陳 祺 黃海風(fēng) 余安喜 梁甸農(nóng) 何 峰

（國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410073）

引 言

全極化能夠提供更多的目標(biāo)信息和地物散射特性，是星載合成孔徑雷達(dá)（Synthetic Aperture Radar，SAR）重要的發(fā)展方向，目前國(guó)外的許多星載SAR系統(tǒng)都有全極化工作模式，如德國(guó)的TerraSARX、加拿大的 Radarsat-2等［1-4］.全極化星載SAR數(shù)據(jù)在植物分類、農(nóng)作物檢測(cè)、海面目標(biāo)監(jiān)視等方面具有廣泛的應(yīng)用前景［5-11］.我國(guó)也有許多學(xué)者進(jìn)行了全極化星載SAR系統(tǒng)的研究工作［12-15］.

距離模糊度（Range Ambiguity to Signal Ratio，RASR）是星載SAR的一項(xiàng)重要性能參數(shù)，在單極化系統(tǒng)中，信號(hào)與模糊的極化方式相同，所以，只要選擇合適的系統(tǒng)參數(shù)，一般都能設(shè)計(jì)出合理的距離模糊度.但由于傳統(tǒng)的全極化星載SAR一般采用交替發(fā)射的方式，信號(hào)與模糊的極化方式不相同，如果目標(biāo)散射矩陣的交替極化分量與同極化分量相差較大，則交叉極化信號(hào)由于受到同極化模糊的影響，交叉極化模糊度會(huì)急劇惡化.一般說(shuō)來(lái)，森林目標(biāo)的這兩個(gè)分量差5dB左右，對(duì)距離模糊度的影響尚可接受.但對(duì)海洋目標(biāo)來(lái)說(shuō)，一般兩個(gè)分量會(huì)相差20dB以上，交叉極化模糊度嚴(yán)重惡化，如果仍采用傳統(tǒng)的交替發(fā)射工作方式，星載SAR系統(tǒng)的距離模糊度無(wú)法達(dá)到要求，無(wú)法獲得質(zhì)量好的全極化數(shù)據(jù).以往的解決方式是使用超低旁瓣天線，或者減小測(cè)繪帶范圍，但在星載SAR系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)超低旁瓣天線比較困難，而減小測(cè)繪帶范圍也僅是一個(gè)折衷的辦法，沒(méi)有從根本上解決問(wèn)題［16-18］.

漸進(jìn)掃描合成孔徑雷達(dá)（Terrain Observation by Progressive Scans，TOPSAR）是一種全新的星載SAR多子帶寬幅觀測(cè)工作模式，它通過(guò)在不同測(cè)繪帶間切換，來(lái)獲得較寬的測(cè)繪帶［2，19-20］.這種工作模式在保持傳統(tǒng)掃描模式寬測(cè)繪帶優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，可以消除扇貝效應(yīng)等問(wèn)題以提高圖像質(zhì)量，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者都對(duì)其進(jìn)行了研究［21-26］.針對(duì)傳統(tǒng)交替發(fā)射全極化星載SAR系統(tǒng)中交叉極化距離模糊度較差的問(wèn)題，結(jié)合TOPSAR優(yōu)點(diǎn)，提出了全極化TOPSAR工作模式，這種模式通過(guò)對(duì)同一子帶多次以不同的極化進(jìn)行觀測(cè)得到全極化數(shù)據(jù).這樣，信號(hào)與模糊仍是相同極化方式，可以有效防止交叉極化信號(hào)受同極化模糊的影響問(wèn)題，從而大大改善星載全極化系統(tǒng)的交叉極化距離模糊度.

首先分析了傳統(tǒng)交替發(fā)射全極化星載SAR距離模糊的成因與計(jì)算方法，指出其交叉極化距離模糊度惡化的原因.然后，提出了全極化TOPSAR工作模式，并分析了全極化TOPSAR系統(tǒng)距離模糊度的特點(diǎn)，指出其能夠來(lái)提升交叉極化距離模糊度的原因.最后，以Radarsat-2基本參數(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)傳統(tǒng)交替發(fā)射工作方式與全極化TOPSAR方式進(jìn)行了設(shè)計(jì)并對(duì)它們的距離模糊性能進(jìn)行了比較.

