CN107390296B - 一种用于被动合成孔径成像仪系统的快速标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于被动合成孔径成像仪系统的快速标定方法：利用辐射亮温已知的辐射面源，通过测量辐射面源在两种不同辐射亮温条件下的外辐射信号，建立测量电压与场景辐射亮温之间的定量关系；再通过对信号源辐射的点频信号进行测量，得到系统各接收通道间的幅相偏差项；通过对非相关辐射面源进行测量，获得系统各接收通道间的加性偏差项，最终根据测量得到的幅相偏差、加性偏差完成对被动合成孔径成像仪系统的标定。本发明相比外辐射式标定方法不需要测量被动合成孔径成像仪系统的空间冲击响应，仅对辐射面源进行测量，测试工作量小、操作简便易行，相比注入式标定方法，降低了对系统硬件的要求，有效解决了注入式标定方法对被动合成孔径成像仪系统标定的局限性。

Description

一种用于被动合成孔径成像仪系统的快速标定方法

技术领域

本发明涉及用于人体安检的成像探测技术领域，尤其是一种用于被动合成孔径成像仪系统的快速标定方法。

背景技术

被动合成孔径成像仪系统是一种无源(被动)传感器，利用多个小口径天线组成一定形式的稀疏孔径阵列，通过接收测量场景中物体自身辐射的微波信号并进行综合处理，得到等效于一个大口径天线对测量场景的观测结果。被动合成孔径成像仪的基本单元是二元干涉仪，下面以二元干涉仪为例(如图1所示)，给出被动合成孔径成像仪的测量输出模型。

假设天线1、2的坐标位置分别为(x₁，y₁，0)、(x₂，y₂，0)，目标处于二元干涉仪的远场，目标相对坐标原点的方位俯仰角为(φ，θ)。

接收通道1、2接收到的信号表示为

其中s(t)是场景目标信号，l(t)是由通道器件(如本振源)泄露的偏置信号，φ₁、φ₂分别是通道1、2的初始相位值，A₁、A₂分别是通道1、2的幅度值，n₁(t)、n₂(t)分别是通道1、2的噪声。

对通道1、2接收信号进行互相关运算，相关结果表示为

由于目标信号s(t)、通道器件(如本振源)泄露的偏置信号l(t)以及通道噪声信号n₁(t)、n₂(t)是非相关的，因此式(6)简化为：

其中，u＝(x₁-x₂)/λ，v＝(y₁-y₂)/λ，λ为系统工作波长，Δφ₁₂＝φ₁-φ₂，为接收通道1、2的初始相位偏差。P_s、P_l分别为目标信号、通道器件(如本振源)泄露信号的功率。P_s＝k·T(ξ,η)·B，P_l＝k·T_l·B，k为波尔兹曼常数1.38×10^-23，B为接收通道工作带宽，T(ξ,η)为测量场景的辐射亮温分布，T_l为通道器件(如本振源)泄露信号的等效辐射亮温。

将式(7)进一步表示为一般形式：

V_ij＝G_ij·T(ξ,η)+V_{ij_l} (8)

其中，V_ij表示系统接收通道i、j的互相关测量数据，G_ij表示接收通道i、j的幅相因子，具体表示式为V_{ij_l}为接收通道i、j的加性偏差项，其表达式为该项偏差主要由通道器件如本振源泄露信号而引入的。

被动合成孔径成像仪通过利用不同基线长度的干涉仪对场景的测量结果，实现对测量场景辐射亮温分布T的重建，具体表达式为：

由于系统硬件的非理想性，被动合成孔径成像仪系统测量结果中包含了幅度偏差A_i·A_j·k·B、相位偏差以及加性偏差导致重建的测量场景辐射亮温分布T不准确。因此，必须对被动合成孔径成像仪系统进行标定，消除测量中各项偏差对场景辐射亮温分布反演的影响，以准确获取测量场景的辐射亮温分布信息。

