基于综合孔径的地球静止轨道气象卫星毫米波大气探测载荷理论与关键技术研究

It is necessary to achieve the high spatial resolution millimeter-wave atmospheric sounding load in the geostationary orbit weather satellite for the timely prediction of unexpected meteorological disasters, but the application field is still world blank for the spatial resolution limitation. It is difficult to achieve large-aperture millimeter-wave scanning antenna in spaceborne real aperture radiometer due to the satellite platform restrictions, so aperture synthesis radiometer based on sparse antenna array is proposed as a very promising techniques to achieve geostationary microwave atmospheric sounding, which is one of the hot spots of the international research. Due to its high complexity, there are several technical bottlenecks and key scientific issues to be resolved in the array size, system error calibration, image inversion and absolute calibration, which limit the development of synthetic aperture technology in the field. .This project proposes some new theory and new methods such as the space frequency-domain sparse sampling array optimization theory, the multi-source joint external calibration and array rotation redundancy space calibration theory, Bayesian statistical inversion, celestial source absolute calibration to solve bottleneck technologies and key scientific issues of aperture synthesis load in the geostationary orbit microwave atmospheric sounding, and provide new ideas, new methods and key technical support for the development of China geostationary orbit microwave remote sensing load.

对突发性气象灾害的及时预测需要在地球静止轨道气象卫星上实现高分辨率的毫米波大气探测载荷，受空间分辨率限制该领域的应用还是世界空白。实孔径辐射计受卫星平台限制难以实现大孔径毫米波扫描天线，采用稀疏天线阵列的综合孔径辐射计被提出作为一种极有希望解决地球静止轨道毫米波大气探测的技术手段，是国际研究的热点之一。由于其高复杂度，在阵列规模、误差校正、图像反演、定标方面还存在技术瓶颈和待解决的关键科学问题，限制了综合孔径技术在该领域的应用发展。.本项目面向我国下一代地球静止轨道气象卫星"风云四号"对微波大气探测载荷的应用需求，提出并系统研究空间频域稀疏采样阵列优化理论、多源联合外校正及旋转冗余空间校正理论、贝叶斯统计反演方法、天体源外定标等新理论新方法来解决综合孔径载荷在地球静止轨道微波大气探测中的瓶颈技术和关键科学问题，为我国地球静止轨道微波遥感载荷技术的发展提供新思路、新方法和关键技术支撑。

为满足地球静止轨道微波大气探测对高空间分辨率的需求，采用稀疏天线阵列的综合孔径辐射计被提出作为静止轨道微波大气探测载荷候选方案之一。但是当前的综合孔径辐射计技术在阵列规模、误差校正、图像反演、定标等方面还难以满足星载大规模综合孔径阵列系统的应用需求。.面向我国下一代地球静止轨道气象卫星“风云四号”微波星对微波大气探测载荷的应用需求，本项目从综合孔径天线阵列优化设计、星上误差校正、高实时性高精度亮温反演算法和星上定标四个方面对综合孔径辐射计关键技术开展研究，具体包括：提出综合孔径稀疏矩形平面阵列、分时旋转圆环稀疏阵列和旋转稀疏V型阵列这三种优化阵列设计方法，阵列优化的目标是用更少的天线单元实现所需的高空间分辨率，在系统性能和阵列规模之间进行平衡折中设计；提出基于阵列旋转的冗余空间校正、多源联合校正、基于冗余空间和内部噪声注入的联合校正三种综合孔径辐射计星上误差校正方法，通过仿真试验和地面样机试验验证了所提出误差校正方法的可行性；提出基于贝叶斯机器学习的综合孔径图像反演算法，既可以达到标准正则化反演算法的最优精度，又能克服标准正则化算法需要人为选择最优化正则化参数的固有缺点，实现星上实时反演；开展了基于天体目标源的综合孔径误差校正与绝对定标方法研究，通过仿真试验和地面样机试验验证了其可行性。.除完成项目研究内容外，本项目还开展了静止轨道综合孔径微波辐射计载荷大气探测模拟仿真试验研究，能够在卫星研发之前，为载荷体制和性能指标对大气探测性能的影响提供一种科学分析手段。.本项目的研究结果为解决综合孔径辐射计载荷在地球静止轨道微波大气探测应用中的瓶颈技术提供了新思路和新途径，不仅可用于微波大气遥感，亦可用于海洋遥感、陆地遥感、深空探测等领域。