一種寬幅全極化星載sar的極化回波分離方法
【專利摘要】一種寬幅全極化星載SAR的極化回波分離方法，寬幅全極化星載SAR是指在一個(gè)脈沖重復(fù)間隔內(nèi)依次發(fā)射H與V極化脈沖，而后利用雙極化通道接收回波，從而獲得四種極化分量的新系統(tǒng)。這一新型全極化SAR可不增加系統(tǒng)重頻，因此能夠獲得更寬的測繪帶。然而，為獲得這一性能提升，就必須首先將不同極化脈沖的回波分離開。本方法在傳統(tǒng)線性約束最小方差(LCMV)算法的基礎(chǔ)之上進(jìn)行改進(jìn)：對傳統(tǒng)算法進(jìn)行拆分，并在拆分開的兩步驟間引入了FIR濾波，再對第二步做相應(yīng)的改進(jìn)調(diào)整。根據(jù)本方法來實(shí)現(xiàn)極化回波分離，一方面能夠使得不同極化回波的分離隔離度滿足應(yīng)用需求，另一方面也無需過度增加星上運(yùn)算量，降低了工程實(shí)現(xiàn)難度。
【專利說明】—種寬幅全極化星載SAR的極化回波分離方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明針對新體制寬幅全極化星載SAR系統(tǒng)的關(guān)鍵性問題一混疊回波的分離處理，提供了一種新型極化回波分離方法，主要涉及到微波遙感以及信號處理兩大【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]通過發(fā)射不同的極化脈沖與雙極化通道接收回波，全極化星載SAR能夠獲得在不同極化組合下每個(gè)分辨單元的散射信息，這有助于進(jìn)一步理解目標(biāo)的后向散射特性。因此，相比于單極化SAR，全極化SAR能夠提供更為豐富的目標(biāo)信息，有助于確定目標(biāo)散射機(jī)理、提升對目標(biāo)的檢測識別分類能力、以及對接收到的雜波干擾的進(jìn)行抑制。由于全極化技術(shù)的引入，SAR的應(yīng)用領(lǐng)域被極大地拓寬。通過全極化SAR圖像，我們可以提取出更多的信息，這些信息在農(nóng)林監(jiān)測、水文地理、城市規(guī)劃、災(zāi)害評估以及軍事偵察等領(lǐng)域具有無法估量的作用。
[0003]現(xiàn)階段在軌運(yùn)行的一系列全極化星載SAR系統(tǒng)(如德宇航的TerraSAR-X，加拿大航天局的RADARSAT-2等)都是采用交替發(fā)射Η/V極化脈沖與雙極化通道接收回波相結(jié)合的方式來實(shí)現(xiàn)全極化對地觀測成像的，兩種極化脈沖的發(fā)射間隔為脈沖重復(fù)間隔(PR〗，Pulserepetition interval),如附圖1(a)所示。這一極化方式需將系統(tǒng)PRF提升一倍以避免方位模糊的惡化，從而導(dǎo)致成像幅寬減少一半，降低了重訪觀測頻率，這也是目前全極化星載SAR的最大弊端。
[0004]為解決以上問題，德宇航DLR于2008年提出了一種的新型全極化星載SAR體制，這一體制在一次脈沖發(fā)射期間會連續(xù)發(fā)射兩種極化脈沖(附圖1 (b)所示與附圖2所示)，在接收端再通過雙極化通道接收，就能夠理論上獲得全部四種極化分量，不必再提高系統(tǒng)PRF來實(shí)現(xiàn)全極化觀測。在這一體制提出后，國內(nèi)外對其理論可行性一致認(rèn)可，但同時(shí)認(rèn)為這一體制工程實(shí)現(xiàn)的最大障礙是不同極化脈沖回波在時(shí)間上的混疊。若不能將它們有效分離開，則無法提取各個(gè)極化分量。
