專利名稱：自旋式子母衛星被動微波干涉成像系統的制作方法
技術領域：
本實用新型主要涉及航天遙感領域內被動微波成像儀，尤其涉及一種利用干涉式綜合孔徑成像技術與天線陣列旋轉掃描相結合來實現高空間分辨率的自旋式子母衛星被動微波干涉成像系統。
背景技術：
微波遙感技術是本世紀六十年代以后發展起來的一個新興的科學技術領域，是繼可見光和紅外遙感之后又一有效的對地觀測手段。它在遙感技術領域占有越來越重要的地位，目前已廣泛應用于全球變化監測、空間探測、資源開發、環境保護以及其它民用和軍事領域。
微波遙感包括有源微波遙感和無源微波遙感。有源遙感又稱主動遙感，它通過接收和分析目標對遙感器發射的微波信號的散射響應獲取目標信息；無源遙感又稱被動遙感，它通過接收和分析目標自身輻射的微波信號，獲得關于目標特性的信息。有源微波遙感器包括雷達高度計、散射計和合成孔徑雷達等；無源微波遙感器即微波輻射計。
微波輻射計通過接收地物自身的微波噪聲輻射獲取地物的特征信息，與主動微波遙感器(雷達)相比，具有體積小、重量輕等優勢，并對目標表面粗糙度等宏觀結構特征不敏感，在大氣、海洋、植被和土壤濕度測量等方面獲得了很好的應用，是目前數量最多的星載微波遙感器。
由于微波輻射計所測量的地物噪聲輻射是不相干的隨機噪聲信號，無法象合成孔徑雷達(SAR)那樣對平臺運動軌跡上不同位置測量到的信號進行相干處理，實現大的等效口徑。因此傳統的單天線全功率微波輻射計的空間分辨力完全決定于接收天線的物理口徑。而對于星載平臺來說，天線尺寸和重量都受到嚴格的限制。因此提高空間分辨力一直是微波輻射測量技術中的瓶頸問題，現有的星載微波輻射計的地面空間分辨率都是幾十、甚至幾百公里，主要應用局限于對大氣和海洋的大、中尺度過程與現象的測量。
干涉式綜合孔徑成像技術的引入為突破這一瓶頸提供了有效的手段。該項技術來源于射電天文領域，1950～1960年代天文學家們首先將其應用于提高射電天文望遠鏡的角分辨率，取得了很好的效果，如文獻[1]A.Richard Thompson，James M.Moran，George W.Swenson，“Interferometry and synthesis in radioastronomy”，Krieger Publishing Company，Malabar，Florida，1994公開的技術。從20世紀80年代開始，該項技術被引入到遙感領域應用于對地觀測，如文獻[2]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中公開的技術。文獻2中公開技術的基本原理是利用具有不同基線長度和方向的二元干涉儀進行空間頻率域的采樣，然后再經過傅利葉變換獲得空間圖像。由于二元干涉儀中的單元天線可以被不同的基線共用多次且單元天線孔徑很小，因此原來較大的天線物理孔徑就可以被稀疏比極大的散布的小單元天線陣列代替，同時無需波束掃描，便于星載實現。
綜合孔徑微波輻射計的基本構成單元是二元干涉儀，它的功能是對兩個單元天線的輸出進行復相關運算，得到的相關輸出通常被稱為可見度函數(VF，VisibilityFunction)。這兩個不同空間位置的單元天線構成一個基線。如果將地物亮溫分布稱為空間時間域(簡稱空間域)，則干涉儀在不同基線下的測量值就稱為空間頻率域(簡稱頻率域)，所得到的不同基線的二元干涉儀的復相關就是與該基線對應的空間頻率域坐標處的可見度函數分量采樣值。由于二元干涉儀在進行空間頻率采樣時，其基線在一定距離內平移所得測量結果不變(滿足天線遠場條件)，因此同一基線或空間頻率只需采樣一次，而且一個單元天線可以被多條基線共用，這樣就使得同樣物理孔徑的陣列天線的單元數量大量的稀疏。
綜合孔徑微波輻射計實際上是一組公用單元天線的二元干涉儀的集合。這些不同基線的長度和方向在二維空間頻率中覆蓋了從低頻到高頻(決定于長基線)的整個空間，其瞬時輸出的可見度函數采樣值構成了被觀測目標的輻射亮溫分布在天線陣孔徑投影上的傅利葉變換。因此，輻射亮溫分布圖像可以通過可見度函數測量結果的反傅利葉變換或其它數值變換算法獲得。
