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中科院干涉式被动微波遥感成像领域进展获国际认可

  大家熟知的遥感就是对观测目标进行照相,就如同我们用眼睛看世界,这可以称之为直接的成像方法。但是实际上还存在另一种成像的方法,就是对空间图像的傅里叶域进行成像测量,然后再对其进行逆傅里叶变换还原出原始的空间图像。这种方法就是干涉式综合孔径成像方法,也可以称为间接的成像方法。上世纪五十年代,英国剑桥大学卡文迪许实验室的科学家马丁·赖尔第一次在射电频段获得了天体的傅里叶域图像,并通过逆傅里叶变换还原了天体图像,观测了宇宙中遥远和微弱的射电源的图像,他因此获得了1974年的诺贝尔物理学奖。

  在图像的傅里叶域进行测量需要测量图像的每一个称之为空间频率的像素。其测量方法是利用两个天线拉开一定距离(基线),用其产生的栅瓣波束覆盖观测目标, 这正好对应目标图像的傅里叶级数展开原理,即测量结果正是目标图像的傅里叶域中两个共轭对称的空间频率像素点。可以想象,如果想获得完整的空间频率使其足以进行空间图像的重建,就必须用不同长度的基线放置在不同的方向上进行精确的测量。马丁·赖尔采用的方法是用一个射电频段的直线天线阵覆盖一个方向上的不同基线,然后利用地球的自转,使得这些基线旋转,从而覆盖了所有方向。

  最近国际无线电科学期刊Radio Science 对这一技术用于对地观测进行了历史回顾。中国科学院空间科学与应用研究中心研究员吴季带领的团队的工作被收录其中,表明该团队的工作得到了国际上的认可。

  该团队从九十年代中期在国内首先开始这一领域的研制工作,并于2001,2003年先后研制出两部机载遥感器,成功获得了一系列不同的地物目标的傅里叶域的采样和亮温反演图像。特别是该团队发明的时钟扫描成像方法为国际首创。2010年该团队研制出的地球同步轨道被动毫米波成像仪为国际上空间分辨率最高的该类仪器。该仪器的成像结果近期在IEEE地球科学和遥感学报IEEE Transaction on Geoscience and Remote Sensing 上发表。该成像仪采用分布在直径2.8米的圆环上的稀疏小天线阵列,通过圆环的旋转获得各个方向上不同基线长度的傅里叶域采样。这一设计大大减少了天线单元数,减少了重量、功耗和成本,而且其成像分辨力与一个5.6米的实孔径天线相当。该仪器为我国在国际上率先开展地球同步轨道微波成像探测奠定了良好的基础。

  不同频段下的重力塔毫米波辐射图像。受大气吸收谱线的影响,天空背景在不同频段下表现出不同的辐射亮温。重力塔在自身辐射和冷空反射的综合作用下,也表现出明显变化的频谱特征。

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