CN102879781B

CN102879781B - 一种分布式综合孔径辐射计阵列成像方法

Info

Publication number: CN102879781B
Application number: CN201210344044.7A
Authority: CN
Inventors: 胡飞; 陈柯; 贺锋; 黄全亮; 郭伟; 易观理; 魏文俊; 赖利
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2012-09-18
Filing date: 2012-09-18
Publication date: 2014-05-07
Anticipated expiration: 2032-09-18
Also published as: CN102879781A

Abstract

本发明公开了一种分布式综合孔径微波辐射计阵列成像方法，包括S1：采用b个子阵列组成天线阵列，接收目标场景的微波辐射热信号，得到N_i路模拟信号，进行AD转换后输出数字复信号x_j(t)，t为离散时间变量，N_i为子阵列i的通道数；b为大于等于2的正整数；S2：在数字复信号x_j(t)中选择子阵列i的任意两路x_n(t)、x_m(t)，利用公式V_i＝E[x_n(t)x_m(t)]计算各子阵列的可见度V_i；S3：将各个子阵列的可见度V_i代入公式进行累加计算，得到整体可见度V_ent；S4：将整体可见度V_ent进行G矩阵校正得到校正后的整体可见度V′_ent；S5：将校正后的整体可见度V′_emt进行反演成像运算得到目标场景的亮温分布T。本发明提供方法可以使微波辐射测量系统的空间分辨率得到一个甚至多个数量级的提高，同时为微波辐射测量带来全新的应用方式。

Description

一种分布式综合孔径辐射计阵列成像方法

技术领域

本发明属于微波遥感及探测技术领域，更具体地，涉及一种分布式综合孔径辐射计阵列成像方法。

背景技术

有限的空间分辨率是严重制约微波辐射测量技术获得更广泛应用的重要因素。二十世纪五十年代提出的综合孔径技术是基于干涉测量的微波辐射成像技术在一定程度上提高了系统的分辨率。该技术源于射电天文学中“孔径综合”的思想，通过采用稀疏的小口径天线阵列和相关接收等技术获得“合成”的孔径，能够克服大尺寸实孔径天线加工及机械扫描困难等问题；同时根据综合孔径原理，可见度函数的共轭对称性使得综合孔径技术可以获得最大等于阵列尺寸两倍的合成孔径，因此还能有效改善微波辐射测量系统的空间分辨率。

综合孔径微波辐射计阵列成像技术的空间分辨率由最大基线(相隔最远的两个天线间的距离)决定。目前该技术所能达到的空间分辨率依然有限，除了工作波长的原因，一方面固然存在着综合孔径辐射计阵列设计、误差校正网络等因素的制约，导致能实现的综合空间微波辐射计系统的阵列规模(决定着最大基线)有限；另一方面，承载平台空间的限制对微波辐射计阵列尺寸的约束也是不可忽略的因素，这一点在基于星载平台的应用中尤为明显。这些因素都限制了系统性能的进一步提高。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种分布式综合孔径辐射计阵列成像方法，旨在解决常规综合孔径单一阵列的规模限制和单个承载平台空间约束导致系统空间分辨率低的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种分布式综合孔径微波辐射计阵列成像方法，包括下述步骤：

S1：采用b个子阵列组成天线阵列，接收目标场景的微波辐射热信号，得到N_i路模拟信号，进行AD转换后输出数字复信号x_j(t)，j=1，2......Ni，t为离散时间变量，N_i为子阵列i的通道数，1≤i≤b；b为大于等于2的正整数；

S2：在所述数字复信号x_j(t)中选择子阵列i的任意两路x_n(t)、x_m(t)，1≤n≤N_i，1≤m≤N_i，利用公式V_i=E[x_n(t)x_m(t)]计算各子阵列的可见度V_i；

S3：将各个子阵列的可见度V_i代入公式进行累加计算，得到分布式综合孔径微波辐射计阵列的整体可见度V_ent；a_i为子阵列i对应的加权系数；

S4：将所述整体可见度V_ent进行G矩阵校正得到校正后的整体可见度V′_ent；

S5：将校正后的整体可见度V′_ent进行反演成像运算得到所述目标场景的亮温分布T。

更进一步地，各子阵列的阵列中心等距排布在同一直线上，子阵列之间的间距大于各子阵列的最长基线长度。

更进一步地，在步骤S5中将校正后的整体可见度V′_ent通过傅里叶反变换T=IFFT(V_ent)得到所述目标场景的亮温分布T。

更进一步地，在步骤S5中将校正后的整体可见度V′_ent通过G矩阵反演运算T=G^-1V_ent得到所述目标场景的亮温分布T，G为所述分布式综合孔径微波辐射计阵列的冲击响应矩阵。

