基于直接解调的多历元变基线数据处理方法与流程

本发明涉及一种基于直接解调的多历元变基线数据处理方法，即一种基于直接解调方法的多历元变基线光学干涉数据处理方法，属于数据处理。

背景技术：

1、天文光学干涉阵列是由多个望远镜组成的干涉系统，阵列的基线长度远超单个望远镜口径，从而实现高辨率的成像能力。在光学或红外波段，大型干涉阵列如vlti、chara、alma等，分辨率达到了毫角秒级甚至更高。通过高分辨率的观测，干涉阵列在恒星表面、系外行星系统、活动星系核、天体距离测量等领域发挥了重要作用。

2、干涉阵列获得的观测数据是条纹，而不是目标源图像。根据干涉观测原理vancittert-zernike定理，从干涉图像提取的复可见度函数，对应目标源的空间流强分布的傅里叶变换。一组基线单次的干涉观测，相当于对目标源傅里叶空间的一次采样。因此通过变基线方式，得到多个复可见度，可重建目标源图像。

3、光学干涉数据处理的难点在于，重建的目标结构复杂、对比度高，数据信噪比低，对空间频率的采样非常稀疏，参数空间维度高等。这些因素导致干涉阵列的响应函数病态，需要采用合适的数据处理和重建算法，以提高重建结果的稳定性和准确度。常用的算法有clean、最大熵和压缩感知。clean算法假设目标由点源构成，因此处理近邻源时容易出现相互干扰而产生伪结构，对观测噪声敏感；最大熵方法的目标是优化整个图像的熵，容易导致图像细节的丢失，迭代计算时间长；压缩感知算法利用信号的稀疏性进行图像重建，但其依赖稀疏性假设，计算复杂度高，对噪声敏感，参数选择与调优复杂。总的来说，现有方法对复杂目标重建能力欠缺，对噪声敏感，及计算时间长。

4、直接解调算法是求解调制方程时，灵活的加入物理或先验约束条件，对迭代过程进行非线性的控制，使迭代过程稳定收敛，可对非完整及噪声大的数据，对复杂目标，进行高分辨率的重建。在空间高能天文领域，直接解调算法已有大量成功的应用，在统计性差的数据上，实现了对点源和弥散背景同时存在的高分辨率的重建。但要将直接解调算法应用在光学干涉数据，除了需要修改方程以适应光干涉的形式，推导调制方程，仍需要解决直接解调算法迭代求解计算速度过慢的问题。

5、另外，现有干涉数据处理方法极少考虑观测过程的误差引入，缺乏对多历元观测的数据处理方法，未充分利用观测信息。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，解决了现有干涉数据算法对噪声敏感、对复杂目标重建效果不理想和重建计算速度慢的问题。

2、本发明目的通过以下技术方案予以实现：

3、一种基于直接解调的多历元变基线数据处理方法，即一种基于直接解调方法的多历元变基线光学干涉数据处理方法，包括：

4、对一组基线单波段单次观测干涉过程建模：输入目标源在观测时间下的流强随空间、时间、波长的分布，建立代表一组望远镜系统观测响应的核函数，获取干涉条纹。利用上述核函数，建立目标源分布和干涉条纹的关系，得到一组基线单波段单次观测的调制方程[6]；

5、对望远镜阵列单波段单次观测过程建模：望远镜阵列有多组基线，通过对一组基线单波段单次观测的调制方程[6]中的核函数的扩展，得到望远镜阵列单波段单次观测的调制方程[7]；

6、对单历元变基线观测过程建模：在单历元观测中，认为目标源的分布是不随时间变化而变化的，将望远镜阵列单次观测的调制方程[7]的核函数，扩展为多个观测时间的核函数，得到单历元变基线单波段的调制方程[8]；考虑多个观测波段，扩展单历元变基线单波段的调制方程[8]，得到单历元变基线多波段的调制方程[9]

7、对多历元观测过程建模:如果目标源的分布仍不随时间变化而变化，扩展单历元变基线单波段的调制方程[8]的核函数，得到多历元单波段时不变目标的调制方程[10]；如果目标源的分布随时间变化，扩展多历元单波段调制方程[10]中的目标源项，得到多历元单波段时变目标的调制方程[11]；对于多波段观测，如果目标源分布随波段变化，对多历元单波段时变目标的调制方程[11]中的目标源项需考虑波段信息，核函数需扩展为包含多个波段的响应，得到多历元多波段时变目标的调制方程[12]；若目标源为时不变，且在观测总波段内，流强不随波长变化，则多历元多波段时变目标的调制方程[12]可简化为多历元多波段不变时不变目标的调制方程[13]。

