CN104535998B - 旋转镜像综合孔径辐射计及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了旋转镜像综合孔径辐射计及测量方法，包括旋转镜像阵列、接收通道阵列和旋转镜像综合孔径处理器；旋转镜像阵列包括天线阵、反射板和旋转机构，反射板与天线阵面成角度设置，旋转机构用于使得天线阵和/或反射板转动；接收通道阵列与旋转镜像阵列连接，用于对旋转镜像阵列的输出进行放大、变频和滤波处理；旋转镜像综合孔径处理器与接收通道阵列连接，用于对接收通道阵列的输出进行旋转镜像综合孔径变换后获得输出。本发明以较小的天线阵元数获取等效的更大天线阵的效果，即以较少的天线阵元数获取更高的空间分辨率。相较于传统的综合孔径辐射计，旋转镜像综合孔径辐射计的空间分辨率更高、而所需的天线阵元数更少。

Description

旋转镜像综合孔径辐射计及测量方法

技术领域

本发明属于微波遥感及探测技术领域，更具体地，涉及旋转镜像综合孔径辐射计及测量方法。

背景技术

微波辐射计用于接收目标或环境的微波热辐射，也被称为被动微波遥感器。为了提高实孔径微波辐射计的空间分辨率，就需要增大天线口径，而增大天线口径面临制造、体积重量、扫描方面的困难，于是出现了综合孔径微波辐射计。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，从而避免实孔径大天线面临的困难。但其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。这些因素都限制了空间分辨率的进一步提高。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种旋转镜像综合孔径辐射计及测量方法，其目的在于使用更少的天线阵元实现更高的空间分辨率。

本发明提供了一种旋转镜像综合孔径辐射计，包括旋转镜像阵列、接收通道阵列和旋转镜像综合孔径处理器：旋转镜像阵列包括天线阵、反射板和旋转机构，反射板与天线阵面成角度设置，反射板用于获得更多的等效天线即镜像天线，旋转机构用于使得天线阵和/或反射板转动，工作时通过旋转机构旋转，实现在不同的方位上不断增加等效的天线即镜像天线；接收通道阵列，与旋转镜像阵列连接，用于对旋转镜像阵列的输出进行放大、变频和滤波处理，以及旋转镜像综合孔径处理器，与接收通道阵列连接，用于对接收通道阵列的输出进行旋转镜像综合孔径变换后获得观测场景的亮温图像。

更进一步地，所述反射板与所述天线阵面之间的角度范围为0-90度。

更进一步地，所述旋转机构为电动机，通过电动机使得所述天线阵和/或所述反射板转动。多种可选择的旋转方式可以为使用提高供灵活性。

更进一步地，所述天线阵为一维天线阵列或二维天线阵列。所述反射板为一块、两块或多块。一块反射板可以实现一维空间分辨率的提高，两块反射板可以实现二维空间分辨率的提高，多块反射板可以使二维空间分辨率提高更多倍；反射板可以与天线阵面垂直或成一定角度，反射板与天线阵面成一定角度可以调节观测范围。

本发明还提供了一种基于上述的旋转镜像综合孔径辐射计的测量方法，包括下述步骤：

(1)通过旋转镜像阵列接收场景的微波辐射，并采集第i个天线在第k时刻的输出信号b_i(t_k)；

其中任一天线i的位置为(x_i(t_k),y_i(t_k))，t_k表示第k时刻，k＝0,1,2…L,L为采样时刻总数，L为正整数；i＝0,1,2…Q，Q为天线总数；

(2)对天线采集的信号进行旋转镜像综合孔径变换并获得输出；

(2.1)获得原天线i的位置为(x_i(t_k),y_i(t_k))，以及镜像天线的位置，

镜像天线i1、i2、i3、i4、i5、i6、i7、i8的位置分别为(x_i(t_k),-y_i(t_k))、(-x_i(t_k),y_i(t_k))、(-x_i(t_k),-y_i(t_k))、(x_i(t_k),y_i(t_k)+2h_yi)、(-x_i(t_k),y_i(t_k)+2h_yi)、(x_i(t_k)+2h_xi,y_i(t_k))、(x_i(t_k)+2h_xi,-y_i(t_k))、(x_i(t_k)+2h_xi,y_i(t_k)+2h_yi)，其中h_yi、h_xi为原天线i距第三、四反射板的距离。记V^(i,j)(t_k)为天线i与j的时间可见度(这是计算过程中的一个中间量)，其中j的取值范围与i同。

