CN103217588A

CN103217588A - 镜像综合孔径辐射计

Info

Publication number: CN103217588A
Application number: CN2013100921007A
Authority: CN
Inventors: 李青侠
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2013-03-21
Filing date: 2013-03-21
Publication date: 2013-07-24
Anticipated expiration: 2033-03-21
Also published as: CN103217588B

Abstract

本发明公开了镜像综合孔径辐射计，包括镜像阵列、接收通道阵列、AD阵列、实相关器和镜像综合孔径处理器；镜像阵列用于接收场景的微波辐射并输出L路信号；接收通道阵列用于对L路信号分别进行放大和滤波后输出；AD阵列用于将接收通道阵列的输出变换为L路数字信号；实相关器用于将L路数字信号两两进行实相关运算并输出L(L-1)/2路数字信号；镜像综合孔径处理器用于将L(L-1)/2路数字信号进行变换并得到场景的亮温图像。本发明通过在天线阵旁设置反射板，形成镜像阵列，通过镜像综合孔径的变换方法使镜像阵列等效为更大的天线阵，能以较少的天线数获取更高的空间分辨率；并通过使用实相关器使得系统结构的复杂度和信号处理的复杂度较低。

Description

镜像综合孔径辐射计

技术领域

本发明属于微波遥感及探测技术领域，更具体地，涉及镜像综合孔径辐射计。

背景技术

综合孔径辐射计利用多个离散的小天线合成等效的大天线孔径，采用稀疏阵列排布，减少天线的质量和体积，可提高被动微波遥感的空间分辨率。但是这种优势是以系统结构和信号处理复杂度为代价的，特别是对于大型综合孔径系统如星载综合孔径辐射计，由于天线数目过多，系统结构和信号处理将非常复杂，此外庞大的数据量也是一个不可忽视的重要问题。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镜像综合孔径辐射计，旨在解决现有的综合孔径辐射计中天线数目过多导致系统结构和信号处理复杂的问题。

本发明提供了镜像综合孔径辐射计，包括：依次连接的镜像阵列、接收通道阵列、AD阵列、实相关器和镜像综合孔径处理器；所述镜像阵列用于接收场景的微波辐射并输出L路信号；所述接收通道阵列用于对L路信号分别进行放大和滤波后输出；所述AD阵列用于将接收通道阵列的输出变换为L路数字信号；所述实相关器用于将L路数字信号两两进行实相关运算并输出L(L-1)/2路数字信号；所述镜像综合孔径处理器用于将所述L(L-1)/2路数字信号进行变换并得到所述场景的亮温图像；L为大于等于2的整数。

更进一步地，所述镜像阵列包括天线阵和反射板，所述反射板用于将来自场景的微波辐射信号反射到天线阵；所述天线阵用于接收来自场景的信号以及由反射板反射的信号。

更进一步地，所述镜像阵列包括：一维天线阵和反射板；所述一维天线阵由L个天线沿一条直线排列组成，所述反射板垂直于该直线。

更进一步地，所述镜像阵列包括：二维天线阵和两块反射板，所述二维天线阵由L个天线排列在一个平面组成，L个天线在一个平面上排列为T形天线阵，两块反射板均垂直于所述二维天线阵所在的平面。

更进一步地，所述镜像阵列包括：二维天线阵和两块反射板，所述二维天线阵由L个天线排列在一个平面组成，L个天线在一个平面上排列为近似双Γ型天线阵，两块反射板分别垂直于天线阵所在的平面，且两块反射板互相垂直。

更进一步地，所述实相关器由L(L-1)/2个并列的乘法器和L(L-1)/2个并列的积分器组成，每两路输入数字信号经过一个乘法器和一个积分器后得到一路数字信号输出；共有L(L-1)/2个并列的输出。

更进一步地，所述镜像综合孔径处理器包括依次连接的线性变换器，滤波器、存储器和反余弦变换器；所述线性变换器用于对所述实相关器输出的数字信号进行线性变换；所述滤波器用于对所述线性变换器的输出进行滤波；所述存储器用于存储所述滤波器输出的信号；所述反余弦变换器用于将存储于所述存储器中的信号进行反余弦变换并获得所述场景的亮温图像。

