一种基于数据融合的星载分布式综合孔径微波辐射计系统技术方案

一种基于数据融合的星载分布式综合孔径微波辐射计系统，包括数据融合处理子系统和至少N*M个完全相同的综合孔径微波辐射计子系统，N、M分别取决于整个系统的顺轨和交轨方向的空间分辨率与综合孔径微波辐射计子系统的顺轨和交轨方向的空间分辨率的比值；所有的综合孔径微波辐射计子系统均排布在同一轨道高度，且在地面的投影网格存在有规律的排布重叠；每个综合孔径微波辐射计子系统获取地面的亮温图像记为原始亮温图像；数据融合处理子系统根据每个综合孔径微波辐射计子系统的原始网格重叠关系，通过数据融合的方式确定整个系统在地面的投影网格记为细分网格的亮温值，即数据融合后的高分辨率亮温数据，该高分辨率亮温数据在顺轨方向和交轨方向分别提高了N倍、M倍。

【技术实现步骤摘要】
一种基于数据融合的星载分布式综合孔径微波辐射计系统
本专利技术涉及一种基于数据融合的星载分布式综合孔径微波辐射计系统，属于空间微波遥感

技术介绍
微波辐射计系统是星载被动微波遥感的重要载荷，其主要可获取全球重要的物理参量，比如土壤湿度、海洋盐度、大气温湿度等。当前，微波辐射计系统主要有实孔径微波辐射计系统、相控阵微波辐射计系统、综合孔径微波辐射计系统等。然而，由于现有体制的微波辐射计系统在获取高空间分辨率的被动微波遥感图像受到较大的限制，因此，进一步提高星载被动微波遥感的空间分辨率一直以来是地球被动微波遥感的重要研究内容之一。在星载被动微波遥感中，微波辐射计系统的空间分辨率主要取决于系统的天线或天线阵列的物理尺寸，天线物理尺寸越大、空间分辨率越高；同时，微波辐射计系统也必须满足一定的剎宽要求。在实孔径微波辐射计系统中，由于受到扫描转台和天线物理尺寸的限制，实孔径微波辐射计系统无法获取较高的空间分辨率，比如在观测土壤湿度中，通常采用L波段(波长21cm)进行观测，当星载平台轨道高度约为700km时，土壤湿度应用需求的空间分辨率约小于50km，此时，所需天线尺寸不小于2.92m。从体积和重量上讲，在星载平台下这都是非常困难的。同时，由于星载微波辐射计需要机械扫描实现全景成像。因此，大孔径天线的体积和重量会使机械扫描平台更加笨重和复杂，极大地限制了微波辐射成像的应用。在相控阵微波辐射计系统中，空间分辨率同样依赖于相控阵天线的物理尺寸(规模)，空间分辨率越高，要求相控阵天线数目越多；同时，由于是通过控制接收单元的相位和幅度实现天线波束的扫描，对于大型相控阵微波辐射计系统而言，需要的移相器校多，信号处理和系统结构亦较为复杂。在综合孔径微波辐射计系统中，较高的空间分辨率是以系统硬件和信号处理的复杂度为代价的。对于大型综合孔径微波辐射计而言，由于天线单元和通道单元数目过多，系统硬件结构和信号处理将非常复杂，大阵列天线带来的质量增加以及天线形变等制约了综合孔径微波辐射计的规模，进而限制了其进一步提高空间分辨率。综上所述，现有体制的星载微波辐射计系统由于大阵列天线、笨重的扫描平台或复杂的系统硬件结构和信号处理等因素限制了其进一步提高空间分辨率。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是：为了进一步提高被动微波遥感的空间分辨率和降低系统制造难度，提出了一种基于数据融合的星载分布式综合孔径微波辐射计系统。