[0005]針對回波分離這一問題，DLR在近年來已無公開文獻(xiàn)或者專利發(fā)表，因此無法通過公開渠道知曉該機(jī)構(gòu)在這一方面的工作進(jìn)展情況。在國內(nèi)方面，中科院電子所的齊維孔在刊物《中國科學(xué)E刊》上發(fā)表了一篇名為“一種新的多極化星載SAR工作方式研究”的文章來研究并解決這一問題，文中所述方法需要在星上完成距離壓縮處理，而后再逐個(gè)距離門地進(jìn)行零陷抑制處理。由于要在星上完成距離壓縮，因此極大地增加了星上的運(yùn)算量，對星上資源需求非常高，很難工程化實(shí)現(xiàn)。總之，截止到目前，還未在公開文獻(xiàn)上看到有針對上述問題的工程化可實(shí)現(xiàn)方案刊出。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的技術(shù)解決問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，針對新體制全極化星載SAR的回波混疊問題，本發(fā)明提出了一種新型俯仰向數(shù)字波束形成方法。這一方法通過對傳統(tǒng)零點(diǎn)指向處理所采用的線性約束最小方差(Linear Constraint Minimum Variance, LCMV)算法進(jìn)行改進(jìn)，在俯仰向上形成兩個(gè)數(shù)字接收波束實(shí)現(xiàn)空域?yàn)V波(附圖3)，在回波接收期間就完成了對兩種極化回波的分離。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)解決方案為:
[0008]—種寬幅全極化星載SAR的極化回波分離方法，所述極化回波為一個(gè)脈沖重復(fù)間隔內(nèi)依次發(fā)射的H極化脈沖與V極化脈沖相應(yīng)的回波，且這兩種回波在回波接收窗內(nèi)從不同的視角位置同時(shí)返回至接收機(jī)，從而在時(shí)域上混疊；所述分離方法的步驟如下:
[0009](I)對平面相控陣天線俯仰向上各個(gè)接收通道內(nèi)所接收到的回波依次進(jìn)行低噪聲放大、下變頻以及ADC采樣處理，將原始回波對應(yīng)的高頻模擬信號變?yōu)榈皖l數(shù)字信號；
[0010](2)利用所述H極化脈沖與V極化脈沖的實(shí)時(shí)波達(dá)矢量V1與V2分別對步驟(1)所獲得的低頻數(shù)字信號進(jìn)行加權(quán)處理，其中俯仰向第k個(gè)接收通道的低頻數(shù)字信號分別被V1與V2的第k個(gè)元素Wlk與W2k加權(quán)，k為正整數(shù),且k e [I, Ne], Ne為接收通道的個(gè)數(shù)；
[0011](3)將俯仰向各個(gè)接收通道中兩路經(jīng)不同權(quán)值V1與V2加權(quán)的信號進(jìn)行相應(yīng)的FIR濾波處理；
[0012](4)各個(gè)接收通道輸出的經(jīng)過加權(quán)矢量V1以及FIR濾波器處理的信號矢量進(jìn)行累加合成輸出，生成一路信號；各個(gè)接收通道輸出的經(jīng)過加權(quán)矢量V2以及FIR濾波器處理的信號矢量進(jìn)行累加合成輸出，生成另一路信號；
[0013](5)通過第一組加權(quán)矢量[φ’η φ’12]對步驟(4)得到的兩路信號進(jìn)行加權(quán)合成輸出，得到在一個(gè)完整的脈沖發(fā)射期間第一個(gè)發(fā)射的H極化脈沖的回波信號；
[0014](6)通過第二組加權(quán)矢量[φ’21 φ’22]對步驟(4)得到的兩路信號進(jìn)行加權(quán)合成輸
出，得到在一個(gè)完整的脈沖發(fā)射期間第二個(gè)發(fā)射的V極化脈沖的回波信號。
[0015]所述步驟(2)中的兩個(gè)依次發(fā)射的所述H極化脈沖與V極化脈沖的波達(dá)矢量V1與
V2是時(shí)變的,其表達(dá)式分別為V1 =[l W11…Wlk...%&]與V2 =[1 w21---w2k---w N ]波達(dá)矢
量中的第k個(gè)元素可表示為
【權(quán)利要求】