(2.2)计算两个原天线i,j输出信号的乘积R_ij(t_k)＝b_i(t_k)b_j(t_k)，

(2.3)对每一个时刻t_k，构造以下方程

其中M为镜像天线数，对一个反射板M取1，对两个反射板M取3，对三个反射板M取5，对四个反射板M取8。

将所有的方程联合为方程组，求解此方程组，可以得到原天线i与原天线j在时刻k的时间可见度V^(i,j)(t_k)、以及镜像天线in与原天线j在时刻k的时间可见度V^(in,j)(t_k)的值。V^(i,j)(t_k)、V^(in,j)(t_k)是计算过程中的中间量。

(2.4)根据以下公式获得输出值

其中，为输出值，对应于场景在θ、方向上的亮温，θ表示信号方向与天线阵列平面法线的夹角，表示辐射信号方向在天线阵列平面上的投影与天线阵列横向的夹角,γ＝2π/λ，λ为工作波长，π为圆周率。

更进一步地，当反射板为一个时，输出值取前2项；当反射板为两个时，输出值取前4项；当反射板为三个时，输出值取前6项；当反射板为四个时，输出值取全部9项。

本发明以较小的天线阵元数获取等效的更大天线阵的效果，即以较少的天线阵元数获取更高的空间分辨率。相较于传统的综合孔径辐射计，旋转镜像综合孔径辐射计的空间分辨率更高、而所需的天线阵元数更少。

附图说明

图1为本发明中旋转镜像综合孔径辐射计的结构框图；

图2为本发明中原天线及镜像天线位置坐标示意图；

图3为本发明实施例提供的一维旋转镜像阵列结构立体示意图；

图4为本发明实施例提供的一维旋转镜像阵列结构俯视平面示意图；

图5为本发明实施例提供的一维旋转镜像阵列等效天线阵示意图；

图6为本发明实施例提供的二维旋转镜像阵列结构立体示意图；

图7为本发明实施例提供的二维旋转镜像阵列结构俯视平面示意图；

图8为本发明实施例提供的二维旋转镜像阵列等效天线阵示意图；

图9为本发明实施例提供的稀疏Y形旋转镜像阵列示意图；

图10为本发明实施例提供的稀疏V形旋转镜像阵列示意图；

图11为本发明实施例提供的稀疏直线形旋转镜像阵列示意图；

图12为本发明实施例提供的稀疏圆形旋转镜像阵列示意图；

图13为本发明实施例提供的三反射板旋转镜像阵列示意图；

图14为本发明实施例提供的四反射板旋转镜像阵列示意图。

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。

本发明属于微波遥感及探测技术领域，具体涉及用于被动微波遥感的旋转镜像综合孔径辐射测量方法及旋转镜像综合孔径辐射计，可用于目标探测、地球遥感、月球遥感、深空探测等领域。

本发明提供的旋转镜像综合孔径辐射计，包括：依次连接的旋转镜像阵列、接收通道阵列和旋转镜像综合孔径处理器；旋转镜像阵列包括天线阵、反射板和旋转机构。如图1所示。

旋转方式可以是天线阵旋转或反射板旋转，或天线阵与反射板一起旋转，多种可选择的旋转方式可以为使用提供灵活性；天线阵可以是一维或二维阵列；反射板可以是一块、两块或多块，一块反射板可以实现一维空间分辨率的提高，两块反射板可以实现二维空间分辨率的提高，多块反射板可以使二维空间分辨率提高更多倍；反射板可以与天线阵面垂直或成一定角度，反射板与天线阵面成一定角度可以调节观测范围；接收通道阵列可以是直接放大结构或下变频结构；旋转镜像综合孔径处理器完成旋转镜像综合孔径变换运算。

本发明提供的旋转镜像综合孔径辐射计可以以较小的天线阵元数获取等效的更大天线阵的效果，即以较少的天线阵元数获取更高的空间分辨率。相较于传统的综合孔径辐射计，旋转镜像综合孔径辐射计的空间分辨率更高、而所需的天线阵元数更少。

