辐射成像与综合孔径概述

辐射成像与综合孔径概述第1页，共59页，2023年，2月20日，星期四目录微波辐射测量基本概述微波辐射成像方法微波辐射探测系统与成像实例综合孔径技术基本原理综合孔径技术发展历史综合孔径技术国内外发展状况第2页，共59页，2023年，2月20日，星期四微波辐射测量基本概述微波辐射测量利用物体自身发射的微波热辐射信号进行测量，不仅具有红外辐射测量无辐射、隐蔽性好的优点，还具有全天时、全天候的工作能力。应用领域地球环境遥感射电天文观测医疗检查环境监测并逐步应用到反恐斗争、场景监控、安全检查、军事侦察等领域。第3页，共59页，2023年，2月20日，星期四目录微波辐射测量基本概述微波辐射成像方法微波辐射探测系统与成像实例综合孔径技术基本原理综合孔径技术发展历史综合孔径技术国内外发展状况第4页，共59页，2023年，2月20日，星期四微波辐射成像方法-实孔径成像实孔径成像实孔径机械扫描成像使用较少的接收机,通过机械运动使天线扫过视场以获得图像信息。机械扫描时，通过天线系统的的机械旋转或在角度上的摆动而改变天线波束的指向。

优点：成像原理简单；不足：成像需要机械扫描，成像时间长；大口径天线实现困难，难以达到较好的空间分辨率。第5页，共59页，2023年，2月20日，星期四微波辐射成像方法-焦平面成像焦平面成像属于非相干、直接成像方法,是将多元单片式探测器阵列置于较大口径的抛物反射面,如卡塞格伦天线,或者透镜天线的焦面,利用馈源阵列的偏焦,把收集到的目标、背景的毫米波辐射能量聚焦于馈源阵列上,能够快速地显示场景的毫米波热辐射图像

优点：缩短了成像时间；不足：空间分辨率受限于聚焦面的尺寸通道不一致性对图像影响较大第6页，共59页，2023年，2月20日，星期四微波辐射成像方法-综合孔径成像综合孔径成像利用孔径综合原理在空间频率域中采样，测量双天线相关输出—可见度函数，然后通过傅立叶变换或其它方法来重建场景的亮温分布图像。利用该技术，传统的大口径天线被多个稀疏排列的小口径天线所代替，有效解决了空间分辨率与天线物理尺寸之间的固有矛盾。

优点：合成稀疏的轻量的小口径天线阵列实现等效的大口径天线，有效提高空间分辨率；无需扫描即可对视场瞬时成像测量不足：信号处理复杂度高第7页，共59页，2023年，2月20日，星期四目录微波辐射测量基本概述微波辐射成像方法微波辐射探测系统与成像实例综合孔径技术基本原理综合孔径技术发展历史综合孔径技术国内外发展状况第8页，共59页，2023年，2月20日，星期四微波辐射成像系统实例NGST一维推扫成像系统TRW公司被动毫米波焦平面成像系统德国W波段焦平面成像系统英国锥形扫描成像系统LockheedMartin公司PMMW成像仪样机Millivision的手持式PMMW成像仪第9页，共59页，2023年，2月20日，星期四NGST（NorthropGrummanSpaceTechnology

