专利名称：一种地基单天线观测月球亮温度数据的处理方法
技术领域：
本发明涉及一种数据处理方法，尤其涉及一种地基单天线观测月球亮温度数据处 理方法。
背景技术：
月球是距离地球最近的天体，地月中心平均距离为384400km;其直径约为 3476km，约为地球的1/3. 67 ；质量约为7. 350 X 1025g，约为地球的1/81. 301 ；视角径最大为 33' 31"，最小为29' 22〃，平均视角径为31' 5〃 ；表面重力加速度约为地球的1/6。利用遥测手段得到的月球表面信息均来自于电磁辐射，电磁辐射领域根据波长的 不同可以分为Y射线、X射线、紫外线、可见光、红外线、射电波等领域，在这些领域对月球 特性均有研究。地基遥测多利用可见光、红外线、射电手段对月球特性进行研究。伽利略首 次记录了利用光学望远镜观测得到的月球表面图像。在光学频段利用月表图像得到月表反 照率，可以推测月表矿物组成，颗粒大小等。无论是哪种手段研究月球，要了解月球物质组成就要对月壤进行研究。月壤是在 月球表面上覆盖着的一层由岩石碎屑、粉末、角砾、撞击熔融玻璃等物质组成的、结构松散 的混合物。月壤是获取月球物质组成信息的重要来源，空间探测器和地基望远镜的观测目 标也多是月壤。在射电频段对月球进行探测可以获得月球内部的热分布、热特性，从而得到 月壤的物理特性。亮温度是反映微波辐射的重要指标。如果天体在某一频率的谱辐射度与某一温度 TB的绝对黑体在同一频率的辐射强度相等，则该绝对黑体的温度TB称为该物体在该频率 的亮温度。研究月壤特性，在微波频段研究亮温度是必不可少的。另外，卫星通信目前通常 使用的频段是S波段、X波段和Ka波段。探月卫星围绕月球运转，那么当地面接收天线指向 探月卫星接收探测和测控数据的时候，就必然要引入月亮射电辐射的影响。因此必须要考 虑月亮射电辐射对天线接收卫星下行数据信号的影响，即对接收系统噪声温度的增加。亮 温度的研究对于卫星通信链路的设计也有着重要的作用。目前，月球亮温度的研究主要采用地基射电望远镜，地基雷达，绕月卫星携带的微 波辐射计以及绕月卫星携带的雷达来进行。其中地基射电望远镜对月亮温度观测研究主要 有观测整个月球的亮温度平均值或是月面中心点的亮温度值，以及月球亮温度空间分布。 在对月球亮温度的空间分布研究中，利用单天线射电望远镜观测一直是主要的途径。利用单天线对展源进行扫描观测，可以得到观测展源的射电图像。天线在俯仰或 方位方向扫描，扫描方式不同，数据处理方法也不一样。在早期天线自动化程度不高的条件 下，多采用的是栅格扫描，即天线逐个位置进行观测，记录天线指向每个天空位置得到的天 线温度。由这些栅格点温度值经过差值得出所测区域内的亮温度分布图。对月球的扫描观 测方法，除了栅格扫描观测外，就是0TF(On-the-Sky)方法。OTF方法中，射电望远镜在方位 或俯仰方向偏开一定角度，以一定速度扫过一片观测区域，并将数据记录后进行处理，得到 观测区域内亮温度分布。而单天线观测一个展源，不可能得到实际的展源亮度分布，而只是
3得到束平均亮度分布。如何从观测的束平均亮度分布出发，恢复得到展源实际的亮温度分 布，这在射电天文里一直都是主要研究的课题。月球就是一个展源，相对视角径比较大。图1为单天线观测月球的原理示意图。a 为月球的实际亮温度分布，b为天线方向图，c为对月球观测得到的天线温度分布。在对月 地基观测的现有技术中，一般采用直接成图法得到月球亮温度空间分布。用直接测量法获 得的月球亮温度图(c)是月球真实亮温度图(a)与天线方向图(b)的卷积，即