本发明还提供了一种分布式综合孔径微波辐射计阵列成像系统，包括依次连接的天线阵列、相关处理模块、误差校正模块以及反演成像模块；所述天线阵列由多个子阵列排列组成；每一个子阵列包括多个天线、多个分别与所述天线连接的接收机以及一个与所述接收机均连接的子阵列预处理单元；所述子阵列用于接收目标场景的微波辐射热信号，并计算各子阵列的可见度；所述相关处理模块用于将各个子阵列的可见度进行累加计算得到整体可见度；所述误差校正模块用于将所述整体可见度进行矩阵校正得到校正后的整体可见度；所述反演成像模块用于将校正后的整体可见度进行反演成像运算得到所述目标场景的亮温分布。

本发明提供的分布式综合孔径辐射计阵列成像方法采用多个相互分离、彼此之间可间隔一定空间距离的辐射计子阵列，组成整体阵列尺寸更大的分布式综合孔径稀疏辐射计阵列系统，使微波辐射测量系统的空间分辨率得到一个甚至多个数量级的提高，同时为微波辐射测量带来全新的应用方式。另外，经过良好的稀疏阵列设计的分布式综合孔径系统还具有很强的健壮性和生存能力，当分布式阵列中的部分阵元甚至某个子阵列因故障、空间环境、地方攻击等原因失去工作能力时，其性能指标基本不受影响或仅仅轻微下降，甚至可以通过快速平台调整、重新组阵的方式恢复系统工作能力，其可靠性和寿命也将得到成倍提高。

附图说明

图1是本发明实施例提供的分布式综合孔径辐射计整列整体方案实现示意图；

图2是本发明实施例提供的分布式综合孔径辐射计阵列成像方法的实现流程图；

图3是本发明实施例提供的分布式综合孔径辐射计阵列成像系统的内部模块结构示意图；

图4为本发明实施例提供的分布式综合孔径辐射计阵列成像系统原理框图；

图5为本发明实施例提供的分布式综合孔径辐射计系统仿真结果示意图；

图6为现有技术中常规阵列辐射计的仿真结果示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供的分布式综合孔径微波辐射计阵列成像方法采用多个相互分离、彼此之间可间隔一定空间距离的辐射计子阵列，组成整体阵列尺寸更大的分布式综合孔径稀疏辐射计阵列系统，在突破常规综合孔径单一阵列的规模限制和单个承载平台空间约束的同时，通过综合孔径信号处理得到更大的“合成”孔径，从而无需改变工作波长即可获得更高的系统空间分辨率。

如图1所示，整个分布式综合孔径辐射计阵列系统由多个辐射计阵列组成，子阵列之间允许存在一定的空间间隔，阵列整体可以根据需要成一维线阵结构或二维结构；所有子阵列中的天线单元按照某种拓扑结构进行分布而且稀疏的阵列排布；多个子阵列一起组成大规模的稀疏辐射计阵列系统，通过信号处理终端进行综合孔径信号处理，从而获得大的等效口径和高系统分辨率，对观测场景进行高分辨率观测成像。

如图2所示，分布式综合孔径微波辐射计阵列成像方法包括下述步骤：

S1：采用b个子阵列组成天线阵列，接收目标场景的微波辐射热信号，得到N_i路模拟信号，进行AD转换后输出数字复信号x_j(t)，j=1，2......Ni，t为离散时间变量，N_i为子阵列i的通道数，1≤i≤b；b为大于等于2的正整数；其中，各子阵列的阵列中心等距排布在同一直线上，子阵列之间的间距大于各子阵列的最长基线长度。

S2：在数字复信号x_j(t)中选择子阵列i的任意两路x_n(t)、x_m(t)，1≤n≤N_i，1≤m≤N_i，利用公式V_i=E[x_n(t)x_m(t)]计算各子阵列的可见度V_i；

代表系统冲击响应矩阵，g_Mp为通道k在空间采样点p上的系统冲击响应。

S5：将校正后的整体可见度V′_ent进行反演成像运算得到所述目标场景的亮温分布T。将亮温分布T绘制出来即可重建出目标场景的亮温分布图像。

本发明实施例首先由各子阵列的通道接收机接收观测场景的微波辐射信号；然后在各子阵列内部分别依照传统综合孔径辐射计阵列的信号处理方式对通道接收信号进行两两相关，得到各子阵列的可见度输出；各子阵列系统的可见度数据传输给分布式信号处理终端进行数据的合并，得到整个分布式系统的整体可见度输出；对整体的可见度进行系统误差校正，并依据实际情况选择合适的反演方法进行图像反演，即可得到高分辨率的目标场景辐射亮温图像。