）一维推扫成像系统NGST为海军研究中心研制的被动毫米波成像系统，该系统是一个一维线性阵列，将其安装在飞行器上，进行推扫成像，从而形成二维图像。第10页，共59页，2023年，2月20日，星期四TRW公司被动毫米波焦平面成像系统NGST旗下的TRW公司被动毫米波成像系统是由美国WhiteHouseJointDual-UseTechnology计划支持而产生的，用于飞行器自动着陆。该系统是用一个直径18英寸塑胶透镜和一个内置透镜来接收和聚焦辐射信号，系统内部有一个成45°的平面镜可将透镜接收到的信号反射给内部的焦平面系统（FPA）。第11页，共59页，2023年，2月20日，星期四系统部分技术指标：工作频率：89GHz带宽：10GHz接收机单元数：1040接收机体制：dicke式噪声系数：5.5dB角分辨率:0.5°视场：15°×10°第12页，共59页，2023年，2月20日，星期四德国W波段焦平面成像系统德国Elangen大学微波技术研究所（LHFT）和德国高频物理和雷达技术研究所（FHR）等单位共同研制了一款W波段焦平面被动毫米波成像系统。成像体制选用的是一维线阵辅助一维机械扫描的方式，但限制了其扫描的速度。第13页，共59页，2023年，2月20日，星期四该系统的一维线阵由6个介质棒阵元组成。排布在内的4个阵元连接接收机通道，外面的2个阵元连接匹配负载以用于形成对称的环境。阵元间距为1.5倍波长.机械扫描转台以步长0.3°，角速度15°/s进行成像扫面。部分技术指标：工作频段：94GHz聚焦天线：直径280mm、焦距300mm的双聚焦透镜视场范围：>20°旁瓣水平:-20dB-8dB锥形波束宽度：0.7°接收机形式：Dicke式第14页，共59页，2023年，2月20日，星期四英国锥形扫描成像系统该系统由英国DefenceEvaluationandResearchAgency、汤姆森物理实验室和圣安德鲁斯大学原子物理学院共同研制，拟可用于室外恶劣天气下的航海导航或者室内安检。设计者希望该成像系统能用于室内成像，但室内如室外不同的是没有自然场景下的照射源（天空），因此设计和研制了一个用于辅助室内成像的“源”，该设备呈立方体结构，由5块大尺寸面板组成，每块面板都连接着一个毫米波宽带噪声源，用于照射室内场景。第15页，共59页，2023年，2月20日，星期四该系统包含一个非球面的曲面极化栅格，32单元线性阵列，用于改变极化方式的四分之一波长介质层和一个非球面的凹面扫描镜。部分技术指标：工作频段：35GHz单元天线个数：32视场范围：20°×10°第16页，共59页，2023年，2月20日，星期四LockheedMartin公司PMMW成像仪样机LockheedMartin公司的PMMW成像仪样机，中心为卡赛格伦天线。为了减少接收机的数目，此系统仅在水平方向线性排列了34个接收机，并在垂直方向上作机械扫描，最终可获34×44个象素。主要参数：中心频率：94GHz单元天线个数：34像素：34×44视域：15°×13.6°灵敏度：0.6K～2K帧速:10Hz第17页，共59页，2023年，2月20日，星期四Millivision的手持式PMMW成像仪Millivision的手持式PMMW成像仪，它的主要参数有：中心频率：94GHz带宽：5GHz聚焦天线直径：125mm灵敏度：<1K象素：32×32帧速：10Hz。第18页，共59页，2023年，2月20日，星期四微波辐射成像图片实例飞机着陆引导图像海面舰船、地面车辆的图像从高空向地面的探测图像中短距离的空中目标图像隐匿武器探测图像第19页，共59页，2023年，2月20日，星期四飞机在加州沙漠某跑道上着陆时的被动毫米波成像序列第20页，共59页，2023年，2月20日，星期四美国加州长滩港某轮船的光学照片和其94GHz毫米波图像第21页，共59页，2023年，2月20日，星期四车、帆船、快艇的光学照片及其相应的被动毫米波图像第22页，共59页，2023年，2月20日，星期四地面飞机和毫米波信标的探测图像第23页，共59页，2023年，2月20日，星期四起飞中的飞机光学和毫米波层叠图像第24页，共59页，2023年，2月20日，星期四隐匿武器的光学和毫米波图像第25页，共59页，2023年，2月20日，星期四目录微波辐射测量基本概述微波辐射成像方法微波辐射探测系统与成像实例综合孔径技术基本原理综合孔径技术发展历史综合孔径技术国内外发展状况第26页，共59页，2023年，2月20日，星期四双天线互功率谱1) 假设媒质是均匀的