目前，对被动合成孔径成像仪系统的标定方法主要分为两类：外辐射式标定方法和注入式标定方法。外辐射式标定方法是首先利用远场条件下的信号源，在系统天线方向图不同空间位置处辐射点频信号，通过测量不同空间位置处辐射的点频信号得到对应被动合成孔径成像仪系统的空间冲击响应，即式(8)中的G_ij；再根据对噪声源(噪声二极管)及非相关噪声源(匹配负载)测量数据校正接收通道幅相偏差及加性偏差；最后，通过对两种已知辐射亮温场景进行测量，完成对合成孔径系统各接收通道的定标(建立被动合成孔径成像仪系统测量电压信号与场景辐射亮温之间的定量关系)，从而完成对被动合成孔径成像仪系统的标定。外辐射式标定方法对被动合成孔径成像仪系统进行整体标定，标定方法简单，但是该标定方法需要对被动合成孔径成像仪系统天线方向图各个空间位置都进行测量，工作量大，因此在实际工程应用中不易实现。

注入式标定方法是利用两个辐射亮温已知的噪声源(噪声二极管)以非相关噪声源(匹配负载)，通过功分网络器件向被动合成孔径成像仪系统接收通道注入噪声源辐射的微波信号，通过测量两个辐射亮温已知的噪声源辐射信号，建立各接收通道自身测量电压值与辐射亮温之间的定量关系(定标)，校正系统不同接收通道间的幅相偏差；通过测量非相关噪声源(匹配负载)辐射信号，校正不同接收通道间的加性偏差。再结合系统天线的S参数完成对被动合成孔径成像仪系统的标定。注入式标定方法测试工作量相比外辐射式标定方法小，但是该标定方法对系统硬件结构具有特殊要求，要求系统具有功分网络、接收通道具有射频开关(可实现对功分网络注入噪声源信号及外部场景辐射信号测量的切换)，因此，注入式标定方法具有较大的局限性，对于接收通道不具有射频开关的被动合成孔径成像仪系统不适用。

总之，现有的外辐射式和注入式标定方法都具有一定的局限性，不利于实际工程应用。

因此，对于上述问题有必要提出一种用于被动合成孔径成像仪系统的快速标定方法。

发明内容

本发明目的是克服了现有技术中的不足，提供了快速、低成本的，采用面源和点源相结合的方式，通过几次标定操作，即可完成对被动合成孔径成像仪系统的用于被动合成孔径成像仪系统的快速标定方法。

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现：

一种用于被动合成孔径成像仪系统的快速标定方法，其方法步骤为：

步骤一：利用待标定的合成孔径成像仪系统对辐射面源的外辐射信号进行测量；步骤二：通过对辐射面源在两种不同辐射亮温条件下外辐射信号的测量，建立系统接收通道i测量电压v_i与辐射亮温T_i之间的关系：

T_i＝A·v_i+b (1)

其中，A＝(T(2)-T(1))/(v_i(2)-v_i(1))，b＝(T(1)v_i(2)-T(2)v_i(1))/(v_i(2)-v_i(1))，T(1)、T(2)为辐射面源的两种不同辐射亮温输出值，该亮温输出值可通过辐射面源的温度传感器测量得到，v_i(1)、v_i(2)为成像仪系统接收通道i与辐射面源辐射亮温T(1)、T(2)对应的测量输出电压值；

利用待标定的被动合成孔径成像仪系统对位于该系统法线方向(即θ₀＝0°、)一定距离处信号源辐射的点频信号进行测量(测量场景如图3所示)，得到被动合成孔径成像仪系统接收通道i、j间的互相关测量输出V_{ij_s}(i＝1，2，….，N；j＝1，2，….，N；i≠j)：

步骤三：利用待标定的被动合成孔径成像仪系统对辐射面源如吸波材料进行测量，吸波材料紧贴在待标定的被动合成孔径成像仪系统的天线阵列口面处，由于系统各接收通道接收到的辐射面源(如吸波材料)信号是非相关的，即则被动合成孔径成像仪系统接收通道i、j的互相关测量输出V_{ij_l}为：

