祝曉靜李 飛王 宇王 偉*孫 翔

①(中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所 北京 100190)

②(中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100039)

基于改進(jìn)方位相位編碼的全極化SAR距離模糊抑制方法

祝曉靜①②李 飛①王 宇①②王 偉*①孫 翔①②

①(中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所 北京 100190)

②(中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100039)

傳統(tǒng)全極化SAR系統(tǒng)交叉極化通道由于受到強(qiáng)同極化距離模糊信號(hào)的干擾，使得交叉極化通道的距離模糊性能急劇下降，這嚴(yán)重限制了全極化SAR系統(tǒng)的測(cè)繪帶寬。該文首先介紹一種擴(kuò)展的極化發(fā)射體制—混合極化模式，該模式在改善交叉極化距離模糊性能的同時(shí)惡化同極化距離模糊性能。因此，為了更好地提高全極化SAR系統(tǒng)的距離模糊性能，該文提出一種改進(jìn)的方位相位編碼方法(MAPC)。該方法通過(guò)對(duì)系統(tǒng)發(fā)射脈沖進(jìn)行調(diào)制解調(diào)，能夠?qū)⑷珮O化SAR系統(tǒng)的距離模糊能量轉(zhuǎn)移到方位向，然后利用方位向維納濾波器濾除距離模糊能量。該文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明MAPC技術(shù)能夠有效地去除全極化SAR系統(tǒng)的距離模糊能量，并擴(kuò)展系統(tǒng)的無(wú)模糊測(cè)繪帶寬。

合成孔徑雷達(dá)；全極化；混合極化；距離模糊；改進(jìn)的方位相位編碼；維納濾波器

1 引言

傳統(tǒng)全極化SAR采用H,V極化脈沖交替發(fā)射的工作方式，同極化距離模糊信號(hào)將疊加到交叉極化通道中，一般情況下同極化分量能量比交叉極化分量能量強(qiáng)6～10 dB[1]，由于受同極化分量的嚴(yán)重干擾，使得交叉極化通道的距離模糊性能急劇下降，這嚴(yán)重的限制了星載全極化SAR獲得高的測(cè)繪帶寬。因此，如何抑制交叉極化通道中的同極化距離模糊信號(hào)，以滿足系統(tǒng)的距離模糊性能要求已成為了當(dāng)前全極化SAR系統(tǒng)發(fā)展所面臨的關(guān)鍵問(wèn)題。

目前，為了解決上述問(wèn)題，工程上普遍采用的方法包含兩類：一類是通過(guò)改變傳統(tǒng)全極化SAR的發(fā)射方式采用新型的極化工作模式，現(xiàn)有的極化工作模式主要包括極化頻分(Polarization Frequency Division,PFD)、極化碼分(Polarization Code Division,PCD)、改進(jìn)的極化時(shí)分(Polarization Time Division,PTD)、改進(jìn)的極化頻分[2]，這些模式雖然能夠改進(jìn)全極化SAR系統(tǒng)的距離模糊性能，但是對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及硬件要求比較嚴(yán)格。另一類是采用距離模糊抑制算法，主要包括天線方向圖賦形、正負(fù)調(diào)頻技術(shù)[3]，方位相位編碼技術(shù)(Azimuth Phase Coding,APC)[4–6]，距離向波束形成(Digital Beam Forming,DBF)技術(shù)[7–9]，但是現(xiàn)有的距離模糊抑制算法都是基于單極化系統(tǒng)提出的，在全極化SAR系統(tǒng)的距離模糊性能改善上效果并不理想。

本文首先介紹了一種擴(kuò)展的混合極化工作模式，該模式通過(guò)改變了傳統(tǒng)H/V交替發(fā)射的工作模式，極大的改善了全極化SAR系統(tǒng)的距離模糊性能。但是與此同時(shí)，由于交叉極化通道的同極化距離模糊信號(hào)轉(zhuǎn)移到了同極化通道中，使得同極化通道的距離模糊性能下降。因此，本文提出了一種改進(jìn)的相位編碼方法，該方法通過(guò)對(duì)發(fā)射接收脈沖進(jìn)行調(diào)制解調(diào)，將全極化SAR系統(tǒng)的距離模糊能量轉(zhuǎn)移至方位向，并結(jié)合方位向維納濾波器[10,11]將模糊能量濾除，從而進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的距離模糊性能。

本文余下部分結(jié)構(gòu)如下：第2節(jié)介紹了傳統(tǒng)全極化SAR工作模式和混合極化SAR工作模式；第3節(jié)主要介紹了基于改進(jìn)方位相位編碼(Modified Azimuth Phase Coding,MAPC)技術(shù)的全極化SAR距離模糊抑制方法；第4節(jié)根據(jù)仿真結(jié)果分析MAPC方法對(duì)全極化SAR距離模糊抑制效果；第5節(jié)給出了本文的結(jié)論。

2 極化SAR工作模式

2.1 傳統(tǒng)全極化SAR系統(tǒng)