8、利用直接解调法，独立求解调制方程[6]到[13]，实现目标重建。调制方程从[6]到[13],利用的信息逐渐增多，如从单基线到多基线，从单历元到多历元，从单波段到多波段，重建目标的准确度会越来越高。

9、由于调制方程的复杂度高，用直接解调法求解过程分为三步：通过极大似然法得到不动点迭代公式的具体形式；对调制方程中的核函数的分解和聚类得到循环矩阵和系数，代入迭代公式中；利用快速傅里叶变换，加入正性、目标源流量上限、物理约束，进行目标重建。

10、本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

11、(1)本发明综合多波段、多历元的观测干涉数据，充分利用观测信息，获取更准确的重建结果，同时实现对暗弱目标、运动目标、多波段目标的重建，对于天体物理观测，如系外行星探测、原行星盘成像、恒星表面成像、双星监测等领域有广泛的应用场景。

12、(2)联合目标源信息、观测过程即核函数的建模、观测的数据，本发明构造了矩阵形式的调制方程具备高的灵活度和可扩展性：可根据不同的观测过程，在核函数中加入仪器、空间环境等因素引入的误差，除了用于数据重建研究外，也可用于望远镜阵列系统误差传递的研究；通过简单修改核函数，可适用处理多种方法(如瞳面合束或像面合束)获得的干涉数据；对多历元数据的重建，可用于研究望远镜阵列观测计划生成。

13、(3)本发明利用直接解调方法，可对弥散结构和点源实现高分辨率重建。

14、(4)本发明通过对调制核矩阵的分解和降阶，巧妙利用fft，加快求解速度。

技术特征：

1.一种基于直接解调的多历元变基线数据处理方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的多历元变基线数据处理方法，其特征在于，对一组基线单波段单次观测干涉过程建模时，输入目标源在观测时间下的流强随空间、时间、波长的分布。

3.根据权利要求1所述的多历元变基线数据处理方法，其特征在于，望远镜阵列有多组基线，通过对一组基线单波段单次观测的调制方程中的核函数的扩展，得到望远镜阵列单波段单次观测的调制方程。

4.根据权利要求1所述的多历元变基线数据处理方法，其特征在于，将望远镜阵列单次观测的调制方程的核函数，扩展为多个观测时间的核函数，得到单历元变基线单波段的调制方程；考虑多个观测波段，扩展单历元变基线单波段的调制方程，得到单历元变基线多波段的调制方程。

5.根据权利要求1所述的多历元变基线数据处理方法，其特征在于，对单历元变基线观测过程建模时，认为目标源的分布是不随时间变化而变化的。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的多历元变基线数据处理方法，其特征在于，对多历元观测过程建模时，如果目标源的分布仍不随时间变化而变化，扩展单历元变基线单波段的调制方程的核函数，得到多历元单波段时不变目标的调制方程。

7.根据权利要求6所述的多历元变基线数据处理方法，其特征在于，对多历元观测过程建模时，如果目标源的分布随时间变化，扩展多历元单波段调制方程中的目标源项，得到多历元单波段时变目标的调制方程。

8.根据权利要求7所述的多历元变基线数据处理方法，其特征在于，对于多波段观测，如果目标源分布随波段变化，对多历元单波段时变目标的调制方程中的目标源项需考虑波段信息，核函数需扩展为包含多个波段的响应，得到多历元多波段时变目标的调制方程。

9.根据权利要求8所述的多历元变基线数据处理方法，其特征在于，若目标源为时不变，且在观测总波段内，流强不随波长变化，则多历元多波段时变目标的调制方程简化为多历元多波段不变时不变目标的调制方程。

10.根据权利要求9所述的多历元变基线数据处理方法，其特征在于，利用直接解调法，求解不同的调制方程，实现相应的目标重建。

技术总结
一种基于直接解调的多历元变基线数据处理方法，包括：对一组基线单波段单次观测干涉过程建模；建立代表一组望远镜系统观测响应的核函数，获取干涉条纹；利用上述核函数，建立目标源分布和干涉条纹的关系，得到一组基线单波段单次观测的调制方程；对望远镜阵列单波段单次观测过程建模，得到望远镜阵列单波段单次观测的调制方程；基于望远镜阵列单次观测的调制方程的核函数，得到单历元变基线多波段的调制方程；基于单历元变基线多波段的调制方程，针对目标源的分布是否随时间变化，以及目标源分布是否随波段变化，确定相应的调制方程，利用直接解调法，求解该相应的调制方程，实现目标重建。

技术研发人员：朱玥,霍卓玺,刘冀林,张磊,张晓静,肖媛,范艳婷,张国强,马瑞廷,欧阳青林
受保护的技术使用者：中国航天科技创新研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/25