对被动合成孔径成像仪系统接收通道i、j进行标定后的互相关输出为：

其中，V_ij为被动合成孔径成像仪系统接收通道i、j未进行标定前的互相关测量输出。

优选地，在利用信号源测量被动合成孔径成像仪系统的幅相偏差时，信号源须放置在被动合成孔径成像仪系统天线阵列的法线方向上，若信号源未放置在系统天线阵列的法线方向，根据式(2)可知，测量得到的被动合成孔径成像仪系统幅相偏差项中还会引入信号源辐射点频信号的相位项导致标定后的被动合成孔径成像仪系统反演成像结果存在误差。

优选地，当被动合成孔径成像仪系统对远场情况下的测量目标场景成像时(即R≥2D²/λ，R为目标与系统间的距离，D为被动合成孔径成像仪系统阵列口径大小，λ为系统工作波长)，信号源须放置在被动合成孔径成像仪系统远场区(大于2D²/λ)的法线方向。

优选地，当被动合成孔径成像仪系统对近场情况下的目标场景成像时(即R<2D²/λ，R为目标与系统间的距离，D为被动合成孔径成像仪系统阵列口径大小，λ为系统工作波长)，信号源须放置在被动合成孔径成像仪系统近场区(小于2D²/λ)的法线方向，以确保测量得到的待标定被动合成孔径成像仪系统幅相偏差的准确性。

优选地，其方法步骤进一步的包括：(1)将待标定的被动合成孔径成像仪系统的天线阵元口面贴在辐射面源的辐射口面处，并确保被动合成孔径成像仪系统所有天线阵元处于辐射面源的辐射口面内；(2)调节辐射面源的辐射输出亮温，记为T(1)；(3)获得此时被动合成孔径成像仪系统接收通道i测量辐射面源对应的电压值v_i(1)，i＝1、2、….、N，N为被动合成孔径成像仪系统的阵元数；(4)调节辐射面源的辐射输出亮温，记为T(2)，T(2)≠T(1)；(5)获得此时被动合成孔径成像仪系统接收通道i测量辐射面源对应的电压值v_i(2)，i＝1、2、….、N，N为被动合成孔径成像仪系统的阵元数；(6)根据式(1)得到被动合成孔径成像仪系统接收通道i的辐射亮温测量方程T_i；(7)测量得到被动合成孔径成像仪系统接收通道i、j对信号源辐射点频信号的互相关测量数据V_{ij_s}，i＝1、2、….、N，j＝1、2、….、N，i≠j；(8)测量得到被动合成孔径成像仪系统接收通道i、j对吸波材料的互相关测量数据V_{ij_l}，i＝1、2、….、N，j＝1、2、….、N，i≠j；(9)根据式(4)，得到对被动合成孔径成像仪系统接收通道i、j进行标定后的互相关测量输出完成对被动合成孔径成像仪系统的标定。

本发明有益效果：本发明利用辐射面源通过外辐射方式实现对被动合成孔径成像仪系统的标定，本发明的方法相比现有的外辐射式标定方法不需要测量被动合成孔径成像仪系统的空间冲击响应，仅对辐射面源进行测量，测试工作量小、操作简便易行，相比注入式标定方法，本发明方法适用于不具有射频开关的被动合成孔径成像仪系统，降低了对系统硬件的要求，有效解决了注入式标定方法对被动合成孔径成像仪系统标定的局限性，具有良好的工程应用性。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1为现有技术的二元干涉仪测量模型；

图2为本发明对被动合成孔径成像仪系统定标示意图；

图3为本发明的被动合成孔径成像仪系统对法线方向上的信号源测量场景示意图；

图4为本发明的被动合成孔径成像仪系统对吸波材料测量场景示意图。

图5为本发明的方法标定后的被动合成孔径成像仪系统对辐射面源的反演成像结果。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

