CN211013262U - 一种基于延时相关的二维综合孔径辐射计成像装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于成像设备技术领域，公开了一种基于延时相关的二维综合孔径辐射计成像装置，包括至少一个接受模拟信号的天线阵列；与天线阵列相连接，用于对天线接收的信号进行AD数据采集的采样装置；与采样装置相连接，通过傅里叶反演计算的处理装置。本实用新型针对传统综合孔径辐射计通道过多，系统复杂，成本较高等问题，提出基于延时相关技术的二维综合孔径成像装置，该装置充分利用利用辐射信号不相关的特点，将各个天线接收的模拟信号延时、相加后输入一个通道，经过AD采样、自相关、傅里叶反演等处理最终获得亮温图像。
Description
技术领域
本实用新型属于成像设备技术领域，尤其涉及一种基于延时相关的二维综合孔径辐射计成像装置。
背景技术
目前，业内常用的现有技术是这样的：突发性气象灾害已经对人类的生产生活造成日益严重的危害，而在全球和区域范围内对大气温度湿度三维分析的预报都是通过气象卫星上的遥感载荷对大气探测来实现，因此发展静止轨道气象卫星微波载荷及时预测突发性气象灾害是迫切的需求。
实孔径微波辐射计因其难以实现星上大孔径扫描微波天线而无法满足测量要求，空间分辨率低成为地球静止轨道气象卫星上实现微波载荷的主要技术障碍。为了提高地球静止轨道气象卫星微波大气探测的空间分辨率，综合孔径微波辐射计的研究被提出并形成一系列的成果。
传统综合孔径微波辐射计就是利用稀疏天线阵列和复相关接收，将阵列的单元天线成对组成许多具有不同基线的二元干涉仪，测量空间频率域的可见度函数采样，然后通过校正和反演算法得到场景亮温图像。其核心就是获取不同基线长度的可见度函数，以最基础的二元干涉仪来解释其原理。二元干涉仪如图1所示，将两路接受通道的输出信号直接相关，称为同相相关；将其中的一路信号进行90度相移之后在相关，称为正交相关。二者合起来称为复相关。同相相关分量记作VI(u,v)，正交相关分量记作VQ(u,v)。
复相关器的输出可以表示成：
V＝VI+VQ
VI＝＜Yi(t)Yk(t)＞
其中，“<·>”表示求时间平均，，“^”代表希尔伯特变换，其实际作用是实现90度的相移，Yi(t)、Yk(t)分别表示通道的输出信号。这就可以获取相应基线长度的可见度，扩展至整个天线阵列就可以求得不同基线长度的可见度函数了。
但是传统综合孔径辐射计在提高了空间分辨率的同时又带来了其他问题：系统结构复杂、信号处理繁琐。
综上所述，现有技术存在的问题是：传统综合孔径辐射计系统结构复杂、信号处理繁琐。
实用新型内容
针对现有技术存在的问题，本实用新型提供了一种基于延时相关的二维综合孔径辐射计成像装置。
本实用新型是这样实现的，一种基于延时相关的二维综合孔径辐射计成像装置包括至少一个接受模拟信号的天线阵列，天线阵列图6所示；
与天线阵列相连接，用于对天线接收的信号进行AD数据采集的采样装置；
与采样装置相连接，通过傅里叶反演计算的处理装置。
进一步，所述天线阵列还连接有对安装位置进行检测的定位装置，定位根据天线阵列示意图中天线的标号顺序进行，天线位置以复数形式表示，实部代表沿左右方向轴的位置，虚部代表沿上下方向轴的位置，两个方向轴上的位置确定天线的具体位置；
与定位装置相连接，用于计算基线差的计算装置，两个天线的基线差是通过两个天线位置的相减得到的；
与计算装置相连接，用于实现基础延时时间处理的延时装置；
与延时装置相连接，用于根据基线差，对延时相加后的数据进行自相关处理，再求可见度的可见度处理装置；
与可见度处理装置相连接，用于通过可见度进行反演得到亮温，然后成像，最终得到点源的亮温图像的成像装置。
综上所述，本实用新型的优点及积极效果为：获取可见度计算量减少。
| 传统二维综合孔径 | 延时二维综合孔径 | |
| 自(互)相关计算量(次) | 576 | 165 |
| 通道数(个) | 24 | 1 |
表1实验用24元天线传统系统和延时系统对比表格