2) 假设辐射场是平稳的

3) 假设来自于辐射源不同位置的辐射电磁波互不相关

4) 假设满足远场条件：[1]D.M.LeVine,"Thesensitivityofsyntheticapertureradiometersforremotesensingapplicationsfromspace,"RadioScience,vol.25,pp.441-453,1990.l=sinθcosφ,m=sinθsinφ表示球坐标系中的方向余弦u=Dx/λc,v=Dy/λc表示空间频率fc表示接收机中心频率，λc表示中心波长Z表示媒质的特征阻抗Bf(l,m,f)表示辐射源的谱亮度f1(l,m)和f2(l,m)分别表示两天线的电压转移函数第27页，共59页，2023年，2月20日，星期四复相关接收5) 假设辐射场是遍历的

H1(f)和H2(f)分别表示两通道的频率响应第28页，共59页，2023年，2月20日，星期四可见度函数6) 假设接收机带宽远小于中心频率7) 假设在接收机的带宽范围内，两天线的场强方向图都不随频率变化

8) 各单元天线的方向图特性完全一样9) 接收机通道的传输特性都是理想的矩形[1]C.S.Ruf,C.T.Swift,A.B.Tanner,andD.M.LeVine,"InterferometricsyntheticaperturemicrowaveradiometryfortheremotesensingoftheEarth,"GeoscienceandRemoteSensing,IEEETransactionson,vol.26,pp.597-611,1988.κ是波尔兹曼常数TΩ(l,m)=TB(l,m)G(l,m)/4π表示单位立体角内接收到的亮温度G(l,m)为单元天线的增益可见度函数第29页，共59页，2023年，2月20日，星期四综合孔径阵列每一对干涉仪构成一个基线每一个基线的输出就对应着(u,v)平面上的一个采样点若取遍平(u,v)面上的所有点，则可以得到连续的无数个复相关输出，这一系列连续的输出值就组成了可见度函数许多不同的基线组成的阵列可以等效于一个大尺寸实孔径天线，因此就把这样的阵列称为综合孔径阵列当阵列天线单元数目较大时，两两组成的众多基线中有许多是重复的，这些阵列冗余可以采用所谓的稀疏排列在一定程度上消除之，消除冗余后的阵列就称为综合孔径稀疏阵列