全極化SAR系統(tǒng)采用交替發(fā)射工作模式，如圖1所示，在某個(gè)回波接收時(shí)刻，接收信號(hào)除了主測(cè)繪帶內(nèi)的信號(hào)之外，也有相差k個(gè)脈沖重復(fù)周期的模糊回波信號(hào)，當(dāng)k為奇數(shù)時(shí)，模糊信號(hào)對(duì)應(yīng)的發(fā)射脈沖和有用信號(hào)對(duì)應(yīng)的發(fā)射脈沖極化方式相反；當(dāng)k為偶數(shù)時(shí)，模糊信號(hào)對(duì)應(yīng)的發(fā)射脈沖和有用信號(hào)對(duì)應(yīng)的發(fā)射脈沖極化方式相同[12]。

基于以上分析，在全極化SAR系統(tǒng)中，通過(guò)交替發(fā)射H,V極化的脈沖，H,V通道同時(shí)線極化接收，可以得到全極化SAR四通道極化數(shù)據(jù)的觀測(cè)散射矩陣為：

式(1)中RAR表示距離模糊比[13–15]。如圖2所示，假設(shè)S0表示測(cè)繪帶內(nèi)有用信號(hào)的功率，Sak表示第k階模糊信號(hào)的功率，表示全極化SAR的視角，表示系統(tǒng)從測(cè)繪帶近端到測(cè)繪帶遠(yuǎn)端的波束入射角，表示對(duì)應(yīng)的模糊信號(hào)的入射角，表示該入射角下的歸一化后向散射系數(shù)，為距離向天線方向圖，與分別表示模糊信號(hào)與有用信號(hào)在不同入射角下對(duì)應(yīng)的斜距，則系統(tǒng)的距離模糊比可表示為：

式(1)等號(hào)右邊第1項(xiàng)表示主信號(hào)的散射矩陣，剩余兩項(xiàng)為距離模糊信號(hào)散射矩陣，i=odd表示奇數(shù)模糊區(qū)，i=even為偶數(shù)模糊區(qū)。根據(jù)傳統(tǒng)極化SAR的散射矩陣可以看出，同極化通道受奇數(shù)區(qū)交叉極化距離模糊信號(hào)和偶數(shù)區(qū)同極化模糊信號(hào)的影響，而交叉極化通道受奇數(shù)區(qū)同極化模糊信號(hào)和偶數(shù)區(qū)交叉極化模糊信號(hào)的影響，由于同極化分量較交叉極化分量大6～10 dB，使得同極化通道回波受模糊信號(hào)的影響較小，但交叉極化通道回波受奇數(shù)區(qū)同極化模糊信號(hào)影響很大，很難達(dá)到系統(tǒng)的距離模糊性能。交叉極化通道距離模糊性能限制了系統(tǒng)測(cè)繪帶寬，改善全極化SAR系統(tǒng)交叉極化通道的距離模糊性能成為全極化SAR系統(tǒng)設(shè)計(jì)中一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

圖2 星載SAR系統(tǒng)距離向幾何關(guān)系示意圖Fig.2 Illustration of imaging geometry for spaceborne SAR

2.2 混合極化SAR系統(tǒng)

通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)全極化SAR系統(tǒng)的分析可以看出，傳統(tǒng)的全極化SAR系統(tǒng)由于采用H,V線極化交替發(fā)射的工作方式，使得交叉極化通道受到同極化模糊信號(hào)的影響，交叉極化通道的模糊性能較差，無(wú)法滿足應(yīng)用要求。因此本文介紹了一種擴(kuò)展的極化工作模式—混合極化模式[1]，該方式通過(guò)改變發(fā)射信號(hào)的極化方式，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)交叉極化通道距離模糊性能的極大改善。

圖3 混合極化SAR系統(tǒng)工作模式Fig.3 Transmission mode of hybrid-pol SAR

根據(jù)混合極化SAR的工作模式可以推導(dǎo)出該系統(tǒng)接收到的四通道數(shù)據(jù)的極化散射矩陣為：

式(3)右邊第1項(xiàng)表示感興趣的測(cè)繪區(qū)域?qū)?yīng)的回波信號(hào)，后面的兩項(xiàng)為帶外的模糊信號(hào)。根據(jù)該散射矩陣可以看出混合極化工作方式使得有用信號(hào)和距離模糊信號(hào)之間達(dá)到一個(gè)更平衡的狀態(tài)。對(duì)上述的混合極化SAR系統(tǒng)散射矩陣乘以變換矩陣實(shí)現(xiàn)極化分離：