τΑφ, 0) = -fi^^τΒ(θ,0) ρ(θ, 0)其中(θ，Φ)为天线的观测方向，在这个方向上天线的有效面积为 Α^φ,Φ), rs(0,0)为月球实际的亮温度分布，为天线方向图，为观测得到 的天线温度，λ为观测波长。可见，所获得的月球亮温度图并不是真正的月球亮温度的分布。现有技术对单天线月球亮温度观测数据的处理方法的缺点在于没有考虑天线方 向图的影响，造成所成的月球亮温图像精度低，不能反映月球亮温度的真实变化。所以期望 有一种单天线月球亮温度观测数据处理方法，使得能够获得真实的月球亮温度分布图。

发明内容
(一)要解决的技术问题为了克服现有技术的上述缺陷，本发明提供了 一种地基单天线观测月球亮温度数 据的处理方法。(二)技术方案本发明提供的地基单天线观测月球亮温度数据的处理方法包括步骤利用地基单 天线进行观测以获得月球亮温度观测数据；对所述观测数据进行定标以获得脏图；利用所 述地基单天线对流量密度已知的射电源进行观测以获得天线方向图，根据所述天线方向图 获得归一化的脏束和洁束；根据所述脏图、脏束和洁束，利用修正的洁化CLEAN算法对脏图 进行洁化，得到洁图。其中洁化算法进一步包括步骤401，建立与脏图大小相等的一个空矩阵作为 0(x, y)函数矩阵的初始值，其中0(x，y)是M个强度为J的点源的集合，其中M为自然数; 步骤402，找到脏图内亮温度最大点的强度Imax和位置(Xmax，Ymax),所述位置是图像矩阵中 的行与列的位置；步骤403，将发现的最大值乘以环增益g，将乘积结果g*Imax添加到δ函 数矩阵相应位置(Xmax，Ymax)，其中g< 1 ；步骤404，将所述乘积结果乘以脏束Bd，并将结 果g*Imax*Bd整体平移到步骤402发现的最大值处(Xmax，Yfflax)，再将所得结果从脏图减掉，得 到残图R，返回步骤402，利用步骤404得到的残图替换脏图，即新的脏图Inew(X，y) = R(χ, y)，如此一直重复到设定的迭代次数N，或者残图的方差小于设定值，其中N为自然数；步骤 405，将得到的一系列δ函数0(x，y)与洁束卷积；步骤406，将最后得到的残图加到步骤 405的结果，最后形成洁图。(三)有益效果应用本发明的地基单天线观测月球亮温度数据的处理方法，其中引入了有效的退
4卷积CLEAN算法，使得在一定程度上消除了天线方向图的影响，从而获得与月球实际亮温 分布更接近的结果。


图1是现有技术中单天线对月球观测的原理示意图；图2是本发明地基单天线测月亮温度数据的处理方法的流程图；图3A例示了对月球观测数据进行本底拟合的示意图；以及图3B例示了一次多项式本底拟合的残差图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰易懂，下面结合附图对本发明具体 实施方式进行说明。在此本发明的示意性实例用于解释本发明，但不作为对本发明的限定。参照图2，图2是本发明地基单天线测月亮温度数据的处理方法的流程图。本发明 的实现原理是对利用单天线进行观测获得月球亮温度观测原始数据进行处理，并通过该原 始数据的定标处理，获得脏图、脏束和洁束，利用获得的脏图、脏束和洁束，通过Clean算法 得到月球的实际亮温分布图。首先，参照图2来详细描述月球亮温度分布脏图的获得过程，其中包括以下步骤步骤101，获得月球和射电源观测原始数据。利用单天线进行观测获得月球亮温度观测原始数据。月球亮温度观测原始数据为 天线进行俯仰扫描或方位扫描得到的数据。射电望远镜由天线系统、接收机系统和计算机 终端系统组成。其中天线系统是射电望远镜最主要的组成部分，其作用是有选择地收集来 自天空观测区域的辐射；接收机系统的作用是放大来自天线输出的在有限频带范围内的辐 射信号；计算机系统的作用是显示、记录、加工和存储辐射计输出数据，并具有控制望远镜 各部分协调工作的功能。为了方便理解通过单天线对月观测获得的数据格式，下面以举例的形式给出利用 北京密云50米单天线进行观测所得观测数据
