Ka波段毫米波综合孔径辐射计成像研究

文章编号:1005-6122(2010)02-0085-05

Ka波段毫米波综合孔径辐射计成像研究*

陈柯朱耀庭郭伟李青侠桂良启靳荣

(华中科技大学电子与信息工程系,武汉430074)

摘要:华中科技大学电磁场与微波技术中心已经设计并研制出一套工作于K a波段的16阵元一维毫米波综合孔径辐射成像系统HU S T-A SR,样机采用了最小冗余稀疏直线阵列以及先进的数字相关技术。阵列幅相误差对综合孔径辐射计成像会产生严重影响,文中提出一种不增加系统硬件复杂度、易于实现的单外部辅助源校正方法,给出在辐射计低信噪比条件下的校正算法,并进行了成像试验验证。试验结果表明,该校正方法能够有效校正毫米波综合孔径辐射计的幅相误差,经过校正后的成像系统对自然场景实现了非常清晰的毫米波综合孔径亮温图像,空间分辨率达到0.64b,证明该系统具有良好的成像性能。

关键词:毫米波辐射成像,综合孔径辐射计,校正

Ka-BandM illi m eterW ave Aperture Synt hesis

Radio m eter I magi ng Research

CHEN K e,ZHU Y ao-ting,GUO W ei,LI Q ing-x i a,GUI L iang-q i,JIN R ong

(E lectronics an d Information Eng i neering D epart m ent,H uazhon g Universit y of Science and T echnology,W uhan430074,Ch i na)

Abstract:A n1-D(one-di m ensi onal)16-e l em ent K a-band m illi m eter w ave aperture synthesis radi om eter(A SR)i m a-

g i ng sy stem,HU ST-A SR,w as deve l oped by C enter f o r E lectro m agne ti c F i e l d and M icro w ave T echno l ogy,Huazhong U n i ve r-

sity of Science and T echno l ogy,w hich used m i ni m u m-redundancy thi nned li near array and advanced d i g ita l co rre lati on tech-no l ogy.Phase and a m plit ude errors of t he array have great i nfl uence on the A SR i m ag i ng.In t h is pape r,a si m p l e and effec-ti ve ca libration approach t hat m akes use o f si ng l e ex ternal source i n a known locati on and a cali brati on algor it h m for the low SNR conditi on of rad i o m e ter are proposed to ca li b rate the e rrors,wh i ch i s ver ifi ed by i m ag i ng exper i m ents.T he exper i m ent resu lts,som e good m illi m e ter w ave ape rt ure syn t hesis bri ghtness te mperature i m ages,show that phase and a m plitude ca libra-ti on are suffi c ientl y accura te to satisf y for the m illi m e ter w av e A S R requ ire m ents,and t he HU S T-A S R w i th0.64b sp ita l reso-luti on has good i m ag i ng pe rf o r m ance.

K ey word s:M illi m e ter w ave rad i om etr i c i m ag i ng,A pe rt ure synthes i s rad i ome ter,C ali brati on

引言

毫米波辐射成像具有全天时全天候的工作能力,可以提供红外、光学探测器不能提供的特殊信息,因而在遥感和军事上获得了广泛的应用[1]。但是传统的单孔径、机械扫描成像方式在灵敏度和分辨率等方面已经不能满足日益增长的应用需求,近年来随着毫米波器件和计算机技术的飞速发展,综合孔径阵列成像技术从射电天文领域引入到辐射成像领域[2],发展成为一种新型的毫米波辐射成像方式。

综合孔径辐射计的基本思想是用稀疏排列的小孔径天线阵列合成大的实孔径天线,不同于传统辐射计,它应用了干涉测量的原理,利用不同基线的双通道相关辐射计对视场内场景亮温的空间频率域进行采样测量)))天文学上称之为可见度函数V,然后对其进行逆傅立叶变换得到场景亮温图像。综合孔径技术可以解决天线口径对空间分辨率的限制问题,而且无需扫描即可对视场瞬时成像,具有实时成像潜力。但是综合孔径辐射计这些技术上的优点是

第26卷第2期2010年4月

微波学报

J OURNA L O F M I CROW AV ES

V o.l26N o.2

A pr.2010

*收稿日期:2009-07-14

基金项目:国家自然科学基金资助项目(40906089,60705018)

以系统的复杂度为代价换取的,其复杂的干涉阵列结构对系统设计、误差校正、图像反演等关键技术都提出了更高的要求,特别是在毫米波段。国内对毫米波综合孔径辐射计相关技术已经开展了一些研究

[3-4]

,但均未取得较好的图像结果。

本文描述一种先进的利用数字相关技术的K a

波段16阵元一维毫米波综合孔径辐射成像系统,给出系统设计方案,并针对毫米波综合孔径辐射计的阵列幅相误差提出一种新的外部校正方法,最后用成像试验验证了校正方法和系统成像性能,给出了亮温图像结果。