第30页，共59页，2023年，2月20日，星期四综合孔径成像反演如果在(u,v)平面上的采样点布满从-∞到∞的范围，则可以不失真地反演出目标的亮温分布图像实际上，由于天线个数是有限的，构成的基线数量也就是有限的，不可能测得连续的可见度函数因此就只能通过对有限个离散采样点的观测值求和来逼近 反演是根据可见度测量求解场景亮温分布图像的过程。第31页，共59页，2023年，2月20日，星期四目录微波辐射测量基本概述微波辐射成像方法微波辐射探测系统与成像实例综合孔径技术基本原理综合孔径技术发展历史综合孔径技术国内外发展状况第32页，共59页，2023年，2月20日，星期四综合孔径技术发展历史综合孔径技术是来源于射电天文领域，被用来观测银河系和其他星系目标的射电发射。由于衍射效应，射电望远镜的分辨率受到天线孔径的限制。大口径的天线加工极为困难，难以满足分辨率不断提高的需求。二十世纪上半叶，结晶学家探讨了一种理论，可用间接方法获得图像。五十年代初，英国剑桥大学卡文迪许实验室的射电天文学家赖尔等人，把这种理论发展成射电天文中的综合孔径技术。英国射电天文学家赖尔因此获得了1974年诺贝尔物理学奖金。第33页，共59页，2023年，2月20日，星期四射电综合孔径技术-初步阶段1954年布莱思按照赖尔提出的方案，建造了第一台综合孔径射电望远镜。它由一整排小单元组成一字形单元和一个可沿着一条垂直线移动38个不同位置的小单元组成，可以综合成一个相当于正方形“大天线”的综合孔径望远镜，能在波长为7.9米的波段上得到2.2度的分辨角。虽然，2.2度的分辨角不可能获得精细的射电分布图。这一观测实验证实综合孔径新原理的正确性，意义非凡。从此，射电天文综合孔径时代开始了。第34页，共59页，2023年，2月20日，星期四射电综合孔径技术-发展阶段在20世纪50年代还没有储存容量足够大、计算速度足够快的计算机来完成观测资料的傅里叶变换。到了60年代，综合孔径射电望远镜的发展才有了可能，陆续建成了0.8、1.6和5千米基线的综合孔径射电望远镜。1960年赖尔和内维尔开始研制等效直径为1.6千米的综合孔径射电望远镜。这台综合孔径射电望远镜由3面直径18米的抛物面天线组成，其中2面固定在地面上的天线相距0.8千米，另1面天线放在长0.8千米的铁轨上，可以移动，结果得到了4.5角分的分辨率。这个实验的成功，证明了利用地球自转进行综合观测的方法是可行的，由于总的接收面积增加使望远镜的灵敏度提高达8倍之多。这台望远镜于1964年正式启用，用于普测射电天图和研究弱射电源，特别是射电星系的结构。第35页，共59页，2023年，2月20日，星期四射电综合孔径技术-完成阶段1971年剑桥大学建成了等效直径5千米的综合孔径望远镜，代表了当时最先进的设计水平。它由8面口径为13米的抛物面天线组成，排列在5千米长的东西基线上，4面天线固定，4面可沿铁轨移动。每观测12小时后，把可移动天线放到预先计算好的位置上再观测12小时，尔后再移动位置，直到获得所需要的各种不同的天线间距的测量值。计算机处理资料后便得到一幅观测天区的射电图。这台望远镜是专为绘制单个射电源的结构而设计的，除了它有更大的综合孔径以外，各个抛物面也更加精密，可在短至2厘米的波长上工作，结果得到的角分辨率为1角秒，这个分辨率已经可以和高山台站上的大型光学望远镜媲美了。第36页，共59页，2023年，2月20日，星期四射电综合孔径技术-前景在赖尔取得成功以后，综合孔径射电望远镜风靡全世界，至今仍具强劲的发展势头。其中最重要的是美国国家射电天文台的甚大阵天线（VLA），是当前最大的综合孔径射电望远镜，其最高分辨角为0.13角秒，已经优于地面上的大型光学望镜。该系统由27面直径25米的天线组成，Y形排列，每臂长21公里，厘米波段最高分辨率可达角秒量级，与地面上光学望远镜的实际分辨率相当，成像时间为8小时。第37页，共59页，2023年，2月20日，星期四目录微波辐射测量基本概述微波辐射成像方法微波辐射探测系统与成像实例综合孔径技术基本原理综合孔径技术发展历史综合孔径技术国内外发展状况第38页，共59页，2023年，2月20日，星期四综合孔径技术国内外发展状况从20世纪80年代末世界上第一台综合孔径微波辐射计ESTAR研制成功开始，美国航空航天局（NASA）、美国马萨诸塞州立大学、欧洲航天局（ESA）、芬兰赫尔辛基技术大学等单位就开始了大量的探索性工作，并相继研制出综合孔径微波辐射计成像系统或样机ESTAR2D-STARMIRASSA-PAUGeoSTARHUT-2DSTAR-LightCAS综合孔径辐射计华中科技大学一维综合孔径系统第39页，共59页，2023年，2月20日，星期四ESTAR（ElectronicallyScannedThinnedArrayRadiometer）ESTAR是世界上第一台采用干涉式综合孔径技术的机载微波辐射计，由美国马塞诸萨州立大学(UniversityofMassachusetts)与美国航空宇航局(NASA)戈达德空间飞行中心(GoddardSpaceFlightCenter)合作研制用于土壤湿度和海水盐度的测量。