CN105738851A - 一种综合孔径微波辐射计联合校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种综合孔径微波辐射计联合校正方法，包括：(1)选择最短基线作为冗余基线，构造所有相关的定标方程；(2)选定少许接收机单元作为内部相干噪声注入单元，通过噪声注入校正方法获得其幅度和相位误差，并构造与这些噪声注入单元相关的定标方程；(3)联立(1)和(2)的所有定标方程，构造一个基于冗余空间和内部相干噪声注入的联合定标方程组；(4)求解(3)构造的联合定标方法组，获得所有接收机的幅度和相位误差、以及天线臂的异面偏移角；(5)根据步骤(4)获得的幅度和相位误差、以及天线臂的异面偏移角，校正测量的可见度函数，采用亮温反演方法获得校正的亮温图像。

Description

一种综合孔径微波辐射计联合校正方法

技术领域

本发明属于微波遥感及探测技术领域，更具体地，涉及一种综合孔径微波辐射计误差校正方法。

背景技术

综合孔径微波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，减少了天线的重量和体积，也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，特别是在大型综合孔径微波辐射计系统中，如星载综合孔径辐射计。

在综合孔径微波辐射计中，误差校正是确保其良好性能的重要一环。目前，主要存在两种误差校正方法：1、冗余空间校正；2、内部相干噪声注入校正。在大型综合孔径微波辐射计中，当采用冗余空间校正时，由于受到误差传播和指向误差的影响，其校正效果不佳，无法保证综合孔径微波辐射计的重要性能；当采用内部相干噪声注入校正时，其校正效果较佳，能够保证辐射计性能。但由于内部相干噪声注入校正需要额外增加定标网络和定标源，因此极大地增加了综合孔径微波辐射计的重量和体积，亦很难保证定标网络输出校正信号的幅度和相位的一致性，且无法校正综合孔径微波辐射计天线臂的误差，尤其是在大型综合孔径微波辐射计中。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于冗余空间和内部相干噪声注入的综合孔径微波辐射计联合校正方法，其目的是以增加较少的硬件作为代价获得较好的误差校正效果，由此解决冗余空间校正中误差校正效果不佳和内部相干噪声注入校正中极大地增加综合孔径微波辐射计重量和体积的技术问题。

本发明针对综合孔径微波辐射计，提供了一种基于冗余空间和内部相干噪声注入的联合校正方法，包括下述步骤：

(1)基于冗余空间构造定标方程；由于长基线的信噪比较差，影响校正精度，为了提高校正精度，仅选择最短基线作为冗余基线，构造所有相关的定标方程；

(2)基于内部相干噪声注入构造定标方程；选定少许接收机单元作为内部相干噪声注入单元，通过噪声注入校正方法获得其幅度和相位误差，并构造与这些噪声注入单元相关的定标方程；

(3)联立(1)和(2)的所有定标方程，构造一个基于冗余空间和内部相干噪声注入的联合定标方程组；

(4)求解(3)构造的联合定标方法组，获得所有接收机的幅度和相位误差、以及天线臂的异面偏移角；

(5)根据(4)获得的幅度和相位误差、以及天线臂的异面偏移角，校正测量的可见度函数，采用亮温反演方法获得校正的亮温图像。

更进一步地，在步骤(1)中，冗余基线是指不同天线对具有相同的基线，基线是指两个天线坐标位置的差值(u,v)(以波长为单位)，其计算公式为u＝(x_i-x_j)/λ和v＝(y_i-y_j)/λ；其中，(x_i,y_i)表示天线单元i的坐标，λ表示工作波长；最短冗余基线是指距离最短两个天线对组成的基线。

更进一步地，在步骤(1)中，基于最短基线组成的定标方程组是一个病态的(欠定的，方程组的未知量的个数多于独立方程的个数)。

更进一步地，在步骤(2)中，内部相干噪声注入是指通过功分网络，将噪声源的噪声信号等幅度相位地输入到每个接收机通道，从而实现对接收机通道的误差校正；通过噪声注入可获得接收机通道幅度和相位误差；少许噪声注入单元的选择也是需要精心设计的。

更进一步地，在步骤(2)中，注入相干噪声单元的个数由步骤(1)基于最短基线构造的方程组的未知量个数与其独立定标方程个数的差值(M)决定，噪声注入单元个数最少为M个，以保证步骤(3)组成的联合定标方程组是良态的(正定或超定的)。