本专利技术的技术解决方案是：一种基于数据融合的星载分布式综合孔径微波辐射计系统，包括数据融合处理子系统和至少N*M个完全相同的综合孔径微波辐射计子系统，N、M分别取决于整个系统的顺轨和交轨方向的空间分辨率与综合孔径微波辐射计子系统的顺轨和交轨方向的空间分辨率的比值；所有的综合孔径微波辐射计子系统均排布在同一轨道高度，且在地面的投影网格存在有规律的排布重叠；每个综合孔径微波辐射计子系统获取地面的亮温图像记为原始亮温图像；数据融合处理子系统根据每个综合孔径微波辐射计子系统的原始网格重叠关系，通过数据融合的方式确定整个系统在地面的投影网格记为细分网格的亮温值，即数据融合后的高分辨率亮温数据，该高分辨率亮温数据在顺轨方向和交轨方向分别提高了N倍、M倍。进一步的，所有综合孔径微波辐射计子系统的排布方式如下：其中一个综合孔径微波辐射计子系统作为参考，指向为星下点指向(0，0)，则所有N*M个综合孔径微波辐射计子系统的指向分别为其中n∈[0,1,2,...,N-1],m∈[0,1,2,...,M-1]，θx、θy分别为综合孔径微波辐射计子系统的X轴和Y轴的角分辨率。进一步的，所述的数据融合步骤如下：(1)基于原始网格与细分网格的关系，构造所有原始网格和细分网格的亮温方程组；(2)求解亮温方程组，从而获得细分网格的亮温值。进一步的，亮温方程组表达形式如下：其中，综合孔径微波辐射计子系统获取观测的原始网格点为(l,s)，细分网格点为(l·N,s·M)，为细分网格每个点的亮温值；从上之下依次为第1个综合孔径微波辐射计子系统原始网格每个点的亮温值、第2个综合孔径微波辐射计子系统原始网格每个点的亮温值……第N*M个综合孔径微波辐射计子系统原始网格每个点的亮温值。进一步的，步骤(2)中求解亮温方程组采用最小二乘法或者将网格边界的原始网格亮温作为对应细分网格的初始值，以增加亮温方程的个数，通过迭代求解。进一步的，所述的综合孔径微波辐射计子系统包括天线阵列、接收机通道阵列、A/D阵列、相关器以及信号处理子系统；天线阵列接收自然场景的微波辐射信号；接收机通道阵列中的接收机通道的个数等于天线阵列中天线的个数；每个接收机通道接收一个天线输出的微波辐射信号，并进行放大、滤波、下变频、中频放大、中频滤波、IQ解调，最终输出中频信号；A/D阵列是由多个A/D组成，A/D的个数等于天线个数的两倍，每两个A/D分别对一路接收机通道输出的中频信号的I路信号和Q路信号进行模数转换；相关器对A/D阵列输出的中频信号I路和Q路数字信号进行两两相关，获得观测场景的相关矩阵；信号处理子系统对观测场景的相关矩阵进行反演，获得观测对应的亮温图像。进一步的，所述的天线阵列阵型为“Y”型，“T”型，或者“十字”型。本专利技术与现有技术相比有益效果为：(1)在相同的空间分辨率下，本专利技术提出的高分辨率微波辐射计系统解决方案能大幅降低传统的大型星载综合孔径辐射计系统的复杂度和工程制造难度，从而缓解了目前传统的大型综合孔径微波辐射计的硬件系统和信号处理复杂度高的难题；(2)在相同的工艺和硬件技术水平下，本专利技术提出的高分辨率微波辐射计系统可获得更高的被动微波遥感的空间分辨率，从而满足目前对地被动微波遥感高分辨率的实际需求；(3)本专利技术采取数据融合算法使得分布式系统只需位于同一轨道上即具备提高二维空间分辨率的能力，从而避免了只简单地采取分布式体制增加整个系统的天线阵面物理尺寸所带来的对小卫星轨道、姿态和相对位置控制精度要求过高的难题，使得目前已有的卫星轨道、姿态和相对位置控制技术即可满足本专利技术的需求，从而使得本专利技术在现有的航天工程技术上即可实现。总体而言，通过本专利技术所构思的上述系统解决方案与传统的大型综合孔径微波辐射计系统相比，具有工程难度小、可批量化生产，能为高空间分辨率被动微波遥感获取提高一种切实、可行的解决途径。附图说明图1为本专利技术的综合孔径微波辐射计子系统方框图。图2N＝M＝2时基于数据融合的星载分布式综合孔径微波辐射计系统样例。具体实施方式下面结合附图及实例对本专利技术作详细说明。