一般可见度的计算量用各天线的自(互)相关计算量代表。在传统综合孔径成象系统中可见度的计算需要对每一个基线对进行计算，24元天线总共有576个基线对，因次要做576次计算；在延时成像系统中没有对每一个基线对计算的过程，根据不同的基线对，将延时相加数据自(互)相关运算，24元天线不同基线对的个数为165个，所以只需要做165次计算。
本实用新型针对传统综合孔径辐射计通道过多，系统复杂，成本较高等问题，提出基于延时相关技术的二维综合孔径成像装置，该装置充分利用利用辐射信号不相关的特点，将各个天线接收的模拟信号延时、相加后输入一个通道，经过AD采样、自相关、傅里叶反演等处理最终获得亮温图像。
附图说明
图1是本实用新型实施例提供的二元干涉仪原理图。
图2是本实用新型实施例提供的4元天线阵列图。
图3是本实用新型实施例提供的二元延时复自相关器结构图。
图4是本实用新型实施例提供的对两个点源的二维延时综合孔径成像图。
图5是本实用新型实施例提供的对两个点源的传统二维综合孔径成像图。
图6是本实用新型实施例提供的24元天线阵列示意图。
图7是本实用新型实施例提供的传统二维综合孔径辐射计系统结构框图。
图8是本实用新型实施例提供的延时二维综合孔径辐射计系统结构框图。
具体实施方式
为能进一步了解本实用新型的实用新型内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。
针对现有技术存在的问题，本实用新型提供了一种基于延时相关的二维综合孔径辐射计成像装置，下面结合附图1至附图6对本实用新型作详细的描述。
本实用新型实施例提供基于延时相关的二维综合孔径辐射计成像装置包括至少一个接受模拟信号的天线阵列，天线阵列图6所示。
与天线阵列相连接，用于对天线接收的信号进行AD数据采集的采样装置；
与采样装置相连接，通过傅里叶反演计算的处理装置。
所述天线阵列还连接有对安装位置进行检测的定位装置，定位根据天线阵列示意图中天线的标号顺序进行，天线位置以复数形式表示，实部代表沿左右方向轴的位置，虚部代表沿上下方向轴的位置，两个方向轴上的位置确定天线的具体位置。
与定位装置相连接，用于计算基线差的计算装置，两个天线的基线差是通过两个天线位置的相减得到的。
与计算装置相连接，用于实现基础延时时间处理的延时装置。
与延时装置相连接，用于根据基线差，对延时相加后的数据进行自相关处理，再求可见度的可见度处理装置。
与可见度处理装置相连接，用于通过可见度进行反演得到亮温，然后成像，最终得到点源的亮温图像的成像装置。
下面结合具体原理对本实用新型作进一描述。
传统综合孔径辐射计有信号处理繁琐的问题，而本实用新型提出的基于延时相关的二维综合孔径辐射计成像装置是将延时相关的思想与传统综合孔径微波辐射计相结合，在算法层面上降低了互相关矩阵R和可见度函数V的计算复杂度，提升了信号处理效率，从而以较小的代价解决了传统综合孔径信号处理繁琐的问题。
在传统二维综合孔径成像算法中，先获得各个天线的互相关函数值，再将各个互相关函数值依据天线阵列的基线差进行分类相加，但是在基于延时相关的二维综合孔径成像算法中没有这一过程，只需将延时相加数据的自相关函数与基线差一一对应。
以图2中的天线阵列为例，其天线位置为：[0+0i 1+0i 0-1i 1-1i]，基线差为[-1-1i -1+0i -1+1i 0-1i 0+0i 0+1i 1-1i 1+0i 1+1i]，相应基线差的个数为[1 2 1 2 4 21 2 1]，
那么基线差为0的时候，延时相加数据的自相关函数
为：
上式，说明延时相关具有优良优点。
传统综合孔径的基线差为0的互(自)相关函数值Rii(0)为：
R(0+0i)(0+0i)(0)＝＜x1(n)·x1(n)＞
R(1+0i)(1+0i)(0)＝＜x2(n)·x2(n)＞
R(0-1i)(0-1i)(0)＝＜x3(n)·x3(n)＞
R(1-1i)(1-1i)(0)＝＜x4(n)·x4(n)＞
互(自)相关函数之和R(0)为：
