精确测量干涉辐射计中的相对速度的方法和设备技术

一种用于精确地测量干涉仪和被扫描场景的相对速度的方法和设备。该设备利用匹配滤波器技术，把建立在高相对速度和低相对速度的估计值基础上的参考信号同输入的干涉信号相关，并可控地调整直至使相关值最大。可控调整后的参考信号则用来产生相对速度的非常准确而又精确的测量结果。（*该技术在2007年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
本专利技术一般地涉及使用扫描干涉仪的辐射度成像器，更具体地涉及用于精确测量干涉仪和被扫描场景间的相对速度的方法和设备。辐射度成像器有很多实际应用，包括大地的、天文的和海洋的特征的测绘，大气中的水汽的测量，雨和海洋表面温度的测量，以及水文现象和云层的底面状态或雨的估计。由Carl A.Wiley在1984年5月7日申请的序列号为607848，题目为“干涉辐射计”的美国专利申请中，描述了一种扫描干涉仪的辐射度成像器。在那篇申请中公开的辐射计使用了一种有一系列予定宽度的灵敏度波瓣的条纹方向图的干涉仪。当该干涉仪扫描场景时，就产生一个建立在扫描仪视场范围内的所有辐射体的叠加贡献基础上的干涉信号。利用一个予定的特征信号或匹配滤波器参考信号，可重建这个在扫描方向上的场景的射频辐射。其中的匹配滤波器参考信号相应于当干涉仪扫描处在扫描场景中的单个的、固定辐射体时产生的干涉信号。更可取的方法是，取干涉仪信号的快速付里叶变换，并乘以匹配滤波器参考信号的快速付里叶变换的复数共轭，随后计算上述乘积信号的逆付里叶变换，以压缩该数据。压缩后的数据表示位于扫描场内的所有点辐射源的位置和强度。在时间域内使用卷积法或互相关法，把干涉仪信号同存贮的匹配滤波器信号相比较，也可以得到基本上类似的结果。在以前的申请中描述的辐射度成像器要求使用一个同由扫描单个的固定辐射体产生的干涉仪信号精确相符的匹配滤波器信号。因为适当的匹配滤波器信号是随干涉仪和被扫描场景的相对切向速度而变化的，因而，不掌握精确的相对速度就无法达到正确的成像。这个切向速度相当于干涉仪相对于场景的真实速度除以距离，即V/H。在这以前，已利用若干可能的技术来确定干涉仪和被扫描场景的相对切向速度，但没有一种技术是完全满意的。一种技术是测量场景中的各个点辐射体穿过干涉仪的相继的波瓣的速率。另一种技术是利用三角测量术去确定在予定时间周期内干涉仪位置的变化。虽然，这些用来确定相对速度的技术一般来说是有效的，但它们被认为是使问题不必要地复杂化了，或者不能足够准确地去建立所需分辨力的辐射度图象。因此，意识到有一种需要，即改进测量辐射度成像器中的干涉仪相对于被扫描场景的切向速度的方法和设备，它既没有不必要地复杂化，且又不太贵，而又能提供高精度的相对速度的测量结果。本专利技术将完全满足这种需要。本专利技术具体化为一种测量干涉仪和被扫描场景的相对切向速度的设备及有关的方法。使用的手段是使来自干涉仪的信号同一个特征信号或匹配滤波器参考信号相关，为使相关值最大，要可控地调整参考信号。匹配滤波器参考信号相当于以予定相对速度扫描单个点辐射源时产生的干涉仪信号。相关装置是把这个匹配滤波器参考信号同干涉信号相关，以产生相应的误差信号。响应相关信号的反馈装置，可控地调整参考信号，以基本上使相关值最大。因此，本设备能以高效、可靠的方式产生干涉仪和被扫描场景之间的相对移动速度的精确测量结果。更具体地说，本专利技术的设备是辐射度成像器的一部分，本专利技术设备的各个单元全都迭代地工作，所以能逐次地产生更准确的相对速度的测量结果。在本专利技术的一个实施例中，参考信号装置提供两个匹配滤波器参考信号，其中之一对应于予定的高相对速度，另一个则对应于予定的低相对速度。相关装置使干涉信号同上述两个参考信号相关以产生高相关信号和低相关信号，去供反馈装置处理。每一次迭代，反馈装置可控地调整参考信号装置，使之产生的高参考信号和低参考信号，逐次地更准确地接近最佳参考信号。当最终达到最佳参考信号时，它表示干涉仪和被扫描场景的精确的相对速度。在本专利技术的其它形式中，反馈装置还能比较由高相关信号和低相关信号确定的功率电平，并产生一个相应的误差信号，以可控地调整参考信号装置。