非规则天线阵列综合孔径微波辐射测量技术研究

The main problem of spaceborne passive microwave remote sensing is the low spatial resolution. In order to improve the spatial resolution, both in the existing large satellite platform and in the future distributed satellite platform based on satellite formation flying, the nonuniform aperture synthesis radiometer (NASR) is able to promote the development of passive microwave remote sensing for the high spatial resolution. . However, for the NASR, the brightness temperature inversion, array configuration optimization, and system error calibration are still the problems which need to be solved. Therefore, this project plans to break through these technical bottlenecks by the innovation of theory and method. The main contents include: (1) The optimization model of the system function for the NASR is studied, then the reconstruction method based on the optimization of the system function is proposed. (2) The optimization criterion for the nonuniform array is studied, and the method how to find the pseudo random distribution for the elements is studied, then the array configuration optimization is proposed. (3) The microwave radiation characteristics of the special scenes are studied, then method of multi-source joint external calibration is proposed by the combination of different special scenes. The research results of this project are able to provide new methods and key technical support for the passive microwave remote sensing of Earth with the high spatial resolution.

星载被动微波遥感现在面临的主要问题是空间分辨率较低。为提高空间分辨率，不论是在现有的大卫星平台技术路线下，还是在未来可能出现的基于小卫星编队的分布式卫星平台技术路线下，非规则天线阵列综合孔径辐射计都能促进高空间分辨星载被动微波遥感技术的实现。. 然而，非规则天线阵列综合孔径辐射计在亮温反演、阵列优化、以及误差校正方面还存在急需解决的技术难题。因此，本项目拟通过理论方法上的创新，来突破这些技术瓶颈。主要内容包括：（1）研究非规则天线阵列综合孔径辐射计系统函数的优化模型，提出基于系统函数优化的高精度反演方法。（2）研究并建立非规则天线阵列的优化准则，搜寻满足优化准则条件下单元天线的伪随机分布方式，实现非规则阵列的优化。（3）分析多种典型自然场景的微波辐射特性，提出基于自然场景的多源联合误差校正方法。本项目的研究成果为高空间分辨率地球被动微波遥感技术的发展提供新方法和关键技术支撑。

被动微波遥感是对地遥感观测的重要手段，在大范围的土壤湿度遥感、海洋盐度遥感以及大气遥感等领域有着重要的应用。而星载被动微波遥感现在面临的主要问题是空间分辨率过低。从提高空间分辨率的角度来看，非规则天线阵列综合孔径辐射计具备在星载平台上提高空间分辨率的潜力。考虑到在星载平台上，非规则天线阵列综合孔径辐射计在亮温图像重建、阵列优化、以及误差校正方面还存在急需解决的技术难题。因此，本项目围绕非规则天线阵列综合孔径辐射计的亮温图像重建、阵列优化、以及误差校正技术开展研究工作。具体而言：1）分析和推导了非规则天线阵列综合孔径微波辐射计的系统函数优化模型，在此基础之上，通过优化算法可消除单元天线非规则排列给系统性能带来的影响，最后使用常规的傅里叶反演算法即可反演出精度较高的亮温图像。该方法不仅解决了非规则天线阵列综合孔径辐射计重建亮温图像质量较差的难题，同时还具有较高的计算效率。2）推导和建立了非规则天线阵列排布与亮温反演误差之间的数学模型，在此基础之上建立了二维非规则天线阵列排布的优化模型，找到了二维非规则天线阵列优化的数学规律，即二维天线阵列的性能与其对应的天线排列矩阵的秩成正相关的关系。该研究找到了提升非规则天线阵列性能的方法，在实践中能作为非规则天线阵列优化的理论依据之一。3）提出和研究了基于GPS掩星探测的大气微波辐射外校正方法，相对于典型的地面目标校正场景而言，本项目提出的这种外校正方法的优势在于能提高外校正的频次。本项目不仅完成了申报书中的研究计划，达到了预期研究目标。另外，还额外完成了部分镜像综合孔径辐射计方面的研究工作，拓展了提升星载被动微波遥感空间分辨率的技术路线，有助于未来研究工作的继续开展。

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