综合孔径微波辐射成像系统关键技术研究

摘要

作为一种新型干涉式阵列微波辐射成像系统，综合孔径辐射计采用稀疏的小口径天线阵列合成一个大的物理观测口径，降低了天线的体积与重量，且无需扫描即可实现对整个视场的瞬时成像，能够更好的满足实际应用的需求，具有很强的应用前景。
　　 然而越强的能力带来的限制也就越多。要实现良好的成像性能，综合孔径微波辐射计在实际工作中需要解决以下三个关键问题：①各种硬件非理想性因素引入的系统误差如何校正？②如何实现解决综合孔径亮温图像重建问题的高性能反演数值算法？③如何定量评估图像反演算法性能乃至系统整体成像性能？这三个问题的解决是层次递进的：综合孔径微波辐射成像系统的最终目的是得到高质量的亮温图像，因此对系统整体成像性能的判断，就需要依靠对亮温图像质量的定量评估来解决；而要从测量数据中重建高质量的亮温图像，就需要实现高性能的图像反演数值算法；而高性能的反演算法又需要准确的数据，这就必须以深入了解系统误差特性、实现对系统误差的校正为前提。本文针对综合孔径微波辐射成像系统以上三个关键问题的解决方法和关键理论开展研究，主要内容如下：
　　 首先本文以可见度函数为对象，根据系统误差作用于可见度函数的性质不同，将其分为系统加性误差、方位无关乘性误差和方位有关乘性误差三类，对前两者分别提出了利用外部参考场景和外部单辅助源的系统整体校正方法，并通过试验进行了验证。这种误差分析和校正思路的最大特点就是从系统整体出发，化繁为简，在不增加硬件复杂度的情况下实现对系统误差的整体校正。
　　 方位有关乘性误差导致综合孔径辐射成像系统的图像重建在数学上是一个病态的反问题，对其求解需要两大要素：①合适的图像反演数值算法；②获得系统响应G矩阵。在辐射计的低信噪比条件下，最常用的广义解会被噪声严重污染从而偏离所求解问题的真值。为解决这一问题，数学上提出了利用正则化参数在真值和噪声之间寻求平衡的正则化求解思想。本文在建立综合孔径系统图像重建问题的数学模型基础上，将数学上的正则化方法应用于综合孔径亮温图像重建问题的求解中，实现正则化的图像反演数值算法，再利用外部点源测量实际系统响应G矩阵，最后将两者结合，成功的应用于综合孔径亮温图像重建，实现了高质量的反演亮温图像。
　　 灵敏度是传统上衡量微波辐射计测量精度的主要指标，但并不适合对单帧亮温图像的质量进行评估。本文提出用图像信噪比作为图像评估指标，设定在均匀背景下存在单个目标的参考场景，图像信号强度定义为目标与背景的亮温差，图像噪声强度定义为均匀背景的波动，用背景的空间标准差来计算。这样定义的图像信噪比表征了单帧亮温图像的空间统计特性，因而能更好的实现对单帧图像的定量评估。本文将图像信噪比成功应用于综合孔径试验图像的评估中，对几种反演算法性能进行了比较，并反过来应用于正则化参数的后验判定，促进了正则化反演数值算法的研究。
　　 本文对综合孔径微波辐射成像系统及其关键理论和技术进行了较全面的描述，对其三个关键问题提出了自己的解决方法，并且对所有的理论和解决方法都给出了试验验证结果，这也是本文的特点之一。本文希望在综合孔径微波辐射成像系统的理论和实际应用之间搭起一座桥梁，促进该技术在各领域的广泛应用。

目录

文摘

英文文摘

声明

1 绪论

2 综合孔径微波辐射成像原理与系统概述

3 综合孔径辐射计非理想性误差分析与误差校正方法

4 综合孔径微波辐射计图像反演算法

5 综合孔径微波辐射亮温图像的指标与质量评估

6 全文总结与展望

致 谢

参考文献

附录