电子侦察卫星的被动微波遥感应用探讨

石 荣，李 潇，华 云

(电子信息控制重点实验室，四川 成都 610036)



电子侦察卫星的被动微波遥感应用探讨

石 荣，李 潇，华 云

(电子信息控制重点实验室，四川 成都 610036)

电子侦察卫星主要接收非合作辐射源目标所发射的电磁信号，而星载被动微波遥感主要是对自然界中各种物体自发辐射的微波信号进行接收与处理。根据二者在多个方面的相似性，提出将电子侦察卫星应用于对地被动微波遥感的设想，并据此分析了从电子侦察卫星所接收到的信号中提取出被动微波遥感信息的方法与途径，在此基础上对相关应用问题进行了探讨，给出了解决思路。这一设想不仅有利于电子侦察卫星的多功能应用，而且也为地面与机载电子侦察设备的被动微波遥感应用拓展提供了参考。

电子侦察卫星；被动微波遥感；天线噪声；微波辐射计；亮温；噪声基底

0 引言

2002年我国自主研制了星载被动微波遥感器，并搭载于“神州4号”飞船上，测量得到了地球表面南北纬40°以内的微波辐射亮温数据，利用该数据反演出了有关地区的海面温度、风速和大气水汽含量等气象结果[1]。在我国研制的“风云”3号低轨气象卫星上，微波成像仪采用被动微波遥感工作方式，其工作频率分别为10.65GHz、18.7GHz、23.8GHz、36.5GHz、89GHz，对应的星下点空间分辨率分别达到了(51×85)km、(30×50)km、(27×45)km、(18×30)km、(9×15)km，根据此遥感数据对地表水份和温度、积雪参数进行了成功反演[2-3]。实际上被动微波遥感的频段最低可至L波段[4]，因为低波段微波能穿透降雨、树冠等，从而揭示表面粗糙度、温度及构造的影响，所以可测量土壤湿度、海水含盐量等表面或表面以下特征。近年来随着技术的发展，星载被动微波遥感在地质灾害监测[5]、地表温度[6]和土壤水份反演[7]、城市环境监测[8]、农作物寒害研究[9]、地表融冻[10]及冰雪参数提取[11]、海表面盐度探测[12]、气象与大气科学研究[13]等方面被广泛应用，并发挥了十分重要的作用。

被动微波遥感实际上是对近地空间微波背景辐射信号接收处理的一个过程，而对地面辐射源目标所发射的微波信号进行接收处理同样是电子侦察卫星的基本功能。虽然作用对象有差异，但二者都具有对微波辐射信号被动接收的共同特点。针对这一共同点，本文探讨了电子侦察卫星用于被动微波遥感的可能性。在对被动微波遥感基本原理概述的基础上，对传统星载微波辐射计的组成和信号处理过程进行了介绍，接着分析了从电子侦察卫星接收到的信号中提取微波背景辐射信息的方法，讨论了这一应用过程所面临的问题与解决思路，从而为电子侦察与被动微波遥感这两个专业方向之间的相互借鉴与综合应用奠定了基础。

1 被动微波遥感原理

自然界中所有物体只要温度高于绝对零度(0K，对应零下273.15℃)就会对外自发辐射各种波长的电磁波，从而构成一个从紫外、可见光、红外、太赫兹一直到微波频段的电磁辐射强度按波长分布的频谱图。接收外界物体自发辐射的微波频段的电磁信号并精确测量其辐射强度，是被动微波遥感的基本技术途径[14]，而其中所使用的接收测量设备又被称之为微波辐射计、微波无源成像仪等。物体自发辐射信号的强度通常采用亮温(单位K)来度量，亮温不是该物体的热力学温度，而是其等效黑体辐射温度。物体的亮温一般比其热力学温度要低，例如：用于微波暗室的吸波材料的亮温非常接近于其热力学温度；而高导电金属材料的亮温就远低于其热力学温度。所以自然界中各种物体在亮温上的差异一定程度上反映了其固有的属性，这也是被动微波遥感能够得以应用的基础与前提。

在星载被动微波遥感中微波辐射计天线指向地球，如图1所示[15]，可接收到地表物体自身的辐射，大气的向上辐射和大气向下辐射到地表后又散射到天线处的辐射。这些因素综合在一起可用一个不同来波方向的等效视在温度TP(α,β)来表示亮温，其中α,β分别表示天线指向的方位角与俯仰角。在被动微波遥感应用中天线温度TA就是等效视在温度经过天线方向图加权求和之后的温度，定义为：

(1)

式中，DA(α,β)为归一化天线方向图函数，且满足：

(2)

