合成孔径雷达(SAR ) 对地观测与成像技术是近20 年来空间微波遥感技术最重要的进展。JPL 的SIR-C SAR 与加拿大Radarsat SAR-2 等星载或机载SAR 的全极化散射测量提出了自然地表全极化散射信息获取与处理的关键性科学问题。充分理解自然地表极化散射特性, 进而发展自然地表特征信息的分类、识别和反演算法是SAR 遥感应用的关键问题。近年来, 对于极化SAR 遥感已有广泛的研究。自然地表全极化散射的数值建模与M ueller 矩阵模拟解、相干矩阵及其特征值分析、信息熵等都有了研究与应用。但是, 如何将SAR 图像相干矩阵特征值和信息熵的全极化散射测量与自然地表特征参数直接关联, 并由此发展地表的分类、识别与参数反演等信息获取与处理还有待于大量的研究。本文将论述我们在SAR 全极化散射理论与应用的若干研究进展。第一个问题是如何将SAR 图像相干矩阵特征值和信息熵与同极化、交叉极化后向散射系数的测量直接关联, 与M ueller 矩阵解一起研究地表的分类与识别。第二个问题是如何有全极化散射测量反演地面数字程(DEM )。第三个问题是如何利用多时相SAR 遥感识别、获取与评估地面特征时间上的变化。
空对地海目标的监测、识别是用电磁波(可见光、红外、微波、毫米波等) 与处于地海环境中的目标相互作用的散射和辐射来获取信息、制导和目标截获的。作为空间遥感信息机理基础的地海环境中电磁散射辐射传输的研究直接在国家安全、军事环境监测、导弹制导、背景中目标识别与跟踪、军事预警、电子对抗等军事高科技中有着十分关键的应用。介绍近年来对于地海环境中目标监测的研究, 包括: 雷达监测与截获海杂波环境中舰船目标的双站电磁散射数值仿真, 弹道导弹寻的雷达目标跟踪时地表散射杂波的模拟与多普勒频移的仿真,SAR 图像中船行尾迹对舰船目标的识别, 从空间微波遥感SAR, SSM/I 等图像数据中反演特定区域的气象等环境特征的研究等。
我国在2002 年12 月30 日成功发射了神舟4 号( SZ-4) 飞船, 船上载有的主要载荷是多模态微波遥感器( M3RS) , 首先介绍了M3RS 的主要特点, 其次详细讨论了M3RS 的初步应用效果, 最后介绍了SZ-4 飞行任务中的应用系统主要工作之一—M3RS( 高度模态、辐射模态和散射模态) 的地面配合试验, 总结了地面配合实验对M3RS 的功能和性能评价。
介绍了综合孔径微波辐射计成像的基本原理, 回顾了干涉式综合孔径技术在过去十余年间的发展历程, 较详细地介绍并分析了目前世界上已有或在研的综合孔径微波辐射计系统, 其中包括美国的ESTAR 及其2D2STAR , GeoSTAR 计划, 欧空局SMO S 计划上的主载荷MIRAS, 芬兰赫尔辛基技术大学的HUT 22D, 以及中科院空间中心研制的C 波段及X 波段综合孔径微波辐射计等。最后, 对干涉式综合孔径技术的应用前景作了简要介绍与展望。
首先对国外开展的利用GPS系统进行大气和海洋航天遥感的理论和试验研究工作进行了综述, 然后对利用GPS系统进行大气和海洋遥感的基本原理和一些试验结果作了简要介绍。同时对GPS遥感方法和传统的遥感方法加以比较分析, 最后开展了一些讨论, 以期对我国航天微波遥感的发展和二代卫星导航定位系统的应用提供一定的参考。
相对最优极化问题是雷达极化领域的重要问题之一, 其目的是选取一种最优极化状态以增强目标回波或接收功率, 同时尽可能地抑制杂波干扰。将对这一问题在各种情况下的数学模型、求解方法及最新研究进展予以综述。