在本发明实施例中，旋转镜像综合孔径辐射测量方法，包括以下步骤：

(1)用旋转镜像阵列接收场景的微波辐射，旋转镜像阵列由稀疏天线阵列、反射板(一个、两个或多个)及旋转装置构成，旋转装置的功能是使镜像阵列旋转，可以使用电动机或其它公知的方式实现旋转功能；

(2)旋转阵列在旋转的过程中，其中任一天线(天线又称天线阵元)i的位置为(x_i(t_k),y_i(t_k))，t_k表示第k时刻，k＝0,1,2…L,L为采样时刻总数，其取值范围为正整数；采集并储存第i个天线第k时刻的输出信号b_i(t_k),i＝0,1,2…Q,Q为天线总数(又称天线阵元总数)。

(3)进行旋转镜像综合孔径变换，获得输出。旋转镜像综合孔径变换包括以下步骤：

(a)如图2所示，记原天线i的位置为(x_i(t_k),y_i(t_k))，镜像天线记为i1、i2、i3、i4、i5、i6、i7、i8，其位置分别为(x_i(t_k),-y_i(t_k))、(-x_i(t_k),y_i(t_k))、(-x_i(t_k),-y_i(t_k))、(x_i(t_k),y_i(t_k)+2h_yi)、(-x_i(t_k),y_i(t_k)+2h_yi)、(x_i(t_k)+2h_xi,y_i(t_k))、(x_i(t_k)+2h_xi,-y_i(t_k))、(x_i(t_k)+2h_xi,y_i(t_k)+2h_yi)，其中h_yi、h_xi为原天线i距第三、四反射板的距离。记V^(i,j)(t_k)为天线i与j的时间可见度(这是计算过程中的一个中间量)，其中j的取值范围与i同。

(b)计算两个原天线i,j输出信号的乘积R_ij(t_k)＝b_i(t_k)b_j(t_k)，

(c)对每一个时刻t_k，构造以下方程

其中M为镜像天线数，对一个反射板M取1，对两个反射板M取3，对三个反射板M取5，对四个反射板M取8。

将所有的方程联合为方程组，求解此方程组，可以得到原天线i与原天线j在时刻k的时间可见度V^(i,j)(t_k)、以及镜像天线in与原天线j在时刻k的时间可见度V^(in,j)(t_k)的值。V^(i,j)(t_k)、V^(in,j)(t_k)是计算过程中的中间量。

(d)用以下公式计算输出值

其中，为计算的输出值，对应于场景在θ、方向上的亮温，θ表示信号方向与天线阵列平面法线的夹角，表示辐射信号方向在天线阵列平面上的投影与天线阵列横向的夹角,γ＝2π/λ，λ为工作波长，π为圆周率。具体计算中，对一个反射板取前2项，对两个反射板取前4项，对三个反射板取前6项，对四个反射板取全部9项。

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：

旋转镜像综合孔径辐射计包括依次连接的旋转镜像阵列、接收通道阵列、旋转镜像综合孔径处理器；旋转镜像阵列用于接收场景的微波辐射，其输出信号送至接收通道阵列；接收通道阵列对信号分别进行放大、变频和滤波后送到旋转镜像综合孔径处理器完成旋转镜像综合孔径变换中的运算步骤。

旋转镜像阵列包括天线阵、反射板、旋转机构。天线阵可以是一维或二维阵列；反射板可以是一块、两块或多块；反射板可以与天线阵面垂直或成一定角度，角度范围0-90度。旋转方式可以是天线阵旋转、或反射板旋转，或天线阵与反射板一起旋转，旋转机构可以用电动机或其它公知的结构。

在本发明实施例中的旋转镜像阵列可以是图3-图4所示的一维旋转镜像阵列、图6-图7所示的二维旋转镜像阵列、图9所示的稀疏Y形旋转镜像阵列、图10所示的稀疏V形旋转镜像阵列、图11所示的稀疏直线形旋转镜像阵列、图12所示的稀疏圆形旋转镜像阵列、图13所示的三反射板旋转镜像阵列、图14所示的四反射板旋转镜像阵列。