权利要求
一种地基单天线观测月球亮温度数据的处理方法，该方法包括以下步骤步骤1，利用地基单天线进行观测以获得月球亮温度观测数据；步骤2，利用所述地基单天线对流量密度已知的射电源进行观测，利用观测结果通过对所述月球亮温度观测数据进行定标处理，以获得月球脏图；步骤3，利用所述地基单天线对流量密度已知的射电源进行观测以获得天线方向图，根据所述天线方向图获得归一化脏束和洁束；步骤4，根据所述脏图、脏束和洁束，利用修正的洁化CLEAN算法对脏图进行洁化，得到洁图。
2.根据权利要求1所述的方法，所述月球亮温度观测数据包括天线观测扫描方式、观 测点对应的天线方位实际值和理论值、观测点对应的天线俯仰实际值和理论值、天线对准 观测点时的电平值。
3.根据权利要求2所述的方法，其中在步骤1之后还包括对观测数据中的电平值进行 数据坏点去除和本底拟合处理。
4.根据权利要求2所述的方法，其中在步骤1之后还包括对观测数据中的与天线位 置有关的数据进行天线指向精度校正、地平坐标系与赤道坐标系转换以及消除月球运动处理。
5.根据权利要求4所述的方法，其中地平坐标系与赤道坐标系转换进一步包括将观测 数据中的坐标全部转换成开始扫描时的月球赤经赤纬坐标。
6.根据权利要求5所述的方法，其中步骤2进一步包括，通过定标将观测数据中的电平 值转换为月球亮温度值，利用所述月球赤经赤纬坐标与所述月球亮温度值成图，进而得到 脏图。
7.根据权利要求6所述的方法，在射电源的扫描数据中找到射电源扫描的最大值，以 该点的赤经或赤纬位置为中心，计算射电源扫描偏离中心的角度，并进行体积归一化，得到 脏束。
8.根据权利要求7所述的方法，对所述脏束的主瓣进行高斯拟合，得到洁束。
9.根据权利要求6所述的方法，所述定标所采用的定标源是已知流量密度的致密源。
10.根据权利要求1-9任一项所述的方法，其中步骤4进一步包括步骤401，建立与脏图大小相等的一个空矩阵作为0(x，y)函数矩阵的初始值，其中 0(x,y)是M个强度为J的点源的集合；步骤402，找到脏图内亮温度最大点的强度Imax和位置(Xmax，Ymax),所述位置是图像矩阵 中的行与列的位置；步骤403，将发现的最大值乘以环增益g，将乘积结果g*Imax添加到δ函数矩阵相应位 置(Xmax，Ymax)，其中步骤404，将所述乘积结果乘以脏束Bd，并将结果g*Imax*Bd整体平移到步骤402发现的 最大值处(Xmax，Yfflax)，再将所得结果从脏图减掉，得到残图R，返回步骤402，利用步骤404得 到的残图替换脏图，即得到新的脏图Imw(x，y) = R(x，y)，如此一直重复到设定的迭代次数 N，或者残图的方差小于设定值，其中N为自然数；步骤405，将得到的一系列δ函数0(x，y)与洁束卷积；步骤406，将最后得到的残图加到步骤405的结果，最后形成洁图。
全文摘要
本发明公开了一种地基单天线观测月球亮温度数据的处理方法，包括步骤利用地基单天线进行观测以获得月球亮温度观测数据；对所述观测数据进行定标以获得脏图；利用所述地基单天线对流量密度已知的射电源进行观测以获得天线方向图，根据所述天线方向图获得归一化的脏束和洁束；根据所述脏图、脏束和洁束，利用修正的洁化CLEAN算法对脏图进行洁化，得到洁图。本发明的地基单天线观测月球亮温度的数据处理方法，引入了有效的退卷积CLEAN算法，使得在一定程度上消除了天线方向图的影响，从而获得与月球实际亮温分布更接近的结果。
文档编号G01S7/41GK101976297SQ20101029736
公开日2011年2月16日 申请日期2010年9月30日 优先权日2010年9月30日
发明者孔德庆, 张洪波, 朱新颖, 李俊铎, 李春来, 苏彦, 赵攀, 郑磊 申请人:中国科学院国家天文台