R(0)＝R(0+0i)(0+0i)(0)+R(1+0i)(1+0i)(0)+R(0-1i)(0-1i)(0)+R(1-1i)(1-1i)(0)
＝＜x1(n)·x1(n)＞+＜x2(n)·x2(n)＞+＜x3(n)·x3(n)＞+＜x4(n)·x4(n)＞
因为高斯白噪声的互(自)相关函数有：
＜xi(n-n1)·xk(n-n1)＞＝＜xi(n-n2)·xk(n-n2)＞,n1≠n2
所以可以认为
扩展到所有的基线差，延时相关综合孔径获得各个相同基线差的自相关函数值之和只需进行5次自相关运算，而传统二维综合孔径需要进行16次互相关运算，然后在进行9次求和运算。因此可以看出延时相关在算法层面上存在优势，可以有效解决数据处理繁琐的问题，提升信号处理效率。
通过二元延时复自相关器来了解基于延时相关的综合孔径辐射计的基本原理，复相关器如图3所示。假设Yi(t)、Yk(t-τ)分别对应Ui(t)、Uk(t-τ)经过通道后的输出信号，那么这两个信号之和为
YΣ(t)＝[Ui(t)+Uk(t-τ)]*h(t)
经过AD采样后写成YΣ(n)，90度相移后的采样信号写成
通常最小延时时间应该是采样时间的整数倍，为了简单起见，这里取延时时间τ等于AD采样间隔，这样Yi(t)、Yk(t-τ)量化后对应是Yi(n)、Yk(n-1)。于是有：
YΣ(n)＝Yi(n)+Yk(n-1)
根据辐射信号“似噪”非相关以及接收机通道的窄带特性我们可以知道：天线的输出信号是物体发出的随机热噪声电压，这种信号可以近似看成高斯分布的白噪声过程，那么相隔足够远的两端信号彼此之间是不相关的，因此第一项＜Yi(n)Yi(n-1)＞近似为0、第四项＜Yk(n-1)Yk(n-2)＞近似为0；同时在同一时间起点，不同天线输出信号时间的相关性比相同天线输出信号的相关性弱，那么相隔一定时间后其相关性弱于第一、四项所表达的相关性，因此第二项＜Yi(n)Yk(n-2)＞近似为0。由此可以看出：同一根天线的输出信号，在不同时间起点的时间平均为0，两根不同天线的输出信号在不同时间起点的时间平均为0，只有两根不同天线的输出在同一时间起点的时间平均才不为0。因此可以得到以下结论：
＜Yi(n)Yi(n-1)＞≈0
＜Yi(n)Yk(n-2)＞≈0
＜Yk(n-1)Yk(n-2)＞≈0
＜Yk(n-1)Yi(n-1)＞≠0
于是有：
同理
相移并不改变幅度，因此无论相移与否，其本质上还是平稳的高斯随机信号。
这样利用延时复自相关器也能得到可见度函数，后面由可见度函数反演亮温的过程与传统综合孔径辐射计基本类似。通过选择合理的延时时间，让天线对之间的距离差u(基线长度)与其延时时间差τ成正比，即u∝τ。这样有对应延时时间差为采样时间n倍的复自相关输出
与基线长度为nu的可见度函数VI(nu)一一对应。
下面结合工作原理对本实用新型作进一步描述。
具体实施步骤如下：
步骤一：使用24元天线阵列(如图6)，对两点点源、背景辐射以及校正源进行数据采集；
步骤二：根据天线阵列的排布按编号设置天线阵各天线的位置，并求出相应的基线差；
步骤三：根据天线位置和基础延时时间对所采集的数据进行延时相加处理；
步骤四：根据基线差对延时相加后的数据进行自相关处理再求可见度；
步骤五：对可见度进行反演得到亮温然后成像，最终得到点源的亮温图像。
步骤二中天线的位置为[0+0i 1+0i 2+0i 3+0i 4+0i 5+0i 6+0i 7+0i 0-5i 1-5i 2-5i 3-5i 4-5i 5-5i 6-5i 7-5i 0-1i 0-2i 0-3i 0-4i 7-1i 7-2i 7-3i 7-4i],基线差的排列沿用传统的二维综合孔径辐射计的排列顺序，则的基线差为[7-5i 7-4i 7-3i7-2i 7-1i 7+0i 7+1i 7+2i 7+3i 7+4i 7+5i 6-5i 6-4i 6-3i 6-2i 6-1i 6+0i 6+1i 6+2i 6+3i 6+4i 6+5i 5-5i 5-4i 5-3i 5-2i 5-1i 5+0i 5+1i 5+2i 5+3i 5+4i 5+5i 4-5i4-4i 