ESTAR系统工作在1.4GHz频段，实际上是一个综合孔径和真实孔径混合组成的成像系统，它在顺轨方向利用杆状单元天线的真实窄波束实现的±9°的3dB波束宽度；在交轨方向利用5个杆状单元天线，采用合成孔径技术获得7°窄波束，天线之间的最小距离为λ/2，最大距离为7λ/2，共有8个基线，天线阵交轨方向的最大长度为73.5cm。第40页，共59页，2023年，2月20日，星期四ESTAR系统工作在1.4GHz频段，实际上是一个综合孔径和真实孔径混合组成的成像系统，它在顺轨方向利用杆状单元天线的真实窄波束实现的±9°的3dB波束宽度；在交轨方向利用5个杆状单元天线，采用合成孔径技术获得7°窄波束，天线之间的最小距离为λ/2，最大距离为7λ/2，共有8个基线，天线阵交轨方向的最大长度为73.5cm。其主要技术指标如下:中心频率：1413.5MHz系统带宽：27MHz天线数量：5基线数量：7天线形式：一排八偶极子组成的杆状天线天线最小间距：0.5λ极化方式：水平空间分辨率：天底方向波束宽度±3°中频频率：113.5MHz、143.5MHz积分时间：0.25秒第41页，共59页，2023年，2月20日，星期四2D-STAR2D-STAR是ESTAR的下一代系统，1999年获得NASAInstrumentIncubatorProgram(IIP)项目的资助,由马塞诸萨大学和NASA戈达德空间飞行中心联合研制，目的仍然是用于土壤湿度和海水盐度的测量。2D-STAR是一个工作在1.4GHz频段的二维综合孔径辐射计，该系统设计成一个11×11的矩形满阵可以根据不同的阵列稀疏方案(如Y、T、U、十等)从这个方阵里选取不同的双极化天线单元与后端的接收机相连，从而对不同天线阵列稀疏方案的结果进行实际的对比评估，这是其最大的特点。第42页，共59页，2023年，2月20日，星期四2D-STAR系统主要在三个方面实现了重要的技术改进：1）.从一维综合孔径演进为二维综合孔径系统；2）从单极化测量发展为双极化测量；3）从模拟相关器改进为数字相关器。其主要技术指标如下：中心频率：1413MHz系统带宽：24MHz阵元数量：11×11阵列尺寸：1.25m×1.25m阵元最小间距：0.5λ单元天线形式：双极化微带天线单元天线波束宽度：60°（3dB）极化方式：双极化（开关切换）空间分辨率：9°（3dB）积分时间：10ms相关器：数字8bits第43页，共59页，2023年，2月20日，星期四MIRAS（MicrowaveImagingRadiometerwithApertureSynthesis）1993年，欧空局（EuropeanSpaceAgency，简称ESA）开始开展二维综合孔径星载微波辐射计MIRAS(MicrowaveInterferometricRadiometerwithTwo-DimensionalApertureSynthesis)系统的研究。在1999年获得ESA批准的SMOS（SoilMoistureandOceanSalinity，土壤湿度与海水盐度）计划中，MIRAS是其卫星计划的唯一载荷。MIRAS系统已于2009年11月成功发射升空，是世界上第一个投入实用的综合孔径星载辐射计系统。它至少每３天绘出一幅地球土壤湿度图，每３０天绘出一幅海水含盐量图，帮助人们更深入地了解地球水循环，尤其是地表与大气之间的水交换机制。第44页，共59页，2023年，2月20日，星期四MIRAS主要技术指标如下中心频率：1413.5MHz系统带宽：19MHz天线阵列形状：Y形天线最小间隔：0.875λ天线每臂长度：4.2m接收机数量：69天线形式：双极化微带天线（非同时）数字量化精度：1bit采样频率：55.84MHz中频频率：17.5MHz积分时间：1.2秒卫星高度：755km(低太阳同步轨道)预计空间分辨率：50－100km预计温度灵敏度：5k视场范围：±620km第45页，共59页，2023年，2月20日，星期四SA－PAU（SyntheticAperturePassiveAdvancedUnit）SA－PAU（SyntheticAperturePassiveAdvancedUnit）是欧空局在MIRAS系统的设计基础和经验上，提出的一种改进型的综合孔径辐射计方案，也是针对海水盐度测量的应用，计划将装备于下一代SMOS任务。