1 傳統(tǒng)全極化SAR的距離模糊

傳統(tǒng)全極化星載SAR的工作時(shí)序如圖1所示.這種工作方式交替發(fā)射H和V極化，同時(shí)接收兩種極化，從而獲得全極化數(shù)據(jù).這種工作方式實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單，目前的全極化系統(tǒng)基本都采用這種工作方式，在大部分區(qū)域探測(cè)上都取得了較好的效果.

圖1 交替發(fā)射同時(shí)接收時(shí)序圖

圖2 模糊區(qū)示意圖

全極化SAR系統(tǒng)的距離模糊與單極化SAR系統(tǒng)的距離模糊是不相同的.圖2（a）畫(huà)出了單極化模糊區(qū)的示意圖，圖2（b）以HV交叉極化方式為例，畫(huà)出了極化SAR系統(tǒng)的模糊區(qū).

從圖2中可以看出，與單極化距離模糊相比，全極化系統(tǒng)最大的差別在于模糊能量與信號(hào)能量不一定是相同的極化方式.以圖2（b）的HV極化為例，奇數(shù)標(biāo)號(hào)的模糊區(qū)都為VV極化，特別是對(duì)距離模糊影響最嚴(yán)重的±1模糊區(qū)都為VV極化的信號(hào)，因此VV極化的模糊能量將對(duì)HV極化的信號(hào)造成較嚴(yán)重的影響.同理，同極化的模糊度也會(huì)受到交叉極化模糊能量的影響.因此，全極化系統(tǒng)的距離模糊與單極化系統(tǒng)的距離模糊是不一樣的.為簡(jiǎn)化問(wèn)題，假設(shè)地面為均勻場(chǎng)景，目標(biāo)的散射矩陣為

全極化的模糊度的表達(dá)式為（假設(shè)SVH＝SHV）［16-17］

1）HH極化

2）VV極化

3）HV交叉極化

式中，j為模糊區(qū)編號(hào)；Aj為模糊加權(quán)系數(shù)，Aj＝為入射角，φ為雷達(dá)波束角，假設(shè)各極化收發(fā)天線的方向圖一致，G（·）為雙程天線方向圖；δ為極化隔離度；R為斜距.

從式（1）～（4）可以看出，在相同的參數(shù)下，與單極化系統(tǒng)相比，全極化系統(tǒng)的距離模糊需要考慮不同模糊區(qū)交叉極化回波和同極化回波的相互影響.同時(shí)，如果極化散射矩陣中的同極化散射分量比交叉極化分量大很多，將會(huì)嚴(yán)重影響SAR系統(tǒng)的交叉極化模糊度.因此，以目前的一般星載SAR系統(tǒng)參數(shù)來(lái)說(shuō)，相比單極化系統(tǒng)，由于交叉極化回波能量較小，對(duì)同極化模糊度有一定的改善，但對(duì)交叉極化來(lái)說(shuō)，由于受到同極化模糊能量的影響，距離模糊度將會(huì)惡化.

2 全極化TOPSAR系統(tǒng)

TOPSAR是一種全新的星載SAR多子帶寬幅觀測(cè)工作模式，通過(guò)天線在方位向掃描，克服了傳統(tǒng)ScanSAR的扇貝效應(yīng)，可以得到更高質(zhì)量的圖像.在距離向，通過(guò)在不同測(cè)繪帶間切換，來(lái)獲得較寬的測(cè)繪帶［6-7］.用TOPSAR來(lái)獲取全極化數(shù)據(jù)可以只把TOPSAR與傳統(tǒng)全極化工作體制相接合，通過(guò)交替發(fā)射分時(shí)接收的方式獲取全極化數(shù)據(jù)，但這樣將面臨與傳統(tǒng)全極化系統(tǒng)相同的問(wèn)題.為了避免交叉極化數(shù)據(jù)的距離模糊度惡化，結(jié)合TOPSAR與全極化技術(shù)，提出一種全極化TOPSAR系統(tǒng)的工作模式，其工作原理如圖3所示.

