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CN109239699B - 一种星载分布式综合孔径微波辐射计系统及设计方法 - Google Patents

一种星载分布式综合孔径微波辐射计系统及设计方法 Download PDF

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Abstract

一种星载分布式综合孔径微波辐射计系统及设计方法，该系统是由多个小型综合孔径微波辐射计系统按照一定分布式结构排列组成的，整个系统的空间分辨率是由整个分布式排列天线阵的最大物理尺寸决定的。所有小型综合孔径微波辐射计系统的硬件结构是完全相同的，其包括天线阵列、接收机通道阵列、信号采集子系统、子带划分子系统、相关处理子系统、亮温反演子系统、星间通信子系统等。整个系统采用分布式架构，具有机动、灵活、冗障能力强等优点；同时降低了系统制造难度、便于量产，可降低单个系统的成本。

Description

一种星载分布式综合孔径微波辐射计系统及设计方法
技术领域
本发明涉及一种星载分布式综合孔径微波辐射计系统及设计方法，属于空间微波遥感技术领域。
背景技术
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刈宽要求。
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600km时，土壤湿度应用需求的空间分辨率约小于10km，此时，所需天线尺寸不小于13m。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，大阵列天线带来的重量增加以及天线形变等因素制约了综合孔径微波辐射计系统的规模，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。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种星载分布式综合孔径微波辐射计系统及设计方法，该系统是由多个小型综合孔径微波辐射计系统按照一定分布式结构排列组成的，整个系统的空间分辨率是由整个分布式排列天线阵的最大物理尺寸决定的。所有小型综合孔径微波辐射计系统的硬件结构是完全相同的，其包括天线阵列、接收机通道阵列、信号采集子系统、子带划分子系统、相关处理子系统、亮温反演子系统、星间通信子系统等。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：
一种星载分布式综合孔径微波辐射计系统设计方法，将星载分布式综合孔径微波辐射计系统划分为多个微波辐射计子系统，包括如下步骤：
步骤一、根据星载分布式综合孔径微波辐射计系统的空间分辨率和灵敏度，确定每个微波辐射计子系统的天线阵的基本阵型和基本单元数；
步骤二、将星载分布式综合孔径微波辐射计系统的灵敏度，或，每个微波辐射计子系统的天线阵的基本阵型，或，每个微波辐射计子系统的天线阵的基本单元数作为优化目标，采用智能优化算法或组合算法或模拟退火算法或进化类算法或群体智能算法，优化确定微波辐射计子系统的天线阵分布、每个微波辐射计子系统的天线阵的最终阵型和最终单元数。
上述星载分布式综合孔径微波辐射计系统设计方法，所述每个微波辐射计子系统的天线阵的基本阵型采用Y型或T型或十字型。
上述星载分布式综合孔径微波辐射计系统设计方法，所述每个微波辐射计子系统的天线阵的基本单元为微带形式或缝隙形式或抛物面形式。
一种星载分布式综合孔径微波辐射计系统，包括多个微波辐射计子系统，每个微波辐射计子系统均包括一个天线阵；多个天线阵分布在四个区域内；第一区域内的天线阵分为两排排列；第二区域内的呈田字形均匀分布；第三区域的天线阵分为两列排列；第四区域的呈口字形分布；第一区域、第二区域、第三区域、第四区域按顺时针或逆时针排列。
上述星载分布式综合孔径微波辐射计系统，所述每个微波辐射计子系统的天线阵的基本阵型采用Y型或T型或十字型。
上述星载分布式综合孔径微波辐射计系统，所述每个微波辐射计子系统的天线阵的基本单元微带形式或缝隙形式或抛物面形式。
上述星载分布式综合孔径微波辐射计系统，所述每个微波辐射计子系统的天线阵的基本单元之间的间距为0.5～0.8个波长。
上述星载分布式综合孔径微波辐射计系统，所述每个微波辐射计子系统的天线阵包括25个基本单元。
上述星载分布式综合孔径微波辐射计系统，所述星载分布式综合孔径微波辐射计系统的中心频率为1400～1427MHz，最大带宽为27MHz。
上述星载分布式综合孔径微波辐射计系统，所述星载分布式综合孔径微波辐射计系统的空间分辨率为5km～15km。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
(1)本发明的整个系统采用分布式架构，具有机动、灵活、冗障能力强等优点；
(2)本发明的系统是由多个子系统组成，降低了系统制造难度、便于量产，可降低单个子系统的成本；
(3)本发明的星载分布式综合孔径微波辐射计可获得超高的空间分辨率，可拓展星载微波辐射计的应用领域，用于对地、对海、对空的目标探测，可作为天基预警体系重要补充部分；
(4)本发明解决了大阵列天线、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问题。
附图说明
图1为星载分布式综合孔径微波辐射计系统组成示意图；
图2为传统大型综合孔径微波辐射计系统天线阵列排布示意图；
图3为微波辐射计子系统的天线阵排布示意图；
图4为星载分布式综合孔径微波辐射计系统的所有微波辐射计子系统采用十字型天线阵的排布示意图；
图5为星载分布式综合孔径微波辐射计系统的所有微波辐射计子系统采用T型天线阵的排布示意图；
图6为星载分布式综合孔径微波辐射计系统的所有微波辐射计子系统采用Y型天线阵的排布示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。
一种星载分布式综合孔径微波辐射计系统设计方法，将星载分布式综合孔径微波辐射计系统划分为多个微波辐射计子系统，包括如下步骤：
