CN110515049B - 一种旋转采样综合孔径辐射计相关偏置校正方法 - Google Patents

一种旋转采样综合孔径辐射计相关偏置校正方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种旋转采样综合孔径辐射计相关偏置校正方法，所述方法包括：利用待校正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迭代执行校正步骤：计算可见度函数幅度测量值的标准差并确定复相关偏置搜索范围，在该范围内获得使可见度函数幅度标准差最小的复相关偏置最优估计值；对可见度函数测量值进行校正；直至校正后的可见度函数测量值幅度标准差小于预定阈值。本发明的校正方法不依赖额外的内部定标装置，可以有效降低旋转采样综合孔径辐射计的系统复杂度，尤其适用于单元数较多的大规模旋转采样综合孔径辐射计系统。

Description

一种旋转采样综合孔径辐射计相关偏置校正方法
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关偏置校正方法。
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。综合孔径辐射计通过对观测场景亮温分布的空间频率域进行干涉测量，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图像。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口径天线阵列，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以及空间运载、折叠展开等技术难题。
在实际的综合孔径辐射计系统中，由于不可避免地存在数字相关器通道间互耦和公共本振信号热噪声泄露等非理想性因素，可见度函数测量结果会产生相关偏置误差。对相关偏置误差进行校正是综合孔径辐射计系统误差校正的一个重要环节。目前综合孔径辐射计相关偏置校正方法是采用非相关噪声注入法直接测量各相关基线的偏置误差(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.)。
该方法的缺点在于内部定标系统结构复杂，需要内置额外的非相关噪声源，并且配置复杂的噪声功分网络。对于单元数较多的高分辨率综合孔径辐射计系统，该方法难以获得实际应用。
发明内容
本发明的目的在于，克服现有综合孔径辐射计相关偏置校正方法严重依赖内部定标系统的缺点，直接利用观测数据对可见度函数的相关偏置进行校正，无需额外配置内部定标系统，有效降低接收机硬件系统复杂度。
为了实现上述目的，本发明提出了一种旋转采样综合孔径辐射计相关偏置校正方法，所述方法包括：
利用待校正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迭代执行校正步骤：计算可见度函数幅度测量值的标准差并确定复相关偏置搜索范围，在该范围内获得使可见度函数幅度标准差最小的复相关偏置最优估计值；对可见度函数测量值进行校正；直至校正后的可见度函数测量值幅度标准差小于预定阈值；
遍历所有的相关基线，对其可见度函数测量值迭代执行校正步骤，由此校正所有相关基线可见度函数测量值的相关偏置误差。
作为上述方法的一种改进，所述任取一个相关基线，对其可见度函数测量值迭代执行校正步骤，具体包括：
步骤1)对于单元天线i和j组成的相关基线，计算其可见度函数测量值在360°采样范围内的幅度标准差；在正负幅度标准差范围内，以选定的步长遍历该范围，分别搜索该相关基线的可见度函数实部和虚部相关偏置；获得使可见度函数测量值幅度标准差最小的复相关偏置最优估计值；
步骤2)使用复相关偏置最优估计值校正该相关基线的可见度函数测量值；
步骤3)判断校正后的可见度函数幅度标准差的变化量是否小于预定阈值，若判断结果是肯定的，则该相关基线校正结束；否则，将可见度函数测量值更新为校正后的可见度函数测量值，转入步骤1)。
作为上述方法的一种改进，所述步骤1)具体包括：
步骤101)对于单元天线i和j组成的相关基线，计算其可见度函数测量值在360°采样范围内的幅度标准差
Figure BDA0002158739930000021
Figure BDA0002158739930000022
其中，abs(·)表示取模运算，mean(·)表示取平均值运算，N为该基线可见度函数测量值在360°范围内的采样点数；k为迭代次数，初始值为1；
Figure BDA0002158739930000023
Figure BDA0002158739930000024
为利用待校正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，获得相关基线的可见度函数测量值，其中n＝1,2,...,N；
步骤102)在
Figure BDA0002158739930000031
范围内，以
Figure BDA0002158739930000032
为步长等间距分别选取M+1个可见度函数实部偏置估计值
Figure BDA0002158739930000033
和可见度函数虚部偏置估计值
Figure BDA0002158739930000034
Figure BDA0002158739930000035
Figure BDA0002158739930000036
步骤103)分别采用M+1个可见度函数实部偏置估计值和可见度函数虚部偏置估计值对可见度函数测量值进行校正：
Figure BDA0002158739930000037
