一种一维干涉式微波辐射计图像反演方法
【专利摘要】本发明涉及一种一维干涉式微波辐射计图像反演方法，包括：测量一维干涉式微波辐射计中各单元天线的二维天线方向图，并对天线单元阵列进行稀疏排布，形成满足成像要求的基线覆盖；将二维天线方向图转换为一维天线方向图，并利用转换得到的一维天线方向图计算得到一维干涉式微波辐射计的测量系统响应矩阵；利用一维干涉式微波辐射计的测量系统响应矩阵和系统测量并校准后的可见度函数，进行图像反演得到高精度亮温图像。
【专利说明】
一种一维干涉式微波辐射计图像反演方法
技术领域
[0001] 本发明涉及辐射计成像领域，特别涉及一种一维干涉式微波辐射计图像反演方 法。
【背景技术】
[0002] 干涉式综合孔径微波辐射计测量原理不同于传统的真实孔径微波辐射测量。其不 是直接在空间域进行亮温测量，而是一种间接测量。干涉式微波辐射计首先对目标空间频 谱进行测量，然后通过傅立叶变换，反演得到目标的亮温信息。
[0003] 由于采用上述间接测量方式，干涉式综合孔径微波辐射计的亮温测量误差除了来 源于硬件系统自身的误差以外，还来自于从空间频率域的原始测量数据到空间域的亮温图 像的反演方法。在辐射计的大部分应用领域，对亮温图像的测量误差有较高的要求。例如在 星载海洋盐度遥感应用中，对于L波段辐射计亮温测量精度要求达到0.1K量级，这就要求综 合孔径辐射计的亮温图像反演方法误差也需要控制在〇. 1K以内。
[0004] 在传统的一维综合孔径辐射计成像方法中，其可见度函数的建模通常只考虑一维 视场分布（参见参考文献 1:C.T. Swift，D.M. LeVine，C.S.Ruf, "Aperture Synthesis Concepts in Microwave Remote Sensing of the Earth"，IEEE TRANS,vo1.39, no .12, Dec ,1991)。其中包括美国提出的一维综合孔径辐射计ESTAR(参见参考文献2:D.M. LeVine, A·J·Griffis，C·T·Swift，T·J·Jackson，"ESTAR:A Synthetic Aperture Microwave Radiometer for Remote Sensing Applications"，Proceedings of the IEEE,vol.82, issue. 12，pp. 1787-1801，Aug，2002)，中科院空间中心提出的X波段全极化一维综合孔径辐 射计(参见参考文献3:杨晓城，阎敬业，吴季，"改进的G矩阵模型法在全极化综合孔径辐射 计中的应用"，北京理工大学学报，vol. 35，no. 7，pp. 750-754,2015年7月），在成像方法中均 采用了 一维天线方向图的建模方式。然而对星载对地观测一维综合孔径辐射计，其观测视 场为二维地球圆盘，而反演得到的目标亮温图像为一维的条带，所以在图像反演时，需要应 用一维的天线方向图。传统的方法会预先测量天线方向图中最大值所在的一列用于亮温图 像反演，而这样的图像反演算法会引入较大的天线方向图误差，不能满足海洋盐度探测对 亮温反演误差的要求。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于克服已有的一维干涉式微波辐射计图像反演方法会引入较大 的天线方向图误差的缺陷，从而提供一种能有效提高反演目标亮温精度的方法。
[0006] 为了实现上述目的，本发明提供了一种一维干涉式微波辐射计图像反演方法，包 括：
[0007] 步骤1)、测量一维干涉式微波辐射计中各单元天线的二维天线方向图，并对天线 单元阵列进行稀疏排布，形成满足成像要求的基线覆盖；
[0008] 步骤2)、将步骤1)中测量得到的二维天线方向图转换为一维天线方向图，并利用 转换得到的一维天线方向图计算得到一维干涉式微波辐射计的测量系统响应矩阵；
[0009] 步骤3)、利用步骤2)得到的一维干涉式微波辐射计的测量系统响应矩阵和系统测 量并校准后的可见度函数，进行图像反演得到高精度亮温图像。
[0010] 上述技术方案中，所述步骤2)进一步包括：
[0011] 步骤2-1)、对测量得到的二维天线方向图做幅度归一化处理，所述幅度归一化处 理的表达式为：
[0013] 其中，?·η(ξ，η)为幅度归一化处理后的二维天线方向图，?·η(ξ，η)为测量得到的二 维天线方向图，fn m(c，η)为天线方向图幅度最大值，ξ、η分别为像素方向余弦， f = sin dsili沪' 7/ =卻&〇巧；0和识为从天线阵列观测的远场像素点在球坐标系下的角度 值；
[0014] 步骤2-2)、根据测量得到的二维天线方向图计算单元天线的波束立体角，其计算 式为：
[0016] 其中，Ω表示单元天线的波束立体角；
