一种星载综合孔径微波辐射计在轨射频干扰处理方法

an agile digital detector,"in ieee transactions on geoscience and remote sensing,2006.vol.44,no.3,pp.694-706.参考文献[3]：j.r.piepmeier et al.,"radio-frequency interference mitigation for the soil moisture active passive microwave radiomter,"in ieee transactions on geoscience and remote sensing,2014.vol.52,no.1,pp.761-775.)。
[0007]
cuberrt是第一个专门用于验证真实孔径微波辐射计在轨射频干扰检测与消除能力的卫星。cuberrt在星上将观测频带划分为128个子频带，每个子频带完成数字检波数据和峰度数据的快采，并应用类似smap的时域、频域、统计域的射频干扰处理方法，从子频带快采遥感数据的时间、频率和统计维度上在轨实时检测被射频干扰污染的数据，并将其从时间和频率维度上消除(参考文献[4]：j.t.johnson et al.,"real-time detection and filtering of radio frequency interference on-board a spaceborne microwave radiometer:the cuberrt mission,"in ieee journal of selected topics in applied earth observations and remote sensing,2020.vol.13,pp.1610-1624.)。
[0008]
综合孔径微波辐射计需要下传的数据量庞大，而星地通信链路带宽十分有限，这使得综合孔径微波辐射计无法像真实孔径微波辐射计(如smap和aquarius)一样采用快速采样数据完全下传的处理方案。此外，综合孔径微波辐射计一次性对观测刈幅内的完整亮温分布成像，因此，射频干扰会污染综合孔径微波辐射计观测刈幅内的全部观测数据。这些特性使得综合孔径微波辐射计有必要在轨检测并消除射频干扰的影响。卢森堡大学的j.querol对已有的星载微波辐射计rfi处理方法进行了综述分析(参考文献[5]：d.g.raul et al.,"a review of rfi mitigation techniques in microwave radiometry,"in remote sensing,2019.vol.11,pp.3042-3063.)，并对综合孔径微波辐射计的rfi处理可能的技术途径进行了初步探讨，提出了利用第三/四斯托克斯参量、多延时自相关等手段进行rfi检测的概念设想。其中基于第三/四斯托克斯参量的检测方法需要综合孔径辐射计系统进行全极化测量。西班牙加泰罗尼亚理工大学对基于多延时自相关的射频干扰检测方法(参考文献[6]：d.g.raul et al.,"a novel rfi detection method for microwave radiometers using multilag correlators,"in ieee transactions on geoscience and remote sensing,2022.vol.60,pp.1-12.)进行了深入的分析讨论。该方法使用基带信号延时相关和零延时相关的比值检测射频干扰，其局限性在于无法检测出射频干扰的频率范围，因此无法从遥感数据的频率维度上消除被射频干扰污染的数据。
[0009]
现有的微波辐射计射频干扰处理方法(如smap、aquarius和cuberrt所采用的射频干扰检测与消除方案)是针对星载真实孔径微波辐射计的专用设计。其中的射频干扰检测方法采用3-sigma准测的异常值检测方法，该方法需要实时计算数据的标准差，计算复杂度较大。而综合孔径微波辐射计有多个接收通道，在星上计算资源有限的情况下，现有的在轨射频干扰检测方法不适用。另外，综合孔径微波辐射计所测量的物理量为各个接收通道的功率谱和接收通道间的互功率谱，相比于真实孔径微波辐射计，综合孔径微波辐射计可以从更多的数据维度检测、消除射频干扰对遥感数据的影响。
[0010]
未来的星载综合孔径微波辐射计将面临更加严重的射频干扰问题，现有的处理方法无法解决星载综合孔径微波辐射计在轨检测与消除射频干扰的问题。


技术实现要素：

[0011]
为了解决现有技术存在的问题，本发明提出了一种星载综合孔径微波辐射计在轨射频干扰处理方法，该方法包括：
[0012]