在本发明实施例中，接收通道阵列属于本领域的公知技术，在此不再赘述。

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1：一维旋转镜像综合孔径辐射计

该实施例参照附图3-图4，旋转镜像阵列包含8个天线阵元，天线阵元沿一条直线排列，反射板与天线阵所在的直线垂直或成一定角度，角度范围0-90度；旋转方式可以是天线阵旋转、或反射板旋转，或天线阵与反射板一起旋转。旋转镜像综合孔径变换公式(2)中取前2项，Q取值为8。该旋转阵列结合旋转镜像综合孔径变换，其效果等效于图5所示的大阵列。天线阵列越大，空间分辨率越高。图5所示的等效天线阵，在Y轴方向上的最大基线(基线指两个天线间的距离)比原天线阵最大基线的2倍还大，因而在Y轴方向的空间分辨率提高到2倍以上；在X轴方向，原天线阵只有一个天线，而等效的天线阵在X轴方向有8个天线，因而在X轴方向的空间分辨率提高到8倍以上。

实施例2：两反射板二维旋转镜像综合孔径辐射计

该实施例参见附图6-图7，旋转镜像阵列包含16个天线阵元，排列为十字形，反射板与天线阵所在平面垂直或成一定角度，角度范围0-90度；旋转方式可以是天线阵旋转、或反射板旋转，或天线阵与反射板一起旋转。旋转镜像综合孔径变换公式(2)中取前4项，Q取值为16。该旋转阵列结合旋转镜像综合孔径变换，其效果等效于图8所示的大阵列。

天线阵列越大，空间分辨率越高。图8所示的等效天线阵，在Y轴方向上的最大基线(基线指两个天线间的距离)比原天线阵最大基线的2倍还大，因而在Y轴方向的空间分辨率提高到2倍以上；在X轴方向上的最大基线比原天线阵最大基线的2倍还大，因而在X轴方向的空间分辨率提高到2倍以上。

该实施例中的旋转镜像阵列还可以是图9所示的稀疏Y形旋转镜像阵列、图10所示的稀疏V形旋转镜像阵列、图11所示的稀疏直线形旋转镜像阵列、图12所示的稀疏圆形旋转镜像阵列，或者其它的阵形。阵元数也可以是其它数量。

实施例3：三反射板二维旋转镜像综合孔径辐射计

该实施例参见附图13，旋转镜像阵列包含12个阵元及三个反射板，天线阵排列为T形，反射板与天线阵所在的平面垂直或成一定角度，角度范围0-90度；旋转方式可以是天线阵旋转、或反射板旋转，或天线阵与反射板一起旋转。旋转镜像综合孔径变换公式(2)中取前6项，Q取值为12。

该实施例在Y轴方向的空间分辨率提高到3倍以上；在X轴方向的空间分辨率提高到2倍以上。

旋转镜像阵列可以是其它的阵形，阵元数也可以是其它数量。

实施例4：四反射板二维旋转镜像综合孔径辐射计

该实施例参见附图14，旋转镜像阵列包含9个阵元及四个反射板，天线阵排列为圆形，反射板与天线阵所在的平面垂直或成一定角度，角度范围0-90度；旋转方式可以是天线阵旋转、或反射板旋转，或天线阵与反射板一起旋转。旋转镜像综合孔径变换公式(2)中取全部9项，Q取值为9。

该实施例在Y轴方向的空间分辨率提高到3倍以上；在X轴方向的空间分辨率提高到3倍以上。

旋转镜像阵列可以是其它的阵形，阵元数也可以是其它数量。

以上实施例展示了本发明的效果：本发明以较小的天线阵元数获取等效的更大天线阵的效果，即以较少的天线阵元数获取更高的空间分辨率。相较于传统的综合孔径辐射计，旋转镜像综合孔径辐射计的空间分辨率更高、而所需的天线阵元数更少。

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 (8)

1.一种旋转镜像综合孔径辐射计，其特征在于，包括：

旋转镜像阵列，包括天线阵、反射板和旋转机构，所述反射板与所述天线阵面成角度设置，所述反射板用于获得更多的镜像天线，所述旋转机构用于使得所述天线阵和/或所述反射板转动；工作时通过旋转所述旋转机构，实现在不同的方位上不断增加镜像天线；