Figure BDA0002158739930000038
其中，Re[·]代表取实部运算，Im[·]代表取虚部运算；
Figure BDA0002158739930000039
为使用可见度函数实部偏置估计值校正后的可见度函数测量值；
Figure BDA00021587399300000310
为使用可见度函数虚部偏置估计值校正后的可见度函数测量值；
步骤104)分别计算实部偏置校正后和虚部偏置校正后的可见度函数幅度标准差，由此得到使实部偏置校正后的可见度函数幅度标准差最小的实部偏置最优估计值
Figure BDA00021587399300000311
使虚部偏置校正后的可见度函数幅度标准差最小的虚部偏置最优估计值
Figure BDA00021587399300000312
Figure BDA00021587399300000313
Figure BDA00021587399300000314
Figure BDA00021587399300000315
Figure BDA00021587399300000316
其中，
Figure BDA00021587399300000317
为使实部偏置校正后的可见度函数幅度标准差最小的m取值；
Figure BDA00021587399300000318
为使虚部偏置校正后的可见度函数幅度标准差最小的m取值；std(·)表示计算标准差运算；
所述复相关偏置最优估计值为：
Figure BDA0002158739930000041
其中，1i为虚数符号。
作为上述方法的一种改进，所述步骤2)具体为：
使用实部偏置最优估计值
Figure BDA0002158739930000042
和虚部偏置最优估计值
Figure BDA0002158739930000043
对可见度函数测量值进行校正：
Figure BDA0002158739930000044
Figure BDA0002158739930000045
其中，
Figure BDA0002158739930000046
为复相关偏置校正后的可见度函数测量值。
作为上述方法的一种改进，所述步骤3)具体为：
步骤301)计算复相关偏置校正后的可见度函数测量值
Figure BDA0002158739930000047
的幅度标准差
Figure BDA0002158739930000048
Figure BDA0002158739930000049
步骤302)计算
Figure BDA00021587399300000410
与上次迭代的
Figure BDA00021587399300000411
的差异，其计算公式为：
Figure BDA00021587399300000412
当k＝1时，设置
Figure BDA00021587399300000413
步骤303)若
Figure BDA00021587399300000414
大于预定阈值，则令
Figure BDA00021587399300000415
为
Figure BDA00021587399300000416
k加1，转入步骤1)；否则，迭代结束，
Figure BDA00021587399300000417
为相关偏置误差校正后的可见度函数测量值。
本发明的优点在于：
1、本发明提供的相关偏置校正方法，克服了现有综合孔径辐射计相关偏置校正方法对内部定标系统的依赖，根据亮温中心对称观测目标可见度函数特性，直接利用观测数据对可见度函数的相关偏置进行校正；
2、本发明提供的相关偏置校正方法，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为本发明提出的旋转采样综合孔径辐射计相关偏置校正方法流程图；
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为实例中的各相关基线可见度函数相关偏置误差分布；
图4为实例中未校正相关偏置误差的可见度函数亮温重建结果；
图5为实例中利用本发明方法进行相关偏置误差校正后的偏置残差分布；
图6为实例中利用本发明方法进行相关偏置误差校正后的可见度函数亮温重建结果。
具体实施方式
下面结合附图和实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关偏置校正方法，所述方法包括：
步骤101)：利用待校正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)：计算该基线待校正可见度函数幅度在360°采样范围内的标准差，其计算公式为：
Figure BDA0002158739930000051
其中，abs(·)表示取模运算，mean(·)表示取平均值运算，N为可见度函数在360°范围内的采样点数，下标ij代表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，上标k代表迭代次数，初始值为1。
步骤202)：在
Figure BDA0002158739930000052
范围内，以
Figure BDA0002158739930000053
为步长等间距选取M+1个可见度函数实部偏置估计值和虚部偏置估计值，利用该偏置估计值分别对可见度函数的实部和虚部进行偏置校正，其计算公式为：
Figure BDA0002158739930000054
Figure BDA0002158739930000061
其中，Re[·]代表取实部运算，Im[·]代表取虚部运算，
Figure BDA0002158739930000062
为该相关基线实部偏置估计值，
Figure BDA0002158739930000063