更进一步地，在步骤(3)中，联合定标方程组必须是一个良态方程组，至少是一个正定方程组。

更进一步地，在步骤(4)中，当联合定标方程组是超定方程时，选择最小二乘法求解联合定标方程组。

更进一步地，在步骤(5)中，所述的亮温反演方法是采用傅里叶变换。

本发明提供基于冗余空间和内部噪声注入的综合孔径微波辐射计联合校正方法：首先，构造所有基于最短冗余基线的定标方程；其次，基于内部噪声注入构造基于噪声注入的定标方程；随后，联立基于冗余空间和内部噪声注入的定标方程，构造一个联合的定标方程组；然后，求解联合定标方程组获得综合孔径微波辐射计的幅度和相位误差、以及天线臂的异面失真偏移角；最后，根据获得幅度相位误差和天线臂的异面失真偏移角，校正测量的可见度函数，采用亮温反演算法将校正的可见度函数反演得到校正后的亮温图像。总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，在获得较好的误差校正效果的同时，可极大地降低综合孔径微波辐射计的体积和重量，亦能校正天线臂的异面失真引起的误差。

附图说明

图1是综合孔径微波辐射计误差模型示意图；

图2是单臂天线个数为N_el＝23的交错“Y”型阵示意图；天线阵由天线臂“A”(天线编号为1～23)，天线臂“B”(天线编号为24～46)和天线臂“C”(天线编号为47～69)组成；圆圈代表“噪声注入单元”，可通过定标开关在天线输出端口和定标网络噪声输出端口间切换(如图1所示)；×代表“正常单元”，直接与天线输出端口相连；

图3是冗余空间、内部噪声注入和联合校正方法获得相位误差的残差图；

图4是作为测试场景的理想地球亮温场景；

图5是通过联合校正方法校正后的地球亮温场景；

图6是联合校正方法校正后的亮温残差图。

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综合孔径微波辐射计，可作为地球遥感、月球遥感、深空探测等的遥感器。

图1示出了综合孔径微波辐射计误差模型，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：

综合孔径微波辐射计误差主要包括：接收机通道幅度误差g_k和相位误差α_k、天线臂同面偏移误差、天线臂异面偏移误差、天线互耦效应、不可分离幅度误差、不可分离幅度相位等。其中，天线臂同面偏移误差可用同面偏移角β表示；天线臂异面偏移误差可用异面偏移角表示。需要注意的是：在综合孔径微波辐射计系统中，通过精心设计，可忽略天线臂同面偏移角β、天线互耦效应、不可分离幅度和相位误差；天线互耦效应亦可通过其它已有的方法补偿；而天线臂异面偏移误差对综合孔径微波辐射计的亮温影响较大、无法通过精心的系统设计而忽略其影响。本发明只考虑综合孔径微波辐射计的接收机通道幅度和相位误差、以及天线臂异面偏移误差。综合孔径微波辐射计通过天线接收信号后，接收机通道将天线接收到的信号进行下变频、滤波和放大等，然后将信号输出到数字相关器；数字相关器将接收机通道输出的信号两两进行复相关；复相关后的输出为空间频率域中的可见度函数。在本发明中，部分接收机通道可通过旋转开关注入相干噪声，被称为“噪声注入单元”，用表示，如图2所示；而剩下的接收机通道直接与天线输出相连，被称为“正常单元”，用X表示，如图2所示；其中，相邻天线单元间距为d。因此，当仅考虑综合孔径微波辐射计幅度和相位误差，以及天线臂的异面误差时，处于同一天线臂的两个天线单元k和j测量的可见度函数与理想的可见度函数关系如下所示：

$V_{k,j}^{raw}=g_k\·g_j\·V_{k,j}^{id}\·e^{i({\mathrm{\α}}_k-{\mathrm{\α}}_j)}\·e^{-i(k-j)\·{\mathrm{\Θ}}^p}$

