專利名稱：一種地基單天線觀測月球亮溫度數(shù)據(jù)的處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種數(shù)據(jù)處理方法，尤其涉及一種地基單天線觀測月球亮溫度數(shù)據(jù)處 理方法。
背景技術(shù)：
月球是距離地球最近的天體，地月中心平均距離為384400km;其直徑約為 3476km，約為地球的1/3. 67 ；質(zhì)量約為7. 350 X 1025g，約為地球的1/81. 301 ；視角徑最大為 33' 31"，最小為29' 22〃，平均視角徑為31' 5〃 ；表面重力加速度約為地球的1/6。利用遙測手段得到的月球表面信息均來自于電磁輻射，電磁輻射領(lǐng)域根據(jù)波長的 不同可以分為Y射線、X射線、紫外線、可見光、紅外線、射電波等領(lǐng)域，在這些領(lǐng)域?qū)υ虑?特性均有研究。地基遙測多利用可見光、紅外線、射電手段對月球特性進行研究。伽利略首 次記錄了利用光學望遠鏡觀測得到的月球表面圖像。在光學頻段利用月表圖像得到月表反 照率，可以推測月表礦物組成，顆粒大小等。無論是哪種手段研究月球，要了解月球物質(zhì)組成就要對月壤進行研究。月壤是在 月球表面上覆蓋著的一層由巖石碎屑、粉末、角礫、撞擊熔融玻璃等物質(zhì)組成的、結(jié)構(gòu)松散 的混合物。月壤是獲取月球物質(zhì)組成信息的重要來源，空間探測器和地基望遠鏡的觀測目 標也多是月壤。在射電頻段對月球進行探測可以獲得月球內(nèi)部的熱分布、熱特性，從而得到 月壤的物理特性。亮溫度是反映微波輻射的重要指標。如果天體在某一頻率的譜輻射度與某一溫度 TB的絕對黑體在同一頻率的輻射強度相等，則該絕對黑體的溫度TB稱為該物體在該頻率 的亮溫度。研究月壤特性，在微波頻段研究亮溫度是必不可少的。另外，衛(wèi)星通信目前通常 使用的頻段是S波段、X波段和Ka波段。探月衛(wèi)星圍繞月球運轉(zhuǎn)，那么當?shù)孛娼邮仗炀€指向 探月衛(wèi)星接收探測和測控數(shù)據(jù)的時候，就必然要引入月亮射電輻射的影響。因此必須要考 慮月亮射電輻射對天線接收衛(wèi)星下行數(shù)據(jù)信號的影響，即對接收系統(tǒng)噪聲溫度的增加。亮 溫度的研究對于衛(wèi)星通信鏈路的設(shè)計也有著重要的作用。目前，月球亮溫度的研究主要采用地基射電望遠鏡，地基雷達，繞月衛(wèi)星攜帶的微 波輻射計以及繞月衛(wèi)星攜帶的雷達來進行。其中地基射電望遠鏡對月亮溫度觀測研究主要 有觀測整個月球的亮溫度平均值或是月面中心點的亮溫度值，以及月球亮溫度空間分布。 在對月球亮溫度的空間分布研究中，利用單天線射電望遠鏡觀測一直是主要的途徑。利用單天線對展源進行掃描觀測，可以得到觀測展源的射電圖像。天線在俯仰或 方位方向掃描，掃描方式不同，數(shù)據(jù)處理方法也不一樣。在早期天線自動化程度不高的條件 下，多采用的是柵格掃描，即天線逐個位置進行觀測，記錄天線指向每個天空位置得到的天 線溫度。由這些柵格點溫度值經(jīng)過差值得出所測區(qū)域內(nèi)的亮溫度分布圖。對月球的掃描觀 測方法，除了柵格掃描觀測外，就是0TF(On-the-Sky)方法。OTF方法中，射電望遠鏡在方位 或俯仰方向偏開一定角度，以一定速度掃過一片觀測區(qū)域，并將數(shù)據(jù)記錄后進行處理，得到 觀測區(qū)域內(nèi)亮溫度分布。而單天線觀測一個展源，不可能得到實際的展源亮度分布，而只是
3得到束平均亮度分布。如何從觀測的束平均亮度分布出發(fā)，恢復(fù)得到展源實際的亮溫度分 布，這在射電天文里一直都是主要研究的課題。月球就是一個展源，相對視角徑比較大。圖1為單天線觀測月球的原理示意圖。a 為月球的實際亮溫度分布，b為天線方向圖，c為對月球觀測得到的天線溫度分布。在對月 地基觀測的現(xiàn)有技術(shù)中，一般采用直接成圖法得到月球亮溫度空間分布。用直接測量法獲 得的月球亮溫度圖(c)是月球真實亮溫度圖(a)與天線方向圖(b)的卷積，即
τΑφ, 0) = -fi^^τΒ(θ,0) ρ(θ, 0)其中(θ，Φ)為天線的觀測方向，在這個方向上天線的有效面積為 Α^φ,Φ), rs(0,0)為月球?qū)嶋H的亮溫度分布，為天線方向圖，為觀測得到 的天線溫度，λ為觀測波長?？梢姡@得的月球亮溫度圖并不是真正的月球亮溫度的分布?，F(xiàn)有技術(shù)對單天線月球亮溫度觀測數(shù)據(jù)的處理方法的缺點在于沒有考慮天線方 向圖的影響，造成所成的月球亮溫圖像精度低，不能反映月球亮溫度的真實變化。所以期望 有一種單天線月球亮溫度觀測數(shù)據(jù)處理方法，使得能夠獲得真實的月球亮溫度分布圖。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明提供了 一種地基單天線觀測月球亮溫度數(shù) 據(jù)的處理方法。