多極化星載SAR模糊比分析與計算

李 延 丁澤剛 郭佳佳

(1 北京空間飛行器總體設計部,北京 100094)

(2 北京理工大學,北京 100081)

1 引言

多極化合成孔徑雷達系統是目前世界各國許多合成孔徑雷達(SAR)領域的重要發展方向之一。多極化相對于單極化而言,能夠提供更多的目標信息和地物散射特性,這也是多極化的最大優點。目前已有不少星載SAR 實現了多極化工作模式,如德國的“陸地合成孔徑雷達衛星”(TerraSAR)、加拿大雷達衛星-2(Radarsat-2)等。目前我國也在開展多極化星載SAR系統的研究工作。

星載SAR模糊比(ASR)指模糊性與信號之比,它是系統的一項重要性能參數。單極化星載系統模糊比的計算已經非常成熟了,但對于多極化星載SAR系統而言,其同極化回波與交叉極化回波之間的相互耦合,使得多極化系統的模糊性分析更加復雜,尤其是交叉極化模糊比急劇惡化。因此,為了得到質量滿意的圖像,分析計算模糊比成為了多極化系統設計的重要問題。

本文詳細分析了多極化系統模糊比的計算,推導出了多極化模糊比的計算公式,最后對海洋、森林兩種典型目標的模糊比進行了比較。

2 多極化SAR模糊問題

多極化SAR系統的模糊問題與單極化類似,同樣分為方位向模糊和距離向模糊。方位向的模糊是由于SAR系統的脈沖工作體制產生的,雷達系統以發射脈沖重復頻率(PRF)對方位向采樣,使得方位向頻譜以PRF為周期搬移,方位向頻譜的混疊形成了模糊問題。距離向相差整數個脈沖重復周期(PRT)的回波同時到達接收機,使得距離向產生模糊問題[1],并且多極化系統距離模糊與極化方向有關。

2.1 方位向模糊比

文獻[2]中給出了方位向模糊比表達式,與單極化時相同。但多極化系統不同極化方向信號收發時序的組合,形成四種不同的工作時序[3]:交替發射同時接收、交替發射交替接收、同時發射同時接收和同時發射交替接收。為了減小方位向的頻譜混疊,不同時序工作模式的PRF 與多普勒帶寬的關系也不同,方位向模糊比修正為

其中,f是回波頻率,G(f)為方位向天線功率方向圖,PRF為脈沖重復頻率,Bp為多普勒帶寬,m為回波頻率與當前PRF 相差的PRF 整倍數,k 代表不同的工作時序,具體取值如表1所示。

表1 k 在不同工作時序時的取值表Table1 k Value with different working schedule

2.2 距離向模糊比

距離向相差整數個脈沖重復間隔的回波同時到達接收機,使得觀測帶回波與模糊區回波混疊在一起,產生了距離向的模糊。距離向不同極化方向的電磁波作用目標,產生的回波特性也不同,因此多極化系統的不同工作時序,使得目標的散射矩陣也不同,距離向模糊比的計算也不同。目前的多極化系統多使用交替發射同時接收工作方式,下面就以它為例,分析多極化距離向模糊比。

交替發射同時接收工作方式是交替發射水平(H)、垂直(V)極化波,然后在兩個發射脈沖間隔內,同時接收某一極化入射波對應的H、V 散射波。如先發射H 極化波,然后同時接收HH、HV 散射波;接著發射V 極化波,然后接收VH、VV 極化散射波等。因此,相鄰模糊區的入射波是正交的,散射波也不同。交替發射同時接收工作方式的模糊區示意模型如圖1所示,其工作時序如圖2所示。

圖1 交替發射同時接收模糊區示意圖Fig.1 Ambiguous area illustration w hen transmitting alternately and receiving simultaneously

圖2 交替發射同時接收時序圖Fig.2 Scheduling chart for alternate transmission and simultaneous reception

對于交替發射同時接收工作方式的極化信號而言,在某一回波接收時刻,接收到的信號除了有用信號外,還有正好相差j個PRT 的模糊回波信號。如圖1所示,當j為奇數時,該模糊回波信號對應的發射脈沖與有用信號對應的發射脈沖極化方向垂直;當j為偶數時,二者的極化方向相同。因此,考慮距離向模糊對目標散射矩陣的影響,則目標散射矩陣[4]可表示為

