一种基于延时相关的二维综合孔径辐射计成像方法及系统与流程

本发明属于二维综合孔径辐射计成像
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方法及系统。
背景技术：
：目前，最接近的现有技术：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2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+vqvi＝＜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。因此，亟需一种新的综合孔径辐射计成像方法，以克服传统综合孔径辐射计系统缺陷。综上所述，现有技术存在的问题是：天线数目过多而造成的天线位置偏移，天线互偶，方向图不一致性等问题；通道数目过多而造成的通道不一致性等问题导致误差校正困难。同时大型系统往往需要几百个天线和几万个相关器，无论从成本还是系统质量角度考虑都具有劣势。传统综合孔径辐射计系统结构复杂、信号处理繁琐。解决上述技术问题的难度：在研究误差校正方法过程中，由于综合孔径基本理论的固有限制导致系统实现更加复杂化，而减少天线个数又会使空间分辨率达不到要求。解决上述技术问题的意义：能够很好的优化成像系统的结构，降低信号处理的难度，保证成像质量，同时解决成本高和系统质量重的问题。技术实现要素：针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于延时相关的二维综合孔径辐射计成像方法及系统。本发明是这样实现的，一种基于延时相关的二维综合孔径辐射计成像方法，所述基于延时相关的二维综合孔径辐射计成像方法包括：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、傅里叶反演处理最终获得亮温图像。进一步，所述基于延时相关的二维综合孔径辐射计成像方法包括以下步骤：步骤一，确定使用的天线阵列，并对两点点源、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。进一步，步骤三中，对所采集的数据进行延时相加处理之前，需对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，得到校正过后的点源以及背景辐射的延时相加数据。进一步，所述延时相加处理的过程为：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)。进一步，步骤四中，所述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方法包括：(1)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，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)。(2)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.(3)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，根据传统的二维综合孔径辐射计的uv平面，将得到的可见度的值赋值给相应的采样点，得到最终的天线阵列的整个uv平面的可见度，即可得到校正过后的点源以及背景辐射的可见度的值。进一步，所述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过程为：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，取延时时间τ等于ad采样间隔，则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可知：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。进一步，步骤五中，所述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的方法为：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。进一步，所述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的过程为：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。本发明的另一目的在于提供一种基于延时相关的二维综合孔径辐射计成像系统包括：基线差获取模块，用于确定使用的天线阵列，并对两点点源、背景辐射以及校正源进行数据采集；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；延时相加处理模块，用于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；可见度处理模块，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；亮温图像获取模块，用于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。本发明的另一目的在于提供一种存储在计算机可读介质上的计算机程序产品，包括计算机可读程序，供于电子装置上执行时，提供用户输入接口以实施所述基于延时相关的二维综合孔径辐射计成像方法。本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行所述的二维综合孔径辐射计成像方法。本发明的另一目的在于提供一种执行所述二维综合孔径辐射计成像方法的综合孔径微波辐射仪。综上所述，本发明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)576165通道数(个)241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。本发明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本发明提供的基于延时相关的二维综合孔径辐射计成像方法，充分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。本发明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辐射计系统结构复杂、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，但是本发明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。附图说明图1是本发明实施例提供的基于延时相关的二维综合孔径辐射计成像方法流程图。