更进一步地，所述镜像综合孔径处理器包括依次连接的线性变换器、滤波器、存储器和矩阵变换器；所述线性变换器用于对所述实相关器输出的数字信号进行线性变换；所述滤波器用于对所述线性变换器的输出进行滤波；所述存储器用于存储所述滤波器输出的信号；所述矩阵变换器用于将存储于所述存储器中的信号进行矩阵变换并获得场景的亮温图像。

本发明通过在天线阵旁设置反射板，形成镜像阵列，其中的天线阵接收观测场景的辐射信号以及反射板反射的辐射信号，通过镜像综合孔径的变换方法使镜像阵列等效为更大的天线阵，等效于有更多的天线。镜像综合孔径辐射计中使用实相关器，其复杂度远低于传统综合孔径辐射计中的复相关器。相较于传统的综合孔径辐射计，镜像综合孔径辐射计能以较少的天线数获取更高的空间分辨率，系统结构的复杂度和信号处理的复杂度较低。

附图说明

图1为本发明实施例提供的镜像综合孔径辐射计的结构框图；

图2为本发明实施例提供的镜像综合孔径辐射计中实相关器的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的镜像综合孔径辐射计中基于反余弦变换的镜像综合孔径处理器结构示意图；

图4为本发明实施例提供的镜像综合孔径辐射计中基于矩阵变换的镜像综合孔径处理器结构示意图；

图5为本发明实施例提供的镜像综合孔径处理器中的线性变换器结构示意图；

图6为实施例1提供的一维镜像阵列示意图；

图7为实施例1提供的天线数为6且反射板固定的一维镜像阵列示意图；

图8为实施例1提供的天线数为12且反射板移动的一维镜像阵列示意图；

图9为实施例2提供的二维镜像阵列的示意图；

图10为实施例2提供的天线数为13且单反射板的二维镜像阵列示意图；

图11为实施例2提供的天线数为30且双反射板的二维镜像阵列示意图。

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。

本发明涉及微波遥感及探测技术领域，具体涉及用于被动微波遥感的镜像综合孔径辐射计，可作为地球遥感、月球遥感、深空探测等的遥感器。

图1示出了本发明实施例提供的镜像综合孔径辐射计的结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：

镜像综合孔径辐射计包括依次连接的镜像阵列1、接收通道阵列2、AD阵列3、实相关器4和镜像综合孔径处理器5；镜像阵列1用于接收场景的微波辐射并输出L路信号至接收通道阵列2；接收通道阵列2对L路信号分别进行放大和滤波后送到AD阵列3；AD阵列3将L路模拟信号分别变换为L路数字信号并送到实相关器4；实相关器4用于将接收到的L路数字信号两两进行实相关运算并输出L(L-1)/2路数字信号；镜像综合孔径处理器5用于将实相关器4的输出进行变换得到场景的亮温图像。

在本发明实施例中，镜像阵列1由反射板和天线阵组成，反射板将来自场景的微波辐射信号反射到天线阵；天线阵由L个天线组成，L为大于或等于2的整数，天线阵接收直接来自场景的信号以及由反射板反射的信号。作为本发明的一个实施例，反射板相对于天线阵的位置可以是固定的，也可以是可移动的。本发明通过在天线阵旁设置反射板，形成镜像阵列，通过镜像综合孔径的变换方法使镜像阵列等效为更大的天线阵，等效于增加天线数目，从而提高空间分辨率，降低系统复杂度。

在本发明实施例中，接收通道阵列2由L个并列的接收通道组成，每个通道的结构相同，接收通道主要有两种结构，一种是由放大器、滤波器和变频器组成，另一种是由放大器和滤波器组成；而AD阵列3由L个并列的模数转换器（AD）组成；由于放大器、滤波器、变频器和AD均属于本领域的公知技术，在此不再赘述。

在本发明实施例中，实相关器4用于完成L路输入数字信号之间的两两实相关运算；其具体结构如图2所示，由L(L-1)/2个并列的乘法器41和积分器42组成，每两路输入数字信号经过一个乘法器41和一个积分器42，得到实相关器4的一路数字信号输出；共有L(L-1)/2个并列的输出4送到镜像综合孔径处理器5；该实相关器4的复杂度远低于传统综合孔径辐射计所用的复相关器。