圖3 全極化TOPSAR工作原理示意圖

圖4 全極化TOPSAR工作時(shí)序圖

全極化TOPSAR系統(tǒng)首先在第一個(gè)子測(cè)繪帶上發(fā)射H極化，接收H和V極化，然后在第二個(gè)測(cè)繪帶上發(fā)射H極化，接收H和V極化，掃描完所有的子測(cè)繪帶后，再在第一個(gè)子測(cè)繪帶上發(fā)射V極化，接收H和V極化，把每個(gè)子測(cè)繪再掃描一次.因此，在每個(gè)子測(cè)繪帶上都工作兩次，一次發(fā)射H極化，另一次發(fā)射V極化，每次都接收兩種極化，從而在每個(gè)測(cè)繪帶上，都能得到全極化數(shù)據(jù).而這種工作方式下，距離模糊與傳統(tǒng)單極化的成因是一樣的，主要受到極化隔離度的影響，可以用下列式子進(jìn)行計(jì)算：

1）HH極化

2）VV極化

3）HV交叉極化

與傳統(tǒng)全極化方式相比，全極化TOPSAR同極化和交叉極化的回波不會(huì)相互影響.因此，無(wú)論散射矩陣情況如何，全極化TOPSAR都能獲得距離模糊度較好的全極化數(shù)據(jù).

全極化TOPSAR的參數(shù)設(shè)計(jì)與單極化的TOPSAR相比，只需要把每個(gè)測(cè)繪帶考慮兩次，具體可參考文獻(xiàn)［2，19，26］等.與傳統(tǒng)的全極化系統(tǒng)相比，由于從根本上解決了交叉極化距離模糊度惡化的問(wèn)題，全極化TOPSAR系統(tǒng)可以得到更寬的測(cè)繪帶，同時(shí)，可以在多個(gè)子測(cè)繪帶間切換，在分辨率與測(cè)繪帶寬間有更多的選擇.

3 仿真結(jié)果

為了分析與對(duì)比，根據(jù)Radarsat-2的基本參數(shù)，設(shè)計(jì)了一組按傳統(tǒng)全極化方式工作的波位.同時(shí)為了便于對(duì)比，相應(yīng)設(shè)計(jì)了一組單子帶的全極化TOPSAR系統(tǒng)的波位，基本參數(shù)在表1中給出.從表中可以看出，全極化TOPSAR系統(tǒng)需要的天線面積更小，同時(shí)，需要更高一些的脈沖重復(fù)頻率（pulse recurrence frequency，PRF）.在本例的設(shè)計(jì)中，為了與傳統(tǒng)全極化系統(tǒng)對(duì)比，只選擇了一個(gè)子測(cè)繪帶，25km的測(cè)繪帶寬.實(shí)際上，單個(gè)測(cè)繪帶還可以做得更寬，而且還可以靈活地選擇幾個(gè)測(cè)繪帶，滿足不同的測(cè)繪需求.

表1 仿真參數(shù)

在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果如圖5和圖6所示，圖中Rg表示地距.

圖5 SHH/SHV＝5dB的仿真結(jié)果

圖6 SHH/SHV＝20dB的仿真結(jié)果

從仿真結(jié)果可以看出，盡管傳統(tǒng)全極化系統(tǒng)的同極化模糊度稍好，但其交叉極化模糊度會(huì)變差.特別是在SHH/SHV較大時(shí)，由于同極化模糊能量的影響，交叉極化模糊度惡化較快.而在全極化TOPSAR系統(tǒng)中，無(wú)論在散射矩陣情況怎樣，同極化和交叉極化都有一致的表現(xiàn)，交叉極化距離模糊度性能得到有效改善，因此，全極化TOPSAR系統(tǒng)可以防止同極化模糊對(duì)交叉極化信號(hào)的干擾，有效改善了交叉極化的距離模糊度.

4 結(jié) 論

分析了傳統(tǒng)全極化系統(tǒng)的距離模糊度特點(diǎn)，指出在散射矩陣的同極化分量比交叉極化分量大較多時(shí)，傳統(tǒng)全極化系統(tǒng)交叉極化距離模糊度性能惡化較大，嚴(yán)重影響圖像質(zhì)量.針對(duì)這一問(wèn)題，提出了全極化TOPSAR工作模式以提升交叉極化距離模糊度，并分析了全極化TOPSAR系統(tǒng)的距離模糊.最后，以Radarsat-2基本參數(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一個(gè)全極化TOPSAR系統(tǒng)，并仿真了其在不同情況下的距離模糊度.分析和仿真結(jié)果表明，全極化TOPSAR系統(tǒng)可以防止同極化模糊對(duì)交叉極化信號(hào)的影響，有效改善星載SAR的交叉極化模糊度性能.

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