[0017] 步骤2-3)、由步骤2-1)得到的幅度归一化处理后的二维天线方向图以及步骤2-2) 得到的单元天线的波束立体角计算归一化二维天线方向图，其计算公式为：
[0019] 其中，FnU，n)表示归一化二维天线方向图；
[0020] 步骤2-4)、根据天线阵列的基线排布，计算得到各基线所对应的二维基线天线方 向图叫,(44) = Μ .其中，下标k代表第k个天线，下标j代表第j个天线，Fnk ，+ (ξ，η)代表了天线阵列中第k个天线归一化的天线方向图；*代表复数的共辄，約代表 天线阵列中第j个天线归一化方向图的共辄值；
[0021] 步骤2-5)、将二维基线方向图在η向进行离散积分，得到一维基线天线方向图，其 计算公式为：
[0023]其中Ν为天线方向图在τι向的离散采样点数，As为积分因子；
[0024] 步骤2-6)、利用步骤2-5)转换得到的一维基线天线方向图，计算得到一维干涉式 微波辐射计测量系统响应矩阵一G矩阵G kj= Λ aAP^jeK;
[0025] 其中Δ si为积分因子，u为归一化为波长的基线长度。
[0026] 上述技术方案中，所述步骤3)进一步包括：
[0027]步骤3-1)、利用广义逆矩阵、差分正则化算法计算得到G矩阵的逆矩阵[G] + = f ([G])，其中f代表G矩阵求逆的算法；
[0028] 步骤3-2)、由G矩阵的逆矩阵计算得到反演的图像亮温： 示系统测量并校准后的可见度函数。
[0029] 本发明的优点在于：
[0030] 本发明的图像反演方法有效避免了由于天线方向图误差而引入的亮温反演误差， 从而提高了一维综合孔径辐射计反演目标亮温的精度，为星载一维综合孔径辐射计的海洋 盐度测量奠定了基础。
【附图说明】
[0031] 图1(a)是采用现有技术所得到的Η极化二维基线天线方向图；
[0032] 图1(b)是采用现有技术所得到的V极化二维基线天线方向图；
[0033] 图2(a)是Η极化前向二维海洋视场亮温模型图；
[0034] 图2(b)是V极化前向二维海洋视场亮温模型图；
[0035] 图3(a)是二维转一维后的Η极化一维基线天线方向图；
[0036] 图3(b)是二维转一维后的V极化一维基线天线方向图；
[0037] 图4(a)是采用本发明的方法重构的Η极化海洋视场亮温图像示意图；
[0038] 图4(b)是采用本发明的方法重构的V极化海洋视场亮温图像示意图；
[0039] 图5(a)是采用本发明的方法重构的Η极化海洋视场亮温图像与原始图像的重构误 差不意图；
[0040] 图5(b)是采用本发明的方法重构的V极化海洋视场亮温图像与原始图像的重构误 差不意图；
[0041 ]图6是本发明的一维干涉式微波辐射计图像反演方法的流程图。
【具体实施方式】
[0042] 现结合附图对本发明作进一步的描述。
[0043] 在下列的实施例中，本发明的一维干涉式微波辐射计图像反演方法以星载L波段 的海洋盐度测量系统为例进行说明，在其他实施例中，本发明的方法也可用于其他波段的 一维干涉式微波辐射计测量系统。
[0044] 本发明的一维干涉式微波辐射计图像反演方法可具体描述为：
[0045] 步骤101)、测量一维干涉式微波辐射计中各单元天线的二维天线方向图，并对天 线单元阵列进行稀疏排布，形成满足成像要求的基线覆盖。
[0046] 步骤102)、对测量得到的二维天线方向图做幅度归一化处理，
其中，?·η(ξ，η)为幅度归一化处理后的二维天线方向图，?·η(ξ，η)为测量得到的二维天线方 向图，fnm(ξ，η)为天线方向图幅度最大值，ξ、n分别为像素方向余弦silt ， 它们的具体取值可从二维天线方向图中得到。其中，θ和炉为从天线阵列观测的远场像素点 在球坐标系下的角度值。θ和口共同确定了二维目标视场中像素的位置。
[0047] 步骤103)、根据测量得到的二维天线方向图计算单元天线的波束立体角，其计算 式为：
[0049] 步骤104)、由步骤102)得到的幅度归一化处理后的二维天线方向图以及步骤103) 得到的单元天线的波束立体角计算归一化二维天线方向图，其计算公式为：
[0051] 步骤105)、根据天线阵列的基线排布，计算得到各基线所对应的二维基线天线方 向图:其中，下标k代表第 k个天线，下标j代表第j个天线，Fnk( ξ，η)代表
了天线阵列中第k个天线归一化的天线方向图，其计算公式为 代表复数的共辄，以(心7)代表天线阵列中第j个天线归一化方向图的共辄值。
[0052] 步骤106)、将二维基线方向图在η向进行离散积分，即可得到一维基线天线方向 图，其计算公式为：
[0054] 其中Ν为天线方向图在τι向的离散采样点数，As为积分因子；
[0055] 步骤107)、利用步骤106)转换得到的一维基线天线方向图，计算得到一维干涉式 微波辐射计测量系统响应矩阵-G矩阵G kj= Λ wAP^je^21^，其中Δ S1为积分因子，u为归一 化为波长的基线长度；
