一種綜合孔徑微波輻射計聯(lián)合校正方法與流程

技術(shù)領(lǐng)域本發(fā)明屬于微波遙感及探測技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種綜合孔徑微波輻射計誤差校正方法。

背景技術(shù)：
綜合孔徑微波輻射計利用多個離散的小天線合成等效的大天線孔徑，采用稀疏陣列排布，減少了天線的重量和體積，也可提高被動微波遙感的空間分辨率。但是這種優(yōu)勢是以系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和信號處理復雜度為代價的，特別是在大型綜合孔徑微波輻射計系統(tǒng)中，如星載綜合孔徑輻射計。在綜合孔徑微波輻射計中，誤差校正是確保其良好性能的重要一環(huán)。目前，主要存在兩種誤差校正方法：1、冗余空間校正；2、內(nèi)部相干噪聲注入校正。在大型綜合孔徑微波輻射計中，當采用冗余空間校正時，由于受到誤差傳播和指向誤差的影響，其校正效果不佳，無法保證綜合孔徑微波輻射計的重要性能；當采用內(nèi)部相干噪聲注入校正時，其校正效果較佳，能夠保證輻射計性能。但由于內(nèi)部相干噪聲注入校正需要額外增加定標網(wǎng)絡(luò)和定標源，因此極大地增加了綜合孔徑微波輻射計的重量和體積，亦很難保證定標網(wǎng)絡(luò)輸出校正信號的幅度和相位的一致性，且無法校正綜合孔徑微波輻射計天線臂的誤差，尤其是在大型綜合孔徑微波輻射計中。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明提供了一種基于冗余空間和內(nèi)部相干噪聲注入的綜合孔徑微波輻射計聯(lián)合校正方法，其目的是以增加較少的硬件作為代價獲得較好的誤差校正效果，由此解決冗余空間校正中誤差校正效果不佳和內(nèi)部相干噪聲注入校正中極大地增加綜合孔徑微波輻射計重量和體積的技術(shù)問題。本發(fā)明針對綜合孔徑微波輻射計，提供了一種基于冗余空間和內(nèi)部相干噪聲注入的聯(lián)合校正方法，包括下述步驟：(1)基于冗余空間構(gòu)造定標方程；由于長基線的信噪比較差，影響校正精度，為了提高校正精度，僅選擇最短基線作為冗余基線，構(gòu)造所有相關(guān)的定標方程；(2)基于內(nèi)部相干噪聲注入構(gòu)造定標方程；選定少許接收機單元作為內(nèi)部相干噪聲注入單元，通過噪聲注入校正方法獲得其幅度和相位誤差，并構(gòu)造與這些噪聲注入單元相關(guān)的定標方程；(3)聯(lián)立(1)和(2)的所有定標方程，構(gòu)造一個基于冗余空間和內(nèi)部相干噪聲注入的聯(lián)合定標方程組；(4)求解(3)構(gòu)造的聯(lián)合定標方法組，獲得所有接收機的幅度和相位誤差、以及天線臂的異面偏移角；(5)根據(jù)(4)獲得的幅度和相位誤差、以及天線臂的異面偏移角，校正測量的可見度函數(shù)，采用亮溫反演方法獲得校正的亮溫圖像。更進一步地，在步驟(1)中，冗余基線是指不同天線對具有相同的基線，基線是指兩個天線坐標位置的差值(u,v)(以波長為單位)，其計算公式為u＝(xi-xj)\/λ和v＝(yi-yj)\/λ；其中，(xi,yi)表示天線單元i的坐標，λ表示工作波長；最短冗余基線是指距離最短兩個天線對組成的基線。更進一步地，在步驟(1)中，基于最短基線組成的定標方程組是一個病態(tài)的(欠定的，方程組的未知量的個數(shù)多于獨立方程的個數(shù))。更進一步地，在步驟(2)中，內(nèi)部相干噪聲注入是指通過功分網(wǎng)絡(luò)，將噪聲源的噪聲信號等幅度相位地輸入到每個接收機通道，從而實現(xiàn)對接收機通道的誤差校正；通過噪聲注入可獲得接收機通道幅度和相位誤差；少許噪聲注入單元的選擇也是需要精心設(shè)計的。