CN110515048A - 一种旋转采样综合孔径辐射计相位定标方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋转采样综合孔径辐射计相位定标方法，包括：利用待定标的综合孔径辐射计对一个亮温中心对称的观测目标进行旋转采样，获得各相关基线的可见度函数测量值；对任意一个相关基线的可见度函数测量值的相位执行校正步骤：提取该相关基线在定标基准采样角度处的可见度函数测量值，将该可见度函数测量值的相位与其对应的定标基准相位的差值作为该相关基线的可见度函数测量值的相位误差；利用该相位误差对该相关基线的可见度函数测量值的相位进行校正。该方法不依赖额外的内定标装置，不需要求解复杂的矩阵方程，不存在180°相位模糊问题，具有操作简单、计算速度快、定标精度高等优点，适用于单元数较多的大规模旋转采样综合孔径辐射计。

Description

一种旋转采样综合孔径辐射计相位定标方法

技术领域

本发明涉及旋转采样综合孔径辐射计领域，尤其涉及一种旋转采样综合孔径辐射计相位定标方法。

背景技术

综合孔径辐射计是被动微波遥感领域中实现微波辐射测量的主要技术手段之一。该系统通过对观测场景亮温的空间频率域分布进行测量，获得可见度函数。然后利用观测场景亮温分布与可见度函数之间的傅里叶变换关系，重建观测场景的亮温分布。相较于真实孔径辐射计，综合孔径技术将大口径实孔径天线稀疏为小天线阵列，在实现同等空间分辨率的情况下，可有效降低实际天线物理尺寸，避免大口径实孔径天线制造加工中遇到的困难。

对可见度函数进行精确定标是正确重建目标场景亮温分布的关键。由于可见度函数通过复相关测量方法获得，其相位与各单通道接收机电尺寸路径长度密切相关，在对可见度函数进行亮温重建前必须对其相位进行定标。

现有综合孔径辐射计系统的相位定标方法主要分为内部定标法和外部定标法两种。其中内部定标法通常采用公共噪声注入的方法进行相位定标(参考文献[1]：I.Corbella et al.,"MIRAS end-to-end calibration:application to SMOSL1processor,"in IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,2005.vol.43,no.5,pp.1126-1134.参考文献[2]：牛立杰,刘浩,武林,张成,赵鑫,吴季,殷晓斌.面向星载海洋盐度探测应用的L波段综合孔径辐射计原理样机研制与试验研究[J].电子与信息学报,2017,39(08):1841-1847.)，将公共噪声源通过功分网络馈入各单元接收机，利用相关结果求得各相关基线的相位误差。该方法的问题在于各单元接收机对公共噪声源功分信号的状态一致性要求较高，且公共噪声源功分网络结构复杂，实现难度大，难以应用于接收机单元数量较多的综合孔径辐射计系统。

外部定标法主要采用了实观测场景可见度函数的复共轭对称特性(参考文献[3]：F.Torres,A.B.Tanner,S.T.Brown and B.H.Lambrigsten,"Analysis of ArrayDistortion in a Microwave Interferometric Radiometer:Application to theGeoSTAR Project,"in IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,2007,vol.45,no.7,pp.1958-1966.参考文献[4]：基于阵列旋转的综合孔径辐射计可见度相位误差校正方法,CN102621532A.参考文献[5]：R.Jin et al.,"An On-Board ExternalCalibration Method for Aperture Synthesis Radiometer by Rotation,"in IEEEGeoscience and Remote Sensing Letters,2012,vol.9,no.5,pp.901-905.参考文献[6]：一种基于旋转分时采样的综合孔径辐射计相位自定标方法,CN105548973A.参考文献[7]：D.Han,H.Liu,J.Wu,Z.Cheng,L.Niu and Y.Zhang,"Interelement Phase Calibrationfor the Geostationary Interferometric Microwave Sounder(GIMS),"in IEEEGeoscience and Remote Sensing Letters,2016,vol.13,no.9,pp.1216-1220.)，利用各相关基线可见度函数180°旋转测量相位信息，构建单通道接收链路相位误差方程组。通过求解该相位误差方程组，获得各单通道接收链路的固有相位误差，从而计算得出各相关基线的相位误差。该类方法的缺陷主要集中于以下三个方面：1)误差模型中未考虑相关基线的不可分离相位误差，当相关基线的不可分离相位误差无法简单忽略时，该方法的误差求解模型将直接失效；2)该类方法求得的相位误差存在180°相位模糊问题，必须利用观测场景的先验信息以及相关基线冗余测量结果进行相位去模糊处理，在求解过程中存在不确定性。对于不存在先验信息的任意观测场景，难以获得可靠的实际应用；3)对于相关基线数量较多的综合孔径辐射计，相位误差方程组的规模庞大，求解速度缓慢。

