自旋式子母卫星被动微波干涉成像系统技术方案

本实用新型专利技术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。本实用新型专利技术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。（*该技术在2015年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术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自旋式子母卫星被动微波干涉成像系统。
技术介绍
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
，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
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Hao Liu，Ji Wu，Shouzheng Ban，etc，“The CAS Airborne X-bandSynthetic Aperture RadiometerSystem 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本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自旋式子母卫星被动微波干涉成像系统，其特征在于，包括：　　　　一母星；　　　　Ｎ个子星，每个所述子星通过一牵引系绳或刚性伸杆与所述母星物理连接；　　　　所述母星与Ｎ个所述子星分布在同一个平面上；　　　　所述Ｎ为大于或等于２的整数。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴季，刘浩，何宝宇，孙伟英，
申请(专利权)人：中国科学院空间科学与应用研究中心，
类型：实用新型
国别省市：11[中国|北京]