更進一步地，在步驟(2)中，注入相干噪聲單元的個數(shù)由步驟(1)基于最短基線構(gòu)造的方程組的未知量個數(shù)與其獨立定標方程個數(shù)的差值(M)決定，噪聲注入單元個數(shù)最少為M個，以保證步驟(3)組成的聯(lián)合定標方程組是良態(tài)的(正定或超定的)。更進一步地，在步驟(3)中，聯(lián)合定標方程組必須是一個良態(tài)方程組，至少是一個正定方程組。更進一步地，在步驟(4)中，當聯(lián)合定標方程組是超定方程時，選擇最小二乘法求解聯(lián)合定標方程組。更進一步地，在步驟(5)中，所述的亮溫反演方法是采用傅里葉變換。本發(fā)明提供基于冗余空間和內(nèi)部噪聲注入的綜合孔徑微波輻射計聯(lián)合校正方法：首先，構(gòu)造所有基于最短冗余基線的定標方程；其次，基于內(nèi)部噪聲注入構(gòu)造基于噪聲注入的定標方程；隨后，聯(lián)立基于冗余空間和內(nèi)部噪聲注入的定標方程，構(gòu)造一個聯(lián)合的定標方程組；然后，求解聯(lián)合定標方程組獲得綜合孔徑微波輻射計的幅度和相位誤差、以及天線臂的異面失真偏移角；最后，根據(jù)獲得幅度相位誤差和天線臂的異面失真偏移角，校正測量的可見度函數(shù)，采用亮溫反演算法將校正的可見度函數(shù)反演得到校正后的亮溫圖像。總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，在獲得較好的誤差校正效果的同時，可極大地降低綜合孔徑微波輻射計的體積和重量，亦能校正天線臂的異面失真引起的誤差。附圖說明圖1是綜合孔徑微波輻射計誤差模型示意圖；圖2是單臂天線個數(shù)為Nel＝23的交錯“Y”型陣示意圖；天線陣由天線臂“A”(天線編號為1～23)，天線臂“B”(天線編號為24～46)和天線臂“C”(天線編號為47～69)組成；圓圈代表“噪聲注入單元”，可通過定標開關(guān)在天線輸出端口和定標網(wǎng)絡(luò)噪聲輸出端口間切換(如圖1所示)；×代表“正常單元”，直接與天線輸出端口相連；圖3是冗余空間、內(nèi)部噪聲注入和聯(lián)合校正方法獲得相位誤差的殘差圖；圖4是作為測試場景的理想地球亮溫場景；圖5是通過聯(lián)合校正方法校正后的地球亮溫場景；圖6是聯(lián)合校正方法校正后的亮溫殘差圖。具體實施方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。本發(fā)明涉及微波遙感及探測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及用于被動微波遙感的綜合孔徑微波輻射計，可作為地球遙感、月球遙感、深空探測等的遙感器。圖1示出了綜合孔徑微波輻射計誤差模型，為了便于說明，僅示出了與本發(fā)明實施例相關(guān)的部分，詳述如下：綜合孔徑微波輻射計誤差主要包括：接收機通道幅度誤差gk和相位誤差αk、天線臂同面偏移誤差、天線臂異面偏移誤差、天線互耦效應(yīng)、不可分離幅度誤差、不可分離幅度相位等。其中，天線臂同面偏移誤差可用同面偏移角β表示；天線臂異面偏移誤差可用異面偏移角表示。需要注意的是：在綜合孔徑微波輻射計系統(tǒng)中，通過精心設(shè)計，可忽略天線臂同面偏移角β、天線互耦效應(yīng)、不可分離幅度和相位誤差；天線互耦效應(yīng)亦可通過其它已有的方法補償；而天線臂異面偏移誤差對綜合孔徑微波輻射計的亮溫影響較大、無法通過精心的系統(tǒng)設(shè)計而忽略其影響。本發(fā)明只考慮綜合孔徑微波輻射計的接收機通道幅度和相位誤差、以及天線臂異面偏移誤差。