4-3i 4-2i 4-1i 4+0i 4+1i 4+2i 4+3i 4+4i 4+5i 3-5i 3-4i 3-3i 3-2i 3-1i 3+0i 3+1i 3+2i 3+3i 3+4i 3+5i 2-5i 2-4i 2-3i 2-2i 2-1i 2+0i 2+1i 2+2i 2+3i 2+4i2+5i 1-5i 1-4i 1-3i 1-2i 1-1i 1+0i 1+1i 1+2i 1+3i 1+4i 1+5i 0-5i 0-4i 0-3i 0-2i 0-1i 0+0i 0+1i 0+2i 0+3i 0+4i 0+5i 1-5i 1-4i 1-3i 1-2i 1-1i 1+0i 1+1i 1+2i1+3i 1+4i 1+5i 2-5i 2-4i 2-3i 2-2i 2-1i 2+0i 2+1i 2+2i 2+3i 2+4i 2+5i 3-5i 3-4i 3-3i 3-2i 3-1i 3+0i 3+1i 3+2i 3+3i 3+4i 3+5i 4-5i 4-4i 4-3i 4-2i 4-1i 4+0i4+1i 4+2i 4+3i 4+4i 4+5i 5-5i 5-4i 5-3i 5-2i 5-1i 5+0i 5+1i 5+2i 5+3i 5+4i 5+5i 6-5i 6-4i 6-3i 6-2i 6-1i 6+0i 6+1i 6+2i 6+3i 6+4i 6+5i 7-5i 7-4i 7-3i 7-2i7-1i 7+0i 7+1i 7+2i 7+3i 7+4i 7+5i]。
步骤三中对于采集的数据需要做预处理，对点源和背景辐射用校正源进行校正，然后分别进行延时相加处理。延时相加过程中基础延时时间(单位延时时间是一次AD采样的时间)沿x轴为500(也就是500次AD采样时间)，沿y轴为31(也就是31次AD采样时间)。将天线阵列划分为4个部分，分别是1-8号天线、9-16号天线、17-20号天线、21-24号天线，分别对每个部分进行数据的延时相加，最后将4个部分的数据按顺序相加得到总的延时相加的数据yΣ(n)，所以在这一步可以得到校正过后的点源以及背景辐射的延时相加数据。
步骤四中分别将校正过的点源和背景辐射的延时相加数据进行自相关处理。自相关处理的过程中因为基线差是共轭对称的，所以先只考虑一半的基线差，对应求出不同延时时间τ，然后对延时相加的数据做循环位移，位移的量为相对应的延时时间τ，得到yΣ(n-τ)，接着把yΣ(n)和yΣ(n-τ)按着一半的基线差对应做自相关运算，根据传统二维综合孔径辐射计原理我们找出相应基线差的个数，将求得的与基线差对应的自相关结果分别除以对应基线差的个数就能求得对应的可见度的值，再对可见度的值求共轭复数，扩展至完整的基线差，得到完整的基线差对应的可见度，根据传统的二为综合孔径辐射计的UV平面，将得到的可见度的值赋值给相应的采样点，得到最终的24元天线阵列的整个UV平面的可见度，在这一步我们可以得到校正过后的点源以及背景辐射的可见度的值。
步骤五中先将点源的可见度与背景辐射的可见度进行相减，再对相减后的可见度进行二维傅里叶变换得到反演的亮温值，同时求出需要成像的其他参数如视场参数FOV和视场范围像素点所围成的多边形。这一步最后可以得到点源的亮温图像如图4所示。传统二维综合孔径辐射计测量点源成像结果如图5所示，可以看到两者的成像效果一致。
下面结合工作原理对本实用新型作进一步描述。
在传统二维综合孔径成像原理中，先利用相隔一定距离的天线对进行复相关运算可以测量场景辐射的空间频率分量，天线对的复相关输出就称为可见度，可见度函数为
再通过可见度函数来反演亮温，公式如下
得到亮温数据后可以成像。
基于延时相关的二维综合孔径辐射计成像原理，是使用天线阵列对含有场景辐射的傅氏变换的各个分量(空间频率分量)进行数据采集，将每个天线采集到的数据进行误差校正处理，将每个天线误差校正后的数据进行延时处理，将不同天线延时后的数据进行相加，将相加后的数据与每个天线的延时数据进行自相关。以24元天线为例公式如下：
