CN101261319B - 一种综合孔径辐射计成像校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于微波遥感及探测技术领域，为一种综合孔径辐射计成像校正方法。该方法首先测量背景和通道本底各基线的可见度输出；然后在视场内放置外部源(信号源或者噪声源)，测量各基线的可见度输出；将两次测量的可见度按基线相减得到仅由外部源产生的可见度输出；测量被测场景的可见度输出，将得到的输出相位减去由外部源产生的相关输出的相位，得到校正后的可见度，然后反演成像，即可得到校正后被测场景的图像。该校正方法可提高干涉式综合孔径辐射计的成像性能，具有测量简单、不需要转台控制系统的支持、计算量小以及可以周期测量的优点。本发明并不局限于远场测量，仿真和实验均发现近场条件下该校正方法仍然可用。

Description

一种综合孔径辐射计成像校正方法

技术领域

本发明涉及微波遥感及探测技术领域，具体涉及一种综合孔径辐射计成像校正方法。

背景技术

校正技术尤其是相位校正技术对改善综合孔径辐射计成像效果有重要的作用。

一种典型的校正方法是G矩阵校正-反演方法，该方法通过测量成像系统对空间各点的响应，产生一个包含系统误差在内的矩阵，然后利用该矩阵进行反演从而减小误差对系统成像性能的影响。国际上已经存在或者正在研究的干涉式综合孔径系统如ESTAR、MIRAS、GeoSTAR大多采用这种方法，但是该方法存在以下几个缺点：一是G矩阵的测量耗时耗力，即使像ESTAR这样的5天线一维综合孔径小阵列，为了减小条件数使得反演过程稳定，也要测量空间90个点的系统响应，其测量不但需要额外的转台控制系统支持，而且时间较长；二是对于二维综合孔径而言，G矩阵将更大，所需的存储空间和计算耗时将是一个必须考虑的问题；三是由于G矩阵的测量耗时、存储和计算不便，因此测量的周期很长，难以保证实时校正。

发明内容

本发明的目的在于提供一种综合孔径辐射计成像校正方法，该方法克服了G矩阵校正方法测量和计算复杂的缺点。

本发明提供的综合孔径辐射计成像校正方法，其步骤包括：

(1)采用N个天线组成天线阵列，接收场景和目标的微波热辐射信号，得到N路模拟信号，经放大、滤波、下变频和模数转换变换为N路数字复信号x_i(t)，i＝1，2，...，N，其中t为离散时间变量，N为大于1的整数；

(2)任意选择其中的两路信号x_n(t)、x_m(t)，1≤n≤N，1≤m≤N，利用公式(I)计算原始可见度V_raw：

V_raw＝E[x_n(t)x_m(t)]                    (I)

(3)判断场景中是否包含人工目标，如果包含，去除人工目标，按照步骤(1)至(2)的方法，获取没有放置人工目标时的可见度V_b，然后进入步骤(4)，否则直接进入步骤(4)；

(4)利用公式(II)计算仅由自然场景和仅由人工目标产生的可见度V_b′；

(5)在视场内放置信号源/或者噪声源，采用以下步骤测量可见度输出V_raw′；

(5.1)采用上述天线阵列接收目标的微波热辐射信号得到N路模拟信号，经放大、滤波、下变频和模数转换变换为N路数字复信号y_i(t)，i＝1，2，...，N，其中t为离散时间变量；

(5.2)选择其中的两路信号y_n(t)，y_m(t)，利用公式(III)计算可见度：

             V_raw′＝E[y_n(t)y_m(t)]                  (III)

(6)采用公式(IV)计算得到仅由外部源产生的可见度输出V_cal；

                 V_cal＝V_raw′-V_b                    (IV)

并得到相位φ_raw，φ_raw＝∠V_cal；

(7)采用公式(V)得到校正后的可见度V₂：

$V_2=V_b\×e^{{-\mathrm{j\φ}}_{\mathrm{raw}}}---\left(V\right)$

其中，e为自然对数，j为虚数单位；

(8)反演成像得到下述被测场景的图像T：

                      T＝IFFT{V₂}

其中，IFFT表示反傅立叶变换。

本发明利用已知外部源对系统的相位误差进行校正，该方法可提高干涉式综合孔径辐射计的成像性能、具有测量简单，不需要转台控制系统的支持，而且计算量小，可以周期测量的优点。与传统的G矩阵校正-反演方法相比，该方法能够快速简单的对相位误差进行校正，一定程度上改善系统的成像效果。本发明并不局限于远场测量，仿真和实验均发现近场条件下该校正方法仍然可用。

附图说明

图1为本发明方法的流程图；

图2为本发明方法的硬件原理框图；

图3为目标处于-2°左右没有采用外部源校正后的反演图像；

图4为目标处于-2°左右采用了外部源校正后的反演图像。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步详细的说明。

本发明首先测量背景和通道本底各基线的可见度输出；然后在视场内放置外部源(信号源/或者噪声源)，测量各基线的可见度输出；将两次测量的可见度按基线相减得到仅由外部源产生的可见度输出；测量被测场景的可见度输出，将得到的输出相位减去由外部源产生的相关输出的相位，得到校正后的可见度，然后反演成像，即可得到被测场景的图像。如图1所示，本发明方法的具体步骤为：