綜合孔徑微波輻射計通過天線接收信號后，接收機通道將天線接收到的信號進行下變頻、濾波和放大等，然后將信號輸出到數(shù)字相關(guān)器；數(shù)字相關(guān)器將接收機通道輸出的信號兩兩進行復相關(guān)；復相關(guān)后的輸出為空間頻率域中的可見度函數(shù)。在本發(fā)明中，部分接收機通道可通過旋轉(zhuǎn)開關(guān)注入相干噪聲，被稱為“噪聲注入單元”，用表示，如圖2所示；而剩下的接收機通道直接與天線輸出相連，被稱為“正常單元”，用X表示，如圖2所示；其中，相鄰天線單元間距為d。因此，當僅考慮綜合孔徑微波輻射計幅度和相位誤差，以及天線臂的異面誤差時，處于同一天線臂的兩個天線單元k和j測量的可見度函數(shù)與理想的可見度函數(shù)關(guān)系如下所示：Vk,jraw=gk·gj·Vk,jid·ei(αk-αj)·e-i(k-j)·Θp]]>其中，當k,j∉[1,Nel+1,2Nel+1];]]>否則，Θp＝0。p＝A,B,C。表示天線臂“p”異面偏移角。本發(fā)明提供大型綜合孔徑微波輻射計的聯(lián)合校正方法，其具體步驟如下所示：1、基于冗余空間構(gòu)造定標方程；由于長基線的信噪比較差，影響校正精度，為了提高校正精度，僅選擇最短基線作為冗余基線，構(gòu)造所有相關(guān)的定標方程；2、基于內(nèi)部相干噪聲注入構(gòu)造定標方程；選定少許接收機單元作為內(nèi)部相干噪聲注入單元，通過噪聲注入校正方法獲得其幅度和相位誤差，隨后構(gòu)造與這些噪聲注入單元相關(guān)的定標方程；3、聯(lián)立1和2的所有的定標方程，構(gòu)造一個基于冗余空間和內(nèi)部噪聲注入的聯(lián)合定標方程組；4、求解3的聯(lián)合定標方法組，獲得所有接收機的幅度和相位誤差、以及天線臂的異面偏移角；5、根據(jù)4獲得的幅度和相位誤差、以及天線臂的異面偏移角，校正測量的可見度函數(shù)，采用亮溫反演方法獲得校正的亮溫圖像。下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細的說明，本發(fā)明的實施例基于一個單臂天線數(shù)目為Nel＝23的交錯“Y”型陣，對本發(fā)明方法進行說明。如圖2所示，天線陣由天線臂“A”、天線臂“B”和天線臂“C”組成；天線臂“A”天線編號為1～23、天線臂“B”天線編號為24～46、天線臂“C”天線編號為47～69；相鄰天線單元間距為d。對于其它陣型的綜合孔徑微波輻射計(例如“U”型陣、“T”型陣、“十”型陣、星型陣)，都可采用本發(fā)明方法進行誤差校正。其具體包括下述步驟：(1)基于最短冗余基線，構(gòu)造基于空間冗余定標方程。最短冗余基線相位定標方程為p＝A,B,C；在該實例中，基于最短冗余基線所有可能的定標方程，如下式上部分所示，其未知量的個數(shù)3Nel+6，獨立定標方程的個數(shù)為3Nel，因此至少需要6個額外的獨立定標方程使得定標方程組為良態(tài)(正定或超定)。(2)選擇至少6個接收機單元作為噪聲注入單元，注入相干噪聲，構(gòu)造至少6個額外的獨立定標方程。在冗余空間校正方法中，一般選取最中間的幾個單元作為參考單元，為其它單元提供幅度和相位參考，因此首先選取天線陣最中間的3個單元(“1”、“24”和“47”)作為噪聲注入單元，如圖2所示，通過相干噪聲注入定標獲得中間單元的相位誤差和據(jù)此構(gòu)造3個獨立的相位定標方程和此外，還需在天線臂中額外選取至少3個接收機單元作為噪聲注入單元，并采用類似的過程構(gòu)造至少3個額外的獨立相位定標方程，如下式下部分所示。表1給出了幾種基于通道(幅度和相位)殘差最小化的噪聲注入單元分布以及噪聲注入單元占所有單元個數(shù)的比重。(3)將基于冗余空間相位定標方程(如式1上部分所示)和基于噪聲注入相位定標方程(如式1下部分所示)聯(lián)合，構(gòu)造成一個基于冗余空間和噪聲注入的聯(lián)合相位定標方程組：采用類似的方法構(gòu)造聯(lián)合幅度定標方程組。