然后根据天线基线差的排布得到可见度函数，对可见度函数进行傅里叶反演得到亮温数据，反演公式和传统综合孔径一样。再用亮温数据进行成像。
在本实用新型实施例中，图7是本实用新型提供的传统二维综合孔径辐射计系统结构框图。图8是本实用新型提供的延时二维综合孔径辐射计系统结构框图。
以上所述仅是对本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本实用新型技术方案的范围内。
Claims (3)
1.一种基于延时相关的二维综合孔径辐射计成像装置，其特征在于，所述基于延时相关的二维综合孔径辐射计成像装置包括至少一个接受模拟信号的天线阵列；
与天线阵列相连接，用于对天线接收的信号进行AD数据采集的采样装置；
与采样装置相连接，通过傅里叶反演计算的处理装置。
2.如权利要求1所述的基于延时相关的二维综合孔径辐射计成像装置，其特征在于，所述天线阵列还连接有对安装位置进行检测的定位装置；
与定位装置相连接，用于计算基线差的计算装置；
与计算装置相连接，用于实现基础延时时间处理的延时装置。
3.如权利要求2所述的基于延时相关的二维综合孔径辐射计成像装置，其特征在于，基于延时相关的二维综合孔径辐射计成像装置还包括：与延时装置相连接，用于根据基线差，对延时相加后的数据进行自相关处理，再求可见度的可见度处理装置；
与可见度处理装置相连接，用于通过可见度进行反演得到亮温，然后成像，最终得到点源的亮温图像的成像装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202020051834.6U CN211013262U (zh) | 2020-01-10 | 2020-01-10 | 一种基于延时相关的二维综合孔径辐射计成像装置 |
Applications Claiming Priority (1)
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| CN202020051834.6U CN211013262U (zh) | 2020-01-10 | 2020-01-10 | 一种基于延时相关的二维综合孔径辐射计成像装置 |
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| CN202020051834.6U Active CN211013262U (zh) | 2020-01-10 | 2020-01-10 | 一种基于延时相关的二维综合孔径辐射计成像装置 |
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| CN (1) | CN211013262U (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112180178A (zh) * | 2020-09-28 | 2021-01-05 | 上海航天测控通信研究所 | 一种具有自适应抗干扰的辐射计可见度函数提取系统及方法 |
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2020
- 2020-01-10 CN CN202020051834.6U patent/CN211013262U/zh active Active
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112180178A (zh) * | 2020-09-28 | 2021-01-05 | 上海航天测控通信研究所 | 一种具有自适应抗干扰的辐射计可见度函数提取系统及方法 |
| CN112180178B (zh) * | 2020-09-28 | 2022-07-05 | 上海航天测控通信研究所 | 一种具有自适应抗干扰的辐射计可见度函数提取系统及方法 |
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