根據上面的分析，如何通過不同基線組合的設計(即單元天線的空間位置分布)來實現對空間頻率域采樣的盡可能大且均勻的覆蓋，便成為干涉式綜合孔徑成像技術的關鍵問題。依據天線陣列稀疏方式的不同(也即基線組合設計方式的不同)，目前的干涉式綜合孔徑微波輻射計主要分為一維和二維兩大類，如文獻[3]D.M.LeVine，“Synthetic aperture radiometer system”，IEEE Trans.MTT，Vol.47，No.12，pp.2228-2236，Dec，1999中公開的。
一維綜合孔徑微波輻射計一般采用桿狀天線組成稀疏天線陣列，僅在順軌方向利用桿狀的真實窄波束實現所需的分辨率，而在交軌方向采用綜合孔徑技術獲得所需的窄波束。因此一維系統實際上是一個綜合孔徑-真實孔徑混和成像系統，基線的設計只需考慮基線長度的區別，沒有方向的不同。一維綜合孔徑微波輻射計以美國的ESTAR(Electronically Scanned Thinned Array Radiometer，簡稱ESTAR)為代表，如圖1所示，數字1表示天線陣，數字2表示目標區域。該系統由美國馬塞諸薩大學(UMASS)在美國宇航局(NASA)的支持下于1988年研制成功，并在90年代作了大量的機載試驗(Washita92，Washita94，SGP97，SGP99等)，獲取了大量的試驗數據，并對土壤濕度、海水含鹽度等參數做了反演，強有力的驗證了綜合孔徑技術應用于被動微波遙感的可行性與先進性。ESTAR是目前較為成熟的綜合孔徑微波輻射計之一，其后續星載版本HydroSTAR也正在研制之中。
國內目前對一維綜合孔徑技術的研究也已經比較成熟，中國科學院空間科學與應用研究中心于2001及2004年先后成功研制出兩臺C波段及X波段的一維機載綜合孔徑微波輻射計，并通過校飛試驗成功獲取了了高空間分辨率的機載微波輻射圖像，參考文獻[4]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。
對于一維的星載系統來說，其不足在于由于在順軌方向仍然需要利用波導縫隙天線的真實孔徑來獲取空間分辨率，因此天線的重量體積的進一步降低受到限制；而且，當接收單元一維線性分布時，可證明當單元個數大于4時不可避免地會出現相同的基線組合。這將導致在孔徑較大的情況下，基線的冗余將增多。
二維綜合孔徑微波輻射計在順軌和交軌方向均是采用綜合孔徑技術來實現獲取高空間分辨力所需的窄波束。與一維系統不同，二維綜合孔徑輻射計在二維孔徑平面上實現天線陣列的有效稀疏，最大限度的發揮了綜合孔徑技術的優越性。基線的在二維平面上分布，基線組合的設計必須同時考慮基線長度和基線方向的優化。典型的二維系統以歐洲在研的MIRAS(Microwave Imaging Radiometer using ApertureSynthesis，簡稱MIRAS)為代表，如參考文獻[5]M.Martín-Neira and J.M.Goutoule，“MIRAS-A two-dimensional aperture-synthesis radiometer for soilmoisture and ocean salinity observations，”ESA Bulletin，no.92，pp.95-104，Nov.1997；中公開的技術。MIRAS采用Y型天線陣列稀疏方案，每根臂長達4.5米，整個系統含69個天線及接收機單元，以及約5000個相關器，是目前最先進的綜合孔徑輻射計系統。MIRAS的概念1994年由歐洲空間局(ESA)提出，并于1998年被確定ESA土壤濕度和海水鹽度對地觀測衛星(Soil Moisture and Ocean Salinitymission，SMOS)的唯一載荷，該衛星預計于2007年發射。但是對于現有二維系統而言，例如Y形、U形、十字形，其局部仍存在將接收單元一維線性排布的情況，因此也不可避免的會出現一維情況下的基線冗余的情況。
綜合分析以上介紹的現有的高分辨力的綜合孔徑輻射計系統，無論是以ESTAR為代表的一維系統還是以MIRAS為代表的二維系統，其稀疏天線陣列的設計都是固定不掃描的，只是通過對天線單元在二維空間分布上的優化，獲取不同的基線組合。