图2是本发明实施例提供的二元干涉仪示意图。图3是本发明实施例提供的4元天线阵列示意图。图4是本发明实施例提供的二元延时复自相关器示意图。图5是本发明实施例提供的24元天线阵列示意图。图6是本发明实施例提供的对两个点源的二维延时综合孔径成像示意图。图7是本发明实施例提供的对两个点源的传统二维综合孔径成像示意图。图8是本发明实施例提供的实验系统效果图1。图9是本发明实施例提供的实验系统效果图2。具体实施方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。传统综合孔径辐射计系统结构复杂、信号处理繁琐。针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于延时相关的二维综合孔径辐射计成像方法及系统，下面结合附图对本发明作详细的描述。本发明实施例提供的基于延时相关的二维综合孔径辐射计成像方法包括：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、傅里叶反演处理最终获得亮温图像。如图1所示，本发明实施例提供的基于延时相关的二维综合孔径辐射计成像方法包括以下步骤：s101，确定使用的天线阵列，并对两点点源、背景辐射以及校正源进行数据采集。s102，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。s103，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。s104，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。s105，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。图2是本发明实施例提供的二元干涉仪示意图。下面结合原理分析对本发明作进一步描述。传统综合孔径辐射计有信号处理繁琐的问题，而本发明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3中的天线阵列为例，其天线位置为：[0+0i1+0i0-1i1-1i]，基线差为[-1-1i-1+0i-1+1i0-1i0+0i0+1i1-1i1+0i1+1i]，相应基线差的个数为[121242121]，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4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。图4是本发明实施例提供的二元延时复自相关器示意图。下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。实施例本发明实施例提供的基于延时相关的二维综合孔径辐射计成像方法的具体实施步骤如下：(1)使用如图5所示的24元天线阵列，对两点点源、背景辐射以及校正源进行数据采集。(2)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。(3)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。(4)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。(5)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。本发明实施例提供的步骤(2)中，天线的位置为[0+0i1+0i2+0i3+0i4+0i5+0i6+0i7+0i0-5i1-5i2-5i3-5i4-5i5-5i6-5i7-5i0-1i0-2i0-3i0-4i7-1i7-2i7-3i7-4i]，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[7-5i7-4i7-3i7-2i7-1i7+0i7+1i7+2i7+3i7+4i7+5i6-5i6-4i6-3i6-2i6-1i6+0i6+1i6+2i6+3i6+4i6+5i5-5i5-4i5-3i5-2i5-1i5+0i5+1i5+2i5+3i5+4i5+5i4-5i4-4i4-3i4-2i4-1i4+0i4+1i4+2i4+3i4+4i4+5i3-5i3-4i3-3i3-2i3-1i3+0i3+1i3+2i3+3i3+4i3+5i2-5i2-4i2-3i2-2i2-1i2+0i2+1i2+2i2+3i2+4i2+5i1-5i1-4i1-3i1-2i1-1i1+0i1+1i1+2i1+3i1+4i1+5i0-5i0-4i0-3i0-2i0-1i0+0i0+1i0+2i0+3i0+4i0+5i1-5i1-4i1-3i1-2i1-1i1+0i1+1i1+2i1+3i1+4i1+5i2-5i2-4i2-3i2-2i2-1i2+0i2+1i2+2i2+3i2+4i2+5i3-5i3-4i3-3i3-2i3-1i3+0i3+1i3+2i3+3i3+4i3+5i4-5i4-4i4-3i4-2i4-1i4+0i4+1i4+2i4+3i4+4i4+5i5-5i5-4i5-3i5-2i5-1i5+0i5+1i5+2i5+3i5+4i5+5i6-5i6-4i6-3i6-2i6-1i6+0i6+1i6+2i6+3i6+4i6+5i7-5i7-4i7-3i7-2i7-1i7+0i7+1i7+2i7+3i7+4i7+5i]。本发明实施例提供的步骤(3)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。本发明实施例提供的步骤(4)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。本发明实施例提供的步骤(5)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6所示。传统二维综合孔径辐射计测量点源成像结果如图7所示，可以看到两者的成像效果一致。下面结合具体实验对本发明作进一步描述。实验系统如图8-图9所示；包含24元天线，ad数据采集设备，两个点源，计算机终端。仿真数据设置：延时时长：x＝500，y＝31；数据长度：4000000。实验过程：将两个点源垂直放置相距23cm，然后利用24元天线进行数据采集，将采集后的数据利用所编写的程序进行校正预处理、延时相加、相关运算求可见度、反演成像。在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(dsl)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，dvd)、或者半导体介质(例如固态硬盘solidstatedisk(ssd))等。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页12