李 延 丁澤剛 郭佳佳

(1 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部,北京 100094)

(2 北京理工大學(xué),北京 100081)

1 引言

多極化合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)是目前世界各國(guó)許多合成孔徑雷達(dá)(SAR)領(lǐng)域的重要發(fā)展方向之一。多極化相對(duì)于單極化而言,能夠提供更多的目標(biāo)信息和地物散射特性,這也是多極化的最大優(yōu)點(diǎn)。目前已有不少星載SAR 實(shí)現(xiàn)了多極化工作模式,如德國(guó)的“陸地合成孔徑雷達(dá)衛(wèi)星”(TerraSAR)、加拿大雷達(dá)衛(wèi)星-2(Radarsat-2)等。目前我國(guó)也在開(kāi)展多極化星載SAR系統(tǒng)的研究工作。

星載SAR模糊比(ASR)指模糊性與信號(hào)之比,它是系統(tǒng)的一項(xiàng)重要性能參數(shù)。單極化星載系統(tǒng)模糊比的計(jì)算已經(jīng)非常成熟了,但對(duì)于多極化星載SAR系統(tǒng)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(tǒng)的模糊性分析更加復(fù)雜,尤其是交叉極化模糊比急劇惡化。因此,為了得到質(zhì)量滿(mǎn)意的圖像,分析計(jì)算模糊比成為了多極化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要問(wèn)題。

本文詳細(xì)分析了多極化系統(tǒng)模糊比的計(jì)算,推導(dǎo)出了多極化模糊比的計(jì)算公式,最后對(duì)海洋、森林兩種典型目標(biāo)的模糊比進(jìn)行了比較。

2 多極化SAR模糊問(wèn)題

多極化SAR系統(tǒng)的模糊問(wèn)題與單極化類(lèi)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(tǒng)的脈沖工作體制產(chǎn)生的,雷達(dá)系統(tǒng)以發(fā)射脈沖重復(fù)頻率(PRF)對(duì)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(wèn)題。距離向相差整數(shù)個(gè)脈沖重復(fù)周期(PRT)的回波同時(shí)到達(dá)接收機(jī),使得距離向產(chǎn)生模糊問(wèn)題[1],并且多極化系統(tǒng)距離模糊與極化方向有關(guān)。

2.1 方位向模糊比

文獻(xiàn)[2]中給出了方位向模糊比表達(dá)式,與單極化時(shí)相同。但多極化系統(tǒng)不同極化方向信號(hào)收發(fā)時(shí)序的組合,形成四種不同的工作時(shí)序[3]:交替發(fā)射同時(shí)接收、交替發(fā)射交替接收、同時(shí)發(fā)射同時(shí)接收和同時(shí)發(fā)射交替接收。為了減小方位向的頻譜混疊,不同時(shí)序工作模式的PRF 與多普勒帶寬的關(guān)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(xiàn)功率方向圖,PRF為脈沖重復(fù)頻率,Bp為多普勒帶寬,m為回波頻率與當(dāng)前PRF 相差的PRF 整倍數(shù),k 代表不同的工作時(shí)序,具體取值如表1所示。

表1 k 在不同工作時(shí)序時(shí)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(shù)個(gè)脈沖重復(fù)間隔的回波同時(shí)到達(dá)接收機(jī),使得觀(guān)測(cè)帶回波與模糊區(qū)回波混疊在一起,產(chǎn)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(biāo),產(chǎn)生的回波特性也不同,因此多極化系統(tǒng)的不同工作時(shí)序,使得目標(biāo)的散射矩陣也不同,距離向模糊比的計(jì)算也不同。目前的多極化系統(tǒng)多使用交替發(fā)射同時(shí)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(fā)射同時(shí)接收工作方式是交替發(fā)射水平(H)、垂直(V)極化波,然后在兩個(gè)發(fā)射脈沖間隔內(nèi),同時(shí)接收某一極化入射波對(duì)應(yīng)的H、V 散射波。如先發(fā)射H 極化波,然后同時(shí)接收HH、HV 散射波;接著發(fā)射V 極化波,然后接收VH、VV 極化散射波等。因此,相鄰模糊區(qū)的入射波是正交的,散射波也不同。交替發(fā)射同時(shí)接收工作方式的模糊區(qū)示意模型如圖1所示,其工作時(shí)序如圖2所示。

圖1 交替發(fā)射同時(shí)接收模糊區(qū)示意圖Fig.1 Ambiguous area illustration w hen transmitting alternately and receiving simultaneously

圖2 交替發(fā)射同時(shí)接收時(shí)序圖Fig.2 Scheduling chart for alternate transmission and simultaneous reception