誠然，干涉式綜合孔徑概念引入被動遙感對地觀測的初衷之一就是為了避免大口徑天線機械掃描的困難。但通過這樣的方式減小天線的發射體積與重量并規避天線機械掃描的困難也是有代價的，那就是整個輻射計系統的復雜化，每一個單元天線均需單獨配備一個接收機，所有接收機的中頻輸出需要輸入到相關器作復相關運算。這一點在二維系統中尤為突出，以MIRAS為例，整個系統包括69個接收機以及多達5000個單元的數字相關器陣列，這無疑將增加系統工程研制的成本及難度，并對系統工作的穩定性及系統定標帶來極大的挑戰。
因此，現有技術的不足就需要一種改進的綜合孔徑被動微波成像系統。
實用新型內容本實用新型的目的是克服上述現有技術存在的不足，為了更有效提高被動微波遙感的空間分辨力，降低現有的采用固定式天線稀疏方案的干涉式綜合孔徑輻射計的系統復雜程度，達到更高的孔徑稀疏程度，從而提供一種改進的自旋式子母衛星被動微波干涉成像系統。
為了達到上述目的，本實用新型采取的技術方案如下一種自旋式子母衛星被動微波干涉成像系統，包括一母星，用來與地球測控和通信以及控制整個系統的工作狀態；N個子星，每個所述子星通過一牽引系繩或剛性伸桿與母星物理連接，并具有重力梯度平衡能力以確保其姿態穩定；所述母星與N個所述子星分布在同一個平面上；N的取值沒有特別限定，主要根據空間分辨率的要求來選定，分辨率要求高，則N的取值也就大；一般N可以是大于或等于2的整數。
如圖2所示，當系統處于工作狀態時，整個子母衛星系統圍繞所述母星自旋，自旋軸指向被觀測目標。
在上述技術方案中，所述母星與各所述子星均配備有太陽能帆板單獨供電。
在上述技術方案中，所述子星主要包括一個圓極化單元天線與接收機，用于在旋轉過程中完成對觀測區域的天線波束覆蓋及對該區域輻射亮溫的相干接收；所述母星主要包括一個數字信號處理單元，完成對各子星接收信號的數字相關運算，獲得干涉圖像；所述母星還包括一個同步信號器，用于向各子星統一提供一個公共本振信號或同步信號，以保證各接收機所接收信號的相干性；所述母星與所述子星之間的數據傳輸及相干本振或同步信號的傳輸可通過無線或有線方式來完成。所述母星完成整個衛星與地面之間的通信鏈路。此外，母星與各子星還均需配備太陽能帆板單獨供電。
在上述技術方案中，各所述子星相對于所述母星的位置分布采用針對空間頻率采樣基線的長度的優化方法而得；優化方法為1)定義基線的長度就是某兩個子星之間的距離；2)在N個子星中每次任取兩個形成一條基線，共有CN2條基線；3)使這些基線的長度從短到長基本上等間距均勻分布。采用上述優化方法獲得的子星的分布，當整個星座系統完成一圈旋轉后，干涉測量將覆蓋整個空間頻率域，滿足成像運算的要求。
在上述技術方案中，所述母星的位置位于整個子母衛星系統的重心上。
在上述技術方案中，每個所述子星通過一個重力梯度桿和該子母星系統自旋產生的離心力實現姿態穩定，使其單元天線方向圖的主瓣始終指向被觀測目標。
與現有的技術相比，本實用新型具有以下優點(1)通過子母衛星結構的自旋大大減少實現高分辨力被動微波遙感所需的天線單元數及相關器的數目，提高孔徑稀疏效率，簡化輻射成像儀的系統復雜度；(2)由于星體的旋轉將使每條采樣基線覆蓋所有的方向，優化設計時只需考慮基線的長度，從而在同樣單元天線數量的情況下大大提高了空間頻域覆蓋，提高了空間分辨力；(3)由于基線的優化是在整個二維平面內進行，因此可以有效的避免了天線單元分布出現局部線性的情況(如Y形、U形、十字形等)，從而可以達到基線零冗余，天線單元數可以降低到干涉式綜合孔徑成像理論所限定的最小值；(4)結合離心力和重力梯度穩定，實現了簡單的子星姿態穩定控制。
圖1是現有技術中NASA的HydroSTAR的衛星(一維綜合孔徑微波輻射計)示意圖；圖2是本實用新型的自旋式子母衛星被動微波干涉成像系統示意圖；
圖3(a)是本實用新型的實施例1中8個子星的優化分布示意圖；圖3(b)是本實用新型的實施例1中8單元零冗余28條基線長度的優化結果圖；縱坐標表示基線的相對長度，橫坐標表示基線順序；圖4(a)是本實用新型的實施例行星際CME太陽極軌成像子母衛星系統的母星示意圖；圖4(b)是本實用新型的實施例行星際CME太陽極軌成像子母衛星系統的子星示意圖。
