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
【技术领域】
[0001] 本发明涉及旋转分时采样综合孔径辐射计领域，尤其涉及一种基于旋转分时采样 的综合孔径辐射计的相位自定标方法。
【背景技术】
[0002] 被动微波遥感综合孔径成像技术，最早应用于射电天文领域，后来在卫星遥感对 地观测领域取得成功应用。该技术使用干涉仪进行干涉测量成像，可缩短天线实际物理尺 寸，利用小尺寸天线接收到的信号进行孔径合成，从而获得足够的空间分辨率。在保证成像 时间及图像指标的前提下，为尽可能降低系统的复杂度，可利用天线单元数目较少的稀疏 阵列通过旋转完成分时采样，对非稀疏阵列进行等效，在牺牲时间分辨率的前提下降低了 系统的成本，从而用相对简单的系统获得了较高空间分辨率的图像。
[0003] 被动遥感仪器都需要定标来精确地修正仪器结构自身的误差，确定仪器输出与目 标真实输入之间的关系，实现仪器输出数据定量化，满足应用需求。基于综合孔径原理的成 像辐射计在设计实现上的一大难点就是对原始信号的定标校正。综合孔径辐射计采用干涉 测量成像，而干涉对信号的相位非常敏感，因此综合孔径辐射计在幅度定标的同时还需要 考虑相位的定标。
[0004] 现有的综合孔径辐射计，通常采用公共噪声注入的方式进行相位定标(Corbella I,Torres F,Camps A,et al.MIRAS end-to-end calibration:application to SM0S Llprocessor:IEEE Transactions on Geoscience&Remote Sensing,2005,Volume 43， Section 5，pp. 1126-1134.)。其基本原理为，将一公共噪声源的信号经过多路功分后注入 到不同的接收机中，根据相关器的结果计算出通道两两间的相位差。该方法原理简单，且在 理论上对所有的综合孔径辐射计均适用。但该方法在实现中会遇到各种问题，由于对信号 源的功分具有不一致性，因此需要引入高低两个公共噪声源，如果一个公共噪声源功分网 络难以有效覆盖全部接收机，则需要引入多个公共噪声源网络进行有重叠的覆盖，从而实 现所有接收机的两两相位校正。该方法在实际应用中对器件的稳定性要求高，并且在硬件 上会引入复杂的定标专用结构。当综合孔径辐射计的工作频率较高时，比如毫米波或亚毫 米波综合孔径辐射计，由于受器件加工工艺的限制，该方法很难实现。
[0005] 另外，综合孔径福射计的相位定标还可采用自定标的方法(Torres F,Tanner A B,Brown S T,et al.Analysis of Array Distortion in a Microwave Interferometric Radiometer:Application to the GeoSTAR Project：IEEE Transactions on Geoscience&Remote Sensing,2007,Volume 45，Section 7，pp. 1958-1966·)。将综合孔径 辐射计进行旋转测量和冗余基线测量，利用旋转冗余信息和基线冗余信息可构成冗余方程 组，然后解得各通道的相位。该方法的优点在于不需要辐射计自身测量结构以外的相位定 标硬件机构。但是，以往的这种相位自定标方法的缺点在于，冗余方程的信噪比很差，需依 靠外部点源目标或类似点源目标来保证冗余方程的信噪比；以往的综合孔径辐射计往往采 用静止成像模式，即在成像过程中，阵列静止不动，因此需要分配单独的相位定标时间，通 过阵列的旋转完成相位定标；以往的相位定标方法对于方程解产生的相位模糊问题无法通 过自身数据进行消除，需依靠对各通道相位信息的提前预估完成相位去模糊(Jin R，Li Q， Chen K，et al.An On-Board External Calibration Method for Aperture Synthesis Radiometer by Rotation:Geoscience&Remote Sensing Letters IEEE，2012，Volume 9， Section 5,pp.901-905.)〇