對(duì)于交替發(fā)射同時(shí)接收工作方式的極化信號(hào)而言,在某一回波接收時(shí)刻,接收到的信號(hào)除了有用信號(hào)外,還有正好相差j個(gè)PRT 的模糊回波信號(hào)。如圖1所示,當(dāng)j為奇數(shù)時(shí),該模糊回波信號(hào)對(duì)應(yīng)的發(fā)射脈沖與有用信號(hào)對(duì)應(yīng)的發(fā)射脈沖極化方向垂直;當(dāng)j為偶數(shù)時(shí),二者的極化方向相同。因此,考慮距離向模糊對(duì)目標(biāo)散射矩陣的影響,則目標(biāo)散射矩陣[4]可表示為

式(2)中,j為模糊區(qū)編號(hào),Aj為模糊加權(quán)系數(shù)且θ為入射角,φ為雷達(dá)波束視角,R為模糊區(qū)或觀(guān)測(cè)帶斜距。

當(dāng)考慮多極化系統(tǒng)中天線(xiàn)通道間耦合的影響時(shí)[5-6],目標(biāo)散射矩陣修正為

式(3)中,j為模糊區(qū)編號(hào),Aj為模糊加權(quán)系數(shù),與式(2)中相同,且A0=1。式(3)的推導(dǎo)中利用了互易條件下,散射矩陣為對(duì)角陣的特點(diǎn),即SHV=SVH,具體推導(dǎo)過(guò)程見(jiàn)文獻(xiàn)[4]。

由散射矩陣與后向散射系數(shù)之間的關(guān)系,推導(dǎo)得交替發(fā)射同時(shí)接收工作方式的距離向模糊比表達(dá)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(dá)式。

3 多極化模糊比與單極化模糊比的比較

單極化系統(tǒng)發(fā)射、接收單一極化方向的信號(hào),不需要考慮極化特性的影響,設(shè)備簡(jiǎn)單,模糊比的分析和計(jì)算也簡(jiǎn)單;多極化系統(tǒng)發(fā)射、接收信號(hào)的極化方式不同,工作時(shí)序有四種,使得模糊比的分析和計(jì)算需要考慮更多的因素。由上述分析結(jié)果可知,多極化與單極化模糊比的分析計(jì)算主要有以下3 點(diǎn)不同:

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

2)多極化距離向模糊比需要考慮不同模糊區(qū)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(fā)射、接收不同極化方向的信號(hào),故分析計(jì)算模糊比時(shí)需要考慮天線(xiàn)的極化隔離度的影響。

4 仿真結(jié)果

為了驗(yàn)證上述分析,利用Radarsat-2 衛(wèi)星的SAR系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行仿真計(jì)算。系統(tǒng)主要參數(shù)及指標(biāo)如表2所示[8]。以交替發(fā)射同時(shí)接收工作方式為例,分別對(duì)森林、海洋兩類(lèi)目標(biāo)進(jìn)行觀(guān)測(cè)。其中森林目標(biāo)的散射矩陣中,HH 后向散射系數(shù)比HV 后向散射系數(shù)大5dB[9];海洋目標(biāo)的散射矩陣中,HH 后向散射系數(shù)比HV 后向散射系數(shù)大30dB[10]。下面給出森林、海洋兩種目標(biāo)的仿真結(jié)果。

表2 Radarsat-2系統(tǒng)主要參數(shù)及指標(biāo)Table.2 Main parameters and their values of Radarsat-2 system

圖3～圖6是考慮天線(xiàn)通道間耦合對(duì)散射矩陣的影響后所得結(jié)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(qiáng)的同極化回波的影響;對(duì)比圖4與圖6可知,海洋目標(biāo)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(yán)重惡化,可知海洋交叉極化回波信號(hào)不能使用,這也驗(yàn)證了文獻(xiàn)[4]中的結(jié)論。

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

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

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

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

當(dāng)不考慮天線(xiàn)通道間的耦合時(shí),所得結(jié)果如圖7～圖10所示。

圖7 森林目標(biāo)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(dāng)不考慮天線(xiàn)通道間耦合的影響時(shí),同極化目標(biāo)比優(yōu)于交叉極化模糊比5dB,通過(guò)多次仿真也驗(yàn)證了這一結(jié)論。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文較詳細(xì)地分析了多極化SAR系統(tǒng)的模糊問(wèn)題,給出方位向模糊比公式,同時(shí)綜合考慮同極化回波和交叉極化回波信號(hào)以及天線(xiàn)通道間耦合對(duì)觀(guān)測(cè)帶有用回波信號(hào)的影響,推導(dǎo)了多極化距離向同極化和交叉極化模糊比的計(jì)算公式。

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

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

圖10 海洋目標(biāo)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(tǒng)與單極化系統(tǒng)相比,工作時(shí)序不同,模糊問(wèn)題的分析和計(jì)算需要考慮更多因素。最后通過(guò)對(duì)森林和海洋兩種典型目標(biāo)的仿真,驗(yàn)證了海洋交叉極化回波信號(hào)模糊嚴(yán)重的問(wèn)題,為多極化星載SAR系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了借鑒。

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