圖5(a)是本實用新型的實施例2中8個子星的優化分布示意圖；圖5(b)是本實用新型的實施例2中8單元零冗余28條基線長度的優化結果圖；縱坐標表示基線的相對長度，橫坐標表示基線順序；具體實施方式
以下結合附圖和具體實施方式
對本實用新型作進一步詳細描述在本實用新型中，將綜合孔徑技術與天線單元的旋轉掃描結合起來，利用較少數目的一組天線單元通過旋轉進行分時的空間頻率域采樣，使用同樣多的天線與接收機單元的情況下，得到了更多的基線組合及更高的空間分辨力；或在同樣空間分辨力的情況下只用很少的天線和接收機單元，大大減小系統的復雜度。
實施例1本實施例以行星際CME(CMECoronal Mass Ejection，日冕物質拋射)太陽極軌自旋式子母衛星被動微波干涉成像系統為例。利用本實施例，從大傾角的太陽極軌軌道上(遠地點0.5-1.5AU)居高臨下的遙感觀測由太陽發出的日冕物質拋射事件等離子云(在地球軌道附近其等離子密度可達每立方厘米80，速度可達1000KM/S)，并對其進行成像監測。特別需要關注日地連線上的CME。
如圖2所示，數字10表示按照本實用新型的本實施例自旋式子母衛星被動微波干涉成像系統，它由1顆母星11與8顆子星12構成，8顆子星12非等間距分布于一個以母星11為圓心的圓周上，子星12之間間距分布根據基線采樣優化方法確定(將在后面詳述)。圓周直徑100-200米(根據最后確定的觀測頻率調整)，母星11位于系統重心處。每顆子星12通過一根非導電的牽引系繩13與母星11物理連接，因此整個衛星系統自旋穩定，轉速2轉/小時，自旋軸指向太陽。發射時，子星12收攏于母星11內，進入軌道后通過母星11自旋的離心力慢慢從母星11釋放出來，逐漸達到探測時所要求的空間位置和自旋速度。探測時每半小時取得一幅圖像，圖像空間分辨力為3-6度，視場90-120度，圖像約20×20——100×100個像素探測到的行星際CME圖像為灰度圖像。
其中，如圖4(b)所示，每個子星12包括一圓極化單元天線21，利用已有技術制作十字形對稱振子天線，采用頂加載鞭狀天線實現，其中之一兼作重力梯度桿22；一通信和控制天線23，用于與母星11之間進行數據傳輸及相干本振或同步信號的傳輸；子星太陽能帆板25，用于給子星提供能源；一接收機單元，由放大器及模擬數字轉換器組成，用于觀測目標區域發出的微波信號；無線數字發射機，用于向母星傳輸觀測數據；無線數字接收機用于從母星接收同步時鐘信號；上述接收機單元、無線數字發射機、無線數字接收機均設置在圖4(b)中所示的殼體25內，其連接關系為本領域技術人員熟知。
如圖4(a)所示，母星11主要包括對地球測控和通信天線31，用于與地面測控設備之間通信；母星太陽能帆板32，用于給母星11提供能源；一數字信號處理單元，由數字相關器及圖像反演單元兩個模塊組成，用于完成對各子星接收信號的數字相關運算，獲得干涉圖像；一系統控制與數據管理單元，用于系統工作時序的產生、工作參數的采集、數據打包等系統管理工作；一無線數字發射機，用于向各子星發送同步時鐘信號；一無線數字接收機用于從各子星接收觀測數據；上述數字信號處理單元、系統控制與數據管理單元、無線數字發射機、無線數字接收機均設置在圖4(a)中所示的主體33內，8根牽引系繩13的一端連接在主體33的外表面，另一端連接到子星12的殼體25外表面。
在本實施例中，各部分元件或電路的選取和連接除特別指出外均采用本領域技術人員熟知的方式實現。
下面參照圖3(a)、(b)介紹本實施例中8個子星的分布間距的確定方法1)定義基線的長度就是某兩個子星之間的距離；2)在8個子星中每次任取兩個形成一條基線，共有C82＝28條基線；3)如圖3(a)所示，利用算法作優化(如模擬退火算法)，子星在以母星為圓心的圓周上使這些基線的長度從短到長基本上等間距均勻分布；在圖3(a)中，虛線圓周表示以母星11為圓心的平面圓周，三角形表示各子星12分布在圓周上，基線長度的分布參照圖3(b)所示。采用上述優化方法獲得的子星的分布，當整個星座系統完成一圈旋轉后，干涉測量將覆蓋整個空間頻率域，滿足成像運算的要求。在本實施例中，采用8個子星，且8個子星分布在同一個以母星為圓心的圓周上，這樣按照上述方法得到的8個子星的布局如圖3(a)所示。本實施例僅用來描述本實用新型，本領域技術人員應該理解，本實用新型的子星數目不應限制在8個，且子星的分布也不應當限制在圓周上。