在轨将观测频带划分为多个子频带，以积分时间周期完成由p极化接收通道k和q极化接收通道l组成的相关基线之间的子频带互功率的快速采样，得到积分时间周期内任意相关基线之间的子频带互功率；
[0013]
遍历所有子频带，对每个子频带互功率执行预处理，得到每个子频带对应的预处理后的相关基线的互功率；
[0014]
沿时间维度，对每个子频带的子频带互功率进行时域射频干扰检测，得到时域射频干扰检测结果；
[0015]
沿频率维度，对每个子频带的子频带互功率进行频域射频干扰检测，得到频域射频干扰检测结果；
[0016]
判决每条相关基线之间的子频带的时域射频干扰检测结果和频域射频干扰检测结果，得到最终的射频干扰检测结果。
[0017]
作为上述技术方案的改进之一，所述在轨将观测频带划分为多个子频带，以积分时间周期完成由p极化接收通道k和q极化接收通道l组成的相关基线之间的子频带互功率的快速采样，得到积分时间周期内任意相关基线之间的子频带互功率；其具体过程包括：
[0018]
在轨将观测频带划分为多个子频带，以τ为积分时间周期完成由p极化接收通道k和q极化接收通道l组成的一条相关基线之间的子频带互相关数据的快速采样，计算积分时间周期τ内任意两个接收通道之间的子频带互功率cc
pq
[m,w,k,l]，其中，m是子频带编号，w是快采时间戳；
[0019][0020][0021]
其中，为p极化接收通道k的子频带同相时域信号；为q极化接收通道l的子频带同相时域信号；为p极化接收通道k的子频带正交时域信号；为q极化接收通道l的子频带正交时域信号；i为同相；q为正交；
[0022]
n是积分时间周期τ内子频带信号时间序列长度，n是时间采样编号。
[0023]
作为上述技术方案的改进之一，所述遍历所有子频带，对每个子频带互功率执行预处理步骤，得到每个子频带对应的预处理后的相关基线的互功率；其具体过程包括：
[0024]
对某个子频带互功率执行预处理：
[0025][0026]
其中，ac
p
[m,w,k]是p极化接收通道k的子频带快采自相关数据；acq[m,w,l]是q极化接收通道l的子频带快采自相关数据；是预处理后的子频带快采互相关数
据，记为子频带对应的预处理后的相关基线的互功率；
[0027]
其中，
[0028][0029][0030]
遍历所有子频带，对每个子频带互功率执行上述的预处理步骤，得到每个子频带对应的预处理后的相关基线的互功率。
[0031]
作为上述技术方案的改进之一，所述沿时间维度，对每个子频带的子频带互功率进行时域射频干扰检测，得到时域射频干扰检测结果；其具体过程包括：
[0032]
以待检测的快采数据时间戳为0，沿时间维度缓存待检测快采数据之前的w个数据，记为缓存快采时间戳为w＝-w,...,-1对应的快采数据，沿时间维度将上述w个数据从大到小进行排序；
[0033]
完成排序后，获取中位数上四分位数和下四分位数
[0034]
对所得的预处理后的子频带快采互相关数据，进行时域射频干扰检测，得到时域射频干扰检测结果标签；
[0035][0036]
其中，
[0037]
是时域射频干扰检测结果标签，是配置的时域检测门限系数。
[0038]
作为上述技术方案的改进之一，所述沿频率维度，对每个子频带的子频带互功率进行频域射频干扰检测，得到频域射频干扰检测结果；其具体过程包括：
[0039]
沿频率维度从大到小排序全部m个子频带的子频带快采互相关数据；
[0040]
完成排序后，找到中位数上四分位数下四分位数
[0041]
对所得的预处理后的子频带快采互相关数据进行频域射频干扰检测，得到频域射频干扰检测结果标签：
[0042][0043]
其中，
[0044]
是频域射频干扰检测结果标签，是配置的时域检测门限系数。
[0045]
作为上述技术方案的改进之一，所述判决每条相关基线之间的子频带的时域射频干扰检测结果和频域射频干扰检测结果，得到最终的射频干扰检测结果；其具体过程包括：
[0046]
对获得的时域射频干扰检测结果标签和频域的射频干扰检测结果标签，进行综合判决；
[0047]
获得的时域射频干扰检测结果标签和获得的频域射频干扰检测结果标签之间采用逻辑或判决出时频域射频干扰检测结果
[0048]
其中，
[0049]
其中，运算符“||”表示逻辑或；
[0050]
采用少数服从多数的方式，基于时频域射频干扰检测结果对最终的射频干扰检测结果进行表决：
[0051][0052]
其中，k为p极化接收通道数；l为q极化接收通道数。
[0053]
本发明与现有技术相比的有益效果是：
[0054]
1.本发明的方法是一种基于箱型图异常值检测方法，改进的射频干扰检测方法资源消耗较低，尤其适用于星上计算资源有限的应用场景；
[0055]
2.本发明提供的基于互相关数据的在轨射频干扰检测方法，从一种新的数据维度上检测射频干扰，相比于已有的真实孔径微波辐射计射频干扰检测方法，提高了射频干扰信号的检测灵敏度。