接收通道阵列，与所述旋转镜像阵列连接，用于对所述旋转镜像阵列的输出进行放大、变频和滤波处理；

旋转镜像综合孔径处理器，与所述接收通道阵列连接，用于对所述接收通道阵列的输出进行旋转镜像综合孔径变换后获得观测场景的亮温图像。

2.如权利要求1所述的旋转镜像综合孔径辐射计，其特征在于，所述反射板与所述天线阵面之间的角度范围为0-90度。

3.如权利要求1所述的旋转镜像综合孔径辐射计，其特征在于，所述旋转机构为电动机，通过电动机使得所述天线阵和/或所述反射板转动。

4.如权利要求1所述的旋转镜像综合孔径辐射计，其特征在于，所述天线阵为一维天线阵列或二维天线阵列。

5.如权利要求1-4任一项所述的旋转镜像综合孔径辐射计，其特征在于，所述反射板为一块、两块或多块。

6.一种基于权利要求1-5任一项所述的旋转镜像综合孔径辐射计的测量方法，其特征在于，包括下述步骤：

(1)通过旋转镜像阵列接收场景的微波辐射，并采集第i个天线在第k时刻的输出信号b_i(t_k)；

其中任一天线i的位置为(x_i(t_k),y_i(t_k))，t_k表示第k时刻，k＝0,1,2…L,L为采样时刻总数，L为正整数；i＝0,1,2…Q，Q为天线总数；

(2)对天线采集的信号进行旋转镜像综合孔径变换并获得观测场景的亮温图像；

所述旋转镜像综合孔径变换具体为：

(2.1)获得原天线i的位置以及镜像天线的位置；

其中原天线i的位置为(x_i(t_k),y_i(t_k))，镜像天线i1、i2、i3、i4、i5、i6、i7、i8的位置分别为(x_i(t_k),-y_i(t_k))、(-x_i(t_k),y_i(t_k))、(-x_i(t_k),-y_i(t_k))、(x_i(t_k),y_i(t_k)+2h_yi)、(-x_i(t_k),y_i(t_k)+2h_yi)、(x_i(t_k)+2h_xi,y_i(t_k))、(x_i(t_k)+2h_xi,-y_i(t_k))、(x_i(t_k)+2h_xi,y_i(t_k)+2h_yi)，h_yi、h_xi分别为原天线i距第三、四反射板的距离；V^(i,j)(t_k)为天线i与天线j的时间可见度，其中j的取值范围与i相同；

(2.2)获得原天线i输出信号b_i(t_k)和原天线j输出信号b_j(t_k)的乘积R_ij(t_k)＝b_i(t_k)b_j(t_k)；

(2.3)根据每一个时刻t_k所对应的所述乘积 $R_{\mathrm{ij}}\left(t_k\right)=b_i\left(t_k\right)b_j\left(t_k\right)=V^{(i,j)}\left(t_k\right)+\underset{n=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{V}^{(\mathrm{in},j)}\left(t_k\right),$ 获得原天线i与原天线j在时刻k的时间可见度V^(i,j)(t_k)，以及镜像天线in与原天线j在时刻k的时间可见度V^(in,j)(t_k)的值；

其中n为镜像天线的序号，M为镜像天线数，n＝1,2……M；

(2.4)根据所述原天线i的位置、所述镜像天线的位置、以及时间可见度获得观测场景的亮温图像

其中，为输出值，对应于场景在方向上的亮温，θ表示信号方向与天线阵列平面法线的夹角，表示辐射信号方向在天线阵列平面上的投影与天线阵列横向的夹角,γ＝2π/λ，λ为工作波长，π为圆周率。

7.如权利要求6所述的测量方法，其特征在于，当反射板为一个时，M为1；当反射板为两个时，M为3；当反射板为三个时，M为5；当反射板为四个时，M为8。

8.如权利要求6所述的测量方法，其特征在于，当反射板为一个时，输出值取前2项；当反射板为两个时，输出值取前4项；当反射板为三个时，输出值取前6项；当反射板为四个时，输出值取全部9项。