在本发明实施例中，镜像综合孔径处理器5用于完成由实相关器输出到亮温图像的变换，镜像综合孔径处理器5可以采用两种结构：一种基于反余弦变换的结构，如图3所示，包括依次连接的线性变换器51，滤波器52、存储器53和反余弦变换器54；线性变换器51用于将实相关器4输出的L(L-1)/2路数字信号进行线性变换，输出送入滤波器52，滤波器52用于对其输入的信号进行滤波，其输出送入存储器53，存储器53用于存储来自滤波器52的信号，反余弦变换器54用于将存储于存储器53中的信号进行反余弦变换并获得场景的亮温图像。另一种基于矩阵变换的结构，如图4所示，包括依次连接的线性变换器51、滤波器52、存储器53和矩阵变换器55；线性变换器51用于将实相关器4输出的L(L-1)/2路数字信号进行线性变换，输出送入滤波器52，滤波器52用于对其输入的信号进行滤波，其输出送入存储器53，存储器53用于存储来自滤波器52的信号，矩阵变换器55用于将存储于存储器53中的信号进行矩阵变换并获得场景的亮温图像。

其中的线性变换器51的具体结构如图5所示，由放大器511和加法器512组成，L(L-1)/2个放大器511与一个加法器512相连，L(L-1)/2路输入分别经过放大后相加形成一路输出。其中矩阵变换器55可以实现以下矩阵变换：

式中，

V分别为矩阵变换器的输出和输入，G⁺=(G^TG)^-1G^T或者(G^TG+λI)^-1G^T，上标T表示矩阵的转置操作，矩阵G为镜像综合孔径辐射计的空间冲激响应矩阵，或称G矩阵，λ为正实数，I为单位矩阵。

在本发明实施例中，镜像阵列1接收场景的微波辐射，输出L路信号到接收通道阵列2；接收通道阵列2对L路信号分别进行放大、滤波，或者进行放大、滤波、变频后，送到AD阵列3；AD阵列3将L路模拟信号分别变换为L路数字信号，送到实相关器4；实相关器4将输入的L路数字信号两两进行实相关运算，镜像综合孔径处理器5实现由实相关器输出到亮温图像的变换。本发明通过在天线阵旁设置反射板，形成镜像阵列，其中的天线阵接收观测场景的辐射信号以及反射板反射的辐射信号，通过镜像综合孔径的变换方法使镜像阵列等效为更大的天线阵，等效于有更多的天线。镜像综合孔径辐射计中使用实相关器，其复杂度远低于传统综合孔径辐射计中的复相关器。相较于传统的综合孔径辐射计，镜像综合孔径辐射计能以较少的天线数获取更高的空间分辨率，系统结构的复杂度和信号处理的复杂度较低。

为了更进一步说明本发明实施例提供的镜像综合孔径辐射计，下面结合附图以及实施例对本发明实施例作进一步详细的说明。

实施例1：一维镜像综合孔径辐射计

该实施例中，L个天线组成一维天线阵，该一维天线阵与反射板组成一维镜像阵列，参照图6，一维天线阵中天线沿一条直线排列，反射板垂直于该直线，反射板相对于天线阵的位置固定或可移动。

反射板固定的一个例子是天线数为6的一维镜像阵列，参见附图7，其中天线阵中相邻天线间距为{2，3，1，1，1}，单位为镜像综合孔径辐射计的工作波长（简称波长），反射板距最近的一个天线的距离为1个波长。

反射板移动的一个例子是天线数为12的镜像阵列，参见附图8，其中天线阵中天线两两间距为{1，1，1，20，5，4，2，6，4，3，3}，单位为波长，反射板移动10个位置，反射板在这10个位置时，距最近的一个天线的距离分别为d=20，20.5，21，21.5，22，40，40.5，41，41.5，42个波长。

L个天线的输出送到接收通道阵列2，接收通道阵列2对L路信号分别进行放大、滤波，或者进行放大、滤波、变频后，送到AD阵列3；AD阵列3将L路模拟信号分别变换为L路数字信号，送到实相关器4；实相关器4将输入的L路数字信号两两进行实相关运算，实相关器4的输出送到镜像综合孔径处理器5；对反射板固定的情形，镜像综合孔径处理器5直接处理输出场景的亮温图像；对反射板移动的情形，在反射板的每个位置，镜像综合孔径处理器5中的存储器都存储其输入数字信号，然后一起处理输出场景的亮温图像。