(二)技術(shù)方案本發(fā)明提供的地基單天線觀測月球亮溫度數(shù)據(jù)的處理方法包括步驟利用地基單 天線進行觀測以獲得月球亮溫度觀測數(shù)據(jù)；對所述觀測數(shù)據(jù)進行定標以獲得臟圖；利用所 述地基單天線對流量密度已知的射電源進行觀測以獲得天線方向圖，根據(jù)所述天線方向圖 獲得歸一化的臟束和潔束；根據(jù)所述臟圖、臟束和潔束，利用修正的潔化CLEAN算法對臟圖 進行潔化，得到潔圖。其中潔化算法進一步包括步驟401，建立與臟圖大小相等的一個空矩陣作為 0(x, y)函數(shù)矩陣的初始值，其中0(x，y)是M個強度為J的點源的集合，其中M為自然數(shù); 步驟402，找到臟圖內(nèi)亮溫度最大點的強度Imax和位置(Xmax，Ymax),所述位置是圖像矩陣中 的行與列的位置；步驟403，將發(fā)現(xiàn)的最大值乘以環(huán)增益g，將乘積結(jié)果g*Imax添加到δ函 數(shù)矩陣相應(yīng)位置(Xmax，Ymax)，其中g(shù)< 1 ；步驟404，將所述乘積結(jié)果乘以臟束Bd，并將結(jié) 果g*Imax*Bd整體平移到步驟402發(fā)現(xiàn)的最大值處(Xmax，Yfflax)，再將所得結(jié)果從臟圖減掉，得 到殘圖R，返回步驟402，利用步驟404得到的殘圖替換臟圖，即新的臟圖Inew(X，y) = R(χ, y)，如此一直重復(fù)到設(shè)定的迭代次數(shù)N，或者殘圖的方差小于設(shè)定值，其中N為自然數(shù)；步驟 405，將得到的一系列δ函數(shù)0(x，y)與潔束卷積；步驟406，將最后得到的殘圖加到步驟 405的結(jié)果，最后形成潔圖。(三)有益效果應(yīng)用本發(fā)明的地基單天線觀測月球亮溫度數(shù)據(jù)的處理方法，其中引入了有效的退
4卷積CLEAN算法，使得在一定程度上消除了天線方向圖的影響，從而獲得與月球?qū)嶋H亮溫 分布更接近的結(jié)果。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)中單天線對月球觀測的原理示意圖；圖2是本發(fā)明地基單天線測月亮溫度數(shù)據(jù)的處理方法的流程圖；圖3A例示了對月球觀測數(shù)據(jù)進行本底擬合的示意圖；以及圖3B例示了一次多項式本底擬合的殘差圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清晰易懂，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明具體 實施方式進行說明。在此本發(fā)明的示意性實例用于解釋本發(fā)明，但不作為對本發(fā)明的限定。參照圖2，圖2是本發(fā)明地基單天線測月亮溫度數(shù)據(jù)的處理方法的流程圖。本發(fā)明 的實現(xiàn)原理是對利用單天線進行觀測獲得月球亮溫度觀測原始數(shù)據(jù)進行處理，并通過該原 始數(shù)據(jù)的定標處理，獲得臟圖、臟束和潔束，利用獲得的臟圖、臟束和潔束，通過Clean算法 得到月球的實際亮溫分布圖。首先，參照圖2來詳細描述月球亮溫度分布臟圖的獲得過程，其中包括以下步驟步驟101，獲得月球和射電源觀測原始數(shù)據(jù)。利用單天線進行觀測獲得月球亮溫度觀測原始數(shù)據(jù)。月球亮溫度觀測原始數(shù)據(jù)為 天線進行俯仰掃描或方位掃描得到的數(shù)據(jù)。射電望遠鏡由天線系統(tǒng)、接收機系統(tǒng)和計算機 終端系統(tǒng)組成。其中天線系統(tǒng)是射電望遠鏡最主要的組成部分，其作用是有選擇地收集來 自天空觀測區(qū)域的輻射；接收機系統(tǒng)的作用是放大來自天線輸出的在有限頻帶范圍內(nèi)的輻 射信號；計算機系統(tǒng)的作用是顯示、記錄、加工和存儲輻射計輸出數(shù)據(jù)，并具有控制望遠鏡 各部分協(xié)調(diào)工作的功能。為了方便理解通過單天線對月觀測獲得的數(shù)據(jù)格式，下面以舉例的形式給出利用 北京密云50米單天線進行觀測所得觀測數(shù)據(jù)
權(quán)利要求