图1 “风云”3号气象卫星上的被动微波遥感设备

实际上微波遥感学科中的天线温度所反映的辐射能量是通信及电子侦察学科中天线噪声温度的主要组成部分之一，也就是接收系统噪声基底信号的重要成分。需要注意的是天线温度是针对无耗天线接收到外界自然辐射而输出功率的一种度量，不是天线自身的热力学温度。利用瑞利-琼斯公式和有关近似处理之后，可得无耗天线接收到的外界辐射总功率PA为[16]：

PA=kTAΔf

(3)

式中，k=1.38×10-23J/K为波尔茨曼常数，Δf为信号接收带宽。式(3)与通信及电子侦察学科中噪声基底的功率计算公式在形式上是完全一样的，这也在一定程度上反映了它们相互之间的本质联系。整个被动微波遥感应用就是通过对PA的高精度测量来实现对外界不同物体的感知与区分。

2 传统星载微波辐射计组成与微波功率测量

微波辐射计是能够测量十分微弱的微波辐射功率的高灵敏度接收设备，超外差式微波辐射计接收机组成框图如图2所示。图2中天线接收到的信号经过低噪声放大与变频滤波之后，在中频处进行输出功率的测量，并通过测量值来计算当前的天线温度，从而感知外界物体的自发微波辐射。为了消除接收通道增益变化所引入的误差，特别设置了一个校正源，通过开关切换方式对通道增益进行随时校正。

图2 超外差式微波辐射计接收机组成框图

图2所示系统在实际应用中除了天线所接收到来自外界物体自身的微波辐射之外，不可避免地会引入附加的其它噪声信号，如天线损耗、馈线损耗、接收机内部噪声等，这通常用天线后端的等效噪声温度Tsys来综合描述，Tsys又被称为辐射计的系统噪声温度，可以理解为除天线温度影响之外的其它噪声之和。于是在图2所示的中频处信号功率PT为：

(4)

式中，G是从天线后端至中频输出处总的放大倍数。在事先精确已知G、Δf、Tsys的条件下，在获得PT的精确测量值之后，由式(4)求解出天线温度TA。

TA实际上主要反映了天线主波束所指方向上的外界物体自身的自发微波辐射信息[16]，所以当天线指向不同方向上时，TA将随指向角度α,β不断发生变化。如果以天线二维指向角α,β为自变量，将天线温度TA的相对数值用灰度值展现出来就形成了一幅二维图像，这就是通常所说的被动微波遥感成像。如果系统工作于毫米波频段，则被称为毫米波无源成像；如果系统工作于太赫兹频段，则被称为太赫兹无源成像。显然被动微波遥感图像是外界物体自发微波辐射特性的一个本质性反映。

3 电子侦察中接收信号的构成分析

电子侦察是电子对抗的重要组成部分之一，主要针对敌方的雷达、无线通信、遥测遥控、武器制导、导航、敌我识别等电子设备所发射的电磁波信号进行搜索、截获、分析、识别、测向与定位，确定其技术参数、工作规律、所在位置、类型及用途，进而获取敌方的编成、部署、武器配备以及行动意图等军事情报。无论电子侦察中对信息的处理与利用如何复杂，电子侦察的第一步都是接收外界辐射源目标所发射的电磁波信号。从这一点上看，电子侦察与被动微波遥感是相通的。

由图2可见，超外差式辐射计接收机的组成要素与典型的电子侦察接收机几乎完全一样；由式(4)可见，微波辐射计对外界物体自身辐射的测量计算式与电子侦察中噪声基底的计算式也几乎完全一样。微波辐射计接收机和电子侦察接收机都是利用天线接收外部的微波辐射信号，再将对应频段的信号低噪声放大、下变频至中频后进行处理。在被动微波遥感应用中主要是对中频信号的功率进行精确测量；在电子侦察应用中主要是对中频信号的各种信号参数，如载频、功率、信噪比、调制样式等，进行测量分析。被动微波遥感中感兴趣的信号是外界物体自身的自发微波辐射信号，在接收机的中频处将其记为Sr(t)；而电子侦察中感兴趣的信号是人工辐射源目标发射的电磁信号，在接收机的中频处将其记为So(t)。尽管有此差异，但是电子侦察接收机在接收信号So(t)的同时，实际上也在接收同一频段上的信号Sr(t)，如图3所示。

图3 电子侦察接收机接收到的信号类别图示

由图3可知，电子侦察接收机中频信号SIF(t)可表示为：

(5)

式中，Sn(t)是除天线温度影响之外的其它噪声之和，其功率Pn为：

(6)

而外界自然物体身的自发微波辐射信号Sr(t)的功率Pr为：

Pr=GkTAΔf

(7)

由于So(t),Sr(t),Sn(t)三者互不相关，所以电子侦察接收机中频信号SIF(t)的总功率PIF可以表示为：

(8)