发明内容

本发明的目的在于，解决现有综合孔径辐射计外部相位定标方法中未考虑不可分离相位误差、相位误差求解结果存在180°相位模糊、求解速度缓慢等问题，有效提高旋转采样体制的大规模综合孔径辐射计相位定标精度和相位误差求解速度。

为实现上述目的，本发明提供了一种旋转采样综合孔径辐射计相位定标方法，所述方法包括：

利用待定标的综合孔径辐射计对一个亮温中心对称的观测目标进行旋转采样，获得各相关基线的可见度函数测量值；

任取一个相关基线，对其可见度函数测量值的相位执行校正步骤：提取该相关基线在定标基准采样角度处的可见度函数测量值，将该可见度函数测量值的相位与其对应的定标基准相位的差值作为该相关基线的可见度函数测量值的相位误差；利用该相位误差对该相关基线的可见度函数测量值的相位进行校正，

遍历所有的相关基线，对其可见度函数测量值的相位执行校正步骤，完成综合孔径辐射计的相位定标。

作为上述方法的一种改进，根据亮温中心对称观测目标的可见度函数相位特性，所述定标基准采样角度的计算步骤：

对于单元天线i和j组成的相关基线，当两个采样角度相差180°时，计算其对应的可见度函数测量值的相位差

其中，为采样角度θ_s处的可见度函数测量值，angle[·]为对可见度函数求取相位的运算；

则定标基准采样角度θ_cal为：

其中，N_ant为该综合孔径辐射计的天线单元数。

作为上述方法的一种改进，根据可见度函数测量值的直接亮温重建结果，所述定标基准采样角度的计算步骤：

使用伪极网格逆傅里叶变换法直接对未经相位定标的可见度函数测量值进行亮温重建，在重建结果中确定亮温中心对称观测目标中心点在空间域中的极坐标相角θ_target；

则该观测场景下的定标基准采样角度θ_cal为：

θ_cal＝θ_target+90°或θ_target-90°。

作为上述方法的一种改进，所述定标基准相位的计算步骤为：

绘制在定标基准采样角度处的可见度函数测量值的幅度随相关基线长度变化的关系曲线，确定该曲线零点所在位置的相关基线长度u_0,k；k为零点的编号；定义k＝0时，u_0,k所对应的相关基线长度为零，即零基线；

由零点出现位置判定各相关基线定标基准相位其中相关基线长度在第一零点与第二零点之间、第三零点与第四零点之间、第五零点与第六零点之间……的相关基线定标基准相位为180°，其余相关基线的定标基准相位为0°，其计算公式为：