如图2并结合图3和图4所示，本发明提出了一种用于被动合成孔径成像仪系统的快速标定方法，总体思路是首先利用辐射亮温已知的辐射面源，通过测量辐射面源在两种不同辐射亮温条件下的外辐射信号，建立测量电压与场景辐射亮温之间的定量关系，实现对系统各接收通道自身的定标；再通过对信号源辐射的点频信号进行测量，得到系统各接收通道间的幅相偏差项；通过对非相关辐射面源(如吸波材料)进行测量，获得系统各接收通道间的加性偏差项，最终根据测量得到的幅相偏差、加性偏差完成对被动合成孔径成像仪系统的标定。具体技术方案如下：

其方法步骤为：步骤一：利用待标定的合成孔径成像仪系统对辐射面源的外辐射信号进行测量；步骤二：通过对辐射面源在两种不同辐射亮温条件下外辐射信号的测量，建立系统接收通道i测量电压v_i与辐射亮温T_i之间的关系：

T_i＝A·v_i+b (1)

其中，A＝(T(2)-T(1))/(v_i(2)-v_i(1))，b＝(T(1)v_i(2)-T(2)v_i(1))/(v_i(2)-v_i(1))，T(1)、T(2)为辐射面源的两种不同辐射亮温输出值，该亮温输出值可通过辐射面源的温度传感器测量得到，v_i(1)、v_i(2)为成像仪系统接收通道i与辐射面源辐射亮温T(1)、T(2)对应的测量输出电压值；

利用待标定的被动合成孔径成像仪系统对位于该系统法线方向(即θ₀＝0°、)一定距离处信号源辐射的点频信号进行测量(测量场景如图3所示)，得到被动合成孔径成像仪系统接收通道i、j间的互相关测量输出V_{ij_s}(i＝1，2，….，N；j＝1，2，….，N；i≠j)：

步骤三：利用待标定的被动合成孔径成像仪系统对辐射面源如吸波材料进行测量，吸波材料紧贴在待标定的被动合成孔径成像仪系统的天线阵列口面处，由于系统各接收通道接收到的辐射面源(如吸波材料)信号是非相关的，即则被动合成孔径成像仪系统接收通道i、j的互相关测量输出V_{ij_l}为：

对被动合成孔径成像仪系统接收通道i、j进行标定后的测量互相关输出为：

其中，V_ij为被动合成孔径成像仪系统接收通道i、j未进行标定前的互相关测量输出。

在利用信号源测量被动合成孔径成像仪系统的幅相偏差时，信号源须放置在被动合成孔径成像仪系统天线阵列的法线方向上，若信号源未放置在系统天线阵列的法线方向，根据式(2)可知，测量得到的被动合成孔径成像仪系统幅相偏差项中还会引入信号源辐射点频信号的相位项导致标定后的被动合成孔径成像仪系统反演成像结果存在误差。

当被动合成孔径成像仪系统对远场情况下的测量目标场景成像时(即R≥2D²/λ，R为目标与系统间的距离，D为被动合成孔径成像仪系统阵列口径大小，λ为系统工作波长)，信号源须放置在被动合成孔径成像仪系统远场区(大于2D²/λ)的法线方向。

当被动合成孔径成像仪系统对近场情况下的目标场景成像时(即R<2D²/λ，R为目标与系统间的距离，D为被动合成孔径成像仪系统阵列口径大小，λ为系统工作波长)，信号源须放置在被动合成孔径成像仪系统近场区(小于2D²/λ)的法线方向，以确保测量得到的待标定被动合成孔径成像仪系统幅相偏差的准确性。