为了更进一步的说明本发明实施例，现详述本发明实施例提供的分布式综合孔径辐射计阵列成像方法的具体实施步骤为：

(1)搭建b(b≥2)个通道数分别为N₁，N₂，…N_i的子阵列同时对一目标场景进行测量；各子阵列等距排布在同一平面上，并且子阵列之间的间距大于各子阵列的最长基线长度。

(2)对任意子阵列i(1≤i≤b)，按照传统综合孔径信号处理方式选择其阵列内部的两路信号x_n(t)、x_m(t)，1≤n≤N_i，1≤m≤N_i，利用公式V_i=E[x_n(t)x_m(t)]计算各子阵列的可见度V_i；

(3)将各个子阵列的可见度输入分布式信号处理终端，按照公式

将可见度从空间频率上进行累加，得到分布式系统的整体可见度V_ent；相比各子阵列，该可见度具有更广覆盖范围的空间频率采样；式中a_i为子阵列i对应的加权系数，a_i的大小与各子阵列到整体阵列中心的距离成反比，0<a_i≤1；

(4)将整体可见度V_ent进行系统误差校正后，按照公式T=IFFT(V_ent)或T＝G^-1V_ent进行反演成像，即可得到目标场景的高分辨率亮温分布图像；其中，IFFT表示傅里叶反变换，G为辐射计阵列的整体系统冲击响应矩阵。

如图3所示，分布式综合孔径微波辐射计阵列成像系统包括依次连接的天线阵列、相关处理模块、误差校正模块以及反演成像模块；天线阵列由多个子阵列排列组成；每一个子阵列包括多个天线、多个分别与天线连接的接收机以及一个与接收机均连接的子阵列预处理单元；子阵列中天线和接收机用于接收目标场景的微波辐射热信号，子阵列预处理单元用于计算各子阵列的可见度；相关处理模块用于将各个子阵列的可见度进行累加计算得到整体可见度；误差校正模块用于将整体可见度进行矩阵校正得到校正后的整体可见度；反演成像模块用于将校正后的整体可见度进行反演成像运算得到目标场景的亮温分布。

如图4所示，观测场景的微波辐射信号由各子阵列的通道接收机接收后，首先进行子阵列内部的相关预处理，得到各子阵列的可见度函数；各子阵列系统的预处理数据传输给分布式系统信号处理终端进行总体的相关处理，得到整体的可见度函数；在可见度函数的基础上进行误差校正，并进行图像反演，得到高分辨率的目标场景辐射亮温图像。

在本发明实施例中，为了验证分布式系统的可行性，设计了一个仿真实验；仿真条件包括：工作波段：8mm波段；天线阵元数：66；将一个66单元的交错Y型阵的3个阵臂上的后半部分单元沿着阵臂方向搬移，使各个阵臂与阵列中心相隔5个波长，得到一个分布式的天线阵列。设定的成像场景为空间角分别为(30°，30°)、(32°，32°)，能量分别为400K和600K的两个点源。分布式阵列反演得到的结果(图5)相比常规的66单元交错Y型阵的反演结果(图6)在分辨率上略有提高。

本发明提供的分布式综合孔径辐射计阵列成像方法可以使微波辐射测量系统的空间分辨率得到一个甚至多个数量级的提高，同时为微波辐射测量带来全新的应用方式。另外，经过良好的稀疏阵列设计的分布式综合孔径系统还具有很强的健壮性和生存能力，当分布式阵列中的部分阵元甚至某个子阵列因故障、空间环境、地方攻击等原因失去工作能力时，其性能指标基本不受影响或仅仅轻微下降，甚至可以通过快速平台调整、重新组阵的方式恢复系统工作能力，其可靠性和寿命也将得到成倍提高。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种分布式综合孔径微波辐射计阵列成像方法，其特征在于，包括下述步骤：

S3：将各个子阵列的可见度V_i代入公式

进行累加计算，得到分布式综合孔径微波辐射计阵列的整体可见度V_ent；a_i为子阵列i对应的加权系数；

代表系统冲击响应矩阵，g_Mp为通道k在空间采样点p上的系统冲击响应；

2.如权利要求1所述的成像方法，其特征在于，各子阵列的阵列中心等距排布在同一直线上，子阵列之间的间距大于各子阵列的最长基线长度。

3.如权利要求1所述的成像方法，其特征在于，在步骤S5中将校正后的整体可见度V′_ent通过傅里叶反变换T=IFFT(V_ent)得到所述目标场景的亮温分布T。

4.如权利要求1所述的成像方法，其特征在于，在步骤S5中将校正后的整体可见度V′_ent通过G矩阵反演运算T=G^-1V_ent得到所述目标场景的亮温分布T，G矩阵为所述分布式综合孔径微波辐射计阵列的冲击响应矩阵。