式中，Po表示人工辐射源目标发射的电磁信号So(t)的功率。

由于在电子侦察接收处理中将So(t)作为目标信号，而将Sr(t)与Sn(t)都作为噪声看待，所以外界自然物体自身的自发微波辐射信号是被包含在接收机的噪声基底之中的。电子侦察接收机的中频处噪声基底的总功率PT由前面的式(4)所表达，显然由式(6)、(7)可得：

(9)

式(9)的物理意义在于：电子侦察接收机的噪声基底信号中有一部分是来自外界物体的自发微波辐射所产生的，而这一部分正好是被动微波遥感应用所感兴趣的信号。只要准确测量得到这部分信号的功率，那么从理论上讲，电子侦察接收到的信号也可以用于被动微波遥感信息的提取。

4 从噪声基底信号中提取被动微波遥感信息

虽然在理论上电子侦察接收机的噪声基底信号中已经同时包含了被动微波遥感所要关注的信号，但是要从中精确地提取被动微波遥感信息，却对接收机的工作稳定性和测量准确性提出了较高的要求。由于微波辐射计对天线温度TA测量的分辨精度(又称为辐射计灵敏度)的要求一般都达到了0.1～1K的量级，这需要具有较长的积分时间，在此期间整个系统的放大增益G要保持恒定，否则系统增益起伏将引起附加的温度变化，导致测量误差增大。这也是在图3所示的电子侦察接收机天线后端增加了一个校正源来随时对放大增益G进行标校的原因所在。

在增益G保持恒定且已精确测定的条件下，高精度测量中频接收带宽内的噪声基底信号功率PT，然后由式(4)可得：

(10)

由式(10)可见，增加测量带宽Δf虽然也有利于TA测量精度的提高，但是会降低被动微波遥感的频谱灵敏度[16]，给后续遥感信息分析造成不利影响，所以测量带宽Δf需要适当选取。另一方面，准确获得天线后端等效噪声温度Tsys的数值对于提高TA测量精度也同样重要。这一点也是通过图3中的校正源来实现的，例如采用一个已知噪声温度的标准噪声源，即可对等效噪声温度Tsys进行随时校正。

由上文可见，将电子侦察卫星用于被动微波遥感时，除了保持整个系统的稳定性之外，还需要采取各种校正措施来确保遥感信号功率的高精度测量。

5 面临的问题与解决思路

将电子侦察卫星用于被动微波遥感还有如下问题需要解决：

1) 被动微波遥感频段的选取。

外界物体自身的自发辐射的电磁信号在各频段上都连续存在，如前所述，低端可至L波段。虽然电子侦察卫星的接收系统也是一个频域宽开系统，但在卫星接收信号的过程中，地面与空中的辐射源目标发射的电磁信号与外界物体自发辐射的电磁信号是混合在一起的。如果在所观测的频段上有通信、雷达等人工辐射源目标信号存在，显然这会对同一频段上的被动微波遥感造成很大的影响，甚至遥感失效。所以需要合理选取那些人工辐射源目标较少占用的频点和带宽用于被动微波遥感，以获得比较纯粹的外界物体自然辐射的信号来做微波被动遥感测量。

2) 被动微波遥感的空间分辨率。

如果接收天线口径越大，天线主波束越窄，那么被动微波遥感所对应的地面空间分辨率就越高。但并不是所有的电子侦察卫星都具有大口径接收天线，在这一点上与专门设计用来对地被动微波接收的遥感卫星是有一定的差异的。但是将电子侦察卫星用于被动微波遥感是在不过多增加新的星载设备的条件下，来获得更多的对地观测信息，所以从总体上讲，电子侦察卫星的被动微波遥感应用是对现有航天对地观测的一个重要补充。利用电子侦察卫星所提供的被动微波遥感数据也可以在一定程度上完成对地表温度、土壤水份、冰雪参数、海面盐度、气象与大气等的科学研究任务。另一方面，也可以采用多天线合成孔径的方法[4]来提高电子侦察卫星对地被动微波遥感的空间分辨率。

3) 天线波束、接收通道等资源的调度与分配。

如前所述，对地遥感的空间分辨率越高，天线波束越窄，微波遥感对地瞬时覆盖面积就越小。为了获得大面积的遥感信息，这就要求接收天线波束扫描覆盖不同的地面区域。电子侦察卫星对地侦察的主要任务是截获雷达、通信等人工辐射源目标的信号，而辐射源目标所在区域与微波遥感区域可能是不同的，且所重点关注的频段也有差异，这会造成两类任务共用天线波束与接收通道等的矛盾。为了解决这一矛盾，可以通过任务规划，以时分复用的方式来分配电子侦察任务对天线和接收通道的占用时间，以及被动微波遥感任务对天线和接收通道的占用时间。通过合理的资源调度与分配来实现两种功能的共用。