根據(jù)分離后的散射矩陣可以看出，在使用混合極化工作模式后，交叉極化通道的回波無(wú)論是奇數(shù)模糊區(qū)還是偶數(shù)模糊區(qū)均為交叉極化距離模糊信號(hào)。不同于傳統(tǒng)SAR極化系統(tǒng)，采用混合極化結(jié)構(gòu)[16,17]的SAR系統(tǒng)的交叉極化有用信號(hào)只受到交叉極化距離模糊信號(hào)的影響，從而大大改善了系統(tǒng)交叉極化通道距離模糊性能。但是根據(jù)變換后的模糊散射矩陣可以看出，雖然交叉極化通道受到了能量較低的交叉極化模糊分量的影響，但是整個(gè)散射矩陣整體的模糊能量并沒(méi)有減少。

3 改進(jìn)的方位相位編碼方法

為了進(jìn)一步提高全極化SAR系統(tǒng)的整體模糊性能，本文提出了一種改進(jìn)的方位相位編碼方法。不同于混合極化工作方式以降低同極化通道的距離模糊性能為代價(jià)來(lái)提高交叉極化通道的距離模糊性能，該方法能夠?qū)φ麄€(gè)系統(tǒng)的距離模糊性能進(jìn)行提高。APC技術(shù)的本質(zhì)是將距離模糊轉(zhuǎn)移到方位向，利用方位向?yàn)V波技術(shù)濾除距離模糊能量[19]。通過(guò)對(duì)發(fā)射信號(hào)相位調(diào)制，并對(duì)接收回波進(jìn)行相位解調(diào)，再通過(guò)方位向?yàn)V波的方法有效的抑制SAR系統(tǒng)的距離模糊。

3.1 方位相位編碼原理

傳統(tǒng)的單通道單極化SAR系統(tǒng)中，APC技術(shù)抑制距離模糊分為3個(gè)步驟，首先對(duì)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行相位調(diào)制，調(diào)制相位如下所示：

其中，l表示第幾個(gè)發(fā)射脈沖，M表示頻率偏移因子，。然后對(duì)接收回波信號(hào)進(jìn)行相位解調(diào)：

其中，n表示第幾個(gè)接收脈沖，m表示發(fā)射脈沖與接收脈沖的脈沖間隔。解調(diào)后k階距離模糊信號(hào)的剩余相位為：

根據(jù)上式可以看出，通過(guò)方位相位編碼解調(diào)以后，第k距離模糊信號(hào)在方位向產(chǎn)生了一個(gè)線性的剩余相位，所以在多普勒頻域內(nèi)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)的頻率偏移，因此在方位向利用矩形濾波器可以濾除在PRF和多普勒處理帶寬Bp之間的距離模糊能量。傳統(tǒng)APC技術(shù)在方位向加上一個(gè)帶寬為Bp，幅度為1的矩形濾波器以此濾去在PRF和多普勒處理帶寬Bp之間的距離模糊能量，該濾波器能夠保證帶內(nèi)有用信號(hào)能量沒(méi)有損失的情況濾除帶外模糊能量。濾波后系統(tǒng)的距離模糊比可表示為：

圖4為M=2時(shí)APC使信號(hào)產(chǎn)生頻譜搬移的示意圖。通過(guò)提高系統(tǒng)的PRF可以使模糊信號(hào)在方位向產(chǎn)生更大的頻移，結(jié)合濾波器濾除的模糊能量就越多。由于在SAR系統(tǒng)中，一階距離模糊信號(hào)能量占主導(dǎo)地位，并且在傳統(tǒng)全極化SAR系統(tǒng)中交叉極化通道受到奇數(shù)階同極化分量的干擾嚴(yán)重，因此本文的APC技術(shù)改進(jìn)基于M=2。

3.2 基于MAPC的傳統(tǒng)全極化SAR系統(tǒng)

全極化SAR系統(tǒng)采用交替發(fā)射不同極化的信號(hào)，兩個(gè)通道同時(shí)接收的工作方式，因此，全極化SAR系統(tǒng)在方位向具有兩個(gè)通道，并且兩個(gè)通道之間由于發(fā)射的極化方式的不同，使得不同極化方式的模糊信號(hào)存在耦合。全極化SAR系統(tǒng)經(jīng)APC調(diào)制后，兩個(gè)接收通道的解調(diào)是獨(dú)立的，如果按照單通道的APC調(diào)制解調(diào)方式會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)通道的信號(hào)無(wú)法產(chǎn)生剩余的線性相位，從而無(wú)法讓模糊信號(hào)在多普勒頻域產(chǎn)生平移然后濾除。此時(shí)需要對(duì)原來(lái)的APC發(fā)射調(diào)制方式做一個(gè)改進(jìn)，讓系統(tǒng)接收解調(diào)后，使兩個(gè)通道的模糊信號(hào)均能產(chǎn)生剩余的線性相位，即能夠?qū)⑹咕嚯x模糊信號(hào)在多普勒頻域相對(duì)有用信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)頻率偏移，然后在方位向上利用方位向?yàn)V波技術(shù)濾除相關(guān)的距離模糊能量。

