空间中心在干涉成像微波辐射计天线阵设计方面取得进展

干涉成像微波辐射计是被动微波遥感领域中的一种重要探测器，它利用综合孔径干涉测量技术对观测目标的微波辐射进行成像探测。相比传统的真实孔径微波辐射计，干涉成像微波辐射计容易实现更高的空间分辨率，同时还具有大视场快速成像、无需机械扫描、方便折叠展开、适合空间运载等优点，因此干涉成像微波辐射计在空间对地观测领域具有重要的应用价值，是目前被动微波遥感领域的一个研究热点。

天线阵设计是干涉成像微波辐射计系统设计的关键环节，它直接影响到探测器的多项性能指标。目前最常用的天线阵构型是Y形天线阵，例如欧洲空间局（ESA）发射的海表盐度和土壤湿度卫星（SMOS/MIRAS）以及美国航空航天局（NASA）提出的地球静止轨道大气探测卫星计划（GeoSTAR）都采用了Y形天线阵。Y形天线阵虽然在空间分辨率方面具有一定优势，却在温度灵敏度以及抗RFI射频干扰方面存在明显缺陷，这些缺陷在SMOS卫星的实际运行过程中得到了证实，所以SMOS研究团队在综合比较了多种天线阵构型后，提出在下一代SMOS卫星上改用六边形天线阵，提高探测器的抗RFI干扰能力和温度灵敏度。六边形阵是否已是最佳天线阵构型？还有没有更优的选择？这引起了研究人员的很大兴趣。

圆环满阵是一种常见的天线阵形式，在天线阵波束合成领域应用广泛，但在被动干涉成像领域却罕见应用，主要是由于其无法获得均匀的uv采样网格，因此一直被领域内科研人员所忽视。

近期，中国科学院国家空间科学中心微波遥感技术重点实验室研究员吴季(IEEE Fellow)率领其科研团队对干涉成像微波辐射计天线阵的分析方法进行深入研究，在已有理论基础上凝练出了采样灵敏度因子和不确定性因子，同时对综合阵因子的波束效率进行了重新定义，使其更贴近实际物理意义。这三个新定义的参数因子可以作为描述和比较天线阵性能的有效工具。随后他们利用这些参数，并结合自主提出的基于伪极网格的成像处理算法对圆环满阵进行了深入分析，并与六边形阵进行了对比。对比结果表明：具有相同单元天线数量和观测视场时，圆环满阵比六边形阵空间分辨率降低约9%，但温度灵敏度提高约23%，同时旁瓣电平降低约1.76dB至15dB，且方位向分布更加均匀。因此圆环满阵在温度灵敏度和RFI抑制方面表现更为出色。

该项研究成果有助于促进圆环满阵在干涉成像微波辐射计领域的应用，所提出的分析方法对天线阵的选型和设计具有重要参考价值，该成果近期发表在遥感学术期刊IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing上。

论文信息：J. Wu, C. Zhang, H. Liu and J. Yan, Performance Analysis of Circular Antenna Array for Microwave Interferometric Radiometers, IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, Vol.55, No.6, 2017, DOI:10.1109/TGRS.2017.2667042.

图1：Y形阵、六边形阵和圆环阵及其在uv域的采样覆盖

图2：三种天线阵的空间分辨率和温度灵敏度随天线单元数目的变化曲线

图3：存在RFI干扰时三种天线阵的成像仿真结果（左：Y形阵，中：六边形阵，右：圆环阵）