一種地基單天線觀測月球亮溫度數(shù)據(jù)的處理方法，該方法包括以下步驟步驟1，利用地基單天線進行觀測以獲得月球亮溫度觀測數(shù)據(jù)；步驟2，利用所述地基單天線對流量密度已知的射電源進行觀測，利用觀測結(jié)果通過對所述月球亮溫度觀測數(shù)據(jù)進行定標處理，以獲得月球臟圖；步驟3，利用所述地基單天線對流量密度已知的射電源進行觀測以獲得天線方向圖，根據(jù)所述天線方向圖獲得歸一化臟束和潔束；步驟4，根據(jù)所述臟圖、臟束和潔束，利用修正的潔化CLEAN算法對臟圖進行潔化，得到潔圖。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，所述月球亮溫度觀測數(shù)據(jù)包括天線觀測掃描方式、觀 測點對應(yīng)的天線方位實際值和理論值、觀測點對應(yīng)的天線俯仰實際值和理論值、天線對準 觀測點時的電平值。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中在步驟1之后還包括對觀測數(shù)據(jù)中的電平值進行 數(shù)據(jù)壞點去除和本底擬合處理。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中在步驟1之后還包括對觀測數(shù)據(jù)中的與天線位 置有關(guān)的數(shù)據(jù)進行天線指向精度校正、地平坐標系與赤道坐標系轉(zhuǎn)換以及消除月球運動處理。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中地平坐標系與赤道坐標系轉(zhuǎn)換進一步包括將觀測 數(shù)據(jù)中的坐標全部轉(zhuǎn)換成開始掃描時的月球赤經(jīng)赤緯坐標。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中步驟2進一步包括，通過定標將觀測數(shù)據(jù)中的電平 值轉(zhuǎn)換為月球亮溫度值，利用所述月球赤經(jīng)赤緯坐標與所述月球亮溫度值成圖，進而得到 臟圖。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，在射電源的掃描數(shù)據(jù)中找到射電源掃描的最大值，以 該點的赤經(jīng)或赤緯位置為中心，計算射電源掃描偏離中心的角度，并進行體積歸一化，得到 臟束。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，對所述臟束的主瓣進行高斯擬合，得到潔束。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，所述定標所采用的定標源是已知流量密度的致密源。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9任一項所述的方法，其中步驟4進一步包括步驟401，建立與臟圖大小相等的一個空矩陣作為0(x，y)函數(shù)矩陣的初始值，其中 0(x,y)是M個強度為J的點源的集合；步驟402，找到臟圖內(nèi)亮溫度最大點的強度Imax和位置(Xmax，Ymax),所述位置是圖像矩陣 中的行與列的位置；步驟403，將發(fā)現(xiàn)的最大值乘以環(huán)增益g，將乘積結(jié)果g*Imax添加到δ函數(shù)矩陣相應(yīng)位 置(Xmax，Ymax)，其中步驟404，將所述乘積結(jié)果乘以臟束Bd，并將結(jié)果g*Imax*Bd整體平移到步驟402發(fā)現(xiàn)的 最大值處(Xmax，Yfflax)，再將所得結(jié)果從臟圖減掉，得到殘圖R，返回步驟402，利用步驟404得 到的殘圖替換臟圖，即得到新的臟圖Imw(x，y) = R(x，y)，如此一直重復(fù)到設(shè)定的迭代次數(shù) N，或者殘圖的方差小于設(shè)定值，其中N為自然數(shù)；步驟405，將得到的一系列δ函數(shù)0(x，y)與潔束卷積；步驟406，將最后得到的殘圖加到步驟405的結(jié)果，最后形成潔圖。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種地基單天線觀測月球亮溫度數(shù)據(jù)的處理方法，包括步驟利用地基單天線進行觀測以獲得月球亮溫度觀測數(shù)據(jù)；對所述觀測數(shù)據(jù)進行定標以獲得臟圖；利用所述地基單天線對流量密度已知的射電源進行觀測以獲得天線方向圖，根據(jù)所述天線方向圖獲得歸一化的臟束和潔束；根據(jù)所述臟圖、臟束和潔束，利用修正的潔化CLEAN算法對臟圖進行潔化，得到潔圖。本發(fā)明的地基單天線觀測月球亮溫度的數(shù)據(jù)處理方法，引入了有效的退卷積CLEAN算法，使得在一定程度上消除了天線方向圖的影響，從而獲得與月球?qū)嶋H亮溫分布更接近的結(jié)果。
文檔編號G01S7/41GK101976297SQ20101029736
公開日2011年2月16日 申請日期2010年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月30日
發(fā)明者孔德慶, 張洪波, 朱新穎, 李俊鐸, 李春來, 蘇彥, 趙攀, 鄭磊 申請人:中國科學院國家天文臺