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于，为突破现有的综合孔径辐射计相位定标技术的困境，克服现 有相位自定标对目标源的依赖，本发明提供了一种基于旋转分时采样的综合孔径辐射计的 相位自定标方法，该相位自定标方法针对旋转分时采样体制的综合孔径辐射计，利用时间 加权平均和基线幅度加权的方式提高了冗余方程组的信噪比，与去模糊预置信息相结合， 提出了一套完备的相位自定标方法。
[0007] 为实现上述目的，本发明提供的一种基于旋转分时采样的综合孔径辐射计的相位 自定标方法，该方法包含如下步骤：
[0008] 步骤1)利用综合孔径辐射计测量获得的冗余测量数据构建去噪优化的冗余方程 组，并对其进行求解，得到带有相位模糊的初步通道相位结果；
[0009] 步骤2)利用去模糊处理预置信息对带有相位模糊的初步通道相位结果进行去模 糊处理，得到无模糊的当前通道相位测量结果；
[0010] 步骤3)利用无模糊的当前通道相位测量结果和通道相位模型，进行优化滤波，得 到最终通道相位结果，并完成对通道相位模型的更新。
[0011] 作为上述技术方案的进一步改进，所述去噪优化的冗余方程组包含去噪优化的旋 转冗余方程组和去噪优化的基线冗余方程组;所述的去噪优化的旋转冗余方程组的每一方 程均通过旋转共辄冗余测量经时间加权平均和基线幅度加权得到，所述去噪优化的基线冗 余方程组的每一方程均通过冗余基线测量经时间加权平均和基线幅度加权得到。
[0012] 作为上述技术方案的进一步改进，所述相位自定标方法将根据旋转分时采样综合 孔径辐射计对目标测量过程中的冗余测量信息进行相位自定标，所述相位自定标流程与目 标观测同步进行，所述旋转分时采样的综合孔径辐射计的旋转角度2 180°。
[0013] 作为上述技术方案的进一步改进，所述去噪优化的旋转冗余方程组的构建步骤 为：
[0014] 步骤101)对于任意基线ab，在阵列旋转角度Θ和Θ+3Ι时，测量得到一组旋转共辄冗 余测量数据；
[0015] 步骤102)取步骤101)中测量得到的多组旋转共辄冗余测量数据经时间加权平均， 构成去噪优化的基线旋转冗余方程，所述的时间加权平均是根据多组旋转共辄冗余测量数 据的幅值大小进行加权求平均；
[0016] 步骤103)取步骤102)中计算得到的η个去噪优化的基线旋转冗余方程经基线幅度 加权后进行联立，形成去噪优化的旋转冗余方程组，所述的基线幅度加权是根据基线旋转 一圈测量数据的幅值平均值大小进行加权。
[0017] 作为上述技术方案的进一步改进，所述去噪优化的基线冗余方程组的构建步骤 为：
[0018] 步骤201)对于等长的冗余基线ab和cd在倾斜角度Θ时，测量得到一组基线冗余测 量数据；
[0019] 步骤202)取步骤201)中测量得到的多组基线冗余测量数据经时间加权平均后构 成去噪优化的基线冗余方程，所述的时间加权平均是根据多组基线冗余测量数据的幅值大 小进行加权求平均；
[0020] 步骤203)取步骤202)中计算得到的η个去噪优化的基线冗余方程经基线幅度加权 后进行联立，形成去噪优化的基线冗余方程组，所述的基线幅度加权是根据冗余基线旋转 一圈测量数据的幅值平均值大小进行加权。
[0021] 作为上述技术方案的进一步改进，所述的去模糊处理预置信息包含超短基线相位 预置信息，所述的超短基线相位预置信息通过对天线阵列中的前η组基线的电尺寸长度进 行预估得到。具体过程为将天线阵列形成的所有基线按照由短到长的顺序排列，其中最短 的基线为第1组，以此类推，设阵列基线共有Ν组，则n SN。由于前η组基线长度短，对目标的 细节不敏感，因此可依据其电尺寸长度，对其相位进行合理预估。
[0022] 作为上述技术方案的进一步改进，所述的去模糊处理预置信息包含阵列冗余基线 信息，所述的阵列冗余基线信息根据天线阵列的冗余基线进行构建，对于冗余基线ab和冗 余基线cd，其在相同倾斜角度下的理想测量值相同。如果两个冗余基线中的一个冗余基线 已经完成相位去模糊，则依据冗余基线测量结果相等的原理，可对另一个冗余基线进行去 模糊处理。
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