本文提出的MAPC方法主要包含3個(gè)步驟：

(1) 對(duì)發(fā)射信號(hào)在方位向上使用改進(jìn)的APC技術(shù)進(jìn)行發(fā)射相位調(diào)制。

(2) 對(duì)方位向接收到的信號(hào)進(jìn)行接收相位的解調(diào)。

(3) 將信號(hào)變換到多普勒頻域中使用維納濾波器濾除模糊信號(hào)能量。

傳統(tǒng)全極化SAR系統(tǒng)的APC的具體調(diào)制方式如圖5所示。

圖4 APC方法M=2時(shí)方位向多普勒頻譜示意圖Fig.4 Doppler spectrum after APC modulation and demodulation (M=2)

圖5 全極化SAR系統(tǒng)中MAPC的發(fā)射調(diào)制方式Fig.5 Modified APC modulation based on quad-pol SAR systems

即H極化發(fā)射脈沖不調(diào)制，V極化發(fā)射脈沖采用線性相位的調(diào)制方式：

其中，n表示第幾個(gè)發(fā)射脈沖。MAPC方法的解調(diào)方式與傳統(tǒng)APC技術(shù)解調(diào)方式一致。H,V通道接收解調(diào)后。傳統(tǒng)全極化SAR系統(tǒng)H/V通道4個(gè)極化分量的k階距離模糊信號(hào)的剩余相位可表示為：

可以看出傳統(tǒng)全極化SAR系統(tǒng)經(jīng)過(guò)MAPC調(diào)制解調(diào)后，H通道和V通道的所有分量的奇數(shù)階信號(hào)在方位向上均產(chǎn)生剩余的線性相位，因此在多普勒頻域會(huì)產(chǎn)生PRF/2的頻移。

由于傳統(tǒng)全極化SAR系統(tǒng)的PRF受系統(tǒng)限制不可能設(shè)計(jì)的很高，所以使用傳統(tǒng)APC的濾波技術(shù)只能濾除很少一部分的距離模糊能量。本文基于最小均方差理論(MMSE)，即最小化無(wú)模糊信號(hào)與濾波后信號(hào)的均方誤差，構(gòu)建了方位向維納濾波器用以濾除更多的模糊能量[11]。該方法實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵點(diǎn)是信號(hào)與模糊的頻譜存在“不一致性”。經(jīng)過(guò)MAPC技術(shù)后距離向模糊能量轉(zhuǎn)化到了方位向，并且在多普勒頻域內(nèi)距離模糊頻譜相對(duì)于有用信號(hào)頻譜發(fā)生偏移。這使得在多普勒帶寬內(nèi)設(shè)計(jì)一個(gè)濾波器在滿足MMSE前提下，濾除一部分帶內(nèi)的模糊能量成為可能。維納濾波器在解決MMSE問(wèn)題上表現(xiàn)出良好的性能，因此本文構(gòu)建維納濾波器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的矩形濾波器。維納濾波器表示為：

如果采用維納濾波器，則濾波系數(shù)可表示為：

其中H(f)為頻域維納濾波器。

3.3 基于MAPC的混合極化SAR系統(tǒng)

在混合極化SAR系統(tǒng)中，各個(gè)通道之間混合極化接收數(shù)據(jù)在接收后需要進(jìn)行矩陣變換，將混合極化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為四極化數(shù)據(jù)，當(dāng)通道與通道之間對(duì)應(yīng)模糊區(qū)的相位一致，混合極化數(shù)據(jù)可以很好的分離為四極化數(shù)據(jù)，此時(shí)4個(gè)通道的極化數(shù)據(jù)都只會(huì)受到與主信號(hào)相同的極化方式的模糊信號(hào)的影響。下面給出基于MAPC方法的混合極化SAR系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分離后的結(jié)果：

最后由于奇數(shù)區(qū)模糊在矩陣變換后存在線性相位，因此可以利用方位向?yàn)V波技術(shù)濾除多余的模糊能量。注意分離后奇數(shù)區(qū)的交叉極化通道的分量符號(hào)相反并且具有相同的線性相位，因此依然可以通過(guò)互易定理去除交叉極化通道的奇數(shù)區(qū)的距離模糊能量。

4 仿真結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證對(duì)比本文中的MAPC方法的模糊抑制效果，本文采用L波段全極化SAR系統(tǒng)對(duì)傳統(tǒng)全極化SAR系統(tǒng)4個(gè)通道的距離模糊比(Range Ambiguity to Signal Ratio,RASR)進(jìn)行仿真。表1為L(zhǎng)波段雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)，圖6以斑馬圖的形式給出了全極化SAR系統(tǒng)不同視角下PRF的選擇情況。

表1 L波段全極化SAR系統(tǒng)參數(shù)Tab.1 Parameters for system examples

根據(jù)圖6中給出的L波段全極化SAR系統(tǒng)的PRF參數(shù)，對(duì)傳統(tǒng)全極化以及混合極化SAR系統(tǒng)的RASR進(jìn)行仿真對(duì)比分析。根據(jù)圖7(a)可以看出，由于同極化分量與交叉極化分量相差較大，使得交叉極化通道回波受奇數(shù)區(qū)同極化模糊信號(hào)影響很大，交叉極化通道距離模糊性能明顯低于同極化通道，很難達(dá)到系統(tǒng)的距離模糊性能。但是根據(jù)混合極化模式的RASR曲線圖7(b)可以看出，由于交叉極化通道只受到交叉極化距離模糊信號(hào)的影響，因此交叉極化通道距離模糊水平低于–20 dB。