SA－PAU目前还未进入实际系统开发阶段，目前已经进行了一系列的双单元实验对其设计方案性能进行试验评估。第46页，共59页，2023年，2月20日，星期四主要技术指标如下：中心频率：1575.42MHz系统带宽：2.2MHz天线阵列形状：Y形天线最小间隔：0.816λ天线每臂长度：1.3m接收机数量：31天线形式：全极化微带天线数字量化精度：8bit采样频率：55.84MHz中频频率：17.5MHz积分时间：目前可实现1秒、0.5秒、100毫秒、10毫秒第47页，共59页，2023年，2月20日，星期四GeoSTAR（GeostationarySyntheticThinnedApertureRadiometer）GeoSTAR是一个地球静止轨道星载毫米波综合孔径辐射计，2002年作为一种GOES毫米波探测问题的解决方案被提出，面向气象应用，实现高空间分辨率的全天候的大气温度及湿度观测。在NASA的IIP项目资助下，JPL实验室已经研制了一个GeoSTAR的地基原型样机，正在进行测试和性能鉴定。GeoSTAR原型机采用了Y型稀疏阵列，阵列正中心没有接收机，三条臂逆时针交错，最里面的三个喇叭组成一个等边三角形。虽然空间频域覆盖有轻微损失，但简化了机械和电气设计。第48页，共59页，2023年，2月20日，星期四GeoSTAR的原型样机工作在50GHz至55GHz频段，共有4个通道，采用24个喇叭天线构成“Y”型的天线阵，天线的最小间距为3.5（大约2cm在50GHz）。GeoSTAR样机主要技术指标如下：中心频率：50GHz系统带宽：100MHz天线阵列形状：Y形天线最小间隔：3.5λ接收机数量：24天线形式：ParabolicPotter喇叭天线数字量化精度：1bit采样频率：200MHz中频频率：1～100MHz积分时间：文献报导最长为5分钟第49页，共59页，2023年，2月20日，星期四HUT-2DHUT-2D是芬兰赫尔辛基技术大学研制的二维机载综合孔径微波辐射计。同时，HUT-2D的研制也受到ESA的基金支持，用来验证干涉式综合孔径辐射计的原理，成像的质量以及定标方法。2006年初，机载HUT-2D系统研制完成，并于当年5月进行了首次试飞，获得了第一幅机载二维SAIR图像。第50页，共59页，2023年，2月20日，星期四HUT－2D机载系统同样工作在1.4GHz频段，阵列排成U型二维稀疏阵列，由36个接收天线单元组成，系统包含集成天线接收机单元、校正子系统、数字相关器、接收机控制板、以及本振子系统。主要技术指标如下：中心频率：1.4135GHz信号带宽：7MHz天线排列：U型阵元数量：36(每臂12)最小天线间距：0.7λ视场(aliasfree)：±25°极化：HandV(通过开关选择)基线数量：575相关器：1bit数字相关采样速率：40MHz单元天线类型：双极化微带天线接收机噪声：310～390K空间分辨率：3°温度灵敏度：0.79K@积分时间4秒2.8K@积分时间0.25秒第51页，共59页，2023年，2月20日，星期四STAR-LightSTAR-Light系统是密歇根大学研制的工作在1.4GHz，由10个单元构成的二维合成孔径辐射计，针对土壤湿度和海水盐度测量应用，2002年完成关键设计，并于2003年装在了NASA的CLPX实验系统上进行了实验，但是未有辐射图像的报导。第52页，共59页，2023年，2月20日，星期四系统主要参数如下：中心频率:1.4135GHz系统带宽：20MHz天线阵列：Y形天线形式：微带天线单元天线直径:14.4cm阵元数量:10数字量化精度：3bit单元系统增益：90dB单元接收机噪声温度：100K单元温度稳定度：12mkrms第53页，共59页，2023年，2月20日，星期四CAS综合孔径辐射计（C波段）中国科学院（CAS）空间研究中心从90年代起开始进行综合孔径辐射成像系统和技术方面的研究。1999~2001年期间，中科院空间中心研制了一台6单元4度角分辨率的C波段一维综合孔径辐射计样机，成功获得了国内首个综合孔