电波环境特性与微波遥感技术的研究和应用之间具有紧密的联系。与光学和红外等其它遥感手段相比, 微波遥感以全天候全天时工作能力、穿透性强和多频段与极化信息丰富等特点受到遥感界的重视, 特别是随着理论和技术的发展, 微波成像和遥感信息解译(判读、反演、分类、识别等) 能力不断提高, 微波遥感的应用得到了迅速的发展, 微波信息原有的不足得到了很大的改善。但是, 电波环境效应的影响却制约了微波定量遥感和成像技术的进一步发展。电波环境在微波遥感中的作用可以分为两个方面, 一是直接作为微波遥感的目标或对象, 如地表特征信息; 二是作为对遥感目标的影响参与遥感过程。针对微波遥感中的电波环境效应影响, 分析了相关的电波环境因素和条件, 讨论了相应的几何和物理分析方法与模型。
在地球系统中, 地表土壤水分是陆地和大气能量交换过程中的重要因子, 并对陆地表面蒸散、水的运移、碳循环有很强的控制作用, 大面积监测土壤水分在水文、气象和农业科学领域具有较大的应用潜力。被动微波遥感是监测土壤含水量最有效的手段之一, 相比红外与可见光, 它具有波长长, 穿透能力强的优势, 相比主动微波雷达, 被动微波辐射计具有监测面积大、周期短, 受粗糙度影响小, 对土壤水分更为敏感, 算法更为成熟的优势。然而微波辐射计观测到的亮温除了受土壤水分影响外, 还要考虑如植被覆盖、土壤温度、雪覆盖以及地形、地表粗糙度、土壤纹理和大气效应以及地表的异质性等其它因子的影响。目前, 已研究出许多使用被动微波辐射计反演土壤水分的方法,这些方法大部分是围绕着土壤湿度与亮温温度之间的关系进行, 同时也考虑其它各种不同因子对
地表微波辐射的影响。从介绍被动微波反演地表参数的原理入手, 重点介绍被动遥感反演土壤水分当前的算法进展、研究趋势等。
介绍神舟4号多模态微波遥感器散射计分系统的研制情况和在轨实验情况。首先简单介绍了系统组成、工作特点以及机载校飞实验, 随后介绍了数据处理过程以及遥感器地面信号处理系统的研制开发工作, 给出了在轨海面风场测量的实验结果以及亚马逊热带雨林的后向散射系数测量结果。
在现代的空间探测活动中, 随着单模态遥感器技术发展的日益成熟, 以及太空探测及开发的要求日益迫切, 综合性遥感器逐渐成为发展的一个热点。所谓综合性遥感器, 就是由多种遥感仪器组合为一个系统, 相互间协调工作, 实现多方面资源的共享, 而其关键之一就在于控制与通信系统。结合作者的实际工作, 就神舟4 号主载荷多模态遥感器的主控与通信系统( M3RS-CC) 进行整体性的介绍与分析。
介绍了我国首次研制的空间对地观测被动微波遥感器——神舟4 号飞船多频段微波辐射计的设备性能参数及指标, 并对海洋、沙漠等地物目标的测量结果进行了分析, 与国外其它星载微波辐射计的测量结果进行了比较。
多模态微波遥感器作为神舟4号主载荷是我国第一次进入太空的微波遥感器, 是一部集高度、散射计和辐射计为一体, 具有综合观测能力的微波遥感器。在神舟4号飞船在轨飞行实验期间,取得了大量的有效科学数据, 在轨实验获得成功。从多模态微波遥感器的研制要求出发, 列出了系统的主要指标, 介绍了多模态微波遥感器的工作原理、系统组成、运行控制模式和系统验证试验, 总结了在轨运行情况和数据处理结果, 给出了实验结论。
介绍了机载SAR 实时信号处理器的体系结构和实时信号处理的算法流程, 通过对载机平台实测数据进行成像处理, 给出了高分辨率的SAR 图像, 验证了该系统的可靠性。
语音通信是教练机机内人员间相互沟通的重要工具, 为此, 提出了某机载通话系统的数字化设计方案。详细介绍了该系统的工作原理、软硬件设计思想, 分析讨论了应用中的一些实际问题。实现了机内主驾驶员、副驾驶员、教练员、地勤维护人员以及地面电台间的语音通话, 同时也可实时传输、监听地面及教练机内的控制信号。
海洋动力环境卫星(HY22) 是一种获取海洋动力环境信息的专用对地遥感卫星, 计划中的我国第一颗海洋动力环境卫星(HY22A ) 以微波遥感器为主, 包括一台雷达高度计、一台微波散射计和一台多通道微波辐射计。介绍HY22 雷达高度计和微波散射计的系统设计和主要技术指标。