其中，为相关基线的定标基准相位，u为相关基线长度。

作为上述方法的一种改进，所述将该可见度函数测量值的相位与其对应的定标基准相位的差值作为该相关基线的可见度函数测量值的相位误差，具体为：

其中，为可见度函数测量值的相位误差，angle[·]为对可见度函数求取相位的运算，为在定标基准采样角度处的可见度函数测量值。

作为上述方法的一种改进，所述利用该相位误差对该相关基线的可见度函数测量值的相位进行校正；具体为：

其中，为该相关基线可见度函数测量值相位定标结果，i为虚数符号。

本发明的优点在于：

1、本发明提供的相位定标方法，考虑了相关基线中的不可分离相位误差项，具有更高的相位定标精度；

2、本发明提供的相位定标方法，各相关基线的相位误差求解过程相互独立，不额外要求相关基线具有冗余测量结果；

3、本发明提供的相位定标方法，求解相位误差的步骤简单快捷，具有更高的相位定标速度；

4、本发明提供的相位定标方法，求解得到的各相关基线相位误差不存在180°相位缠绕问题，无需利用观测场景的先验信息和相关基线冗余测量信息进行相位去缠绕；

5、本发明提供的相位定标方法，外部定标源易于获取，无论是太阳目标还是噪声点源，均适用于地面测试环境和星载观测环境。

附图说明

图1为本发明的旋转采样综合孔径辐射计相关基线相位定标方法流程图；

图2为实例中亮温中心对称观测目标(太阳)的亮温分布；

图3为实例中各相关基线可见度函数相位误差分布；

图4为实例中存在相位误差的可见度函数亮温重建结果；

图5为实例中利用可见度函数相位特性法求取定标基准采样角度的过程；

图6为实例中误差可见度函数幅度均值随相关基线长度变化的关系曲线；

图7为实例中利用本发明方法进行相位定标后的可见度函数亮温重建结果；

图8为实例中利用本发明方法进行相位定标后的可见度函数相位残留误差分布。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明提供了一种旋转采样综合孔径辐射计相位定标方法，所述方法包括：

步骤101)利用待定标的综合孔径辐射计对某一亮温中心对称的观测目标(如太阳或噪声点源)进行旋转采样，获得各相关基线可见度函数测量值；

步骤201)利用步骤101)中获得的各相关基线可见度函数测量值，根据亮温中心对称观测目标的可见度函数相位特性，或可见度函数测量值的直接亮温重建结果，计算该观测场景下的定标基准采样角度；

步骤201)中所述根据亮温中心对称观测目标的可见度函数相位特性，计算该观测场景下的定标基准采样角度的具体步骤为：

步骤211)：计算采样角度相差180°时可见度函数相位测量值之差，其计算公式为：

其中，为可见度函数测量值，i和j分别表示组成相关基线的单元天线编号，一对ij可唯一确定一组相关基线；θ_s为采样角度，angle[·]为对可见度函数求取相位的运算。

步骤212)：观察采样角度相差180°时各相关基线可见度函数相位测量值之差共同取到0°附近的采样角度范围，在该范围内选取使得各相关基线绝对值之和取最小值的采样角度θ_s，该采样角度即为此观测场景下的定标基准采样角度θ_cal。该步骤也可以通过数学运算实现，其计算公式为：

其中，N_ant为该综合孔径辐射计的天线单元数。

步骤201)中所述根据可见度函数测量值的直接亮温重建结果，计算该观测场景下的定标基准采样角度的具体步骤为：

步骤221)：使用伪极网格逆傅里叶变换法直接对未经相位定标的可见度函数测量值进行亮温重建，在重建结果中确定亮温中心对称观测目标中心点在空间域中的极坐标相角θ_target；

步骤222)：求取该观测场景下的定标基准采样角度θ_cal，其计算公式为：

θ_cal＝θ_target+90°或θ_target-90°

步骤301)利用步骤101)中获得的各相关基线可见度函数测量值和步骤201)中获得的定标基准采样角度，提取各相关基线在定标基准采样角度处的可见度函数测量值；

步骤401)利用步骤301)中获得的各相关基线在定标基准采样角度处的可见度函数测量值，绘制在定标基准采样角度处的可见度函数测量值的幅度随相关基线长度变化的关系曲线，确定该曲线零点所在位置的相关基线长度u_0,k；k为零点的编号；定义k＝0时，u_0,k所对应的相关基线长度为零，即零基线；