圖6 全極化SAR系統(tǒng)不同波位的PRF值Fig.6 Parameterof PRF for quad-pol SAR system

圖7 L波段不同工作模式下同極化通道與交叉極化通道的RASR曲線Fig.7 RASR of cross-pol and co-pol channels for L-band SAR systems based on different transmission mode

圖8給出了L波段傳統(tǒng)全極化SAR系統(tǒng)在使用MAPC情況下，不同濾波方法給系統(tǒng)模糊信號(hào)和有用信號(hào)帶來(lái)的能量損失。從VV通道的仿真結(jié)果可以看出，使用基于矩形濾波器的MAPC方法后，模糊信號(hào)能量濾除了20%～40%，有用信號(hào)沒(méi)有產(chǎn)生損失。而使用基于最優(yōu)化維納濾波器的MAPC后使得系統(tǒng)的模糊能量濾除了65%～88%，與此同時(shí)有用信號(hào)也產(chǎn)生了接近35%的能量損失?？梢钥闯?，采用維納濾波器比采用矩形濾波器平均多濾除10%的模糊能量。由于模糊能量在濾波過(guò)程中濾除較多，使得系統(tǒng)的距離模糊性能得到了改善。

圖9對(duì)比了L波段全極化SAR系統(tǒng)在使用基于不同方位濾波方法的MAPC技術(shù)時(shí)系統(tǒng)同極化通道與交叉極化通道的距離模糊比曲線。其中圖9(a)和圖9(b)主要是針對(duì)L波段傳統(tǒng)全極化SAR系統(tǒng)，其中圖9(a)為VV通道，圖9(b)為HV通道。根據(jù)傳統(tǒng)全極化SAR系統(tǒng)VV通道和HV通道未使用任何距離模糊抑制算法(藍(lán)色曲線)的RASR仿真結(jié)果可以看出，在該發(fā)射模式下，VV通道與HV通道距離模糊水平差異很大，同極化通道的距離模糊水平較高，而交叉極化通道的距離模糊水平非常低。由于基于矩形濾波器的MAPC技術(shù)(紅色曲線)最多只能濾除奇數(shù)模糊區(qū)的能量，而MAPC技術(shù)受限于系統(tǒng)的PRF。對(duì)于VV極化通道，奇數(shù)模糊區(qū)為能量較低的HV極化信號(hào)，所以MAPC技術(shù)使同極化通道的距離模糊比改善比較小，而采用了基于維納濾波器的MAPC技術(shù)后(綠色曲線)，VV極化通道的距離模糊性能得到了部分改善，距離模糊比提高了約2 dB。對(duì)于HV極化通道來(lái)說(shuō)，由于交叉極化通道的奇數(shù)模糊區(qū)的信號(hào)為能量較高的同極化信號(hào)，所以使用MAPC技術(shù)后濾除的能量比同極化通道多，導(dǎo)致HV極化通道的距離模糊性能改善效果比同極化通道明顯，但是同樣受到系統(tǒng)PRF的限制，使得MAPC方法對(duì)于交叉極化通道的距離模糊性能僅有了2 dB提高，但是在結(jié)合了方位向維納濾波技術(shù)后，交叉極化通道的距離模糊性能提高了約7 dB，極大地提高了系統(tǒng)的交叉極化通道的距離模糊性能。

圖8 矩形濾波與維納濾波時(shí)信號(hào)與模糊能量損失比Fig.8 Compares filtering performance of rectangular filter and azimuth Wiener filter

圖9 MAPC方法對(duì)同極化通道與交叉極化通道RASR影響Fig.9 Compares RASR of HH and HV-pol channel by using MAPC technique based on rectangular filter/azimuth Wiener filter

而圖9(c)和圖9(d)主要是針對(duì)基于混合極化體制的MAPC技術(shù)的仿真對(duì)比分析，首先通過(guò)混合極化發(fā)射模式使得4個(gè)通道距離模糊能量得到一個(gè)更好的均衡，此時(shí)4個(gè)通道的距離模糊水平基本一致，采用距離模糊抑制方法對(duì)4個(gè)通道的距離模糊抑制效果一致。圖9(c)和圖9(d)的仿真結(jié)果也驗(yàn)證了這一樣結(jié)論，無(wú)論是VV通道還是HV通道，采用基于矩形濾波器的MAPC技術(shù)對(duì)該混合極化SAR系統(tǒng)提高的距離模糊比約2 dB，采用基于維納濾波器的MAPC技術(shù)系統(tǒng)的距離模糊比改善了4～6 dB。對(duì)比傳統(tǒng)全極化SAR系統(tǒng)和混合極化SAR系統(tǒng)，對(duì)于VV通道，由于混合極化模式中VV通道濾除的奇數(shù)模糊區(qū)能量為同極化分量而非傳統(tǒng)全極化模式的交叉極化分量，因此采用混合極化發(fā)射模式時(shí)濾波器濾除的模糊能量更多。