1 综合孔径辐射计成像原理

综合孔径辐射计的成像原理在很多文献中都有详细的论述,其基础是干涉测量,即对共享同一视场的两个空间独立的天线输出信号进行互相关处理得到可见度函数V 的采样。图1是典型的一维综合孔

径辐射计系统的原理框图[5]

,图中每一个单元天线及其对应的通道构成了一个独立的阵元。两两选取M 个独立阵元的特定输出组合作复相关运算,即可得到N +1个复可见度函数采样值(N 个互相关及1个自相关)。每一对独立的阵元称为一个基线,对应一个确定的天线间距。利用AD 转换,即可将复相关运算在数字域中进行,在阵元数M 较大的情况下,

可大大简化系统硬件结构。

图1 一维综合孔径微波辐射计原理框图

在理想情况下,一维阵列的复可见度函数V 与

场景亮温T B 之间存在如下的变换关系[5]

:

V(u )=

Q

T B (l)

1-l

2

F n 1(l)F *n 2(l)e -j 2P u l

d l (1)式中,l =si n H 为空间余弦坐标,T B (l)为场景亮温,F ni (l)表示基线的单元天线归一化电压方向图,u =n $d /K 表示基线电长度,其中$d 为单元天线之间的最小间距,决定系统视场范围,K 为系统波长,n 对应不同的基线序号。一般令

T (

T B (l)F *

)称为修正亮温,当单元天线方向图相同且主波束很宽以至在视场范围内几乎均匀时,T (l)可近似等同于T B (l)。V(u )与T (l)之间是满足傅氏变换关系,

因此通过对获得的可见度样本V(u )进行逆傅立叶变换运算即可重建亮温图像T (l)。但实际上天线无法连续放置,因此只能实现对可见度函数的离散采样,其与场景亮温之间构成离散傅氏变换关系。因此实际系统中是对离散的可见度样本进行离散逆傅立叶变化来重建估计的亮温图像T ^(l),即

T ^(l)=I DFT [V (u)]=

E

P

p =-P

V p e

j 2P p $u l

(3)

2 K a 波段综合孔径辐射成像系统

Ka 波段综合孔径辐射成像系统样机HUST-ASR 是一个装在电控机械转台上的16阵元一维综合孔径辐射计,成像方式是由综合孔径天线阵列合成一维推扫方向图,再依靠转台在另一维上的线扫产生二维图像。如图2所示,样机整体上采用了一维辐射计接收机阵列+中频数字采样信号处理的系统结构,使复相关处理、图像重建等信号处理过程完全在数字域由软件实现,更加灵活。系统硬件部分主要由天线阵列、接收机通道阵列、高速ADC 阵列、数据处理计算机和系统控制部分组成,详细描述如下。

图2 样机系统结构框图

1)天线阵列:结构上以一抛物柱面天线为主反射面,而16个馈源以偏馈形式在反射面焦线上排列成最小冗余一维稀疏直线阵,阵元位置如图3所示。馈源采用矩形角锥喇叭,水平极化,阵元最小间距为1倍波长,因此无混迭视场为?30b 。最大基线长度为90倍波长,因此综合孔径方向图E 面波束宽度为0.63b ,而由反射面实现H 面波束宽度为0.7b 。

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微 波 学 报2010年4月

图316单元一维稀疏直线阵列示意图

2)辐射计接收机阵列:如图2所示,单元辐射

计采用全功率体制,系统带宽100MH z。为了满足

干涉测量需要,接收机采用了单边带超外差结构以

保留信号的相位信息。另外由于相对带宽太窄,一

次变频无法滤除镜频信号,因此采用了二次下变频。

为了保持信号相干性,两级本振均采用了共本振,即

16单元通道的本振信号由同一本振通过功分产生。

单元通道噪声系数[4.5dB,增益\90dB,中频输出

频率为70MH z。

3)ADC阵列:由8块N I PXI-5114A/D卡组成,

每块卡上包含两路高速A/D通道,构成了16路高

速A/D阵列,与通道阵列输出相连,将其16路中频

模拟信号同步采样转换为数字信号并送入数据处理

计算机进行信号处理。满足奈奎斯特采样定律,采

样速率为250M bps,量化位数8b its,存储深度

8M bytes,因此决定系统积分时间为8/250=0.032s。

4)信号处理:所有的复相关处理以及校正、反演、成像等处理过程都在数据处理计算机上进行,算法程序采用M atlab程序和C语言来实现。

5)系统控制:由在PC机上运行的控制程序完成,该程序在LabV ie w8.20环境下编程实现,包括转台控制与数据采集控制两部分功能。转台部分通过步进电机自动控制转台扫描,硬件包括数字I/O卡、步进电机驱动器、步进电机。数据采集控制程序完成数据采集、数据存储功能。两者结合起来即可使整个成像过程自动完成。

