)測量精度,散射計及成像工作模式下功率測量結(jié)果必須用內(nèi)定標(biāo)模式2的結(jié)果修正。

2 全極化微波散射計系統(tǒng)精度分析

2.1 觀測幾何

散射計工作模式下,全極化微波散射計采用扇形波束旋轉(zhuǎn)掃描方式,如圖3所示,天線單元在伺服機構(gòu)控制下,實現(xiàn)天線的旋轉(zhuǎn)和天線旋轉(zhuǎn)角度的測量。扇形波束旋轉(zhuǎn)掃描結(jié)合了固定扇形波束和筆形波束旋轉(zhuǎn)掃描的特點,可實現(xiàn)多角度、寬刈幅觀測,在陸地及海洋地球物理參數(shù)反演中具有很好適用性[22]。

成像模式下,全極化微波散射計以扇形波束條帶觀測模式工作,天線以固定波束指向照射到目標(biāo)表面,如圖4所示,通過飛機平臺與目標(biāo)間的相對運動合成一個較大的等效孔徑[23],在距離向和方位向利用大工作帶寬和合成孔徑技術(shù)獲得高分辨微波圖像,其觀測幾何與合成孔徑雷達相同,根據(jù)雷達分辯理論及合成孔徑原理可得距離向與方位向分辨率為

圖4 成像工作模式觀測幾何

(1)

式中:c表示光速;B為系統(tǒng)工作帶寬;D為天線方位向的物理孔徑尺寸。

2.2 后向散射系數(shù)測量精度推導(dǎo)

相對標(biāo)準(zhǔn)偏差是衡量散射計后向散射系數(shù)測量精度的一個常用指標(biāo),定義為后向散射系數(shù)的歸一化標(biāo)準(zhǔn)差,由于后向散射系數(shù)可根據(jù)回波信號功率用雷達方程計算得到,故可用Kp可表示為

(2)

式中:Pr為散射計回波信號功率;var[Pr]為Pr的方差;ε[Pr]為Pr的均值。Kp的值越小,對后向散射系數(shù)估計越準(zhǔn)確。在散射計系統(tǒng)設(shè)計中,為獲得高后向散射系數(shù)測量精度需最小化Kp。

全極化微波散射計采用基于匹配濾波的數(shù)字中頻信號處理方法估計回波信號能量并計算待測目標(biāo)后向散射系數(shù)[24]。相比基帶接收處理,中頻數(shù)字化接收可有效解決I/Q通道幅相不平衡問題,保證通道間相位正交性,降低對前端濾波器矩形系數(shù)等性能要求。信號和噪聲功率同時測量避免額外時序電路,可簡化系統(tǒng)設(shè)計,提高數(shù)據(jù)處理與通信單元工作效率。圖5為全極化微波散射計信號處理模塊,其中帶通濾波后包含回波信號通道為信號通道,帶通濾波后只包含噪聲的通道為噪聲通道。

圖5 全極化微波散射計數(shù)字信號處理模塊

設(shè)信號通道回波包含脈沖數(shù)為Np1,數(shù)字化處理后每個脈沖被劃分為K1個有重疊的數(shù)據(jù)段,每個數(shù)據(jù)段長度為M,噪聲通道回波包含脈沖數(shù)為Np2,數(shù)字化處理后每個脈沖被劃分為K2個有重疊的數(shù)據(jù)段, 每個數(shù)據(jù)段長度為N, 則信號通道及噪聲通道輸入數(shù)字信號xij(n)、yij(n)通過圖5所示信號處理系統(tǒng)積分器輸出分別為

(3)

(4)

式中:Xij(k)、Yij(k)表示數(shù)字回波xij(n)和yij(n)的傅里葉變換;W1(k)、W2(k)表示數(shù)字帶通濾波器頻率響應(yīng)。

分別計算C1和C2均值及方差可得[25]

(5)

(6)

(7)

(8)

式中:Bs表示后向散射單元帶寬;fl1和fh1分別表示信號頻率的上下限;Bn表示噪聲帶寬,fl2和fh2分別表示噪聲頻率的上下限;b表示噪聲功率譜密度;SNR=Pr/(Bsb)表示信噪比;Ts表示采樣周期;T1表示回波開始時間;TG、TN表示信號通道及噪聲通道數(shù)據(jù)段積分時間;w1(n)、w2(n)表示數(shù)字帶通濾波器脈沖響應(yīng);γi1(n)表示數(shù)據(jù)窗;D1、D2表示相鄰數(shù)據(jù)段間獨立樣本數(shù),式(3)～式(8)中參數(shù)描述如表2所示。