最后，為了驗(yàn)證本文中的距離模糊抑制方法對(duì)面目標(biāo)的改善效果，圖10給出了L波段VH極化和HH極化在不同工作模式和不同距離模糊抑制方法下的實(shí)測(cè)圖像。圖10(a)為傳統(tǒng)全極化SAR系統(tǒng)VH交叉極化的回波圖像，由于受同極化距離模糊污染嚴(yán)重，使得圖像的質(zhì)量急劇下降。根據(jù)圖10(c)所示，通過(guò)采用混合極化的工作模式，交叉極化通道的距離模糊能量被轉(zhuǎn)移，使得圖像性能得到了大幅度的提升，但是還是存在少量的距離模糊條紋。根據(jù)圖10(e)所示，通過(guò)MAPC技術(shù)，傳統(tǒng)全極化SAR系統(tǒng)HH通道與HV通道絕大部分模糊能量被去除。但是由于交叉極化通道奇數(shù)模糊區(qū)距離模糊分量為同極化距離模糊信號(hào)，并且受到系統(tǒng)PRF限制，使得交叉極化圖像性能雖然得到了大幅度的提升，但是在圖像邊緣存在少量的距離模糊條紋。最后為了進(jìn)一步去除圖像中的距離模糊能量，采用了基于MAPC的混合極化SAR系統(tǒng)，由圖10(g)可以看出，此時(shí)圖像基本不再受距離模糊的干擾，絕大部分模糊能量被濾除。

與交叉極化VH圖像圖10(a)相比，在傳統(tǒng)全極化SAR系統(tǒng)下，由于同極化HH通道受到弱模糊信號(hào)的影響影響，所以同極化HH回波圖像圖10(b)受距離模糊影響很小。通過(guò)使用混合極化發(fā)射模式后，由圖10(d)可以看出，此時(shí)的圖像相比于傳統(tǒng)全極化模式圖像圖10(b)相比存在部分距離模糊條紋，即在混合極化模式下，同極化通道距離模糊水平降低了，這是因?yàn)樵谠撃Ｊ较?，交叉極化通道奇數(shù)模糊區(qū)的強(qiáng)同極化距離模糊能量轉(zhuǎn)移到了同極化通道，使得在交叉極化距離模糊改善的情況下，同極化距離模糊被增大。根據(jù)圖10(f)的圖像可以看出，傳統(tǒng)全極化SAR系統(tǒng)HH通道的奇數(shù)模糊區(qū)模糊能量較低，采用MAPC后HH通道的圖像質(zhì)量不會(huì)產(chǎn)生模糊條紋。最后通過(guò)結(jié)合MAPC和混合極化SAR系統(tǒng)，由圖10(h)可以看出，此時(shí)HH同極化圖像的不存在模糊條紋，并且大部分模糊能量被濾除，圖像的質(zhì)量顯著提高。即通過(guò)使用MAPC方法彌補(bǔ)了混合極化SAR系統(tǒng)引起的同極化通道距離模糊性能下降的缺點(diǎn)。

圖10 不同工作模式及距離模糊方法抑制下同極化通道與交叉極化通道實(shí)測(cè)圖像對(duì)Fig.10 Images on left-hand side are VH-pol image,images on right-hand side are HH-pol image.(a) and (b) are assumed that the system operateswith conventional quad-pol mode.(c) and (d) are assumed that the system operates with hybrid-pol mode.(e) and (f) are assumed that the modified azimuth phase coding is used to the hybrid-pol SAR system

5 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)第4小節(jié)給出的仿真結(jié)果可以看出，混合極化模式在改善全極化SAR系統(tǒng)交叉極化距離模糊性能上表現(xiàn)出極佳的效果。但是同時(shí)也帶來(lái)了同極化通道距離模糊的部分下降。本文提出了一種新型的全極化SAR系統(tǒng)距離模糊抑制方法—MAPC方法，該方法不僅能夠在彌補(bǔ)混合極化SAR系統(tǒng)同極化通道模糊性能下降的問(wèn)題而且能將全極化SAR系統(tǒng)距離模糊水平整體提高，不同于其它的距離模糊抑制方法使距離模糊能量散焦，通過(guò)使用MAPC以及方位向維納濾波器，全極化SAR系統(tǒng)中的距離模糊能量能夠被大部分濾除，并且該方法在面目標(biāo)上也表現(xiàn)出良好的距離模糊抑制效果。MAPC技術(shù)通過(guò)對(duì)全極化SAR系統(tǒng)交替發(fā)射的脈沖進(jìn)行方位相位編碼，使得接收到的距離模糊信號(hào)在多普勒頻域產(chǎn)生PRF/2的頻移，利用方位向?yàn)V波技術(shù)能夠?qū)⒛：芰繛V除，從而有效地改善了全極化SAR系統(tǒng)的距離模糊性能。將MAPC技術(shù)與混合極化發(fā)射模式進(jìn)行結(jié)合，先利用混合極化模式將全極化SAR系統(tǒng)四通道的距離模糊能量進(jìn)行均衡，然后利用MAPC技術(shù)對(duì)系統(tǒng)的距離模糊進(jìn)行進(jìn)一步的抑制，使得整個(gè)全極化SAR系統(tǒng)的距離模糊水平得到更大的改善，從而顯著的擴(kuò)展全極化SAR系統(tǒng)的可視測(cè)繪帶寬，這對(duì)于全極化SAR系統(tǒng)的發(fā)展具有重要意義。