步骤402)：由零点出现位置判定各相关基线定标基准相位其中相关基线长度在第一零点与第二零点之间、第三零点与第四零点之间、第五零点与第六零点之间……的相关基线定标基准相位为180°，其余相关基线的定标基准相位为0°。其计算公式为：

其中，为相关基线的定标基准相位，u为相关基线长度。

步骤501)：计算各相关基线可见度函数在定标基准采样角度处的相位测量值与其对应的定标基准相位的差值，得到各相关基线可见度函数的相位误差，其计算公式为：

其中，为可见度函数测量值的相位误差，angle[·]为对可见度函数求取相位的运算，为在定标基准采样角度处的可见度函数测量值。

步骤601)：利用各相关基线的相位误差值，对可见度函数测量值进行相位定标，其计算公式为：

其中，为该相关基线可见度函数测量值相位定标结果，i为虚数符号。

下面进一步通过具体的仿真实例验证说明本发明的方法。

本仿真实例的观测场景为典型的太阳观测场景，符合本发明中要求的亮温中心对称观测目标的应用前提。观测场景亮温分布如图2所示，太阳圆心处于空间域极坐标角度240°，与坐标原点的距离为0.05，太阳半径为0.0049，太阳亮温为6000K。

可见度函数相关基线长度设置采用等间距分布，最短相关基线长度为3λ，最大相关基线长度为198λ。一个采样周期内每个相关基线在空间频率域复平面上完整覆盖一个采样圆环，以极坐标相角0.5°为采样间隔，每个相关基线共有720个采样点。利用综合孔径辐射计观测亮温与可见度函数的傅里叶变换关系计算各相关基线理想可见度函数，计算公式为：

其中，VF^ideal(u,v)为连续的理想可见度函数，T_B为观测亮温分布，ξ和η为球坐标系方向余弦，u和v为可见度函数采样点在空间频率域中的位置坐标。

对各相关基线理想可见度函数进行离散化，计算公式为：

u_ij(n)＝Re[BL_ij·exp(1i·θ_s(n))],n＝1,2,…,N

v_ij(n)＝Im[BL_ij·exp(1i·θ_s(n))],n＝1,2,…,N

其中，是理想可见度函数的离散采样，下标ij为组成该相关基线的天线单元编号，N为该相关基线可见度函数的采样点数，BL_ij为该相关基线波长归一化基线长度，θ_s为相关基线在空间频率域复平面上的采样角度，1i为虚数符号。

对各相关基线生成在[0°,360°]范围内均匀分布的随机相位误差，如图3所示，并通过以下误差模型生成误差可见度函数：

其中，为误差可见度函数，为各相关基线随机相位误差值。

直接对误差可见度函数进行亮温重建，其结果如图4所示，可见由于随机相位误差的存在，亮温重建结果与原始亮温分布相比存在较大误差。

本发明提供了两种确定定标基准采样角度的方法，可通过本实例分别验证说明。

1)可见度函数相位特性法：计算各相关基线采样角度相差180°时可见度函数相位之差并求取结果如图5所示。在图中标取最小值位置的采样角度分别为150°和330°，从而确定定标基准采样角度为150°或330°。

2)图像重建法：在图4中确定太阳目标的中心点坐标为(-0.0246,-0.0430)，极坐标相角为240.23°，利用θ_cal＝θ_target±90°的关系求得定标基准采样角度为150.23°或330.23°。

两种方法求得的定标基准采样角度值几乎一致，与定标基准采样角度真实值的差异可忽略不计，实际应用过程中可将二者的平均值作为最终求解结果。

绘制定标基准采样角度处的误差可见度函数幅度随相关基线长度变化的关系曲线，如图6所示，观察到该关系曲线中仅存在一个零点，且第一零点位置处的相关基线长度约为125λ。由此确定相关基线长度小于125λ的可见度函数定标基准相位为0°，相关基线长度大于125λ的可见度函数定标基准相位为180°。