实施例2：二维镜像综合孔径辐射计

该实施例中，L个天线组成二维天线阵，该二维天线阵与一块或两块反射板组成二维镜像阵列，反射板是固定或可移动的，参见附图9，二维天线阵中天线排列在一个平面上。

一块反射板的例子是天线数为13的二维镜像阵列，参见附图10，其中13个天线在一个平面上排列为T形天线阵，每臂4个天线，相邻天线之间的距离为1个波长，反射板垂直于天线阵所在的平面，反射板距最近天线的距离为2个波长。

两块反射板的例子是天线数为30的二维镜像阵列，参见附图11，其中30个天线在一个平面上排列为近似双Γ型天线阵，相邻天线之间的距离为1个波长，两块反射板垂直于天线阵所在的平面，且两块反射板间互相垂直，反射板一距最近天线的距离为1个波长，反射板二距最近天线的距离为1个波长，两块反射板可连接在一起，形成一个整体结构。

L个天线的输出送到接收通道阵列2，接收通道阵列2对L路信号分别进行放大、滤波，或者进行放大、滤波、变频后，送到AD阵列3；AD阵列3将L路模拟信号分别变换为L路数字信号，送到实相关器4。

实相关器4将输入的L路数字信号两两进行实相关运算，其输出送到镜像综合孔径处理器5；镜像综合孔径处理器5完成由实相关器输出到亮温图像的变换，输出场景的亮温图像。本发明相较于传统的综合孔径辐射计，能以较少的天线数目获取更高的空间分辨率，系统复杂度较低。

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.镜像综合孔径辐射计，其特征在于，包括：依次连接的镜像阵列、接收通道阵列、AD阵列、实相关器和镜像综合孔径处理器；

所述镜像阵列用于接收场景的微波辐射并输出L路信号；

所述接收通道阵列用于对L路信号分别进行放大和滤波后输出；

所述AD阵列用于将接收通道阵列的输出变换为L路数字信号；

所述实相关器用于将L路数字信号两两进行实相关运算并输出L(L-1)/2路数字信号；

所述镜像综合孔径处理器用于将所述L(L-1)/2路数字信号进行变换并得到所述场景的亮温图像；L为大于等于2的整数。

2.如权利要求1所述的镜像综合孔径辐射计，其特征在于，所述镜像阵列包括天线阵和反射板，所述反射板用于将来自场景的微波辐射信号反射到天线阵；所述天线阵用于接收来自场景的信号以及由反射板反射的信号。

3.如权利要求1或2所述的镜像综合孔径辐射计，其特征在于，所述镜像阵列包括：一维天线阵和反射板；所述一维天线阵由L个天线沿一条直线排列组成，所述反射板垂直于该直线。

4.如权利要求1或2所述的镜像综合孔径辐射计，其特征在于，所述镜像阵列包括：二维天线阵和两块反射板，所述二维天线阵由L个天线排列在一个平面组成，L个天线在一个平面上排列为T形天线阵，两块反射板均垂直于所述二维天线阵所在的平面。

5.如权利要求1或2所述的镜像综合孔径辐射计，其特征在于，所述镜像阵列包括：二维天线阵和两块反射板，所述二维天线阵由L个天线排列在一个平面组成，L个天线在一个平面上排列为近似双Γ型天线阵，两块反射板分别垂直于天线阵所在的平面，且两块反射板互相垂直。

6.如权利要求1所述的镜像综合孔径辐射计，其特征在于，所述实相关器由L(L-1)/2个并列的乘法器和L(L-1)/2个并列的积分器组成，每两路输入数字信号经过一个乘法器和一个积分器后得到一路数字信号输出；共有L(L-1)/2个并列的输出。

7.如权利要求1所述的镜像综合孔径辐射计，其特征在于，所述镜像综合孔径处理器包括依次连接的线性变换器，滤波器、存储器和反余弦变换器；

所述线性变换器用于对所述实相关器输出的数字信号进行线性变换；

所述滤波器用于对所述线性变换器的输出进行滤波；

所述存储器用于存储所述滤波器输出的信号；

所述反余弦变换器用于将存储于所述存储器中的信号进行反余弦变换并获得所述场景的亮温图像。

8.如权利要求1所述的镜像综合孔径辐射计，其特征在于，所述镜像综合孔径处理器包括依次连接的线性变换器、滤波器、存储器和矩阵变换器；

所述滤波器用于对所述线性变换器的输出进行滤波；

所述存储器用于存储所述滤波器输出的信号；

所述矩阵变换器用于将存储于所述存储器中的信号进行矩阵变换并获得场景的亮温图像。