其中，当 $k,j\∉\[1,N_{el}+1,2N_{el}+1\];$ 否则，Θ^p＝0。

p＝A,B,C。表示天线臂“p”异面偏移角。

本发明提供大型综合孔径微波辐射计的联合校正方法，其具体步骤如下所示：

1、基于冗余空间构造定标方程；由于长基线的信噪比较差，影响校正精度，为了提高校正精度，仅选择最短基线作为冗余基线，构造所有相关的定标方程；

2、基于内部相干噪声注入构造定标方程；选定少许接收机单元作为内部相干噪声注入单元，通过噪声注入校正方法获得其幅度和相位误差，随后构造与这些噪声注入单元相关的定标方程；

3、联立1和2的所有的定标方程，构造一个基于冗余空间和内部噪声注入的联合定标方程组；

4、求解3的联合定标方法组，获得所有接收机的幅度和相位误差、以及天线臂的异面偏移角；

5、根据4获得的幅度和相位误差、以及天线臂的异面偏移角，校正测量的可见度函数，采用亮温反演方法获得校正的亮温图像。

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细的说明，本发明的实施例基于一个单臂天线数目为N_el＝23的交错“Y”型阵，对本发明方法进行说明。如图2所示，天线阵由天线臂“A”、天线臂“B”和天线臂“C”组成；天线臂“A”天线编号为1～23、天线臂“B”天线编号为24～46、天线臂“C”天线编号为47～69；相邻天线单元间距为d。对于其它阵型的综合孔径微波辐射计(例如“U”型阵、“T”型阵、“十”型阵、星型阵)，都可采用本发明方法进行误差校正。其具体包括下述步骤：

(1)基于最短冗余基线，构造基于空间冗余定标方程。最短冗余基线相位定标方程为p＝A,B,C；在该实例中，基于最短冗余基线所有可能的定标方程，如下式上部分所示，其未知量的个数3N_el+6，独立定标方程的个数为3N_el，因此至少需要6个额外的独立定标方程使得定标方程组为良态(正定或超定)。

(2)选择至少6个接收机单元作为噪声注入单元，注入相干噪声，构造至少6个额外的独立定标方程。在冗余空间校正方法中，一般选取最中间的几个单元作为参考单元，为其它单元提供幅度和相位参考，因此首先选取天线阵最中间的3个单元(“1”、“24”和“47”)作为噪声注入单元，如图2所示，通过相干噪声注入定标获得中间单元的相位误差 和据此构造3个独立的相位定标方程和此外，还需在天线臂中额外选取至少3个接收机单元作为噪声注入单元，并采用类似的过程构造至少3个额外的独立相位定标方程，如下式下部分所示。表1给出了几种基于通道(幅度和相位)残差最小化的噪声注入单元分布以及噪声注入单元占所有单元个数的比重。

(3)将基于冗余空间相位定标方程(如式1上部分所示)和基于噪声注入相位定标方程(如式1下部分所示)联合，构造成一个基于冗余空间和噪声注入的联合相位定标方程组：

采用类似的方法构造联合幅度定标方程组。

(4)对(3)中的联合定标方程组求解，获得每个接收机的幅度和相位误差，以及三个天线臂异面偏移角。

(5)根据(4)获得的幅度和相位误差，以及三个天线臂异面偏移角，对测量可见度函数进行校正，获得校正的可见度函数

$V_{m,n}^c=V_{m,n}^{raw}\·\exp (-i(a_m-a_n)+i\·2\mathrm{\π}\·w_{mn})/(g_m\·g_n)$

对校正后的可见度函数进行亮温反演，得到校正后的亮温图像。

以图2的交错“Y”型阵的综合孔径微波辐射计为例，假设每个接收机通道的相位误差在0～20°范围内随机分布，其包括三个天线臂的异面偏移角引入的相位误差，通过冗余空间校正方法(黑色○)、内部噪声注入校正方法(黑色×)和本发明进行校正获得相位残差如图3所示。此例中采用表1中的“分布3”，接收机单元“1”、“10”、“19”、“24”、“33”、“42”、“47”、“56”和“65”选择作为噪声注入单元。由图3可知：冗余空间校正的相位残差(黑色○)存在明显的误差传播，天线臂内天线单元的相位残差随着其到中心单元(“1”、“24”和“47”)的距离增加而增加；内部噪声注入校正相位误差存在较大的残差(黑色×)，其主要是由于内部相干噪声注入无法校正天线臂的异面误差；而本发明校正的相位残差较小，能够极大地降低误差传播，且其相位残差均值和标准差分别为0.003°和0.090°。此外，本发明获得3个天线臂的异面偏移角分别为和利用本发明估算的天线臂偏移角值校正天线臂异面误差后，3个天线臂异面偏移误差残差分别是原始天线臂异面偏移误差的2.5％、3.5％和1％。说明本发明能校正天线臂的异面偏移误差。