3毫米波综合孔径辐射计误差校正基本的一维综合孔径图像反演算法就是按照公式(1)确定的关系对测量得到的可见度函数样本进行逆傅立叶变换,在理想情况下可以得到高质量的辐射亮温图像。但是当系统硬件的非理想性造成阵列存在误差时,就会引起图像质量急剧下降甚至完全失真变形,因此必须对误差进行校正。

综合孔径系统误差中最主要的就是由于单元天线和单元接收机通道幅相传输特性不一致造成的阵列幅度和相位误差,一般必须首先对误差进行估计,然后才能对其校正。目前常用的校正方法是相干噪

声注入法,即利用内部注入同相相干噪声信号对通道幅相误差进行测量。但是该方法有明显缺点:没有包括单元天线引入的阵列幅相误差,更为重要的是在毫米波段,幅相特性稳定的噪声分布注入网络实现起来代价高、难度大,而且性能差,导致其校正效果相当有限,一般只在较低频段应用。

综合孔径辐射计系统本质上是一个无源接收阵列,因此我们通过建立包含阵列误差的阵列流型矢量模型,提出利用外部单辅助源对综合孔径阵列幅相误差进行校正的外部源校正法。阵列所有阵元输出信号之间的互相关与自相关值,构成了阵列的协方差矩阵,而综合孔径阵列测量的可见度函数样本就包含于此矩阵中。对于由M个阵元构成的阵列,设外部辅助源方向与阵列法线的夹角为H s。阵列幅相误差可以通过在阵列流形矢量的建模中引入方位无关的幅相误差矩阵 来描述:

#=

10,0

0#20s

s0w0

0,0#M

=

10,0

0Q2exp(j U2)0s

s0w0

0,0Q M exp(j U M)

(4)

矩阵#是对角矩阵,对角元素 i为一复数,模值Q i 和相角U i分别代表阵元i相对于阵元1的幅度和相位不一致误差。通常有源阵列误差校正算法中,存在幅相误差时阵列的协方差矩阵按照下式建模[8]: R=#[R2s a(H s)a H(H s)]#H+R2I(5)其中,a(H s)为阵列流形矢量,R s2代表接收信号功率,R2代表噪声功率。但是对辐射计这种无源阵列属于信噪比极低的系统,阵列幅相误差对噪声的影响是不可忽略的,因此综合孔径无源阵列的协方差矩阵模型应该修正如下:

R=#[R2s a(H s)a H(H s)+R2I]#H(6)在这种模型下,只需利用方位已知的单辅助源对误差矩阵#的阵列参数Q i和U i进行估计,即可对阵列幅相误差进行校正,还原真实的可见度函数样本。

一般以第一阵元作为幅相基准,即Q1=1,U1= 0。此时矩阵#对角元素满足下式:

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第26卷第2期陈柯等:K a波段毫米波综合孔径辐射计成像研究

(R2s+R2)[1|#2|2,|#M|2]T=

[R11R22,R MM]T(7)因此第i通道的幅度误差Q

i

可由下式得到:

Q i=R ii/R11(8)而矩阵#非对角线上的元素满足:

R ij=R2s#i a i(x s)a H j(x s)#H j(9)由于R ij的相位包含了外部辅助源到达天线i,j的相位差和阵元i,j本身传输的相位差(即阵列相位误差),因此可以构造信号相位矩阵R source= a(H s)a(H s)H,利用R sou r ce消除外部辅助源到达两天线的相位差,得到一个等效于外部源位于阵列中心的等效矩阵W:

W=R.con j(R source)(10)其中,.表示矩阵H ardm ar d乘积。矩阵W的元素的相位仅包含阵列相位误差:

W ij=R2s#i#H j(11)

ang le(W ij)=(U i-U j)(12)因此由矩阵W即可求得阵列相位误差U i。这样利用外部辅助源即可得到误差矩阵#,设R raw为包含误差的原始测量阵列协方差矩阵,则通过下式即可校正其中误差,得到无误差的阵列协方差矩阵值,记为R cal,从而实现了对可见度函数的校正。然后通过对校正后的可见度函数按照式(3)进行离散傅立叶反变换即可实现图像反演,得到亮温图像。

R cal=#-1R raw(#H)-1=

#-1#[R2s a(H s)a H(H s)+R2I]#H(#H)-1=

R2s a(H s)a H(H s)+R2I(13) 4成像试验结果

K a波段综合孔径辐射成像系统样机HUST-ASR于2007年9月完成系统组装和调试。随后在10月~12月间进行了一系列地面成像试验,对系统成像性能、误差校正方法进行验证。

