毫米波综合孔径辐射计反演成像方法分析与实现-analysis and implementation of millimeter wave synthetic aperture radiometer inversion imaging method.docx

摘 要被动遥感技术是近年来发展较快的学科领域，毫米波综合孔径辐射计作为它 的一个重要分支，已经得到越来越多的研究和应用。反演成像技术对于辐射计成 像性能有着重要的影响，本文对综合孔径辐射计的反演成像技术进行了研究，论 述了综合孔径辐射计反演成像的基本原理，为了得到更好的成像质量，重点研究 了阵列优化技术和反演成像方法在综合孔径辐射计中的应用。在理论研究和仿真 分析的基础上，在硬件平台上完成了通道特性分析和基于 FPGA 的关键技术实现。首先，从点源和扩展源的相关干涉测量原理入手，讨论了毫米波综合孔径辐射计反演成像的基本原理，得到了反演成像的数学模型。在此基础上，介绍了几 种传统反演成像方法。针对综合孔径阵列的特点，为提高反演成像质量，研究了 综合孔径阵列优化技术。将遗传算法应用到毫米波综合孔径辐射计阵列优化中， 使得阵列无冗余和空间频域采样点覆盖更均匀。通过与模拟退火算法优化阵列的 点源目标成像对比可知，遗传算法得到的点源目标成像效果更优。其次，针对辐射计反演成像过程中噪声存在的特点，将总体最小二乘原则（TLS）引入毫米波综合孔径辐射计反演成像之中，研究了基于共轭梯度法的总 体最小二乘算法（CG-TLS, The Total Least Squares Algorithm based on Conjugate Gradient Method）。因为 TLS 原则不仅考虑了观测矩阵的误差，而且考虑了系统 矩阵的误差影响，所以它能更好地反映反演成像的过程。仿真结果表明，在观测 向量和系统矩阵都存在噪声时，CG-TLS 算法比 CG-LS 算法成像效果更好；并且 CG-TLS 算法相对 CG-LS 算法对初始迭代值得选取不敏感。另外从计算量的角度 分析了 CG-TLS 在实现过程中相对于基于奇异值分解的总体最小二乘（SVD-TLS） 方法的优势，通过分析得到，在矩阵维数较大（即成像的像素点较多）时，其计 算量比 SVD-TLS 方法更少。最后，给出了硬件信号处理系统的分析和实现。由于复相关器的通道性能对 后续的信号处理影响较大，所以对通道的幅相一致性进行了测试分析，测试结果 表明，16 个通道的幅相特性存在微小差别，满足硬件设计要求；同时测试结果为 通道的幅相校正提供了依据。在实际的信号处理系统上，结合平台自身的特点， 利用 FPGA 完成了多通道数字复相关的实现。通过比较实验结果与理论值，可知 该信号处理系统可以较好地完成复相关运算。关键字：综合孔径，阵列优化，反演算法，复相关器ABSTRACTMillimeter wave Synthetic Aperture Radiometer is being widely researched and applied in the area of millimeter wave passive remote sensing. Inversion imaging technology plays an important role in the performances of millimeter wave synthetic aperture radiometer and gets more attention. The basic theory of millimeter wave synthetic aperture radiometer imaging is first introduced in this paper. In order to obtain better imaging result, optimization techniques of synthetic aperture antenna array and the methods of inversion imaging are studied in detail. On the basis of theoretical research, analysis of channel characteristics and the implementation of key technical based on hardware FPGA platform are conducted too.First of all, the principle of interferometry is introduced and the basic theory of inversion imaging in millimeter wave synthetic aperture radiometer is analyzed. There are basic methods of the traditional inversi