当两个确定的功率电平彼此基本上相等时，该设备就确定相对速度的测量结果基本上等于对应的高速和低速之间的中间值的速度。在这种设备中，还能包括有用于把高相关信号和低相关信号同予定的门限比较的电平限制装置，只有当两个相关信号都超过对应的门限时，才容许比较它们各自的功率电平。本专利技术的其它形式及其优点，将从下面的结合阐述本专利技术原理的附图对最佳实施例的说明中看得更明白。图1是依照本专利技术的一个干涉辐射计的简化图，其中包括干涉仪的一系列灵敏度波瓣的图解式描述;图2是当图1所示的辐射计扫描单个点辐射源时产生的干涉仪信号的曲线图;图3是图1所示辐射计的匹配滤波器速度测量系统和成像系统的简化方块图;图4(a)-(c)是由图3所示的速度测量系统产生的三种典型的滤波器信号的曲线图，三种信号分别对应于速度估计量太高、太低和正确三种情形;图5(a)-(b)描述由图3所示的速度测量系统产生的两种相关信号，第一种相关信号是用建立在速度估计量太高或太低基础上的匹配滤波器参考信号而产生的，第二种相关信号是用建立在正确的速度估计量的基础上的匹配滤波器参考信号而产生的;图6是图3所示的速度测量系统中的判决方块的详细方块图;和图7是由图3的速度测量系统中的判决方块执行的步骤的简化流程图。关于附图，具体指图1，这是一个干涉辐射计，包括干涉仪11，它用于扫描场景(未画出)，并产生干涉仪信号，该信号经传输线15供给成像系统13，经适当处理去产生场景的图象。干涉仪包括两个天线单元17和19，以及乘法器21，乘法器的作用是把两个天线信号相乘得出干涉仪信号。成像系统则使该干涉信号同一个予定的参考信号相关以产生图象。这种类型的干涉仪和成像系统在上面引证的先前的申请，即序列号为607848的申请中有详细的叙述。干涉仪11有带有一系列可变宽度的波瓣的条纹方向图23。当干涉仪扫描场景时，场景中的每个点辐射源就产生图2所示的连续改变形式的干涉信号。因为在干涉仪的整个视场内通常存在多个辐射源所有这些独立的源的作用是彼此迭加地构成一个貌似随机噪声的干涉信号。成像系统13把这个外观上近似噪声的干涉信号同一个予定的匹配滤波器参考信号相关，把信号中包含的信息压缩成一系列代表物景中的不同点辐射源的尖峰信号。为了确定用于压缩数据的合适的匹配滤波器参考信号，须以有效的精度知道干涉仪11和被扫描场景的实际的相对角速度。图4(a)-(c)描述了三种典型的匹配滤波器参考信号，它们分别对应于速度估计计量过高、过低和适中三种情形。可以看到，这三种信号有相同的总的形状，其差别仅仅在时间轴方向上。能实现最佳数据压缩的特殊的参考信号是由匹配滤波器的V/H测量系统25，根据经传输线15送来的干涉信号来确定的。依据这个确定，就可得到相对速度的一个非常精确的测量结果。作为由V/H测量系统25测量出来的并且很重要的相对速度实际上是干涉仪11和被扫描场景的相对角速度。这个相对角速度与相对切向速度V成正比，与干涉仪和场景之间的距离H成反比。依照本专利技术，匹配滤波器的V/H测量系统25用选择特殊的匹配滤波器参考信号的方法测量干涉仪11和被扫描场景之间的相对速度，选择原则是使参考信号与收到的干涉信号之间的相关值最大。根据更具体的图3将可更好地理解上述说法。图3是图1的匹配滤波器的V/H测量系统的简化方块图。在迭代方式中，测量系统使干涉信号同合适的匹配滤波器参考信号的估计量相关。这个相关过程是通过把不同的信号进行付里叶变换后在频率域内完成的。更具体地讲，经传输线15供给的干涉信号最初是被存入缓冲存本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于测量干涉仪和被干涉仪扫描的场景的相对速度的设备，包括：一个有予定条纹方向图的干涉仪，它用于扫描场景，并产生相应的干涉信号；参考信号装置，它用于提供与干涉仪相对于场景的予定速度对应的匹配滤波器参考信号；相关装置，用于使干涉信号 同匹配滤波器参考信号相关，并产生对应的相关信号；反馈装置，响应由相关装置确定的相关信号，可控地调整参考信号装置，使之产生能使参考信号同干涉信号之间的相关值最大的匹配滤波器参考信号，从而，参考信号装置产生一个干涉仪和被扫描场景的相对速度的 准确测量结果。