[1]Raney R K,Freeman A,and Jordan R L.Improved range ambiguity performance in quad-pol SAR[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,2012,50(2): 349–356.DOI: 10.1109/TGRS.2011.2121075.

[2]楊汝良,戴博偉,李海英.極化合成孔徑雷達(dá)極化層次和系統(tǒng)工作方式[J].雷達(dá)學(xué)報(bào),2016,5(2): 132–142.Yang Ru-liang,Dai Bo-wei,and Li Hai-ying.Polarization hierarchy and system operating architecture for polarimetric Synthetic Aperture Radar[J].Journal of Radars,2016,5(2):132–142.

[3]Mittermayer J and Martínez J M.Analysis of range ambiguity suppression in SAR by up and down chirp modulation for point and distributed targets[C].Proceedings of the 2003 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium,Toulouse,France,2003,6: 4077–4079.

[4]Dall J and Kusk A.Azimuth phase coding for range ambiguity suppression in SAR[C].Proceedings of the 2004 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium,Anchorage,AK,USA,2004,3: 1734–1737.

[5]Bordoni F,Younis M,and Krieger G.Ambiguity suppression by azimuth phase coding in multichannel SAR systems[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,2012,50(2): 617–629.DOI: 10.1109/TGRS.2011.2161672.

[6]Yang Jun,Sun Guang-cai,Wu Yu-feng,et al..Range ambiguity suppression by azimuth phase coding in multichannel SAR systems[C].Proceedings of IET International Radar Conference 2013,Xi'an,China,2013:1–5.

[7]Gebert N,Krieger G,and Moreira A.Digital beamforming on receive: Techniques and optimization strategies for highresolution wide-swath SAR imaging[J].IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems,2009,45(2): 564–592.DOI: 10.1109/TAES.2009.5089542.

[8]Krieger G,Gebert N,and Moreira A.Multidimensional waveform encoding: A new digital beamforming technique for synthetic aperture radar remote sensing[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,2008,46(1): 31–46.DOI: 10.1109/TGRS.2007.905974.

[9]Huber S,Younis M,Patyuchenko A,et al..Digital beam forming techniques for spaceborne reflector SAR systems[C].Proceedings of the 201th European Conference on Synthetic Aperture Radar (EUSAR),Aachen,Germany,2010: 1–4.

[10]Di Martino G,Iodice A,Riccio D,et al..Filtering of azimuth ambiguity in stripmap synthetic aperture radar images[J].IEEE Journal of Selected Topics in Applied EarthObservations and Remote Sensing,2014,7(9): 3967–3978.DOI: 10.1109/JSTARS.2014.2320155.

[11]Guarnieri A M.Adaptive removal of azimuth ambiguities in SAR images[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,2005,43(3): 625–633.DOI: 10.1109/TGRS.2004.842476.

[12]洪文,楊士林,李洋,等.分布式目標(biāo)的極化SAR距離模糊計(jì)算方法研究[J].電子與信息學(xué)報(bào),2015,37(6): 1437–1442.Hong Wen,Yang Shi-lin,Li Yang,et al..Study on polarimetric SAR range ambiguity computation for distributed targets[J].Journal of Electronics&Information Technology,2015,37(6): 1437–1442.DOI:10.11999/JEIT141234.

[13]Li P K and Johnson W T K.Ambiguities in spacebornene synthetic aperture radar systems[J].IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems,1983,AES-19(3):389–397.DOI: 10.1109/TAES.1983.309319.

[14]Callaghan G D and Longstaff I D.Wide-swath space-borne SAR and range ambiguity[C].Proceedings of Radar 97(Conf.Publ.No.449),Edinburgh,UK,1997: 248–252.

[15]Cordey R.Range ambiguities for a polarimetric spaceborne SAR[C].Proceedings of IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium,Houston,TX,USA,1992:637–639.

[16]Raney R K.Hybrid-polarity SAR architecture[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,2007,45(11): 3397–3404.DOI: 10.1109/TGRS.2007.895883.