神舟飞船多模态微波遥感系统的成功研制填补了我国航天微波遥感的空白, 也使我国航天器天线技术进入一个新的领域、实现了一次大的技术跨越。从天线的系统工作模式、组成、设计要点、关键技术及验证等方面阐述该天线子系统的技术设计与创新。
从热、机、电一体化设计思想出发叙述了神舟飞船多模态微波遥感器天线子系统的结构设计程序, 并利用计算机光测技术解决了高精度反射面天线的组装与变形测量。
简要论述了高分辨微波遥感系统组成、工作模式、运动补偿等问题, 给出了高分辨率微波遥感系统的飞行试验结果。
在计算机辅助下如何快速的对整景高分辨率SAR影像进行信息提取已成为一个研究热点。将这一问题构建为一个系统工程来进行考虑解决。在SAR影像中, 许多目标例如河流、湖泊、主要道路、街区和居民地等地理属性信息在短期内不易发生变化, 因此可将这些地理数据集作为先验信息存于数据库中, 在随后对SAR影像的信息处理中, 可以通过预先建立的地理索引调用相应的地理信息来指导信息提取过程, 从而加快整个系统的处理进度, 满足实际工作的需求。
利用神舟4 号飞船多频段微波辐射计结合其它星载数据和地面数据, 研究了塔克拉玛干沙漠的微波辐射特点和温度反演问题。结果表明, 微波辐射计在塔克拉玛干沙漠的性能是相对稳定的。其在塔克拉玛干沙漠的观测亮温呈现出低频高于高频的特点。通过分析, 认为这种现象与微波辐射的穿透能力密不可分。通过对各通道观测亮温与沙漠周围5 个常规气象观测站的温度资料的相关分析, 表明观测亮温与地表要素间有很好的相关性。
提出了一种新的方法来研究大豆冠层的极化后向散射系数。这种方法结合分支模型〔1〕和PACT 模型〔2〕的优点: 前者强调植物结构和相干效应的重要性; 后者则采用天线阵的概念来考虑植株间的相互作用, 适合应用于大豆等在耕作实践中通常具有准周期的作物。而且, 针对描述轴对称散射体取向的欧拉角和球坐标系统中的仰角、方位角的联系, 提出了更符合物理实际的新的关系。由我们的方法预测的后向散射系数和实验数据的良好吻合, 证明了其有效性。
详细介绍一个适用于中小尺度区域海洋遥感图像采集和科学研究的双极化X 波段机载真实孔径雷达。这个真实孔径雷达曾参加1996 年度、1997 年度和1999 年度美国海军实验室主持的切萨皮克湾( Chesapeake Bay) 淡水层实地考察实验。实验结果表明应用民用产品集成的廉价机载实孔径雷达可以成为研究中小型海洋现象, 如油层污染, 内波和海口淡水层及其边缘等的高性价比的有力遥感工具。文章还探讨了应用于海洋表面遥感的机载真实孔径雷达的系统设计, 最优参数和实践中的局限性。
“神舟4号”飞船微波辐射计是我国自行研制的第一个星载被动微波遥感器。自从“神舟4号”飞船发射以后,RAD获得了大量的地球表面南北纬40°以内的不同通道的微波辐射电压数据。通过定标调整,得到地球表面的微波辐射亮温。利用同步的RAD和TMI产品数据,建立了海面温度、风速和大气水汽含量的反演算法。然后利用TMI数据产品对反演算法进行了检验。结果表明二者具有很好的一致性,在无雨的情况下,海面温度、风速和大气水汽含量的均方根误差分别为1.40℃、0.35ms和2.71mm。
随着机载和星载高分辨率SAR图像得到越来越多的应用, 人们开始研究新的有效的解译工具。虽然一个专业判读人员或许能够通过观察图像上亮的或暗的线性结构来检测道路网, 但是道路的自动检测仍然非常困难。提出一种简单的高分辨率SAR 图像主要道路自动提取方法。该方法分为三步: 第一步, 对原始图像进行预滤波, 分别进行了两个阈值化过程, 目的是去除不感兴趣区域;第二步, 输入第一步结果, 用Hough 变换分别进行道路识别; 最后一步基于特征融合技术, 利用一定的融合方法将检测的结果进行融合。根据对实际图像检测的结果, 证明该方法对于检测高分辨率SAR图像上的主要道路是有效的。
