论文摘要：二维综合孔径辐射计数字信号处理系统研究

微波辐射计作为一种被动遥感传感器，以其无主动辐射、全天时、全天候工作等优点，被广泛地应用于大气探测、植被状况探测、军事侦察、武器制导等领域。然而，随着被动微波遥感业务更深入地应用于现代国民经济及国防建设，微波辐射计的空间分辨率逐渐成为了限制微波辐射计应用的主要瓶颈。为了获得较高的空间分辨率，微波辐射计通常需要大孔径的天线，从而为天线的研制和承载平台提出了较高的要求。20世纪80年代，综合孔径辐射计的诞生为解决上述困难提供了一种有效途径。综合孔径辐射计由一组小孔径天线构成天线阵列，通过干涉测量和波束合成技术将小孔径天线阵列等效为大孔径天线，有效解决了大孔径天线的研制及承载问题，实现了高分辨率被动微波遥感图像的获取。

虽然综合孔径辐射计解决了微波辐射成像系统的空间分辨率问题，但这是以提高系统的复杂度为代价换取的。首先，综合孔径辐射计为了达到较高的空间分辨率，通常需要较多的接收通道数量。作为多通道系统，综合孔径辐射计的性能不仅取决于每个接收通道的性能参数，还取决于各接收通道之间的一致性。因此，提高各接收通道的参数一致性，成了综合孔径辐射计面临的重要问题。其次，因为综合孔径辐射计需要对天线阵列中任意两个天线接收的信号进行干涉测量，所以系统中包含的相关器数量通常与接收通道数量的平方成正比，这意味着系统需要大量的相关器。因此，研究大规模、低复杂度、高集成度、高运算速度的相关器阵列实现方式，是综合孔径辐射计的重要内容之一。本文将主要针对上述两个问题，研究数字接收技术和数字相关技术应用于综合孔径辐射计领域的实现方式、参数选择和性能评估等问题，并结合一套8mm波段二维综合孔径辐射计样机BHU-2D-U的研制，介绍综合孔径辐射计数字信号处理系统的设计实现。论文主要包括如下几个方面：

第一，介绍了综合孔径辐射计的成像基本原理。研究了视场角的选取范围以及视场角与天线阵列大小的约束关系；讨论了理想情况下的空间分辨率及其与空间去相关效应之间的关系；说明了综合孔径辐射计的灵敏度由可视度函数测量过程中的测量不确定度合成，而可视度函数样本的测量不确定度取决于接收机的系统噪声温度、噪声带宽、积分时间、I/Q解调器工作方式等参数。在分析可视度样本测量不确定度的过程中，本文重点分析了可视度样本的标称测量值、冗余测量值和平均测量值的性能差异，并在此基础上指出：平均测量值可以在系统采用双边带I/Q解调器时，仍然达到综合孔径辐射计的最佳灵敏度性能。

第二，分析了综合孔径辐射计中接收机的实现方案。由于接收机的具体方案与辐射计的总体指标和总体结构有关，因此，为了便于讨论接收机的方案，本部分首先介绍了BHU-2D-U辐射计的总体设计；然后，结合辐射计的总体设计，讨论了综合孔径辐射计对接收机基本技术指标和通道间一致性指标的要求；最后，根据技术指标要求给出了BHU-2D-U辐射计的模拟接收机方案和数字接收机方案，并对两种接收机方案进行了对比，选择了模拟接收机方案作为BHU-2D-U辐射计的接收机方案。尽管如此，考虑到数字接收机通道间频率响应一致性高、误差较小等优点，本文在讨论接收机实现方案的过程中，还是重点分析了综合孔径辐射计中数字接收机的采样率、量化位数、I/Q解调器实现方式、BDC通道数量等关键参数的选取原则，为数字接收机在下一代综合孔径辐射计中的应用奠定了基础。

第三，研究了综合孔径辐射计中数字相关器的实现方案。考虑到二维综合孔径辐射计中的相关器数量较大，若使用模拟相关器实现，系统的体积重量大、信号分配网络复杂、集成度低、功耗较高，因此，综合孔径辐射计中的相关器阵列通常采用数字电路实现。为了研究数字相关器的测量性能，本部分首先分析了周期采样对可视度样本的标称测量值、冗余测量值和平均测量值测量不确定度的影响，给出了各种测量值在采样情况下的相关器构成因子，为综合孔径辐射计中数字相关器的采样率选取提供了依据；然后，分析了量化位数对综合孔径辐射计性能的影响，其中，特别介绍了1位量化相关器的基本原理，并在此基础上提出了一种校正1位量化相关器门限误差的解析校正方法，有效地提高了门限误差的校正效率，保证了BHU-2D-U辐射计实现了实时成像的功能；最后，考虑到1位量化相关器测量的相关系数需要通过反归一化才能生成可视度样本，因此，本部分提出了一种基于概率统计的功率测量方法，并讨论了该方法的适用范围。

第四，描述了综合孔径辐射计样机BHU-2D-U中数字信号处理机的设计实现。本部分首先根据BHU-2D-U辐射计中数字信号处理机的功能需求和技术指标，给出了信号处理机的总体设计方案；然后，根据总体设计方案给出了信号处理机中各功能板卡的设计实现和关键问题解决办法，并在此基础上介绍了信号处理机中应用软件的设计实现；最后，介绍了各功能板卡的性能验证实验，并通过成像实验给出了BHU-2D-U辐射计的成像效果。

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