【技术特征摘要】
US 1986-7-2 881440规定。权利要求1.用于测量干涉仪和被干涉仪扫描的场景的相对速度的设备，包括一个有予定条纹方向图的干涉仪，它用于扫描场景，并产生相应的干涉信号；参考信号装置，它用于提供与干涉仪相对于场景的予定速度对应的匹配滤波器参考信号；相关装置，用于使干涉信号同匹配滤波器参考信号相关，并产生对应的相关信号；反馈装置，响应由相关装置确定的相关信号，可控地调整参考信号装置，使之产生能使参考信号同干涉信号之间的相关值最大的匹配滤波器参考信号，从而，参考信号装置产生一个干涉仪和被扫描场景的相对速度的准确测量结果。2.按照权利要求1定义的设备，其中参考信号装置包括用于产生与匹配滤波器参考信号的付里叶变换对应的调制传递函数信号的装置;以及相关装置，包括变换装置，用于计算干涉信号的付里叶变换，复数乘法器装置，用于把调制传递函数信号同付里叶变换后的干涉信号一起相乘，产生一个乘积信号，还有逆变换装置，用于计算乘积信号的逆付里叶变换，产生相关信号。3.按照权利要求2定义的设备，其中的相关装置还包括在复数乘法器相乘以前对付里叶变换后的干涉信号进行硬限幅的装置。4.按照权利要求1定义的设备，其中参考信号装置，提供高、低两个匹配滤波器参考信号，高信号对应于予定的高相对速度，而低信号则对应于予定的低相对速度;相关装置，包括用于把干涉信号同高、低两个匹配滤波器参考信号都相关，并产生高相关信号和低相关信号的装置;以及反馈装置，它响应于高和低相关信号二者，可控地调整参考信号装置，使之提供跟干涉信号更紧密相关的高和低匹配滤波器参考信号。5.按照权利要求4定义的设备，其中的参考信号装置，相关装置，和反馈装置，全都迭代地工作;以及反馈装置，包括比较本次迭代和上次迭代的高相关信号和低相关信号的装置，以及调整参考信号装置，使之提供用于下一次迭代的高、低两个匹配滤波器参考信号，这些参考信号被指望去增加由相关装置确定的、两个参考信号同干涉信号的相关值。6.按照权利要求5定义的设备，其中的反馈装置还包括功率装置，用于测量高、低相关信号的功率电平;以及比较装置，用于比较由功率装置测定的关于高、低相关信号的功率电平，还用于产生相应的可控地调整参考信号装置的误差信号。7.按照权利要求6定义的设备，其中功率装置，包括用于把高、低相关信号同予定的门限电平比较的电平限制器装置;和比较装置，只有当电平限制器装置测定信号已超过予定的门限电平时，比较装置才对由高相关信号和低相关信号确定的功率电平进行比较。8.按照权利要求6定义的设备，其中的参考信号装置包括确定干涉仪和场景之间的相对连度的测量结果的装置，当比较装置确认高相关信号和低相关信号的功率电平基本上相等时，相对速度的测量结果就是予定的高、低速度之间的中间值。9.按照权利要求1定义的设备，其中参考信号装置，相关装置和反馈装置全都迭代地工作;以及反馈装置包括比较本次迭代和上次迭代的各相关信号的装置，和调整参考信号装置的装置，使参考信号装置提供用于下一次迭代的匹配滤波器信号，该信号被指望去增加由相关装置确定的、同干涉信号的相关值。10.测量干涉仪和由它扫描的场景的相对速度的方法，包括的步骤有用有予置条纹方向图的干涉仪扫描场景，并产生一个相应的干涉信号;提供一个同干涉仪和场景之间的予定速度相对应的匹配滤波器参考信号;使干涉信号同匹配滤波器参考信号相关，并产生相应的相关信号;以及根据相关信号可控地调整匹配滤波器参考信号，使调整后的参考信号同干涉信号之间的、在相关步骤中确定的相关值基本上达最大，并从而产生干涉仪和场景的相对速度的准确测量结果。11.按照权利要求10定义的方法，其中;提供步骤包括产生同匹配滤波器参考信号的付里叶变换对应的调制传递函数信号的步骤;和相关步骤，包括下列各步骤计算干涉信号的付里叶变换，把调制传递函数信号同付里叶变换后的干涉信号一起相乘，产...

【专利技术属性】
技术研发人员：维利卡尔A，
申请(专利权)人：休斯航空公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]