[17]Raney R K,Spudis P D,Bussey B,et al..The lunar mini-RF radars: Hybrid polarimetric architecture and initial results[J].Proceedings of the IEEE,2011,99(5): 808–823.DOI: 10.1109/JPROC.2010.2084970.

[18]Raney R K.A ‘free’ 3-dB cross-polarized SAR data[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,1988,26(5): 700–702.DOI: 10.1109/36.7698.

[19]郭磊,王宇,鄧云凱,等.基于方位向相位編碼技術(shù)的方位向多通道SAR距離模糊抑制方法[J].電子與信息學(xué)報(bào),2015,37(3):601–606.Guo Lei,Wang Yu,Deng Yun-kai,et al..Range ambiguity suppression for multi-channel SAR system using azimuth phase coding technique[J].Journal of Electronics&Information Technology,2015,37(3): 601–606.DOI:10.11999/JEIT140707.

Range Ambiguity Suppression Approach for Quad-pol SAR Systems Based on Modified Azimuth Phase Coding

Zhu Xiaojing①②Li Fei①Wang Robert①②Wang Wei①Sun Xiang①②

①(Institute of Electronics,Chinese Academy of Sciences,Beijing100190,China)

②(University of Chinese Academy of Sciences,Beijing100039,China)

For conventional quadrature-polarimetric (quad-pol) Synthetic Aperture Radar (SAR) systems,as cross-polarized (cross-pol) channels are influenced by the strong co-polarized (co-pol) range ambiguous returns,the range ambiguity levels of cross-polchannels are markedly reduced,which severely restricts the unambiguous swaths.A novel transmission scheme called a hybrid-polarimetric (hybrid-pol) mode is introduced to enhance the range ambiguity levels of cross-pol channels.This scheme improves the performance of cross-pol channels with regards to range ambiguity but deteriorates that of co-pol channels.Therefore,to further enhance the range ambiguity levels of quad-pol SAR systems,the Modified Azimuth Phase Coding (MAPC) technique based on hybrid-pol SAR systems is proposed in this study.By taking advantage of the MAPC modulation/demodulation,the power of range ambiguities is transferred to the azimuth that is filtered by an optimized Wiener filter in the Doppler domain.The simulation results validate that the MAPC technique can markedly eliminate the range ambiguity of quad-pol SAR systems and extend the unambiguous swaths.

Synthetic Aperture Radar (SAR); Quadrature-polarimetric (quad-pol); Hybrid-polarimetric (hybrid-pol); Range ambiguity; Modified Azimuth Phase Coding (MAPC); Wiener filter

s: The National Natural Science Foundation of China (61422113),The National Ten Thousand Talent Program-Young Top Notch Talent Program,The Hundred Talents Program of the Chinese Academy of Sciences,The TWIn-L SAR (TerrainWide-Swath Interferometry L-band SAR) Program

TN957.52

A

2095-283X(2017)04-0420-12

10.12000/JR17015

祝曉靜,李飛,王宇,等.基于改進(jìn)方位相位編碼的全極化SAR距離模糊抑制方法[J].雷達(dá)學(xué)報(bào),2017,6(4): 420–431.

10.12000/JR17015.

Reference format:Zhu Xiaojing,Li Fei,Wang Robert,et al..Range ambiguity suppression approach for Quadpol SAR systems based on modified azimuth phase coding[J].Journal of Radars,2017,6(4): 420–431.DOI:10.12000/JR17015.

祝曉靜(1992–)，女，貴州人，中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所通信與信息系統(tǒng)專業(yè)碩士研究生，研究方向?yàn)樾禽d極化合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、SAR系統(tǒng)距離模糊抑制及信號(hào)處理。

E-mail: amazing_zhu@163.com

李 飛(1976–)，男，四川人，現(xiàn)為中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所研究員，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樾禽d合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)總體及總控技術(shù)研究。

E-mail: lifei@mail.ie.ac.cn

王 宇(1980–)，男，河南人，現(xiàn)為中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所研究員，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)镾AR系統(tǒng)設(shè)計(jì)與信號(hào)處理技術(shù)。

E-mail: yuwang@mail.ie.ac.cn

王 偉(1985–)，男，河北人，畢業(yè)于中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所，獲得博士學(xué)位，現(xiàn)為中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所助理研究員，研究方向?yàn)樾麦w制星載SAR系統(tǒng)設(shè)計(jì)和信號(hào)處理。

E-mail: ww_nudt@sina.com

孫 翔(1991–)，女，北京人，中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所通信與信息系統(tǒng)專業(yè)博士研究生，研究方向?yàn)闃O化與極化干涉數(shù)據(jù)處理。

E-mail: feixiang19913@163.com

2017-02-14；改回日期：2017-05-14；網(wǎng)絡(luò)出版：2017-06-19

*通信作者： 王偉 ww_nudt@sina.com

國(guó)家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年基金(61422113)，國(guó)家萬(wàn)人計(jì)劃-青年拔尖人才，中科院百人計(jì)劃，L波段差分干涉SAR項(xiàng)目