基于虛擬天線陣的綜合孔徑輻射計(jì)成像方法研究.pdf

1、綜合孔徑輻射計(jì)采用稀疏排布的小孔徑天線陣列合成等效的大孔徑天線，能夠?qū)崿F(xiàn)瞬時(shí)、寬視場(chǎng)、高分辨率成像，避免了傳統(tǒng)實(shí)孔徑輻射計(jì)的大孔徑天線加工困難以及需要機(jī)械掃描的不足。由于上述優(yōu)勢(shì)，自20世紀(jì)80年代末由射電天文引入對(duì)地遙感應(yīng)用以來(lái)，綜合孔徑輻射測(cè)量相關(guān)技術(shù)與應(yīng)用得到了極大的發(fā)展，以歐洲、美國(guó)和中國(guó)為首的主要國(guó)家或組織都在積極發(fā)展以綜合孔徑輻射計(jì)為載荷的衛(wèi)星遙感觀測(cè)計(jì)劃。
　　然而，已有研究表明微波輻射測(cè)量遭受了嚴(yán)重的射頻干擾(Ra

2、dio Frequency Interference,RFI)影響，這些射頻干擾分布在多個(gè)頻段，呈強(qiáng)點(diǎn)源輻射特征，通常來(lái)自于人為因素，能夠淹沒(méi)原始微波輻射信號(hào)，極大惡化了微波輻射測(cè)量應(yīng)用。不同于實(shí)孔徑輻射測(cè)量，由于寬視場(chǎng)以及有限空間頻率采樣導(dǎo)致成像結(jié)果的吉布斯(Gibbs)效應(yīng)，射頻干擾對(duì)綜合孔徑輻射計(jì)的惡化作用更為顯著。針對(duì)當(dāng)前微波輻射測(cè)量應(yīng)用中面臨的嚴(yán)重射頻干擾源問(wèn)題，本文在深入分析綜合孔徑輻射測(cè)量與一般天線陣列處理原理的基礎(chǔ)上，提

3、出基于虛擬天線陣的綜合孔徑輻射計(jì)成像方法。本文的主要工作概述如下：
　　(1)在簡(jiǎn)要介紹微波輻射測(cè)量原理的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了綜合孔徑干涉測(cè)量模型，分析了綜合孔徑成像基本原理。并基于綜合孔徑干涉測(cè)量和一般陣列處理的基本原理，從數(shù)學(xué)模型與等效陣列因子兩方面重點(diǎn)研究了綜合孔徑干涉測(cè)量和一般陣列處理的統(tǒng)一數(shù)學(xué)框架。理論分析表明，基于一般陣列模型的空間匹配濾波數(shù)字波束形成方法等價(jià)于綜合孔徑輻射計(jì)測(cè)量可見(jiàn)度函數(shù)經(jīng)過(guò)某個(gè)窗函數(shù)的傅里葉變換，其中該窗

4、函數(shù)為天線陣列位置決定二維序列的自相關(guān)函數(shù)。因而可以得到，對(duì)于具有稀疏陣列排布的綜合孔徑輻射計(jì)，直接應(yīng)用基于一般陣列處理模型的波束形成方法將導(dǎo)致惡化的成像性能。
　　(2)針對(duì)已有綜合孔徑輻射計(jì)成像方法對(duì)應(yīng)等效陣列因子特征(如零陷位置、零陷深度、旁瓣水平、主波束效率等)無(wú)法有效調(diào)整的不足，提出基于陣列因子綜合的綜合孔徑輻射計(jì)成像方法。該方法建立了綜合孔徑輻射計(jì)與虛擬天線陣的等效數(shù)學(xué)模型，給出了綜合孔徑輻射計(jì)陣列因子的一般表達(dá)，并由

5、此提出了基于權(quán)向量范數(shù)最小化和旁瓣水平最小化的陣列因子綜合方法。此外，進(jìn)一步分析了提出陣列因子綜合方法與傳統(tǒng)窗函數(shù)的數(shù)學(xué)關(guān)系，并由此提出了權(quán)向量標(biāo)度化的必要性。理論分析表明，在一定的條件下，本文提出的方法可以等價(jià)于A.Camps等人先前提出的方法以及經(jīng)典傅里葉方法。最后，通過(guò)仿真分析和歐空局SMOS衛(wèi)星實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)證實(shí)了本文提出方法的有效性，并定性和定量地評(píng)估了本文提出方法對(duì)SMOS射頻干擾源的緩解性能。SMOS射頻干擾源緩解實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

6、由于SMOS系統(tǒng)存在的殘余校正誤差，基于權(quán)向量范數(shù)最小化模型的陣列因子綜合方法能有效地緩解中等或較弱強(qiáng)度的射頻干擾源；而針對(duì)強(qiáng)射頻干擾源，在損失空間分辨率的代價(jià)下，基于旁瓣水平最小化模型的陣列因子綜合方法具有更好的射頻干擾源緩解性能。
　　(3)基于綜合孔徑輻射計(jì)的稀疏陣列排布特點(diǎn)，提出了基于增廣協(xié)方差矩陣的射頻干擾源定位方法。該方法將具有稀疏陣列的綜合孔徑輻射計(jì)等效為具有更多陣元的虛擬全填充陣，分析了典型綜合孔徑輻射計(jì)陣列(如U

7、、T、Y和六邊形陣等)的虛擬全填充陣模型，研究了由原始測(cè)量可見(jiàn)度函數(shù)實(shí)現(xiàn)虛擬填充陣增廣協(xié)方差矩陣構(gòu)造的方法，并以MUSIC算法為例，提出了基于增廣協(xié)方差矩陣的高分辨率射頻干擾源定位方法。針對(duì)SMOS射頻干擾源定位應(yīng)用，具體分析了SMOS Y形陣的虛擬全填充陣構(gòu)造方法，并通過(guò)實(shí)測(cè)SMOS數(shù)據(jù)證實(shí)了提出方法的有效性。實(shí)測(cè)SMOS數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在與先前方法具有可比較的定位精度條件下，提出方法的射頻源定位結(jié)果具有更好的空間分辨率、更小的旁瓣

8、或拖尾效應(yīng)以及最大的可辨識(shí)射頻源個(gè)數(shù)等優(yōu)勢(shì)。此外，針對(duì)輻射場(chǎng)景成像應(yīng)用，進(jìn)一步研究了基于增廣協(xié)方差矩陣的數(shù)字波束形成方法，并通過(guò)華中科技大學(xué)綜合孔徑輻射計(jì)HUST-ASR原型樣機(jī)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了提出方法的有效性。
　　(4)基于射頻干擾源的空間稀疏分布特性，提出了基于壓縮感知的射頻干擾源定位方法?；诰C合孔徑輻射計(jì)的虛擬天線陣模型，結(jié)合射頻干擾源的空間稀疏分布特性，提出了基于l1范數(shù)最小化和重加權(quán)l(xiāng)1范數(shù)最小化的射頻干擾源定位方法，并分