其方法步骤进一步的包括：(1)将待标定的被动合成孔径成像仪系统的天线阵元口面贴在辐射面源的辐射口面处，并确保被动合成孔径成像仪系统所有天线阵元处于辐射面源的辐射口面内；(2)调节辐射面源的辐射输出亮温，记为T(1)；(3)获得此时被动合成孔径成像仪系统接收通道i测量辐射面源对应的电压值v_i(1)，i＝1、2、….、N，N为被动合成孔径成像仪系统的阵元数；(4)调节辐射面源的辐射输出亮温，记为T(2)，T(2)≠T(1)；(5)获得此时被动合成孔径成像仪系统接收通道i测量辐射面源对应的电压值v_i(2)，i＝1、2、….、N，N为被动合成孔径成像仪系统的阵元数；(6)根据式(1)得到被动合成孔径成像仪系统接收通道i的辐射亮温测量方程T_i；(7)测量得到被动合成孔径成像仪系统接收通道i、j对信号源辐射点频信号的互相关测量数据V_{ij_s}，i＝1、2、….、N，j＝1、2、….、N，i≠j；(8)测量得到被动合成孔径成像仪系统接收通道i、j对吸波材料的互相关测量数据V_{ij_l}，i＝1、2、….、N，j＝1、2、….、N，i≠j；(9)根据式(4)，得到对被动合成孔径成像仪系统接收通道i、j进行标定后的互相关测量输出完成对被动合成孔径成像仪系统的标定。

根据上述实施步骤，首先利用待标定的被动合成孔径成像仪系统对辐射面源进行测量，实验测试场景如图1所示，被动合成孔径成像仪系统的天线阵元紧贴在辐射面源的辐射口面处，调节辐射面源的辐射输出亮温，分别得到辐射面源两种不同辐射输出亮温下系统所有接收通道的测量电压，根据式(1)得到了各接收通道的辐射亮温T_k测量方程，k＝1，2，…12。

利用被动合成孔径成像仪系统对近场区的信号源及贴在系统天线阵列口面处的吸波材料进行测量，分别得到系统的幅相偏差和加性偏差项。最后，根据式(4)完成对系统的标定。

为验证本发明方法的有效性，利用标定后的被动合成孔径成像仪系统对约3米处的辐射面源进行测量。成像仪系统的天线阵元波束对准3米远处辐射面源的辐射口面，得到标定后的测量输出，并通过对测量输出做傅里叶变换处理得到测量场景的反演成像结果，如图5所示，虚线内区域为辐射面源。其中，由测温设备测量得到辐射面源A、B处的实际温差为2.2K，而定标后的系统反演得到A、B处亮温值差异为2K。由此可见，利用本发明方法对被动合成孔径成像仪系统进行标定后的反演结果与实际仪器测量结果吻合较好，证明了本发明方法的有效性。

本发明利用辐射面源通过外辐射方式实现对被动合成孔径成像仪系统的标定，本发明的方法相比现有的外辐射式标定方法不需要测量被动合成孔径成像仪系统的空间冲击响应，仅对辐射面源进行测量，测试工作量小、操作简便易行，相比注入式标定方法，本发明方法适用于不具有射频开关的被动合成孔径成像仪系统，降低了对系统硬件的要求，有效解决了注入式标定方法对被动合成孔径成像仪系统标定的局限性，具有良好的工程应用性。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种用于被动合成孔径成像仪系统的快速标定方法，其特征在于：其方法步骤为：

步骤一：利用待标定的合成孔径成像仪系统对辐射面源的外辐射信号进行测量；

步骤二：通过对辐射面源在两种不同辐射亮温条件下外辐射信号的测量，建立系统接收通道i测量电压v_i与辐射亮温T_i之间的关系：

T_i＝A·v_i+b (1)

其中，A＝(T(2)-T(1))/(v_i(2)-v_i(1))，b＝(T(1)v_i(2)-T(2)v_i(1))/(v_i(2)-v_i(1))，T(1)、T(2)为辐射面源的两种不同辐射亮温输出值，该亮温输出值可通过辐射面源的温度传感器测量得到，v_i(1)、v_i(2)为成像仪系统接收通道i与辐射面源辐射亮温T(1)、T(2)对应的测量输出电压值；

利用待标定的被动合成孔径成像仪系统对位于该系统法线方向一定距离处信号源辐射的点频信号进行测量，得到被动合成孔径成像仪系统接收通道i、j间的互相关测量输出V_{ij_s}(i＝1，2，….，N；j＝1，2，….，N；i≠j)：