當本實施例提供的自旋式子母衛星被動微波干涉成像系統處于工作狀態時，利用子星上的天線及接收機完成對觀測區域CME射電輻射的接收，再通過無線方式將已經量化的觀測數據從子星傳輸到母星上，在母星上完成對8個子星接收信號的數字相關及亮溫反演形成圖像。為保證8顆子星接收信號之間相關性，由母星11提供一個公共時鐘通過無線方式傳輸給子星，實現整個成像儀系統的同步接收。
實施例2如圖5(a)所示，依照本實用新型的8個子星的分布情況，仍然使這些基線的長度從短到長基本上等間距均勻分布如圖5(b)所示。不同于實施例1的是8個子星沒有分布在圓周上，圖5(a)中的圓周表示以母星為圓心的圓周，三角形表示子星。其它同實施例1。
按照本實用新型提供的技術方案，設計出滿足要求的不同數目子星和不同的分布形式對于本領域技術人員來說是可以勝任的。
從應用角度來看，本實用新型雖主要應用于空間科學探測和對地觀測，但也可應用于地面成像設備。此外，該方案同樣適用于微波頻段以外的更高或更低電磁波譜段的被動遙感成像設備。
最后所應說明的是，以上實施例僅用以說明本實用新型的技術方案而非限制。盡管參照實施例對本實用新型進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，對本實用新型的技術方案進行修改或者等同替換，都不脫離本實用新型技術方案的精神和范圍，其均應涵蓋在本實用新型的權利要求范圍當中。
權利要求1.一種自旋式子母衛星被動微波干涉成像系統，其特征在于，包括一母星；N個子星，每個所述子星通過一牽引系繩或剛性伸桿與所述母星物理連接；所述母星與N個所述子星分布在同一個平面上；所述N為大于或等于2的整數。
2.根據權利要求1所述自旋式子母衛星被動微波干涉成像系統，其特征在于，所述母星與各所述子星均配備有太陽能帆板單獨供電。
3.根據權利要求1所述自旋式子母衛星被動微波干涉成像系統，其特征在于，所述子星主要包括一個圓極化單元天線與接收機；所述母星主要包括一個數字信號處理單元；所述母星包括一個同步信號器；所述母星完成整個衛星與地面之間的通信鏈路。
4.根據權利要求1所述自旋式子母衛星被動微波干涉成像系統，其特征在于，所述母星與所述子星之間的數據傳輸及相干本振或同步信號的傳輸可通過無線或有線方式來實現。
5.根據權利要求1所述自旋式子母衛星被動微波干涉成像系統，其特征在于，各個所述子星相對于所述母星的位置分布采用針對空間頻率采樣基線的長度的優化方法而得；所述優化方法為1)定義基線的長度就是某兩個子星之間的距離；2)在N個子星中每次任取兩個形成一條基線，共有CN2條基線；3)使這些基線的長度從短到長基本上等間距均勻分布。
6.根據權利要求1所述自旋式子母衛星被動微波干涉成像系統，其特征在于，所述母星的位置位于整個子母衛星系統的重心。
7.根據權利要求1所述自旋式子母衛星被動微波干涉成像系統，其特征在于，每個所述子星通過一個重力梯度桿和所述成像系統自旋產生的離心力實現姿態穩定，使其單元天線方向圖的主瓣指向被觀測目標。
8.根據權利要求5或6所述自旋式子母衛星被動微波干涉成像系統，其特征在于，各個所述子星布置在以所述母星為圓心的圓周上。
專利摘要本實用新型公開了一種利用干涉式綜合孔徑成像技術與天線陣列旋轉掃描相結合來實現高空間分辨率的子母衛星系統。該系統包括一母星和N個子星，各個所述子星相對于所述母星的位置分布采用針對空間頻率采樣基線的長度的優化方法而得到。本實用新型提高了孔徑稀疏效率，簡化輻射成像儀的系統復雜度，提高了空間頻域覆蓋，提高了空間分辨力，結合離心力和重力梯度穩定，實現了簡單的子星姿態穩定控制。
文檔編號G01S13/00GK2837861SQ200520132760
公開日2006年11月15日 申請日期2005年11月18日 優先權日2004年11月25日
發明者吳季, 劉浩, 何寶宇, 孫偉英 申請人:中國科學院空間科學與應用研究中心