式(2)中,j為模糊區編號,Aj為模糊加權系數且θ為入射角,φ為雷達波束視角,R為模糊區或觀測帶斜距。

當考慮多極化系統中天線通道間耦合的影響時[5-6],目標散射矩陣修正為

式(3)中,j為模糊區編號,Aj為模糊加權系數,與式(2)中相同,且A0=1。式(3)的推導中利用了互易條件下,散射矩陣為對角陣的特點,即SHV=SVH,具體推導過程見文獻[4]。

由散射矩陣與后向散射系數之間的關系,推導得交替發射同時接收工作方式的距離向模糊比表達式如下。

1)HH 同極化模糊比

2)VV 同極化模糊比

3)交叉極化模糊比

同理,可以分析得到其他三種工作方式距離向模糊比表達式。

3 多極化模糊比與單極化模糊比的比較

單極化系統發射、接收單一極化方向的信號,不需要考慮極化特性的影響,設備簡單,模糊比的分析和計算也簡單;多極化系統發射、接收信號的極化方式不同,工作時序有四種,使得模糊比的分析和計算需要考慮更多的因素。由上述分析結果可知,多極化與單極化模糊比的分析計算主要有以下3 點不同:

1)方位向模糊比的計算完全類似,只是PRF 的選擇與單極化不同,需要考慮工作時序的影響;

2)多極化距離向模糊比需要考慮不同模糊區交叉極化回波和同極化回波之間的相互影響[7];

3)多極化需要發射、接收不同極化方向的信號,故分析計算模糊比時需要考慮天線的極化隔離度的影響。

4 仿真結果

為了驗證上述分析,利用Radarsat-2 衛星的SAR系統參數進行仿真計算。系統主要參數及指標如表2所示[8]。以交替發射同時接收工作方式為例,分別對森林、海洋兩類目標進行觀測。其中森林目標的散射矩陣中,HH 后向散射系數比HV 后向散射系數大5dB[9];海洋目標的散射矩陣中,HH 后向散射系數比HV 后向散射系數大30dB[10]。下面給出森林、海洋兩種目標的仿真結果。

表2 Radarsat-2系統主要參數及指標Table.2 Main parameters and their values of Radarsat-2 system

圖3～圖6是考慮天線通道間耦合對散射矩陣的影響后所得結果。由圖3和圖4,圖5和圖6可以看出,交叉極化模糊比比同極化模糊比差,這是由于交叉極化回波受到較強的同極化回波的影響;對比圖4與圖6可知,海洋目標的交叉極化模糊比由于同極化回波、以及通道間耦合的影響嚴重惡化,可知海洋交叉極化回波信號不能使用,這也驗證了文獻[4]中的結論。

圖3 森林目標同極化RAS RFig.3 Mono-polarization RAS R for forest dtarget considering antenna interchannel coupling

圖4 森林目標交叉極化RASRFig.4 Cross-polarization RAS R for forest target considering antenna interchannel coupling

圖5 海洋目標同極化RAS RFig.5 Mono-polarization RASR for ocean target considering antenna interchannel coupling

圖6 海洋目標交叉極化RAS RFig.6 Cross-polarization RASR for ocean target considering antenna interchannel coupling

當不考慮天線通道間的耦合時,所得結果如圖7～圖10所示。

圖7 森林目標同極化RASR Fig.7 Mono-polarization RAS R for forest target without regard to antenna interchannel coupling

由圖7、圖8、圖9和圖10可知,當不考慮天線通道間耦合的影響時,同極化目標比優于交叉極化模糊比5dB,通過多次仿真也驗證了這一結論。

5 結束語

本文較詳細地分析了多極化SAR系統的模糊問題,給出方位向模糊比公式,同時綜合考慮同極化回波和交叉極化回波信號以及天線通道間耦合對觀測帶有用回波信號的影響,推導了多極化距離向同極化和交叉極化模糊比的計算公式。

圖8 森林目標交叉極化RASRFig.8 Cross-polarization RASR for forest target without regard to antenna interchannel coupling

圖9 海洋目標同極化RAS RFig.9 Mono-polarization RASR for ocean target without regard to antenna interchannel coupling

圖10 海洋目標交叉極化RASRFig.10 Cross-polarization RAS R for ocean target without regard to antenna interchannel coupling

多極化SAR系統與單極化系統相比,工作時序不同,模糊問題的分析和計算需要考慮更多因素。最后通過對森林和海洋兩種典型目標的仿真,驗證了海洋交叉極化回波信號模糊嚴重的問題,為多極化星載SAR系統的設計提供了借鑒。

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