陳 祺 黃海風 余安喜 梁甸農(nóng) 何 峰

（國防科學技術(shù)大學電子科學與工程學院，湖南 長沙410073）

引 言

全極化能夠提供更多的目標信息和地物散射特性，是星載合成孔徑雷達（Synthetic Aperture Radar，SAR）重要的發(fā)展方向，目前國外的許多星載SAR系統(tǒng)都有全極化工作模式，如德國的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、海面目標監(jiān)視等方面具有廣泛的應用前景［5-11］.我國也有許多學者進行了全極化星載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的一項重要性能參數(shù)，在單極化系統(tǒng)中，信號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，信號與模糊的極化方式不相同，如果目標散射矩陣的交替極化分量與同極化分量相差較大，則交叉極化信號由于受到同極化模糊的影響，交叉極化模糊度會急劇惡化.一般說來，森林目標的這兩個分量差5dB左右，對距離模糊度的影響尚可接受.但對海洋目標來說，一般兩個分量會相差20dB以上，交叉極化模糊度嚴重惡化，如果仍采用傳統(tǒng)的交替發(fā)射工作方式，星載SAR系統(tǒng)的距離模糊度無法達到要求，無法獲得質(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，或者減小測繪帶范圍，但在星載SAR系統(tǒng)上實現(xiàn)超低旁瓣天線比較困難，而減小測繪帶范圍也僅是一個折衷的辦法，沒有從根本上解決問題［16-18］.

漸進掃描合成孔徑雷達（Terrain Observation by Progressive Scans，TOPSAR）是一種全新的星載SAR多子帶寬幅觀測工作模式，它通過在不同測繪帶間切換，來獲得較寬的測繪帶［2，19-20］.這種工作模式在保持傳統(tǒng)掃描模式寬測繪帶優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，可以消除扇貝效應等問題以提高圖像質(zhì)量，國內(nèi)外許多學者都對其進行了研究［21-26］.針對傳統(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題，結(jié)合TOPSAR優(yōu)點，提出了全極化TOPSAR工作模式，這種模式通過對同一子帶多次以不同的極化進行觀測得到全極化數(shù)據(jù).這樣，信號與模糊仍是相同極化方式，可以有效防止交叉極化信號受同極化模糊的影響問題，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，指出其能夠來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)，對傳統(tǒng)交替發(fā)射工作方式與全極化TOPSAR方式進行了設(shè)計并對它們的距離模糊性能進行了比較.

1 傳統(tǒng)全極化SAR的距離模糊

傳統(tǒng)全極化星載SAR的工作時序如圖1所示.這種工作方式交替發(fā)射H和V極化，同時接收兩種極化，從而獲得全極化數(shù)據(jù).這種工作方式實現(xiàn)相對簡單，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)域探測上都取得了較好的效果.

圖1 交替發(fā)射同時接收時序圖

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)標號的模糊區(qū)都為VV極化，特別是對距離模糊影響最嚴重的±1模糊區(qū)都為VV極化的信號，因此VV極化的模糊能量將對HV極化的信號造成較嚴重的影響.同理，同極化的模糊度也會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.為簡化問題，假設(shè)地面為均勻場景，目標的散射矩陣為

全極化的模糊度的表達式為（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；Aj為模糊加權(quán)系數(shù)，Aj＝為入射角，φ為雷達波束角，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，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，將會嚴重影響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)來說，相比單極化系統(tǒng)，由于交叉極化回波能量較小，對同極化模糊度有一定的改善，但對交叉極化來說，由于受到同極化模糊能量的影響，距離模糊度將會惡化.

2 全極化TOPSAR系統(tǒng)

TOPSAR是一種全新的星載SAR多子帶寬幅觀測工作模式，通過天線在方位向掃描，克服了傳統(tǒng)ScanSAR的扇貝效應，可以得到更高質(zhì)量的圖像.在距離向，通過在不同測繪帶間切換，來獲得較寬的測繪帶［6-7］.用TOPSAR來獲取全極化數(shù)據(jù)可以只把TOPSAR與傳統(tǒng)全極化工作體制相接合，通過交替發(fā)射分時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工作時序圖

全極化TOPSAR系統(tǒng)首先在第一個子測繪帶上發(fā)射H極化，接收H和V極化，然后在第二個測繪帶上發(fā)射H極化，接收H和V極化，掃描完所有的子測繪帶后，再在第一個子測繪帶上發(fā)射V極化，接收H和V極化，把每個子測繪再掃描一次.因此，在每個子測繪帶上都工作兩次，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，從而在每個測繪帶上，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，可以用下列式子進行計算：

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相互影響.因此，無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)計與單極化的TOPSAR相比，只需要把每個測繪帶考慮兩次，具體可參考文獻［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題，全極化TOPSAR系統(tǒng)可以得到更寬的測繪帶，同時，可以在多個子測繪帶間切換，在分辨率與測繪帶寬間有更多的選擇.

3 仿真結(jié)果

為了分析與對比，根據(jù)Radarsat-2的基本參數(shù)，設(shè)計了一組按傳統(tǒng)全極化方式工作的波位.同時為了便于對比，相應設(shè)計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，需要更高一些的脈沖重復頻率（pulse recurrence frequency，PRF）.在本例的設(shè)計中，為了與傳統(tǒng)全極化系統(tǒng)對比，只選擇了一個子測繪帶，25km的測繪帶寬.實際上，單個測繪帶還可以做得更寬，而且還可以靈活地選擇幾個測繪帶，滿足不同的測繪需求.

表1 仿真參數(shù)

在此基礎(chǔ)上進行了仿真，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變差.特別是在SHH/SHV較大時，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交叉極化信號的干擾，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，指出在散射矩陣的同極化分量比交叉極化分量大較多時，傳統(tǒng)全極化系統(tǒng)交叉極化距離模糊度性能惡化較大，嚴重影響圖像質(zhì)量.針對這一問題，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)計了一個全極化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交叉極化信號的影響，有效改善星載SAR的交叉極化模糊度性能.

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