(4)對(3)中的聯(lián)合定標方程組求解，獲得每個接收機的幅度和相位誤差，以及三個天線臂異面偏移角。(5)根據(jù)(4)獲得的幅度和相位誤差，以及三個天線臂異面偏移角，對測量可見度函數(shù)進行校正，獲得校正的可見度函數(shù)Vm,nc=Vm,nraw·exp(-i(am-an)+i·2π·wmn)\/(gm·gn)]]>對校正后的可見度函數(shù)進行亮溫反演，得到校正后的亮溫圖像。以圖2的交錯“Y”型陣的綜合孔徑微波輻射計為例，假設(shè)每個接收機通道的相位誤差在0～20°范圍內(nèi)隨機分布，其包括三個天線臂的異面偏移角引入的相位誤差，通過冗余空間校正方法(黑色○)、內(nèi)部噪聲注入校正方法(黑色×)和本發(fā)明進行校正獲得相位殘差如圖3所示。此例中采用表1中的“分布3”，接收機單元“1”、“10”、“19”、“24”、“33”、“42”、“47”、“56”和“65”選擇作為噪聲注入單元。由圖3可知：冗余空間校正的相位殘差(黑色○)存在明顯的誤差傳播，天線臂內(nèi)天線單元的相位殘差隨著其到中心單元(“1”、“24”和“47”)的距離增加而增加；內(nèi)部噪聲注入校正相位誤差存在較大的殘差(黑色×)，其主要是由于內(nèi)部相干噪聲注入無法校正天線臂的異面誤差；而本發(fā)明校正的相位殘差較小，能夠極大地降低誤差傳播，且其相位殘差均值和標準差分別為0.003°和0.090°。此外，本發(fā)明獲得3個天線臂的異面偏移角分別為和利用本發(fā)明估算的天線臂偏移角值校正天線臂異面誤差后，3個天線臂異面偏移誤差殘差分別是原始天線臂異面偏移誤差的2.5％、3.5％和1％。說明本發(fā)明能校正天線臂的異面偏移誤差。圖4給出了一個理想的地球亮溫場景(單位:開爾文，簡稱K)作為本發(fā)明的測試場景。假設(shè)綜合孔徑微波輻射計的天線溫度為200K，接收機等效噪聲溫度為450K，接收機通道相位誤差在0～20°范圍內(nèi)隨機分布，接收機通道幅度誤差在0％～5％內(nèi)隨機分布，系統(tǒng)帶寬為100MHz，信噪比為30dB，存在0.2％的不可分離幅度誤差和0.2°的不可分離相位誤差。采用本發(fā)明校正綜合孔徑微波輻射計誤差，同樣噪聲注入單元分布采用表1“分布3”(單元“1”、“10”、“19”、“24”、“33”、“42”、“47”、“56”和“65”選擇為噪聲注入單元)。通過本發(fā)明校正后的亮溫圖像Tcal(ξ,η)如圖5所示，由圖4和圖5可知：校正后的亮溫圖像Tcal(ξ,η)與理想反演的亮溫圖像Tideal(ξ,η)(無誤差)非常接近，輪廓十分清晰，校正效果良好。校正后的殘差亮溫圖(ΔT(ξ,η)＝Tcal(ξ,η)-Tideal(ξ,η))如圖6所示，圖中黑色圓圈內(nèi)的面積用來計算輻射測量誤差，輻射測量誤差σT是指圖6中黑色圓圈內(nèi)殘差亮溫的標準差。此時，σT＝0.91K，說明本發(fā)明校正性能良好。由于本發(fā)明中，當采用表1中“分布3”作為噪聲注入單元時，校正性能良好。此時，本發(fā)明只需9個單元作為噪聲注入單元，而采用噪聲注入校正方法時所有的單元(69個)都必須作為噪聲注入單元。定標網(wǎng)絡(luò)的體積和重量與噪聲注入單元的個數(shù)呈正比。由此可知：在表1中“分布3”的情況下，本發(fā)明所需的定標網(wǎng)絡(luò)的體積和重量僅為噪聲注入校正方法的13.04％。由此可說明：本發(fā)明極大地降低了綜合孔徑微波輻射計的體積和重量。表1.基于通道殘差最小化的5種噪聲注入單元分布本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。