步骤一、根据星载分布式综合孔径微波辐射计系统的空间分辨率和灵敏度的要求，结合实际的工程能力和技术难度初步选定微波辐射计子系统的天线阵的基本阵型和基本单元数，每个微波辐射计子系统的天线阵的基本阵型可采用Y型或T型或十字型等，每个微波辐射计子系统的天线阵的基本单元采用微带形式或缝隙形式或抛物面形式；然后根据每个微波辐射计子系统的最大物理长度和单元个数分别计算获得每个微波辐射计子系统的空间分辨率和灵敏度。
步骤二、将星载分布式综合孔径微波辐射计系统的灵敏度，或，每个微波辐射计子系统的天线阵的基本阵型，或，每个微波辐射计子系统的天线阵的基本单元数作为优化目标，采用智能优化算法或组合算法或模拟退火算法或进化类算法或群体智能算法，优化确定微波辐射计子系统的天线阵分布、每个微波辐射计子系统的天线阵的最终阵型和最终单元数。
一种星载分布式综合孔径微波辐射计系统，包括多个微波辐射计子系统，每个微波辐射计子系统均包括一个天线阵；多个天线阵分布在四个区域内；第一区域内的天线阵分为两排排列；第二区域内的呈田字形均匀分布；第三区域的天线阵分为两列排列；第四区域的呈口字形分布；第一区域、第二区域、第三区域、第四区域按顺时针或逆时针排列。
每个微波辐射计子系统的天线阵的基本阵型采用Y型或T型或十字型；每个微波辐射计子系统的天线阵的基本单元微带形式或缝隙形式或抛物面形式。
实施例：
一种星载分布式综合孔径微波辐射计系统设计方法，具体包括如下步骤：
(1)、系统需求分析：根据实际的应用需求，确定星载分布式综合孔径微波辐射计系统的空间分辨率和灵敏度，假设空间分辨率分别为Rx、Ry，灵敏度为ΔTB；
(2)、每个微波辐射计子系统的关键指标：根据星载分布式综合孔径微波辐射计系统的空间分辨率和灵敏度，结合实际的工程能力和工程需求，确定每个微波辐射计子系统的天线阵的基本阵型和基本单元数，当天线阵的基本阵型和基本单元数确定后，每个微波辐射计子系统的空间分辨率就确定了，假设分别为rx、ry；
(3)、星载分布式综合孔径微波辐射计系统的天线阵列排布优化：根据每个微波辐射计子系统的空间分辨率(rx、ry)和星载分布式综合孔径微波辐射计系统的关键指标(空间分辨率Rx、Ry和灵敏度ΔTB)，采用阵列优化算法，对星载分布式综合孔径微波辐射计系统的天线阵列进行优化，确定多个微波辐射计子系统的天线阵分布、每个微波辐射计子系统的天线阵的最终阵型和最终单元数。常用的优化算法有智能优化算法、组合算法、模拟退火算法、进化类算法、群体智能算法等，其优化目标可根据实际要求，可以选定灵敏度最优或单元数目最少等作为优化目标。
一种星载分布式综合孔径微波辐射计系统，该系统是由多个微波辐射计子系统按照一定分布式结构排列组成的，整个系统的空间分辨率是由整个分布式排列天线阵的最大物理尺寸决定的。所有微波辐射计子系统的硬件结构是完全相同的，每个微波辐射计子系统包括天线阵列、接收机通道阵列、信号采集装置、子带划分装置、相关处理装置、亮温反演装置、星间通信装置，如图1所示。
微波辐射计子系统的天线阵列是由多个天线按照一定形状排布的天线阵列，常见的天线阵列阵型主要有Y型、T型、十字型等，如图4～图6所示，天线阵列主要用于接收自然场景的微波辐射信号。
接收机通道阵列是由多个接收机通道组成，接收机通道的个数等于天线个数，接收机通道主要是接收天线输出的射频信号，并进行放大、滤波、下变频、中频放大、中频滤波和IQ解调，最终输出中频信号。
信号采集装置主要是实现对接收机通道输出的中频信号进行采样、量化。
子带划分装置主要是实现对采样后的中频信号进行数字域的傅里叶变换，然后在频域对采集的信号进行等间距子带，子带划分的份数等于微波辐射计子系统的个数。
星间通信装置主要是负责星间通信与数据传输，即负责微波辐射计子系统间的通信，负责将子带划分后的中频采样量化信号通过无线电广播的方式分发给其他对应的星间通信装置，同时负责接收机其他星间通信装置广播分发的子带划分后的中频采样量化信号并发送至相关处理装置做相关处理。
相关处理装置是对星间通信装置接收的其他微波辐射计子系统的星间通信装置广播的子带划分的中频信号做相关处理，获得可见度函数，并将其发送至亮温反演装置。
亮温反演装置是对接收的相关处理装置处理获得的可见度函数进行亮温反演，获得最终的微波辐射亮温图像。
具体的，以二维综合孔径微波辐射计系统为例，假设轨道高度为600km、刈宽为600km、系统中心频率为1415MHz、系统带宽为20MHz，要求空间分辨率要求为10km。如采用传统综合孔径微波辐射计系统，天线阵列为“十”字形阵，则要求阵元间最小单元间距为0.69个波长、单臂天线数目为87个，一共349个单元，单个天线臂长为12.7m，如图2所示。若采用分布式的综合孔径微波辐射计系统设计方法，假设微波辐射计子系统同样采用“十”字形阵，则要求阵元间最小单元间距同样为0.69个波长、单臂天线数目为6，一共25个天线单元，单臂长为0.88m，如图3所示。若要求空间分辨率达到10km，微波辐射计子系统天线阵列间按照最小冗余排布，则分布式综合孔径微波辐射系统的整个天线阵列的排布如图4所示，其中中心黑色圆圈代表微波辐射计子系统的天线阵列的中心单元，整个分布式综合孔径微波辐射计系统由16个微波辐射计子系统组成，整个分布式综合孔径微波辐射计系统的天线单元数目为400个。在工程上，单臂天线数目为6的微波辐射计子系统相对于单臂天线数目为87的大型综合孔径微波辐射计而言，在工程制造、生产、加工等方面要简单的多，从而极大地降低了大型综合孔径微波辐射计系统的制造难度，有利于降低单个子系统的生产成本。此外，多个微波辐射计子系统按照一定的规则排布，可组成更大规模的分布式天线阵，则意味着可以获得更高的空间分辨率，以进一步提高综合孔径微波辐射计系统的空间分辨率。
通过本发明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，能进一步提高星载综合孔径微波辐射计系统空间分辨率，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。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (7)