为该相关基线虚部偏置估计值；
步骤203)：利用式(1)分别计算实部偏置校正后和虚部偏置校正后的可见度函数幅度标准差；
步骤204)：分别选取使得偏置校正后的可见度函数幅度标准差在本次迭代中取最小值的实部偏置估计值和虚部偏置估计值，作为本次迭代中的最优复相关偏置估计值；
步骤301)：利用步骤204)中得到的最优复相关偏置估计值，对可见度函数进行复偏置误差校正；
Figure BDA0002158739930000064
Figure BDA0002158739930000065
其中
Figure BDA0002158739930000066
为实部偏置最优估计值，
Figure BDA0002158739930000067
为虚部偏置最优估计值。
步骤401)：计算本次迭代中复偏置误差校正后的可见度函数幅度标准差与上次迭代的差异，其计算公式为：
Figure BDA0002158739930000068
Figure BDA0002158739930000069
步骤402)：若
Figure BDA00021587399300000610
大于预定阈值，则令
Figure BDA00021587399300000611
为
Figure BDA00021587399300000612
k加1，重复步骤201)至步骤401)；否则，迭代结束，
Figure BDA00021587399300000613
为相关偏置误差校正后的可见度函数测量值，完成对该基线可见度函数的相关偏置误差校正。
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，太阳圆心位于空间域极坐标角度240°处，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：
Figure BDA0002158739930000071
其中，VFideal(u,v)为连续的理想可见度函数，TB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：
Figure BDA0002158739930000072
uij(n)＝Re[BLij·exp(1i·θs(n))],n＝1,2,…,N
vij(n)＝Im[BLij·exp(1i·θs(n))],n＝1,2,…,N
其中，
Figure BDA0002158739930000073
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，BLij为该相关基线波长归一化基线长度，θs为相关基线在空间频率域复平面上的采样角度，1i代表虚数符号。
设置各相关基线实部和虚部偏置误差分别与该相关基线可见度实部幅度和虚部幅度在一个采样周期内的平均值呈正比，各相关基线偏置误差计算公式为：
Figure BDA0002158739930000074
Figure BDA0002158739930000075
其中，
Figure BDA0002158739930000076
和
Figure BDA0002158739930000077
分别为实部和虚部的偏置误差，pbias为误差偏置比例，设置为20％，signreal和signimag为偏置误差的符号，随机选取-1或1中的任意一个值；本实例中各相关基线偏置误差分布如图3所示。
通过对理想可见度函数施加相关偏置误差和随机相位误差，生成误差可见度函数，其误差模型为：
Figure BDA0002158739930000078
其中，
Figure BDA0002158739930000079
为离散的误差可见度函数，
Figure BDA00021587399300000710
为该相关基线在[0°,360°]范围内均匀分布的随机相位误差。
直接对误差可见度函数进行相位定标，其亮温重建结果如图4所示。由于未对相关偏置误差进行校正，可以观察到重建结果中存在以坐标原点为圆心的环状误差。
利用本发明的方法对误差可见度函数进行相关偏置校正，遍历误差点数设为10，迭代停止预定阈值设为1e-5。计算各基线可见度函数残留偏置误差分布如图5所示，可见本发明的方法可以将各相关基线残留偏置误差控制在1e-5内，残留误差占原误差的比例小于3％。对偏置误差校正后的可见度函数进行相位定标，其亮温重建结果如图6所示。对比图4和图6可以看到，重建结果中的环状误差得到了明显的抑制。需要明确的是，偏置误差校正后的重建结果与原始观测亮温分布具有一定差异，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关偏置误差造成的影响。
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 (5)

1.一种旋转采样综合孔径辐射计相关偏置校正方法，所述方法包括：
利用待校正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迭代执行校正步骤：计算可见度函数幅度测量值的标准差并确定复相关偏置搜索范围，在该范围内获得使可见度函数幅度标准差最小的复相关偏置最优估计值；对可见度函数测量值进行校正；直至校正后的可见度函数测量值幅度标准差小于预定阈值；
遍历所有的相关基线，对其可见度函数测量值迭代执行校正步骤，由此校正所有相关基线可见度函数测量值的相关偏置误差。
2.根据权利要求1所述的综合孔径辐射计相关偏置校正方法，其特征在于，所述任取一个相关基线，对其可见度函数测量值迭代执行校正步骤，具体包括：
