室内散射测量系统与神经网络参数反演

　　0　引　　言

　　微波遥感是20世纪60年代迅速发展起来的一种新型遥感技术,它的全天时以及穿透性等优点,使其在地表参数监测方面具有应用潜力[1]。

　　目前,利用空间遥感卫星可以获取地表图像信息[2-3],但需要对图像正确的解译,因此通过室内散射测量实验分析获取地表的微波散射特性便显得尤其紧要和迫切,同时也是进行自然灾害监测、资源环境调查等科学实验的基础[4]。

　　1989年,乌拉比在密歇根大学建立了室内散射测量实验室。90年代,欧空局也建立了自己的室内散射测量实验室。进入2000年,日本和韩国也在针对微波遥感的散射领域有所发展,其研究目标主要放在了水稻和小麦。近几年后起之秀印度,也步入了此项研究,其方向主要在农作物估产。其他各机构在此领域上主要是利用SAR图像对地表参数的识别以及反演上作研究[5]。在我国,只有中科院电子所、南京14、38所等制造并使用过散射计测量特定地物,但没有系统的建立陆基或室内散射测量系统针对微波遥感做基础性的研究[6]。本文介绍了一套双基地全极化的室内微波散射测量系统( indoor scattering measurementsystem, ISMS)。在此系统中能够方便获取土壤不同角度,不同极化的散射数据,同时根据测量的需要可以制作不同含水量或粗糙度的土壤样本。人工神经网络(ANN)是一个由独立处理单元以一定拓扑结构高度连接而成的并行分布式信息处理结构[7]。广泛用于解决各种非线性问题[8]。本文以积分方程模型IEM为基础生成训练数据[9],将室内散射测量系统测量的土壤多角度的后向散射系数作为神经网络的输入,实现土壤含水量和粗糙度等参数的反演。

　　1　室内散射测量系统及测量结果

　　1.1　室内散射测量系统

　　室内微波散射系统是一套双基地全极化的室内微波散射测量系统,主要用于测量典型地物在自然状态下的微波散射系数,通过调整收发天线角度,可以分别测量地物的镜向散射系数、后向散射系数和双站散射系数。该系统主要由高性能矢量网络分析仪器、多波段喇叭天线、样品实验台、半圆形天线支架、测试控制系统和吸波材料六大模块构成。该系统原理框图如图1所示,系统通过低损耗同轴线将收发喇叭天线分别接到矢量网络分析仪的端口1和端口2,组成以矢量网络分析仪为核心的散射测量系统,利用天线伺服控制系统调整收发天线角度来测量不同角度不同极化的散射系数。

　　该系统的具体实物图如图2所示室内微波散射系统测量频率范围为1~12.6 GHz,最大发射功率可达15 dB,最多扫描点数为16 000点,并且利用标准校准件可以实现精确的双端口网络误差校准。天线入射角调节范围可以从-65°到65°,且位置精度为±0.1°。样品位于半径约为3 m的圆形导轨中心位置,样品四周的吸波材料主要用于去除样品周边的环境干扰,其吸波效率大于-40 dB。