基于虛擬天線陣的綜合孔徑輻射計成像方法研究.pdf

1、綜合孔徑輻射計采用稀疏排布的小孔徑天線陣列合成等效的大孔徑天線，能夠實現(xiàn)瞬時、寬視場、高分辨率成像，避免了傳統(tǒng)實孔徑輻射計的大孔徑天線加工困難以及需要機械掃描的不足。由于上述優(yōu)勢，自20世紀80年代末由射電天文引入對地遙感應用以來，綜合孔徑輻射測量相關技術與應用得到了極大的發(fā)展，以歐洲、美國和中國為首的主要國家或組織都在積極發(fā)展以綜合孔徑輻射計為載荷的衛(wèi)星遙感觀測計劃。
　　然而，已有研究表明微波輻射測量遭受了嚴重的射頻干擾(Ra

2、dio Frequency Interference,RFI)影響，這些射頻干擾分布在多個頻段，呈強點源輻射特征，通常來自于人為因素，能夠淹沒原始微波輻射信號，極大惡化了微波輻射測量應用。不同于實孔徑輻射測量，由于寬視場以及有限空間頻率采樣導致成像結果的吉布斯(Gibbs)效應，射頻干擾對綜合孔徑輻射計的惡化作用更為顯著。針對當前微波輻射測量應用中面臨的嚴重射頻干擾源問題，本文在深入分析綜合孔徑輻射測量與一般天線陣列處理原理的基礎上，提

3、出基于虛擬天線陣的綜合孔徑輻射計成像方法。本文的主要工作概述如下：
　　(1)在簡要介紹微波輻射測量原理的基礎上，推導了綜合孔徑干涉測量模型，分析了綜合孔徑成像基本原理。并基于綜合孔徑干涉測量和一般陣列處理的基本原理，從數(shù)學模型與等效陣列因子兩方面重點研究了綜合孔徑干涉測量和一般陣列處理的統(tǒng)一數(shù)學框架。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于綜合孔徑輻射計測量可見度函數(shù)經(jīng)過某個窗函數(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函數(shù)。因而可以得到，對于具有稀疏陣列排布的綜合孔徑輻射計，直接應用基于一般陣列處理模型的波束形成方法將導致惡化的成像性能。
　　(2)針對已有綜合孔徑輻射計成像方法對應等效陣列因子特征(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成像方法。該方法建立了綜合孔徑輻射計與虛擬天線陣的等效數(shù)學模型，給出了綜合孔徑輻射計陣列因子的一般表達，并由

5、此提出了基于權向量范數(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)學關系，并由此提出了權向量標度化的必要性。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，通過仿真分析和歐空局SMOS衛(wèi)星實測數(shù)據(jù)證實了本文提出方法的有效性，并定性和定量地評估了本文提出方法對SMOS射頻干擾源的緩解性能。SMOS射頻干擾源緩解實驗結果表明：

6、由于SMOS系統(tǒng)存在的殘余校正誤差，基于權向量范數(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度的射頻干擾源；而針對強射頻干擾源，在損失空間分辨率的代價下，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的稀疏陣列排布特點，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，研究了由原始測量可見度函數(shù)實現(xiàn)虛擬填充陣增廣協(xié)方差矩陣構造的方法，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SMOS射頻干擾源定位應用，具體分析了SMOS Y形陣的虛擬全填充陣構造方法，并通過實測SMOS數(shù)據(jù)證實了提出方法的有效性。實測SMOS數(shù)據(jù)實驗結果表明，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果具有更好的空間分辨率、更小的旁瓣

8、或拖尾效應以及最大的可辨識射頻源個數(shù)等優(yōu)勢。此外，針對輻射場景成像應用，進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，并通過華中科技大學綜合孔徑輻射計HUST-ASR原型樣機實驗證實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合孔徑輻射計的虛擬天線陣模型，結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l(xiāng)1范數(shù)最小化的射頻干擾源定位方法，并分