图4(a)显示了成像试验场景光学图像,(b)是未对阵列幅相误差进行校正直接应用式(3)进行傅氏反演得到的综合孔径辐射亮温图像,(c)是采用外部源校正后得到的综合孔径辐射亮温图像。该次成像试验是在华中科技大学西操场进行的,视场内场景主要包括中间的烟囱、楼房,以及右边远处的高层小区。可以看出,在未校正的亮温图像上,场景中建筑物轮廓完全失真并产生较大的偏移,无法得到正确的图像信息。而经过外部源校正后得到的辐射亮温图像则完全不同,与场景光学图像对比可以看出其真实反映了场景的亮温信息。试验结果证实了在毫米波频段综合孔径辐射计成像受阵列幅相误差的影响不可忽略,而单外部辅助源校正法可以有效地对以上误差进行校正,从而得到正确的毫米波辐射亮温图像。

从校正后的辐射亮温图像中可以看到,烟囱及附件建筑物的细节特征均非常明显,天空与建筑物的分界面也清晰可见,而且轮廓形状正确,说明辐射亮温图像与光学场景吻合良好,验证了HUST-ASR 样机具有较好的辐射成像性能。场景中烟囱的直径在2m左右,成像系统距离烟囱380m,而图像中的烟囱细节清晰,说明样机已经达到了设计空间分辨率0.64b。另外从辐射亮温图像整体来看,地面及建筑呈现高亮温,天空呈现低亮温,仰角越高,亮温越低,图像整体噪声较小,说明误差校正算法效果良好

,但是在分界面上还是可以看到一些残余噪声,在图像反演算法上还可以进一步改进。

图48mm综合孔径辐射成像试验结果

图5展示了在华中科技大学微波试验场对太阳进行的成像试验结果。图像中除了太阳清晰可见以外,另外一个主要特征就是在太阳两侧存在明显的明暗振荡图案。这种现象是由综合孔径成像原理决定的。因为综合孔径阵列尺寸总是有限的,其测量得到的可见度样本就会存在高频截断特征,反映在

88微波学报2010年4月

综合孔径阵列合成方向图上就会产生类似于si n c 函数的振荡旁瓣,称为G i b bs 振荡,而且不同于实孔径方向图,这种振荡旁瓣是有正有负的,因此反映在综合孔径辐射亮温图像上的振荡图案也是有明有暗的,在太阳这种类点源图像上,这一现象尤为明显,

这也是综合孔径辐射亮温图像的最大特征。

图5 太阳辐射亮温图像

为了抑制综合孔径亮温图像的这种G i b bs 振荡现象,可以进行加窗处理,即对测量可见度值乘上窗函数W ,此时式(3)变为:

T ^(l)=

E P

p =-P

W

p

V p e

j 2P p l $u

(14)

式(3)也可视为默认的矩形窗(rect w in)。图6

展示了太阳亮温图像在加/B lackm an 0窗处理之后的效果,从图中可见窗函数通过抑制方向图旁瓣,使得图像振荡减小,但是由于窗函数同时也造成了方向图主瓣展宽,因此会带来图像分辨率下降。因此通过使用不同的窗函数,可以在方向图中的旁瓣电

平和主波束宽度之间实现一种优化的平衡。

图6 加/B l ack m an 0窗处理后的太阳辐射亮温图像

5 结论

经过十余年的长期研究,毫米波综合孔径辐射成

像技术变得越来越成熟,接近实际应用水平。出于研究和应用目的,华中科技大学设计并开发了一套Ka 波段一维综合孔径辐射计样机HUST-ASR,提出了一种适合辐射计无源阵列的单外部辅助源误差校正方法,并在此基础上进行了一系列的成像试验。试验获得的高质量亮温图像表明该样机具有良好的毫米波

辐射成像性能,实现了设计的空间分辨率0.64b ,也验证了所提出的外部误差校正方法是可行的。Ka 波段综合孔径辐射成像系统样机HUST-ASR 的研制成功与外部校正方法的有效实现将有力地推动毫米波综合孔径辐射成像技术走向实用化,在各个领域得到广泛应用。

参 考 文 献

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陈 柯 男,1977年生,华中科技大学电信系博士研究生,

主要研究方向为微波无源遥感与微波辐射成像。E -m a i:l chenke @m ai.l hust .edu .cn

朱耀庭 男,1939年生,教授,主要研究方向为无线通信和

微波探测。

郭 伟 男,1960年生,华中科技大学电信系教授,主要研

究方向为微波技术和微波遥感。

李青侠 男,1966年生,华中科技大学电信系教授,主要研

究方向为微波遥感和无线通信。

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第26卷第2期陈 柯等:K a 波段毫米波综合孔径辐射计成像研究