表2 式(3)～式(8)參數(shù)描述

根據(jù)式(5)～式(10)可計算Pr的無偏估計及方差為

(9)

(10)

最后代入式(2)推得后向散射系數(shù)測量精度方程為

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(11)

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2.3 后向散射系數(shù)測量精度分析

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計指標(biāo),散射計回波數(shù)字化處理后每個脈沖的數(shù)據(jù)長度L=20 000,假設(shè)M=N=2 000,B1=B2=4 MHz,D1=D2,SNR=1,可計算得k1=k2=200。圖6為不同數(shù)據(jù)段重疊率下Kp與窗函數(shù)性能關(guān)系曲線。其中,為分析數(shù)字濾波器加窗效應(yīng)對后向散射系數(shù)精度影響,數(shù)字帶通濾波器采用升余弦窗。α為窗函數(shù)的滾降系數(shù),α=1時為矩形窗。

圖6 不同重疊率下Kp與窗函數(shù)性能關(guān)系曲線

(12)

圖6中,數(shù)據(jù)段重疊率大于75%時,α對Kp影響不大且Kp整體較低,但此時數(shù)據(jù)冗余過多,極大降低系統(tǒng)信號處理效率;數(shù)據(jù)段重疊率為50%時,隨α增加Kp逐漸下降,α>0.6時Kp趨近最小值。升余弦數(shù)字濾波器的滾降系數(shù)與頻譜效率有關(guān),增大α可降低Kp和濾波器設(shè)計難度,但α越大濾波器的頻譜效率越低,所以在工程應(yīng)用中α范圍一般在 0.15～0.5之間。圖7為k1=200,α=0.5情況下Kp隨數(shù)據(jù)段重疊率變化曲線。當(dāng)數(shù)據(jù)段重疊率大于60%時,Kp趨近于最小值。

圖7 Kp隨數(shù)據(jù)段重疊率變化曲線

在保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理效率及可實現(xiàn)性前提下,為使全極化微波散射計系統(tǒng)性能接近最優(yōu),數(shù)據(jù)段重疊率不可過高,滾降系數(shù)須適當(dāng)。綜合以上關(guān)于數(shù)字濾波器性能和數(shù)據(jù)段重疊率與Kp關(guān)系分析,數(shù)據(jù)段重疊率為50%且α=0.5時,Kp接近最小值,全極化微波散射計可獲得較高后向散射系數(shù)測量精度,以滿足陸地、海洋觀測需求。

3 飛行試驗驗證

為驗證系統(tǒng)散射計及成像工作模式可行性,2019年6月19日至6月28日,全極化微波散射計在陜西省西安市及山東省東營市分別進行陸地及海洋飛行試驗,陸地觀測區(qū)域為西安閻良區(qū)的大荔定標(biāo)場,海洋觀測區(qū)域為東營黃河入?？趨^(qū)域。試驗過程中,機載飛行平臺飛行高度約3 km,速度約為350 km/h。

3.1 散射計工作模式

散射計工作模式下,全極化微波散射計系統(tǒng)采用旋轉(zhuǎn)扇形波束掃描方式,伺服旋轉(zhuǎn)速度0.26 rad/s,系統(tǒng)工作帶寬采用4 MHz。散射計模式下海洋飛行試驗回波數(shù)據(jù)如圖8所示,水平極化通道回波信噪比較差,信號變化相對不明顯,但根據(jù)信號峰值點可判斷水平極化通道回波與垂直極化通道回波具有一致周期性。

圖8 海洋飛行試驗回波數(shù)據(jù)

圖9為數(shù)據(jù)段重疊率為50%,α=0.5情況下Kp隨信噪比變化曲線。經(jīng)計算,圖8中垂直極化通道回波平均信噪比約為5.53 dB,水平極化通道回波信噪比約為-2.14 dB,代入式(11)可得兩通道Kp分別為3.10%和6.39%。根據(jù)信噪比與Kp關(guān)系曲線,隨回波信噪比增加,Kp逐漸降低,當(dāng)信噪比大于5 dB時,Kp基本穩(wěn)定在3.10%左右,此時全極化微波散射計系統(tǒng)性能趨近最優(yōu),后向散射系數(shù)測量精度受信噪比影響不大,在散射計模式下可獲得較高且穩(wěn)定的后向散射系數(shù)測量精度,為后續(xù)進行風(fēng)場反演、海浪參數(shù)提取等工作提供有力保障。

