三维均匀采样综合孔径辐射计亮温反演方法与流程

本发明涉及微波遥感、目标探测以及深空探测技术领域，具体涉及一种三维均匀采样综合孔径辐射计亮温反演方法。

背景技术：

综合孔径辐射计利用多个离散的小天线合成等效的大天线孔径，采用稀疏阵列排布，减少天线的质量和体积，可提高被动微波遥感和探测设备的空间分辨率。为保证反演图像的质量，目前综合孔径辐射计的天线阵列只能排列成一维线性阵列和二维平面阵列。而在目标探测和深空探测等应用中，将天线阵列排列三维阵列是不可避免的。

目前尚未见国内外专门针对三维均匀采样综合孔径辐射计的反演方法的报道和研究。反演精度较差、视场较小是三维均匀采样综合孔径辐射计实际应用的难题。

技术实现要素：

针对三维均匀采样综合孔径辐射计反演精度较差和视场较小的缺陷以及改进需求，本发明提供了一种三维均匀采样综合孔径辐射计亮温反演方法，其目的在于在较大的视场中精确地反演三维均匀采样综合孔径辐射计的场景亮温分布图像。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种三维均匀采样综合孔径辐射计亮温反演方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

s1：对三维均匀采样综合孔径辐射计输出的可见度进行三维傅里叶反变换，得到三维图像体；

s2：将反演出的三维图像体映射为二维图像。

进一步地，步骤s1中，具体实现过程可表示为：

三维天线阵列中，根据公式un＝(xi-xj)/λ、vn＝(yi-yj)/λ和wn＝(zi-zj)/λ可计算出三维天线阵列综合孔径辐射计的第n个基线的三维空间频率(un,vn,zn)；(xi,yi,zi)表示第i个单元天线的空间位置坐标，(xj,yj,zj)表示第j个单元天线的空间位置坐标，λ为辐射计接收信号的波长；

假设三维天线阵列中有m个天线单元，则对应的基线数目为个，由于三维均匀采样的天线阵列会产生冗余基线，所以，剔除冗余基线后n＝1,2,3,…,n

将三维均匀采样综合孔径辐射计输出的可见度采样值进行三维傅里叶反变换后得到的图像体可表示为：

式(1)中(ξ,η,κ)表示方向余弦，方向余弦的取值范围大于-1小于1，即ξ,η,κ∈[-1,1]；

式(1)中δs表示最小采样体积，可表示为：

δs＝δu×δv×δw(2)

其中，δu，δv，δw分别表示天线阵列在三维空间频率域中均匀采样的最小间隔；

式(1)中v(un,vn,wn)表示三维均匀采样综合孔径辐射计输出的可见度采样值；

式(1)中表示反演出的三维图像体。

进一步地，步骤s2中，具体实现过程可表示为：

反演出的三维图像体的数学公式可表示为：

其中，δ(·)表示单位冲激函数，令并代入式(3)，即可将三维图像体映射为二维图像tm(ξ,η)，其中tm(ξ,η)即为需要反演的二维图像。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提出一种三维均匀采样综合孔径辐射计亮温反演方法，解决三维均匀采样综合孔径辐射计反演精度差，视场小的难题，有效提升三维均匀采样综合孔径辐射计的反演精度和观测视场，从而推动三维均匀采样综合孔径辐射计的实际应用。

在现有技术路线下，三维的综合孔径天线阵列通过误差校正的方法，将三维可见度校正为二维可见度，然后再通过较为成熟的二维综合孔径辐射计反演算法得到场景亮温分布。但是这种方法只适用于天线阵列尺寸较小的阵列，并且视场范围较小。本发明提出的方法与现有技术路线完全不同，不需要将三维可见度校正为二维可见度。通过三维可见度能直接反演得到场景亮温分布，能适用于天线阵列尺寸较大的阵列，同时视场范围可达全视场。

附图说明

图1为三维均匀采样综合孔径辐射计的结构示意图。

图2为本发明实施例提供的一种三维空间频率域采样模式。

图3为本发明实施例提供的一种模拟观测场景。

图4为本发明实施例提供的一种三维天线阵列综合孔径辐射计反演出的三维图像体。

图5为本发明实施例提供的从三维图像体映射出的二维图像。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

图1示出了三维天线阵列综合孔径辐射计的结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：

三维天线阵列综合孔径辐射计包括依次连接的天线阵列1、接收通道阵列2、相关器3；其中天线阵列1为三维均匀采样阵列，即阵列在三维空间频率域中能够均匀采样。接收通道阵列2包括多个接收通道，一个接收通道对应一个天线单元，接收通道将天线单元接收到的信号进行下变频、滤波和放大。相关器3将接收通道输出的信号两两进行复相关。复相关后的输出为可见度函数。

本发明实施例提供的上述三维均匀采样综合孔径辐射计亮温反演方法具体包括下述步骤：

(1)对三维均匀采样综合孔径辐射计输出的可见度采样进行三维傅里叶反变换。具体计算公式为：

式中，un＝(xi-xj)/λ、vn＝(yi-yj)/λ和wn＝(zi-zj)/λ；其中，(xi,yi,zi)表示第i个单元天线的空间位置坐标，(xj,yj,zj)表示第j个单元天线的空间位置坐标，λ为辐射计接收信号的波长。假设三维天线阵列中有m个天线单元，则对应的基线数目为个。由于三维均匀采样的天线阵列会产生冗余基线。所以，剔除冗余基线后n＝1,2,3,…,n式中(ξ,η,κ)表示方向余弦，方向余弦的取值范围大于-1小于1，即ξ,η,κ∈[-1,1]。式中δs表示最小采样体积，可表示为：

δs＝δu×δv×δw

其中，δu，δv，δw分别表示天线阵列在三维空间频率域中均匀采样的最小间隔。式中v(un,vn,wn)表示三维均匀采样综合孔径辐射计输出的可见度采样值。式中表示反演出的三维图像体。

(2)将反演出的三维图像体映射为二维图像。

具体数学过程可表示为：反演出的三维图像体的数学公式可表示为：

式中，δ(·)表示单位冲激函数。令并代入上式，即可将三维图像体映射为二维图像tm(ξ,η)。其中tm(ξ,η)即为需要反演的二维图像。

实施例：三维均匀采样综合孔径辐射计系统；该实施例中，天线阵在三维空间频率域中均匀采样。如图2所示。图中的每个小×一个空间频率域采样点。

图像反演方法具体步骤如下：

(1)模拟观察场景如图3所示。并将图3作为一个三维均匀采样综合孔径辐射计的观测场景，此辐射计输出的可见度为v(un,vn,wn)。将其输出的可见度进行三维傅里叶反变换。具体计算公式为：

式中，un＝(xi-xj)/λ、vn＝(yi-yj)/λ和wn＝(zi-zj)/λ；其中，(xi,yi,zi)表示第i个单元天线的空间位置坐标，(xj,yj,zj)表示第j个单元天线的空间位置坐标，λ为辐射计接收信号的波长。在此实例中基线数目为2205，即n＝2205。在此实例中，方向余弦的取值范围大于-0.5小于0.5，即ξ,η,κ∈[-0.5,0.5]。式中δs＝5。反演得到的三维图像如图4所示。

(2)令即取三维图像体中单位球面上的反演值。实现从三维图像体到二维图像的映射。如图5所示。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。