其中，k为波尔兹曼常数，B为接收通道工作带宽，T为辐射亮温，uij和vij为通道i、j形成的基线的空间频率分量，θ₀即方位角等于0°，即俯仰角等于0°，Δφij为通道i、j的初始相位偏差，Tl为通道器件泄露信号的等效辐射亮温，Ai、Aj分别是通道i、j接收到信号的幅度值；

步骤三：利用待标定的被动合成孔径成像仪系统对辐射面源进行测量，辐射面源紧贴在待标定的被动合成孔径成像仪系统的天线阵列口面处，由于系统各接收通道接收到的辐射面源信号是非相关的，即则被动合成孔径成像仪系统接收通道i、j的互相关测量输出V_{ij_l}为：

其中，<si·sj*>表示通道i、j接收到辐射面源的信号的互相关，Δφ为通道i、j的相位差，Δφij为通道i、j的初始相位偏差，<l·l*>表示通道i、j器件泄露信号的互相关值，k为波尔兹曼常数，B为接收通道工作带宽，Tl为通道器件泄露信号的等效辐射亮温，Ai、Aj分别是通道i、j接收到信号的幅度值；

对被动合成孔径成像仪系统接收通道i、j进行标定后的互相关输出为：

其中，V_ij为被动合成孔径成像仪系统接收通道i、j未进行标定前的互相关测量输出。

2.如权利要求1所述的一种用于被动合成孔径成像仪系统的快速标定方法，其特征在于：在利用信号源测量被动合成孔径成像仪系统的幅相偏差时，信号源须放置在被动合成孔径成像仪系统天线阵列的法线方向上，若信号源未放置在系统天线阵列的法线方向，根据式(2)可知，测量得到的被动合成孔径成像仪系统幅相偏差项中还会引入信号源辐射点频信号的相位项导致标定后的被动合成孔径成像仪系统反演成像结果存在误差。

3.如权利要求2所述的一种用于被动合成孔径成像仪系统的快速标定方法，其特征在于：当被动合成孔径成像仪系统对远场情况下的测量目标场景成像时，信号源须放置在被动合成孔径成像仪系统远场区的法线方向。

4.如权利要求2所述的一种用于被动合成孔径成像仪系统的快速标定方法，其特征在于：当被动合成孔径成像仪系统对近场情况下的目标场景成像时，信号源须放置在被动合成孔径成像仪系统近场区的法线方向，以确保测量得到的待标定被动合成孔径成像仪系统幅相偏差的准确性。

5.如权利要求1所述的一种用于被动合成孔径成像仪系统的快速标定方法，其特征在于：其方法步骤进一步的包括：

(1)将待标定的被动合成孔径成像仪系统的天线阵元口面贴在辐射面源的辐射口面处，并确保被动合成孔径成像仪系统所有天线阵元处于辐射面源的辐射口面内；

(2)调节辐射面源的辐射输出亮温，记为T(1)；

(3)获得此时被动合成孔径成像仪系统接收通道i测量辐射面源对应的电压值v_i(1)，i＝1、2、….、N，N为被动合成孔径成像仪系统的阵元数；

(4)调节辐射面源的辐射输出亮温，记为T(2)，T(2)≠T(1)；

(5)获得此时被动合成孔径成像仪系统接收通道i测量辐射面源对应的电压值v_i(2)，i＝1、2、….、N，N为被动合成孔径成像仪系统的阵元数；

(6)根据式(1)得到被动合成孔径成像仪系统接收通道i的辐射亮温测量方程T_i；

(7)测量得到被动合成孔径成像仪系统接收通道i、j对信号源辐射点频信号的互相关测量数据V_{ij_s}，i＝1、2、….、N，j＝1、2、….、N，i≠j；

(8)测量得到被动合成孔径成像仪系统接收通道i、j对辐射面源的互相关测量数据V_{ij_l}，i＝1、2、….、N，j＝1、2、….、N，i≠j；

(9)根据式(4)，得到对被动合成孔径成像仪系统接收通道i、j进行标定后的互相关测量输出完成对被动合成孔径成像仪系统的标定。