本专利技术涉及一种基于数据融合的星载分布式综合孔径微波辐射计系统，假设综合孔径微波辐射计子系统的X轴和Y轴角分辨率分别为θx、θy，需要将角分辨率分别提高N，M倍(即θx/N、θy/M)，则对于星载分布式综合孔径微波辐射计系统而言，所需综合孔径微波辐射计子系统的个数为N*M；(突然出现一个X\Y轴请增加解释)所有的综合孔径微波辐射计子系统均在同一轨道高度，相距距离适中，以其中一个综合孔径微波辐射计子系统的指向为参考(0，0)(星下点指向)，则所有N*M个综合孔径微波辐射计子系统的指向分别为其中n∈[0,1,2,...,N-1],m∈[0,1,2,...,M-1]；如图1所示，所有综合孔径微波辐射计子系统的硬件结构是完本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于数据融合的星载分布式综合孔径微波辐射计系统，其特征在于：包括数据融合处理子系统和至少N*M个完全相同的综合孔径微波辐射计子系统，N、M分别取决于整个系统的顺轨和交轨方向的空间分辨率与综合孔径微波辐射计子系统的顺轨和交轨方向的空间分辨率的比值；所有的综合孔径微波辐射计子系统均排布在同一轨道高度，且在地面的投影网格存在有规律的排布重叠；每个综合孔径微波辐射计子系统获取地面的亮温图像记为原始亮温图像；数据融合处理子系统根据每个综合孔径微波辐射计子系统的原始网格重叠关系，通过数据融合的方式确定整个系统在地面的投影网格记为细分网格的亮温值，即数据融合后的高分辨率亮温数据，该高分辨率亮温数据在顺轨方向和交轨方向分别提高了N倍、M倍。

【技术特征摘要】
1.一种基于数据融合的星载分布式综合孔径微波辐射计系统，其特征在于：包括数据融合处理子系统和至少N*M个完全相同的综合孔径微波辐射计子系统，N、M分别取决于整个系统的顺轨和交轨方向的空间分辨率与综合孔径微波辐射计子系统的顺轨和交轨方向的空间分辨率的比值；所有的综合孔径微波辐射计子系统均排布在同一轨道高度，且在地面的投影网格存在有规律的排布重叠；每个综合孔径微波辐射计子系统获取地面的亮温图像记为原始亮温图像；数据融合处理子系统根据每个综合孔径微波辐射计子系统的原始网格重叠关系，通过数据融合的方式确定整个系统在地面的投影网格记为细分网格的亮温值，即数据融合后的高分辨率亮温数据，该高分辨率亮温数据在顺轨方向和交轨方向分别提高了N倍、M倍。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所有综合孔径微波辐射计子系统的排布方式如下：其中一个综合孔径微波辐射计子系统作为参考，指向为星下点指向(0，0)，则所有N*M个综合孔径微波辐射计子系统的指向分别为其中n∈[0,1,2,...,N-1],m∈[0,1,2,...,M-1]，θx、θy分别为综合孔径微波辐射计子系统的X轴和Y轴的角分辨率。3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的数据融合步骤如下：(1)基于原始网格与细分网格的关系，构造所有原始网格和细分网格的亮温方程组；(2)求解亮温方程组，从而获得细分网格的亮温值。4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：亮温方程组表达形...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢海梁，李一楠，吕容川，李浩，王佳坤，李鹏飞，宋广南，杨小娇，
申请(专利权)人：西安空间无线电技术研究所，
类型：发明
国别省市：陕西,61