另外，星载电子侦察与星载被动微波遥感的共用还有一些工程实现方面的问题，在此就不详细讨论了。

6 结束语

电子侦察卫星与被动微波遥感卫星都需要对外界微波辐射信号进行接收处理，并从中获取各自所关注信息。虽然最终用途不一样，接收的重点信号对象也有差异，但二者在多个方面具有共同的特点。正是基于这样的考虑，本文在对二者工作原理和信号处理对比分析的基础上，提出将电子侦察卫星用于被动微波遥感的设想，并从理论上分析了其可能的实现途径。这对于电子侦察卫星的多功能应用具有重要意义。另一方面，根据本文所提出的思路，不仅可以在星载电子侦察中实现被动微波遥感，也可以将满足一定条件的地面与机载电子侦察系统用于被动微波遥感成像，这样也可以增强电子侦察与被动微波遥感应用的融合，进一步推进电子侦察系统的多功能应用的发展。■

[1] 李芸，王振占.“神州4号”飞船微波辐射计亮温反演海面温度、风速和大气水汽含量[J].遥感技术与应用，2005，20(1)：133-136.

[2] 杨虎，施建成. FY-3微波成像仪地表参数反演研究[J].遥感技术与应用，2005，20(1)：194-200.

[3] 孙知文，施建成，杨虎，等.风云三号微波成像仪积雪参数反演算法初步研究[J].遥感技术与应用，2007，22(2)：264-267.

[4] 张升伟，董晓龙，吴季.L波段合成孔径微波辐射计机理及原理性实验[J].遥感技术与应用，2000，15(2)：95-99.

[5] 陈昊，金亚秋.星载微波辐射计对玉树地震岩石破裂辐射异常的初步检测[J].遥感技术与应用，2010，25(6)：860-866.

[6] 刘晶，马红章，杨乐，等．基于被动微波的地表温度反演研究综述[J]．遥感技术与应用，2012，27(6)：812-821.[7] 陈书林，刘元波，温作民.卫星遥感反演土壤水分研究综述[J].地球科学进展，2012，27(11)：1192-1203.

[8] 张涛，张立新，蒋玲，等.中国城市微波发射率提取与特征分析[J].遥感学报，2012，16(6)：1280-1288.

[9] 陈修治，陈水森，苏泳娴，等．基于被动微波遥感的2008年广东省春季低温与典型作物寒害研究[J]．遥感技术与应用，2012，27(3)：387-395.

[10]张立新，蒋玲梅，柴琳娜，等．地表冻融过程被动微波遥感机理研究进展[J]．地球科学进展，2011，26(10)：1023-1029.

[11]张显峰，包慧漪，刘羽，等.基于微波遥感数据的雪情参数反演方法[J].山地学报，2014，32(3)：307-313.

[12]严明，严卫，王迎强，等.基于微波遥感的海表面盐度探测机制研究进展[J].遥感信息，2015，30(2)：17-25.

[13]阎守邕，刘亚岚，余涛，等.现代遥感科学技术体系及其理论方法[M].北京：电子工业出版社，2013.

[14]Woodhouse I H.微波遥感导论[M].董晓龙，徐星欧，徐曦煜，译. 北京：科学出版社，2014.

[15]中国风云.FY-3C气象卫星[Z/OL].[2016-06-10]. http://nsmc.gov.cn/NSMC/Channels/100371.html.

[16]李兴国，李跃华.毫米波近感技术基础[M].北京：北京理工大学出版社，2009.

Passive microwave remote sensing application of electronic reconnaissance satellite

Shi Rong, Li Xiao, Hua Yun

(Science and Technology on Electronic Information Control Laboratory, Chengdu 610036,Sichuan，China)

The electronic reconnaissance satellite is usually utilized to receive electromagnetic signals from the non-collaborative radiation objects. The mission of passive microwave remote sensing satellite is to receive and process spontaneous signals produced by all kinds of objects in nature. According to the similarity between them, the novel idea about passive microwave remote sensing application of electronic reconnaissance satellite is put forward. The approach for the passive microwave remote sensing information extracted from the received signals of electronic reconnaissance satellite is analyzed. The relative problems about practical application are discussed and then the troubleshooting methods are given. It is important for multi-function application of the electronic reconnaissance satellite. It is also an interesting reference for passive microwave remote sensing by electronic equipment on earth and in the air.

electronic reconnaissance satellite； passive microwave remote sensing； antenna noise； microwave radiometer； brightness temperature； noise floor

2016-06-21；2016-09-12修回。

石荣(1974-)，男，博士，主要研究方向为电子对抗、通信与雷达系统、遥感应用等。

TN971；TP72

A