月壤微波介电常数的确定是我国未来绕月星载微波辐射计资料反演的前提, 作者在野外采集大量地球玄武岩和斜长岩样品的基础上配制了9 个模拟月壤样品, 并制成0. 8 g / cm3、1. 0 g / cm3、1. 2 g / cm3、1. 4 g / cm3 和1. 6 g / cm35 个密度等级, 在500 MHz～20 GHz 的频率范围内, 用同轴线终端开路法在HP8722C 矢量网络分析仪上对其介电常数进行了系统测量, 并用计算机方法对测量结果进行了综合处理和统计分析。结果表明, 密度、频率和组分对介电常数都有显著影响, 但以密度的作用最为强烈, 频率次之, 组分最弱; 介电常数实部随密度的增加而线性增加, 随频率的增加而线性减少; 虚部则无论密度还是频率增加都呈增大趋势, 但低于10 GHz 时, 虚部和二者之间基本为线性关系, 高于10 GHz 时, 规律性变差; 组分对介电常数的作用较为复杂, 二者之间很大程度上不遵循简单的函数关系。样品主元素氧化物SiO2、Al2O3、CaO、MgO、TiO2 和??Fe 百分含量的多元回归显示, 它们和介电常数之间倾向于符合一个多元一次函数, T i 和Fe 氧化物未表现出其在对介电常数贡献上的特征组分的作用。
利用灰度共生矩阵计算高分辨率SAR 图像的纹理特征, 通过统计分析选取合适的特征矢量,并基于非监督聚类分析提取居民区。对提取的居民区以一定的面积阈值剔除噪声(细小区域) , 并利用形态学算子对提取边界进行适当的归整, 得到最终结果。在对应的光学图像上人工提取居民区范围, 以此作为实验结果的评价标准。实验结果表明本方法可以得到较好的效果。
在深入分析波—流作用方程、海面雷达后向散射模型的基础上,建立了波—流作用产生的海面雷达后向散射系数扰动模型,并进行了与Alpers模型的对比数值试验,并对两模型的试验结果吻合度给出了统计分析。结果表明,模型计算的海面非均匀流场引起的雷达后向散射系数扰动与Alpers模型的结果相当一致,可以作为研究雷达对海面非均匀流场效应探测能力的一个数值分析模型进行应用。
给出了降雨影响C、Ku波段微波散射计测量海面风速的初步结果。研究结果显示,海面风速为25～30 m/s时,雨速为15 mm/hr的降雨会使这两个波段的微波散射计测量的风速偏低10 m/s。
SZ-4雷达高度计作为我国第一个上星工作的雷达高度计于2002年12月30日发射入轨,按预定工作模式,获得了大量的跟踪数据。就SZ-4雷达高度计的在轨工作模式、实时跟踪处理以及在轨调试等内容进行了讨论,并给出了实际的测量结果。
神舟4号飞船微波辐射计(RAD)是一个多波段被动微波传感器,用来测量海洋、大气和陆地表面的地球物理参数。为了对发射后RAD性能进行检验,我们于2002年底到2003年1月,在中国南海进行了神舟4号多模态微波遥感器地面配合试验。试验期间完成了微波辐射计海面同步多角度测量、海面水文气象参数测量以及大气气象探空测量。试验获得了大量宝贵的现场测试数据。对试验过程进行了简单的介绍,重点对于测量结果进行分析。同时将地面试验微波辐射计测量的结果与RAD测量的相应结果进行了比较。
基于某机载高分辨SAR系统的飞行试验,研究机载高分辨成像面临的问题以及补偿措施。由于INS/GPS数据难以满足精度要求,研究从回波数据中提取多普参数,进行运动补偿和视线位移补偿;剩余相位误差通过PGA进行补偿,从而得到0.3 m高分辨SAR图像的成像。