附图说明
[0056]
图1是本发明的一种星载综合孔径微波辐射计在轨射频干扰处理方法的方法流程图。
具体实施方式
[0057]
现结合附图对本发明作进一步的描述。
[0058]
本发明提供了一种星载综合孔径微波辐射计在轨射频干扰处理方法，该方法是一种基于子频带快采互相关数据的时域、频域、相关基线域联合的射频干扰在轨检测与消除方法。本发明的方法的目的在于，在星上计算资源和星地传输链路带宽极其有限的条件下，解决星载综合孔径微波辐射计在轨检测与消除射频干扰的问题。
[0059]
该方法包括：在轨将观测频带划分为多个子频带，以τ为积分时间周期完成由p极化接收通道k和q极化接收通道l组成的相关基线之间的子频带互相关数据的快速采样cc
pq
[m,w,k,l]，即计算积分时间周期τ内任意两个接收通道间的互功率；其中，m是子频带编号，w是快采时间戳；
[0060]
具体地，在轨将观测频带划分为多个子频带，以τ为积分时间周期完成由p极化接收通道k和q极化接收通道l组成的一条相关基线之间的子频带互相关数据的快速采样，计算积分时间周期τ内任意两个接收通道之间的子频带互功率cc
pq
[m,w,k,l]，其中，m是子频带编号，w是快采时间戳；
[0061]
[0062][0063]
其中，为p极化接收通道k的子频带同相时域信号；为q极化接收通道l的子频带同相时域信号；为p极化接收通道k的子频带正交时域信号；为q极化接收通道l的子频带正交时域信号；i为同相；q为正交；
[0064]
n是积分时间周期τ内子频带信号时间序列长度，n是时间采样编号。任取相关基线的子频带快采互相关数据，对其执行预处理步骤：先求该互相关数据的平方，再除以这一相关基线的两个接收通道的快采自相关数据的乘积。遍历所有的子频带快采互相关数据，对其执行预处理步骤；
[0065]
具体地，对某个子频带互功率执行预处理：
[0066][0067]
其中，ac
p
[m,w,k]是p极化接收通道k的子频带快采自相关数据；acq[m,w,l]是q极化接收通道l的子频带快采自相关数据；是预处理后的子频带快采互相关数据，记为子频带对应的预处理后的相关基线的互功率；
[0068]
其中，
[0069][0070][0071]
遍历所有子频带，对每个子频带互功率执行上述的预处理步骤，得到每个子频带对应的预处理后的相关基线的互功率。
[0072]
分别对每一对预处理后的子频带快采互相关数据执行时域、频域射频干扰检测，并得到检测结果；即沿时间维度，对每个子频带的子频带互功率进行时域射频干扰检测，得到时域射频干扰检测结果；沿频率维度，对每个子频带的子频带互功率进行频域射频干扰检测，得到频域射频干扰检测结果；
[0073]
其中，所述沿时间维度，对每个子频带的子频带互功率进行时域射频干扰检测，得到时域射频干扰检测结果；其具体过程包括：
[0074]
以待检测的快采数据时间戳为0，沿时间维度缓存待检测快采数据之前的w个数据，记为缓存快采时间戳为w＝-w,...,-1对应的快采数据，沿时间维度将上述w个数据从大到小进行排序；
[0075]
完成排序后，获取中位数上四分位数和下四分位数
[0076]
对所得的预处理后的子频带快采互相关数据，进行时域射频干扰检测，得到时域射频干扰检测结果标签；
[0077][0078]
其中，
[0079]
是时域射频干扰检测结果标签，是配置的时域检测门限系数。
[0080]
其中，所述沿频率维度，对每个子频带的子频带互功率进行频域射频干扰检测，得到频域射频干扰检测结果；其具体过程包括：
[0081]
沿频率维度从大到小排序全部m个子频带的子频带快采互相关数据；
[0082]
完成排序后，找到中位数上四分位数下四分位数
[0083]
对所得的预处理后的子频带快采互相关数据进行频域射频干扰检测，得到频域射频干扰检测结果标签：
[0084][0085]
其中，
[0086]
是频域射频干扰检测结果标签，是配置的时域检测门限系数。
[0087]
综合判决每对时域、频域射频干扰检测结果(判决每条相关基线互相关数据的时域、频域射频干扰检测结果)，得到最终的射频干扰检测结果；根据综合判决后的射频干扰检测结果，分别在时域、频域剔除被射频干扰污染的快采遥感数据，剔除被射频干扰污染的快采遥感数据。
[0088]
具体地，对获得的时域射频干扰检测结果标签和频域的射频干扰检测结果标签，进行综合判决；
[0089]
获得的时域射频干扰检测结果标签和获得的频域射频干扰检测结果标签之间采用逻辑或判决出时频域射频干扰检测结果
[0090]
其中，
[0091]
其中，运算符“||”表示逻辑或；
[0092]
采用少数服从多数的方式，基于时频域射频干扰检测结果对最终的射频干扰检测结果进行表决：
[0093][0094]
其中，k为p极化接收通道数；l为q极化接收通道数。
[0095]
实施例1.