1)选择一个较开阔的自然场景或在微波暗室，采用以下步骤测量可见度输出V_raw；

1.1)采用N(N为大于1的整数)个天线组成天线阵列，接收场景和目标的微波热辐射信号，得到N路模拟信号，经放大、滤波、下变频和模数转换变换为N路数字复信号x_i(t)，i＝1，2，...，N，其中t为离散时间变量，如图2所示；

1.2)任意选择其中的两路信号x_n(t)、x_m(t)，1≤n≤N，1≤m≤N，用以下公式计算原始可见度V_raw：V_raw＝E[x_n(t)x_m(t)]；

2)若场景中不包含人工目标，则直接进入步骤3)；若场景中包含人工目标，则根据1.1)、1.2)的方法测量场景中没有放置人工目标时(场景背景)的可见度V_b，然后进入步骤3)；

3)计算仅由自然场景和仅由人工目标产生的可见度V_b′，

4)在视场内放置信号源/或者噪声源，采用以下步骤测量可见度输出V_raw′；

4.1)采用上述天线阵列接收目标的微波热辐射信号得到N路模拟信号，经放大、滤波、下变频和模数转换变换为N路数字复信号y_i(t)，i＝1，2，...，N，其中t为离散时间变量。

4.2)选择其中的两路信号y_n(t)，y_m(t)，用以下公式计算可见度：V_raw′＝E[y_n(t)y_m(t)]

5)将步骤4)测量的可见度与场景背景的可见度按基线相减，得到仅由外部源产生的可见度输出V_cal；

                    V_cal＝V_raw′-V_b

并得到相位φ_raw，φ_raw＝∠V_cal

6)采用公式(2)得到校正后的可见度V₂，

$V_2=V_b\×e^{-{\mathrm{j\φ}}_{\mathrm{raw}}}---\left(2\right)$

其中，e为自然对数，j为虚数单位；

7)然后反演成像，即可得到被测场景的图像。

             T＝IFFT{v₂}                (3)

其中，IFFT表示反傅立叶变换。

实施例

1)实验设备：

①微波热辐射阵列接收系统，具体参数如下：

工作波段：8mm波段

天线阵元数：16

阵列采取1倍波长最小冗余阵列排列方式：最大基线长度为90倍波长，长度为741.2mm

系统分辨率：0.011rad

②固体噪声源两个：

实验中采用其中一个固体噪声源代替人工目标，因为它们具有相同的信号特性。另外一个噪声源作为外部校正源。固体噪声源参数：工作频率为34.5-37.5GHz，超噪比为23dB。

2)实验设计：

将一个固体噪声源作为人工目标放在距离阵列辐射计系统675cm处，角度为-2°；打开噪声源测量各通道输出，根据具体实施方式1)所描述计算原始可见度V_raw；然后关闭噪声源，计算场景背景可见度V_b。将另外一个噪声源作为外部校正源也放在距离阵列辐射计系统675cm处，角度为0°，测量得到仅由外部源产生的可见度V_cal。

图3，图4分别示出了没有采用外部源校正和采用外部源校正的反演图像，从图3可以发现，根本无法判读是否存在目标，而图4不但很明显的突出了目标，而且正确的显示了目标位置。对比结果充分说明了外部源校正在消除系统相位误差、改善成像效果方面的有效性。

Claims (1)

1.一种综合孔径辐射计成像校正方法，其步骤包括：

(1)采用N个天线组成天线阵列，接收场景和目标的微波热辐射信号，得到N路模拟信号，经放大、滤波、下变频和模数转换变换为N路数字复信号x_i(t)，i＝1，2，...，N，其中t为离散时间变量，N为大于1的整数；

(2)任意选择其中的两路信号x_n(t)、x_m(t)，1≤n≤N，1≤m≤N，利用公式(I)计算原始可见度V_raw：

V_raw＝E[x_n(t)x_m(t)]    (I)

(3)判断场景中是否包含人工目标，如果包含，去除人工目标，按照步骤(1)至(2)的方法，获取没有放置人工目标时的可见度V_b，然后进入步骤(4)，否则直接进入步骤(4)；

(4)利用公式(II)计算仅由自然场景和仅由人工目标产生的可见度V_b′；

(5)在视场内放置信号源/或者噪声源，采用以下步骤测量可见度输出V_raw′；

(5.1)采用上述天线阵列接收目标的微波热辐射信号得到N路模拟信号，经放大、滤波、下变频和模数转换变换为N路数字复信号y_i(t)，i＝1，2，...，N，其中t为离散时间变量；

(5.2)选择其中的两路信号y_n(t)，y_m(t)，利用公式(III)计算可见度：

V_raw′＝E[y_n(t)y_m(t)]    (III)

(6)采用公式(IV)按基线相减计算得到仅由外部源产生的可见度输出V_cal；

V_cal＝V_raw′-V_b    (IV) 

并得到相位φ_raw，φ_raw＝∠V_cal；

(7)采用公式(V)得到校正后的可见度V₂：

其中，e为自然对数，j为虚数单位；

(8)反演成像得到下述被测场景的图像T：

T＝IFFT{V₂}

其中，IFFT表示反傅立叶变换。 

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