图4给出了一个理想的地球亮温场景(单位:开尔文，简称K)作为本发明的测试场景。假设综合孔径微波辐射计的天线温度为200K，接收机等效噪声温度为450K，接收机通道相位误差在0～20°范围内随机分布，接收机通道幅度误差在0％～5％内随机分布，系统带宽为100MHz，信噪比为30dB，存在0.2％的不可分离幅度误差和0.2°的不可分离相位误差。采用本发明校正综合孔径微波辐射计误差，同样噪声注入单元分布采用表1“分布3”(单元“1”、“10”、“19”、“24”、“33”、“42”、“47”、“56”和“65”选择为噪声注入单元)。通过本发明校正后的亮温图像T_cal(ξ,η)如图5所示，由图4和图5可知：校正后的亮温图像T_cal(ξ,η)与理想反演的亮温图像T_ideal(ξ,η)(无误差)非常接近，轮廓十分清晰，校正效果良好。校正后的残差亮温图(ΔT(ξ,η)＝T_cal(ξ,η)-T_ideal(ξ,η))如图6所示，图中黑色圆圈内的面积用来计算辐射测量误差，辐射测量误差σ_T是指图6中黑色圆圈内残差亮温的标准差。此时，σ_T＝0.91K，说明本发明校正性能良好。由于本发明中，当采用表1中“分布3”作为噪声注入单元时，校正性能良好。此时，本发明只需9个单元作为噪声注入单元，而采用噪声注入校正方法时所有的单元(69个)都必须作为噪声注入单元。定标网络的体积和重量与噪声注入单元的个数呈正比。由此可知：在表1中“分布3”的情况下，本发明所需的定标网络的体积和重量仅为噪声注入校正方法的13.04％。由此可说明：本发明极大地降低了综合孔径微波辐射计的体积和重量。

表1.基于通道残差最小化的5种噪声注入单元分布

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)

1.一种综合孔径微波辐射计联合校正方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：

(1)基于冗余空间构造定标方程：选择最短基线作为冗余基线，构造所有相关的定标方程；

(2)基于内部相干噪声注入构造定标方程：选定少许接收机单元作为内部相干噪声注入单元，通过噪声注入校正方法获得其幅度和相位误差，并构造与这些噪声注入单元相关的定标方程；

(3)联立(1)和(2)的所有定标方程，构造一个基于冗余空间和内部相干噪声注入的联合定标方程组；

(4)求解(3)构造的联合定标方法组，获得所有接收机的幅度和相位误差、以及天线臂的异面偏移角；

(5)根据步骤(4)获得的幅度和相位误差、以及天线臂的异面偏移角，校正测量的可见度函数，采用亮温反演方法获得校正的亮温图像。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤(1)中，冗余基线是指不同天线对具有相同的基线，基线是指两个天线坐标位置的差值(u,v)(以波长为单位)，其计算公式为u＝(x_i-x_j)/λ和v＝(y_i-y_j)/λ；其中，(x_i,y_i)表示天线单元i的坐标，λ表示工作波长；最短冗余基线是指距离最短的天线对组成的基线。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述步骤(1)中，基于最短基线组成的定标方程组是欠定的，即方程组的未知量的个数多于独立方程的个数。

4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述步骤(2)中，内部相干噪声注入是指通过功分网络，将噪声源的噪声信号等幅度相位地输入到每个接收机通道，从而实现对接收机通道的误差校正；通过噪声注入获得接收机通道幅度和相位误差。

5.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述步骤(2)中，注入相干噪声单元的个数由步骤(1)基于最短基线构造的方程组的未知量个数与其独立定标方程个数的差值M决定，噪声注入单元个数最少为M个，以保证步骤(3)组成的联合定标方程组是正定或超定的。

6.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述步骤(3)中，联合定标方程组必须是一个良态方程组，至少是一个正定方程组。

7.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述步骤(4)中，当联合定标方程组是超定方程时，选择最小二乘法求解联合定标方程组。

8.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述步骤(5)中，所述的亮温反演方法是采用傅里叶变换。