[0056]步骤108)、利用广义逆矩阵、差分正则化算法计算得到G矩阵的逆矩阵[G] + = f ([G])，其中f代表G矩阵求逆的算法；
[0057] 步骤109)、由G矩阵的逆矩阵可计算得到反演的图像亮温= 其中v 为系统测量并校准过的可见度函数，如何测量并校准为现有技术。
[0058] 在一个实施实例中，天线形式为抛物柱型反射面天线，天线馈源单元数设计为8 个，最短基线为(111 = 0.61251，最长基线为11 = 20(111。图1为采用现有技术中计算得到的二维基 线天线方向图。为了更接近于真实测量环境，设置的模拟观测目标为二维海洋视场亮温模 型（图2)。系统测量的可见度函数可以计算为其中= 丨片，咖为 考虑了真实二维视场的系统G矩阵响应。
[0059] 图3表示了转换后的一维基线天线方向图。逆G矩阵的计算采用广义逆矩阵算法： [G] + = GHx(GXGHri，图4和图5分别为利用公式六尽w = 卞反演得到的图像亮温以及与 原始图像亮温的比较结果。图像反演结果表明反演误差控制在0.09K左右，满足海洋盐度卫 星探测的精度需求。
[0060] 最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参 照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方 案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明 的权利要求范围当中。
【主权项】
1. 一种一维干设式微波福射计图像反演方法，包括： 步骤1)、测量一维干设式微波福射计中各单元天线的二维天线方向图，并对天线单元 阵列进行稀疏排布，形成满足成像要求的基线覆盖； 步骤2)、将步骤1)中测量得到的二维天线方向图转换为一维天线方向图，并利用转换 得到的一维天线方向图计算得到一维干设式微波福射计的测量系统响应矩阵； 步骤3)、利用步骤2)得到的一维干设式微波福射计的测量系统响应矩阵和系统测量并 校准后的可见度函数，进行图像反演得到高精度亮溫图像。2. 根据权利要求1所述的一维干设式微波福射计图像反演方法，其特征在于，所述步骤 2)进一步包括： 步骤2-1)、对测量得到的二维天线方向图做幅度归一化处理，所述幅度归一化处理的 表达式为：其中，fnU，ri)为幅度归一化处理后的二维天线方向图，?·η(ξ ,11)为测量得到的二维天线 方向图，fnmU，ri)为天线方向图幅度最大值，ξ、η分别为像素方向余弦，i = 7? = sii0?)sp; θ和0为从天线阵列观测的远场像素点在球坐标系下的角度值； 步骤2-2)、根据测量得到的二维天线方向图计算单元天线的波束立体角，其计算式为：其中，Ω表示单元天线的波束立体角； 步骤2-3)、由步骤2-1)得到的幅度归一化处理后的二维天线方向图W及步骤2-2)得到 的单元天线的波束立体角计算归一化二维天线方向图，其计算公式为：其中，化化，η)表示归一化二维天线方向图； 步骤2-4)、根据天线阵列的基线排布，计算得到各基线所对应的二维基线天线方向图 /^;,(4'训==厂",;(《，/7)'旬(如/).其中，下标1^代表第1^个天线，下标^'代表第^'个天线少祉化，11) 代表了天线阵列中第k个天线归一化的天线方向图；*代表复数的共辆，代表天线 阵列中第j个天线归一化方向图的共辆值； 步骤2-5)、将二维基线方向图在η向进行离散积分，得到一维基线天线方向图，其计算 公式为：:7 其中Ν为天线方向图在η向的离散采样点数，As为积分因子； 步骤2-6)、利用步骤2-5)转换得到的一维基线天线方向图，计算得到一维干设式微波 福射计测量系统响应矩阵一G矩阵Gkj= Δ siAp/kje^2?S 其中Δ SI为积分因子，u为归一化为波长的基线长度。3.根据权利要求2所述的一维干设式微波福射计图像反演方法，其特征在于，所述步骤 3)进一步包括： 步骤3-1)、利用广义逆矩阵、差分正则化算法计算得到G矩阵的逆矩阵[G] + = f([G])，其 中f代表G矩阵求逆的算法； 步骤3-2)、由G矩阵的逆矩阵计算得到反演的图像亮溫：'/侣//)=[6'^/.其中，￥表示系 , 统测量并校准后的可见度函数。
【文档编号】G01J5/60GK106092336SQ201610577183
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年7月20日 公开号201610577183.2, CN 106092336 A, CN 106092336A, CN 201610577183, CN-A-106092336, CN106092336 A, CN106092336A, CN201610577183, CN201610577183.2
【发明人】武林, 刘浩, 金梦彤, 张 成, 吴季
【申请人】中国科学院国家空间科学中心