步骤1)对于单元天线i和j组成的相关基线，计算其可见度函数测量值在360°采样范围内的幅度标准差；在正负幅度标准差范围内，以选定的步长遍历该范围，分别搜索该相关基线的可见度函数实部和虚部相关偏置；获得使可见度函数测量值幅度标准差最小的复相关偏置最优估计值；
步骤2)使用复相关偏置最优估计值校正该相关基线的可见度函数测量值；
步骤3)判断校正后的可见度函数幅度标准差的变化量是否小于预定阈值，若判断结果是肯定的，则该相关基线校正结束；否则，将可见度函数测量值更新为校正后的可见度函数测量值，转入步骤1)。
3.根据权利要求2所述的旋转采样综合孔径辐射计相关偏置校正方法，其特征在于，所述步骤1)具体包括：
步骤101)对于单元天线i和j组成的相关基线，计算其可见度函数测量值在360°采样范围内的幅度标准差
Figure FDA0002158739920000011
Figure FDA0002158739920000012
其中，abs(·)表示取模运算，mean(·)表示取平均值运算，N为该基线可见度函数测量值在360°范围内的采样点数；k为迭代次数，初始值为1；
Figure FDA0002158739920000013
Figure FDA0002158739920000021
为利用待校正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，获得相关基线的可见度函数测量值，其中n＝1,2,...,N；
步骤102)在
Figure FDA0002158739920000022
范围内，以
Figure FDA0002158739920000023
为步长等间距分别选取M+1个可见度函数实部偏置估计值
Figure FDA0002158739920000024
和可见度函数虚部偏置估计值
Figure FDA0002158739920000025
Figure FDA0002158739920000026
Figure FDA0002158739920000027
步骤103)分别采用M+1个可见度函数实部偏置估计值和可见度函数虚部偏置估计值对可见度函数测量值进行校正：
Figure FDA0002158739920000028
Figure FDA0002158739920000029
其中，Re[·]代表取实部运算，Im[·]代表取虚部运算；
Figure FDA00021587399200000210
为使用可见度函数实部偏置估计值校正后的可见度函数测量值；
Figure FDA00021587399200000211
为使用可见度函数虚部偏置估计值校正后的可见度函数测量值；
步骤104)分别计算实部偏置校正后和虚部偏置校正后的可见度函数幅度标准差，由此得到使实部偏置校正后的可见度函数幅度标准差最小的实部偏置最优估计值
Figure FDA00021587399200000212
使虚部偏置校正后的可见度函数幅度标准差最小的虚部偏置最优估计值
Figure FDA00021587399200000213
Figure FDA00021587399200000214
Figure FDA00021587399200000215
Figure FDA00021587399200000216
Figure FDA00021587399200000217
其中，
Figure FDA0002158739920000031
为使实部偏置校正后的可见度函数幅度标准差最小的m取值；
Figure FDA0002158739920000032
为使虚部偏置校正后的可见度函数幅度标准差最小的m取值；std(·)表示计算标准差运算；
所述复相关偏置最优估计值为：
Figure FDA0002158739920000033
其中，1i为虚数符号。
4.根据权利要求3所述的旋转采样综合孔径辐射计相关偏置校正方法，其特征在于，所述步骤2)具体为：
使用实部偏置最优估计值
Figure FDA0002158739920000034
和虚部偏置最优估计值
Figure FDA0002158739920000035
对可见度函数测量值进行校正：
Figure FDA0002158739920000036
Figure FDA0002158739920000037
其中，
Figure FDA0002158739920000038
为复相关偏置校正后的可见度函数测量值。
5.根据权利要求4所述的旋转采样综合孔径辐射计相关偏置校正方法，其特征在于，所述步骤3)具体为：
步骤301)计算复相关偏置校正后的可见度函数测量值
Figure FDA0002158739920000039
的幅度标准差
Figure FDA00021587399200000310
Figure FDA00021587399200000311
步骤302)计算
Figure FDA00021587399200000312
与上次迭代的
Figure FDA00021587399200000313
的差异，其计算公式为：
Figure FDA00021587399200000314
当k＝1时，设置
Figure FDA00021587399200000315
步骤303)若
Figure FDA00021587399200000316
大于预定阈值，则令
Figure FDA00021587399200000317
为
Figure FDA00021587399200000318
k加1，转入步骤1)；否则，迭代结束，
Figure FDA00021587399200000319
为相关偏置误差校正后的可见度函数测量值。
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