CN102621532B - 基于阵列旋转的综合孔径辐射计可见度相位误差校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于阵列旋转的综合孔径辐射计可见度相位误差校正方法，该方法通过180度天线阵列旋转，使得被测场景的辐射信号分别被旋转前后天线阵列接收；利用天线阵元相位误差不随阵列旋转变化的特点，建立方程组，联立求解得到天线阵元相位误差，进而依据天线阵元相位误差修正可见度。本发明不依赖额外的内部噪声注入网络与外部辅助源，可利用观测场景本身对综合孔径辐射计可见度的阵元相位误差进行校正，有效降低传统综合孔径辐射计校正系统的复杂度。

Description

基于阵列旋转的综合孔径辐射计可见度相位误差校正方法

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的可见度相位误差校正方法。

背景技术

综合孔径辐射计利用多个离散的小天线合成较大的实孔径，采用稀疏阵列排布，大大减少了天线的质量和体积，解决了分辨率与孔径尺寸之间的固有矛盾。但是这种优势是以信号处理复杂度为代价的，特别是对于星载综合孔径系统的相位误差校正：内部噪声注入将极大的增加系统的重量、体积以及相位不稳定性，这些因素都限制了系统性能的进一步提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于180度阵列旋转的综合孔径辐射计的可见度相位误差校正方法，该方法不依赖额外的内部噪声注入网络与外部辅助源，可利用观测场景本身对综合孔径辐射计可见度的阵元相位误差进行校正，有效降低传统综合孔径辐射计校正系统的复杂度。

基于阵列旋转的综合孔径辐射计可见度相位误差校正方法，包括以下步骤：

(1)对每根天线a_p接收场景的微波热辐射信号放大、滤波、下变频和模数转换变换为数字信号，再将数字信号变换为数字复信号s_p(t)，其中t为离散时间变量；

(2)计算两两天线的可见度

E[]表示求平均值，上标H表示共轭转置，p，q＝1，...，N，N为天线总数；

(3)将天线阵列整体旋转180度，重复步骤(1)和(2)得到旋转后两两天线的可见度

(4)将相同天线对旋转前后的可见度相位相加，得到可见度与天线阵元相位误差的关系方程

其中，分别表示

的相位，α_p，α_q分别表示第p和第q天线阵元的相位误差；

(5)求解可见度与天线阵元相位误差的关系方程得到各天线阵元的相位误差

(6)依据求解得到的阵元相位误差计算相位误差校正后的可见度 $V_{\mathrm{pq}}^c=V_{\mathrm{pq}}^{\mathrm{raw}}\·\exp [-j\left({\widehat{\mathrm{\α}}}_p-{\widehat{\mathrm{\α}}}_q\right)].$

本发明的技术效果体现在：

本发明提供一种基于阵列旋转的综合孔径辐射计可见度相位误差校正方法，该方法通过180度天线阵列旋转，使得被测场景的辐射信号分别被旋转前后天线阵列接收；利用天线阵元相位误差不随阵列旋转变化的特点，建立方程组，联立求解得到天线阵元相位误差，进而依据天线阵元相位误差修正可见度。本发明不依赖额外的内部噪声注入网络与外部辅助源，可利用观测场景本身对综合孔径辐射计可见度的阵元相位误差进行校正，有效降低传统综合孔径辐射计校正系统的复杂度。

附图说明

图1为基于180度阵列旋转的校正方法的示意图；

图2为被测场景辐射信号示意图；

图3为本发明中综合孔径辐射计的硬件框图；

图4为本发明流程框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。

本发明利用测量可见度、理想可见度、阵元相位误差之间的关系，联立线性方程组求解阵元相位误差，进而对测量可见度进行校正。

校正方法示意图如图1所示，天线阵列位于x，y平面内，阵列在该平面内可围绕阵列中心旋转。观测场景位于平行于天线阵列的z＝h平面内，h远大于阵列尺寸，满足远场条件。

本发明的步骤如下：

对于一个N阵元的综合孔径辐射计，利用每个天线a_p接收被测场景的微波热辐射信号，经放大、滤波、下变频和模数转换变换为数字信号，再将数字信号变换为数字复信号s_p(t)，其中t为离散时间变量；