1.一種寬幅全極化星載SAR的極化回波分離方法，所述極化回波為一個(gè)脈沖重復(fù)間隔內(nèi)依次發(fā)射的H極化脈沖與V極化脈沖相應(yīng)的回波，這兩種回波在回波接收窗內(nèi)從不同的視角位置同時(shí)返回至接收機(jī)，從而在時(shí)域上混疊；其特征在于:所述分離方法的步驟如下: (1)對平面相控陣天線俯仰向上各個(gè)接收通道內(nèi)所接收到的回波依次進(jìn)行低噪聲放大、下變頻以及ADC采樣處理，將原始回波對應(yīng)的高頻模擬信號變?yōu)榈皖l數(shù)字信號； (2)利用所述H極化脈沖與V極化脈沖的實(shí)時(shí)波達(dá)矢量V1與V2分別對步驟(1)所獲得的低頻數(shù)字信號進(jìn)行加權(quán)處理，其中俯仰向第k個(gè)接收通道的低頻數(shù)字信號分別被V1與V2的第k個(gè)元素wlk與w2k加權(quán)，k為正整數(shù),且k e [I, Ne], Ne為接收通道的個(gè)數(shù)； (3)將俯仰向各個(gè)接收通道中兩路經(jīng)不同權(quán)值V1與V2加權(quán)的信號進(jìn)行相應(yīng)的FIR濾波處理； (4)各個(gè)接收通道輸出的經(jīng)過加權(quán)矢量V1以及FIR濾波器處理的信號矢量進(jìn)行累加合成輸出，生成一路信號；各個(gè)接收通道輸出的經(jīng)過加權(quán)矢量V2以及FIR濾波器處理的信號矢量進(jìn)行累加合成輸出，生成另一路信號； (5)通過第一組加權(quán)矢量[φ’?φ’12]對步驟(4)得到的兩路信號進(jìn)行加權(quán)合成輸出，得到在一個(gè)完整的脈沖發(fā)射期間第一個(gè)發(fā)射的H極化脈沖的回波信號； (6)通過第二組加權(quán)矢量[φ’21φ’22]對步驟(4)得到的兩路信號進(jìn)行加權(quán)合成輸出，得到在一個(gè)完整的脈沖發(fā)射期間第二個(gè)發(fā)射的V極化脈沖的回波信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種寬幅全極化星載SAR的極化回波分離方法，其特征在于:所述步驟(2)中的兩個(gè)依次發(fā)射的所述H極化脈沖與V極化脈沖的波達(dá)矢量V1與V2是時(shí)變的，其表達(dá)式分別為Vl -[l W11…Wlk…wINiJ與=P W21…W2k…W2Ne ;波達(dá)矢量中的第k個(gè)元素可表示為
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種寬幅全極化星載SAR的幾何回波分離方法，其特征在于:所述步驟(3)中的FIR濾波器為一 8階時(shí)延濾波器，俯仰向第k個(gè)接收通道相應(yīng)的時(shí)延量為
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種寬幅全極化星載SAR的幾何回波分離方法，其特征在于:所述步驟(5)中的加權(quán)矢J1 [φ φ’12]為矩陣NJ(V)1Vr1的第一行，其中，(V)V由以下公式來獲得:
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種寬幅全極化星載SAR的幾何回波分離方法，其特征在于:所述步驟(5)與(6)中的加權(quán)矢量[φ’21 φ'22]為矩陣 NJ(V)1Vr1的第二行，其中，(V’)HV’由以下公式來獲得:
【文檔編號】G01S7/41GK103885052SQ201410114271
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年3月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月25日
【發(fā)明者】馮帆, 黨紅杏, 譚小敏, 田棟軒, 王萬林, 孫嘉, 賀亞鵬, 賀榮榮, 楊娟娟, 閆偉 申請人:西安空間無線電技術(shù)研究所