3.2 成像工作模式

成像工作模式下,全極化微波散射計固定波束方向進行正側(cè)視觀測,其成像幾何與條帶合成孔徑雷達一致[26],因此可以用合成孔徑雷達成像算法對成像散射計進行成像處理[27]。陸地飛行試驗中,成像模式系統(tǒng)工作帶寬為200 MHz。圖10為利用距離多普勒算法對大荔定標(biāo)場某一區(qū)域成像的結(jié)果。

圖10 成像模式試驗結(jié)果(垂直極化通道)

圖10中紅色方框標(biāo)注區(qū)域為放置在大荔定標(biāo)場直角邊長為0.5 m的三面角反射器,根據(jù)式(13)計算角反射后向散射截面(radar cross section, RCS)為21.2 m2,對數(shù)表示為13.26 dBsm。

(13)

式中:b為三面角反射器直角邊邊長(m);λ為電磁波的波長[28-30]。在可檢測到角反射器數(shù)據(jù)區(qū)間內(nèi),利用雷達方程計算各脈沖對應(yīng)的角反射器RCS并進行幅度統(tǒng)計,曲線如圖11所示。經(jīng)計算,RCS平均值為13.21 dBsm, 方差為0.35 dB,此時垂直極化通道Kp為4.97%。

圖11 角反器RCS幅度曲線

成像工作模式下,通過合成孔徑技術(shù)和大系統(tǒng)工作帶寬獲得的微波圖像距離向與方位向分辨率分別為0.89 m、0.43 m,使全極化微波散射計具有良好目標(biāo)探測性能,在地形測繪、目標(biāo)勘探方面具有顯著優(yōu)勢,增強全極化微波散射計在復(fù)雜環(huán)境中適用性。

4 結(jié) 論

國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施航空遙感系統(tǒng)支持研制的全極化微波散射計是具有散射計和成像兩種工作模式的新一代微波遙感設(shè)備,為海洋、陸地環(huán)境災(zāi)害預(yù)警和監(jiān)測提供重要手段。首先,本文對全極化微波散射計系統(tǒng)設(shè)計方案進行詳細介紹,系統(tǒng)工作時,通過極化選擇開關(guān)交替發(fā)射水平和垂直極化信號,利用兩個接收通道同時接收水平和垂直極化信號,獲得觀測目標(biāo)的全極化散射信息。根據(jù)兩種工作模式需求,設(shè)計4 MHz、40 MHz、120 MHz、200 MHz四種帶寬,有效解決成像散射計帶寬與后向散射系數(shù)測量精度之間矛盾。其次,結(jié)合系統(tǒng)工作特點,推導(dǎo)用于衡量全極化微波散射計系統(tǒng)的歸一化標(biāo)準(zhǔn)差Kp,并針對數(shù)字濾波器加窗效應(yīng)、數(shù)據(jù)段重疊率與后向散射系數(shù)測量精度關(guān)系進行理論分析。在保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理效率及可實現(xiàn)性前提下,數(shù)據(jù)段重疊率為50%,濾波器滾降系數(shù)為0.5時,Kp接近最小值。最后,為驗證系統(tǒng)兩種工作模式可行性及后向散射系數(shù)測量精度,全極化微波散射計進行海洋及陸地飛行試驗。試驗結(jié)果表明,散射計模式下,當(dāng)回波平均信噪比約為5.53 dB時,Kp可達到3.10%,此時全極化微波散射計系統(tǒng)性能趨近最優(yōu),可獲得較高且穩(wěn)定的后向散射系數(shù)測量精度。成像模式下,通過距離多普勒算法得到微波圖像具有良好圖像分辨性。全極化微波散射計實現(xiàn)了高精度后向散射系數(shù)測量和高分辨率微波成像特性的有機結(jié)合,在復(fù)雜環(huán)境觀測及多維信息獲取中具有良好應(yīng)用前景。