计算两两天线的相关输出

在综合孔径领域，该相关输出被称作可见度。E[]表示求平均值，上标H表示共轭转置，p，q＝1，...，N。

为了区分，假设系统硬件条件理想，不存在误差情况下的相关输出

称作理想可见度，由综合孔径辐射计信号处理的数学模型可知：

$V_{\mathrm{pq}}^{\mathrm{id}}=\underset{{\mathrm{\ξ}}^2+{\mathrm{\η}}^2\≤1}{\∫\∫}T(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})e^{-j2\mathrm{\π}(\mathrm{u\ξ}+\mathrm{v\η})}\mathrm{d\ξd\η}---\left(1\right)$

其中，T(ξ，η)表示场景在ξ，η方位上的亮温。(ξ，η)表示球坐标系中的方向余弦，

θ表示辐射信号与天线阵列平面法线的夹角，表示辐射信号在天线阵列平面上的投影与天线阵列横向直线的夹角(参考图2)。u＝(x_p-x_q)/λ和v＝(y_p-y_q)/λ表示波长归一化天线的间距，(x_p，y_p)表示天线p坐标，λ是波长。

实际情况下，综合孔径辐射计的天线与通道对辐射信号的接收与传递过程会产生相位偏移误差。存在阵元相位误差时的相关输出

称作测量可见度。

由综合孔径辐射计的误差模型可知，测量可见度、理想可见度的相位之间存在如下关系

${\mathrm{\φ}}_{\mathrm{pq}}^{\mathrm{raw}}={\mathrm{\φ}}_{\mathrm{pq}}^{\mathrm{id}}+{\mathrm{\α}}_p-{\mathrm{\α}}_q---\left(2\right)$

其中，分别表示

的相位。α_p，α_q分别表示第p和第q天线阵元的相位误差，α_p，α_q分别是第p和q阵元的天线与通道的相位偏移误差之和(参考图3)。

不改变接收场景，将天线阵列整体旋转180度，重复上面的步骤可以得到旋转后两两天线的测量可见度

将

代入式(1)中的

再代入(2)可知，

的相位满足

${\mathrm{\φ}}_{\mathrm{pq}}^{\mathrm{rot}}=-{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{pq}}^{\mathrm{id}}+{\mathrm{\α}}_p-{\mathrm{\α}}_q---\left(3\right)$

其中，

表示

的相位。可见，天线阵列的180度旋转使得理想可见度相位反向，而阵元相位误差不随阵列旋转变化。

将(2)(3)相加，

被抵消了，得到旋转前后测量可见度与阵元相位误差的方程。

${\mathrm{\φ}}_{\mathrm{pq}}^{\mathrm{raw}}+{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{pq}}^{\mathrm{rot}}=2({\mathrm{\α}}_p-{\mathrm{\α}}_q)---\left(4\right)$

联立所有测量可见度与天线阵元相位误差，得到方程组，求解得到所有天线阵元的相位误差

需要指出的是，对于任意阵列，该方程组独立方程数总是N-1，待求解的阵元相位误差数量为N。求解过程可先任意假设某一个阵元的相位误差为0，使得未知量减少为N-1，再利用最小二乘法求出其余阵元相位误差。将得到的阵元相位误差代入场景测量可见度

得到相位误差校正后的可见度

$V_{\mathrm{pq}}^c=V_{\mathrm{pq}}^{\mathrm{raw}}\·\exp [-j({\widehat{\mathrm{\α}}}_p-{\widehat{\mathrm{\α}}}_q)]---\left(4\right)$

j表示虚数。

得到的校正后可见度可直接用于目标场景的辐射亮温图像构建。整个校正方法的步骤如图4所示。

Claims (1)

1.基于阵列旋转的综合孔径辐射计可见度相位误差校正方法，包括以下步骤：

(1)对每根天线a_p接收场景的微波热辐射信号放大、滤波、下变频和模数转换变换为数字信号，再将数字信号变换为数字复信号s_p(t)，其中t为离散时间变量；

(2)计算两两天线的可见度

E[]表示求平均值，上标H表示共轭转置，p，q＝1，...，N，N为天线总数；

(3)将天线阵列整体旋转180度，重复步骤(1)和(2)得到旋转后两两天线的可见度

(4)将相同天线对旋转前后的可见度相位相加，得到可见度与天线阵元相位误差的关系方程

其中，

分别表示的相位，α_p，α_q分别表示第p和第q天线阵元的相位误差；

(5)求解可见度与天线阵元相位误差的关系方程得到各天线阵元的相位误差

(6)依据求解得到的阵元相位误差计算相位误差校正后的可见度 $V_{\mathrm{pq}}^c=V_{\mathrm{pq}}^{\mathrm{raw}}\·\exp [-j({\widehat{\mathrm{\α}}}_p-{\widehat{\mathrm{\α}}}_q)].$

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