1.一种星载分布式综合孔径微波辐射计系统，其特征在于：包括多个微波辐射计子系统，每个微波辐射计子系统均包括一个天线阵；多个天线阵分布在四个区域内；第一区域内的天线阵分为两排排列；第二区域内的呈田字形均匀分布；第三区域的天线阵分为两列排列；第四区域的呈口字形分布；第一区域、第二区域、第三区域、第四区域按顺时针或逆时针排列。
2.根据权利要求1所述的一种星载分布式综合孔径微波辐射计系统，其特征在于：所述每个微波辐射计子系统的天线阵的基本阵型采用Y型或T型或十字型。
3.根据权利要求1所述的一种星载分布式综合孔径微波辐射计系统，其特征在于：所述每个微波辐射计子系统的天线阵的基本单元为微带形式或缝隙形式或抛物面形式。
4.根据权利要求1～3之一所述的一种星载分布式综合孔径微波辐射计系统，其特征在于：所述每个微波辐射计子系统的天线阵的基本单元之间的间距为0.5～0.8个波长。
5.根据权利要求1～3之一所述的一种星载分布式综合孔径微波辐射计系统，其特征在于：所述每个微波辐射计子系统的天线阵包括25个基本单元。
6.根据权利要求1～3之一所述的一种星载分布式综合孔径微波辐射计系统，其特征在于：所述星载分布式综合孔径微波辐射计系统的中心频率为1400～1427MHz，最大带宽为27MHz。
7.根据权利要求1～3之一所述的一种星载分布式综合孔径微波辐射计系统，其特征在于：所述星载分布式综合孔径微波辐射计系统的空间分辨率为5km～15km。
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