给出了自行研制的回波模拟器实验样机的原理、性能及其对雷达高度计的测试和定标方法,应用该样机对神舟4号飞船的雷达高度计进行了全系统的地面测试和定标实验。实验结果:有效验证了回波模拟器对雷达高度计的测试和定标方法的可行性,有效验证了神舟4号雷达高度计发射前的动态工作性能。
简单介绍了直接数字合成(DDS)技术的基本原理和两种主要的实现方式,并比较了相位累加和波形存储两种实现方式的优缺点。通过MATLAB/SIMULINK仿真,定量化分析了波形存储方式影响DDS输出中频Chirp信号质量的主要指标,其中包括DDS采样频率与输出信号带宽的比值、数据精度与模数转换器(DAC)精度、低通滤波器与正交合成器的各项指标。仿真结果表明,DDS模块中各单元技术指标的性能变化均能对输出信号的频谱产生影响。在对各种主要参数进行充分分析的基础上,最后提出了波形存储式DDS的优化设计策略。
利用2002年NOAA海洋飓风实验中三维风雨微波成像仪(IWRAP,UMass Imaging Wind and Rain Airborne Profiler)数据,提出了两种自适应卡尔曼滤波算法进行飓风三维风矢量的反演。为验证不同自适应滤波算法的准确性,通过对实际风场以及相应的机载雷达观测数据进行仿真,得到一种最优自适应滤波;文中对滤波结果误差进行了初步分析,探讨了误差来源。根据仿真结果,利用最优自适应滤波对2002年10月2日飓风莉莉多普勒雷达测量数据进行处理,滤波得到的三维风场与本次实验中GPS下投式探空仪的三维风场同步测量数据,多波段微波辐射计的海面风场测量数据,以及飞机高度风场数据进行了比较。
风云3号卫星FY-3是实现全球、全天候、三维、定量、多光谱遥感的我国第2代极轨气象卫星系列。风云3号气象卫星资料中含有丰富的生态环境变化信息,既可以用于对水、火、冰、雪等灾害的监测,也可以用于对植被、土地利用、气溶胶参量的分析。这些结果将会对农业、林业、环境、市政、交通以及政府决策部门提供有效的决策服务。其中搭载的微波成像仪为我国第一个星载微波遥感仪器,其设计频率为10.65 GHz、18.7 GHz、23.8 GHz、36.5 GHz、89 GHz,每个频率有V、H两种不同极化模式,相应的星下点空间分辨率分别为51 km×85 km、30 km×50 km、27 km×45 km、18 km×30 km、9 km×15 km根据FY-3微波成像仪传感器参数特性,利用微波地表辐射传输方程,在10.65、18.7 GHz频段上模拟了地表微波辐射特性,在此基础上建立了地表参数反演算法,
可以同时得到地表土壤水分和地表温度参数。
时间序列的非线性检测对于非线性时间序列分析、混沌特性研究有着重要意义。讨论了时间序列的几种非线性检测方法,将代理数据产生方法中的IAAFT方法与冗余方法结合起来,对实测海杂波数据进行非线性检测。对测试结果进行分析,表明海杂波是由非线性系统产生的,应该采用非线性处理方法研究海杂波。
主要研究了几种典型的多通道SAR杂波抑制技术:相位中心偏置(DPCA)技术、沿航迹干涉(ATI)技术和空时自适应处理(STAP)技术,探讨了对机载单天线SAR实际数据应用复图像域DPCA、ATI杂波抑制技术和空间频率域STAP杂波抑制技术实现运动目标检测,并给出一些实际数据的实验结果。
分析了合成孔径雷达(SAR)地面动目标检测的特点,研究了几种动目标检测方法,包括:移位相位中心天线(DPCA)方法、沿迹干涉(ATI)方法、空时自适应(STAP)方法以及解卷积方法,画出了部分方法的检测流程图,分析了每种方法的特点,最后给出了采用ATI方法检测时动目标参数计算方法。
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