计算各相关基线误差可见度函数在定标基准采样角度处的相位值与其对应的定标基准相位的差值，得到各相关基线可见度函数的相位误差。利用该相位误差值对误差可见度函数进行相位定标，其亮温重建结果如图7所示。对比图2和图7可以发现，使用本发明的方法进行相位定标后，亮温重建结果中由相位误差引起的图像模糊得到了明显的改善，亮温重建结果与真实值相吻合。绘制可见度函数相位定标后的残留误差分布如图8所示，观察到各基线可见度函数相位残留误差均小于0.04°，表明本方法具有较高的相位定标精度。

需要明确的是，相位定标后的重建结果与原始观测亮温分布仍具有一定差异，这是由于可见度函数在空间频率域有限采样产生的频域截断误差，不涉及本实例中的相位误差造成的影响。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种旋转采样综合孔径辐射计相位定标方法，所述方法包括：

利用待定标的综合孔径辐射计对一个亮温中心对称的观测目标进行旋转采样，获得各相关基线的可见度函数测量值；

任取一个相关基线，对其可见度函数测量值的相位执行校正步骤：提取该相关基线在定标基准采样角度处的可见度函数测量值，将该可见度函数测量值的相位与其对应的定标基准相位的差值作为该相关基线的可见度函数测量值的相位误差；利用该相位误差对该相关基线的可见度函数测量值的相位进行校正，

遍历所有的相关基线，对其可见度函数测量值的相位执行校正步骤，完成综合孔径辐射计的相位定标。

2.根据权利要求1所述的旋转采样综合孔径辐射计相位定标方法，其特征在于，根据亮温中心对称观测目标的可见度函数相位特性，所述定标基准采样角度的计算步骤：

对于单元天线i和j组成的相关基线，当两个采样角度相差180°时，计算其对应的可见度函数测量值的相位差

其中，为采样角度θ_s处的可见度函数测量值，angle[·]为对可见度函数求取相位的运算；

则定标基准采样角度θ_cal为：

其中，N_ant为该综合孔径辐射计的天线单元数。

3.根据权利要求2所述的旋转采样综合孔径辐射计相位定标方法，其特征在于，根据可见度函数测量值的直接亮温重建结果，所述定标基准采样角度的计算步骤：

使用伪极网格逆傅里叶变换法直接对未经相位定标的可见度函数测量值进行亮温重建，在重建结果中确定亮温中心对称观测目标中心点在空间域中的极坐标相角θ_target；

则该观测场景下的定标基准采样角度θ_cal为：

θ_cal＝θ_target+90°或θ_target-90°。

4.根据权利要求2或3所述的旋转采样综合孔径辐射计相位定标方法，其特征在于，所述定标基准相位的计算步骤为：

绘制在定标基准采样角度处的可见度函数测量值的幅度随相关基线长度变化的关系曲线，确定该曲线零点所在位置的相关基线长度u_0,k；k为零点的编号；定义k＝0时，u_0,k所对应的相关基线长度为零，即零基线；

由零点出现位置判定各相关基线定标基准相位其中相关基线长度在第一零点与第二零点之间、第三零点与第四零点之间、第五零点与第六零点之间……的相关基线定标基准相位为180°，其余相关基线的定标基准相位为0°，其计算公式为：

其中，为相关基线的定标基准相位，u为相关基线长度。

5.根据权利要求4所述的综合孔径辐射计相位定标方法，其特征在于，所述将该可见度函数测量值的相位与其对应的定标基准相位的差值作为该相关基线的可见度函数测量值的相位误差，具体为：

其中，为可见度函数测量值的相位误差，angle[·]为对可见度函数求取相位的运算，为在定标基准采样角度处的可见度函数测量值。

6.根据权利要求5所述的综合孔径辐射计相位定标方法，其特征在于，所述利用该相位误差对该相关基线的可见度函数测量值的相位进行校正；具体为：

其中，为该相关基线可见度函数测量值相位定标结果，i为虚数符号。