[0096]
如图1所示，本发明提供了一种星载综合孔径微波辐射计在轨射频干扰处理方法，所述方法包括：
[0097]
步骤101)在轨将观测频带划分为多个高阶量化子频带，以τ为积分时间周期完成
由p极化接收通道k和q极化接收通道l组成的一条相关基线之间的子频带互相关数据的快速采样，即计算积分时间周期τ内任意两个接收通道之间的子频带互功率cc
pq
[m,w,k,l]，其中，m是子频带编号，w是快采时间戳；
[0098]
步骤101)中所述的每条相关基线的子频带互功率的计算方法如下：
[0099][0100]
其中，为p极化接收通道k的子频带同相时域信号；为q极化接收通道l的子频带同相时域信号；为p极化接收通道k的子频带正交时域信号；为q极化接收通道l的子频带正交时域信号；j为虚数i为同相；q为正交；
[0101]
是p极化(或q极化)接收通道k的子频带同相(或正交)时域信号，n是积分时间周期τ内子频带信号时间序列长度，n是时间采样编号；
[0102]
步骤201)对步骤101)中获得的子频带快采互相关数据做预处理；
[0103]
具体地，任取相关基线的子频带快采互相关数据，对其执行预处理步骤：先求该互相关数据的平方，再除以这一相关基线的两个接收通道的快采自相关数据的乘积。遍历所有的子频带快采互相关数据，对其执行预处理步骤；
[0104]
即任取一条相关基线的子频带快采互相关数据，对其执行预处理步骤：先求该互相关数据的平方，再除以这一相关基线的两个接收通道的快采自相关数据的乘积。遍历所有的子频带快采互相关数据，对其执行预处理步骤；
[0105][0106]
其中，ac
p
[m,w,k]是p极化接收通道k的子频带快采自相关数据；acq[m,w,l]是q极化接收通道l的子频带快采自相关数据；是预处理后的子频带快采互相关数据，记为子频带对应的预处理后的相关基线的互功率；
[0107]
其中，
[0108][0109][0110]
基于上述公式，遍历所有子频带，对每个子频带互功率执行上述的预处理步骤，得到每个子频带对应的预处理后的相关基线的互功率。
[0111]
步骤301)利用步骤201)中所得的预处理后的子频带快采互相关数据做时域射频干扰检测的具体步骤为：
[0112]
步骤311)：以待检测的快采数据时间戳为0，沿时间维度缓存待检测快采数据之前的w个数据，即缓存快采时间戳为w＝-w,...,-1对应的快采数据，沿时间维度将这w个数据按从大到小顺序进行排序；
[0113]
步骤312)：完成排序后，获取中位数上四分位数和下四分位数
[0114]
步骤313)：对步骤201)中所得的预处理后的子频带快采互相关数据，进行时域射频干扰检测，得到时域射频干扰检测结果标签；
[0115][0116][0117]
其中,是时域射频干扰检测结果标签，是可以配置的时域检测门限系数；
[0118]
步骤401)：利用步骤201)中所得的预处理后的子频带快采互相关数据做频域射频干扰检测的具体步骤为：
[0119]
步骤411)：沿频率维度从大到小排序全部m个子频带的子频带快采互相关数据；
[0120]
步骤412)：完成排序后，找到中位数上四分位数下四分位数
[0121]
步骤413)：对步骤201)中所得的预处理后的子频带快采互相关数据进行频域射频干扰检测，得到频域射频干扰检测结果标签：
[0122][0123][0124]
其中,是频域射频干扰检测结果标签，是可以配置的时域检测门限系数；
[0125]
步骤501)：利用步骤301)和步骤401)中获得时域和频域的射频干扰检测结果，进行综合判决的具体步骤为：
[0126]
步骤511)：步骤301)获得的时域射频干扰检测结果和步骤401)获得的频域射频干扰检测结果之间采用逻辑或判决出时频域射频干扰检测结果
[0127]
其中，
[0128]
其中，运算符“||”表示逻辑或；
[0129]
步骤512)：最终的射频干扰检测结果采用少数服从多数的方式表决：
[0130][0131]
步骤601)：射频干扰消除方法为：分别在时域、频域剔除步f
cc
[m,w]为true所对应的子频带和快采时间戳上的子频带快采遥感数据。
[0132]
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。