CN103645475A - 全极化星载topsar提高交叉极化rasr的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种利用全极化星载TOPSAR提高交叉极化RASR的扫描方法，并给出RASR指标的获取方法。技术方案包括下述步骤：全极化星载TOPSAR首先向第一个子测绘带上发射H极化信号，接着接收第一个子测绘带反射的HH极化回波和HV极化回波；按照上述方式，依次扫描完所有的子测绘带；然后，全极化星载TOPSAR向第一个子测绘带上连续发射V极化信号，接着接收第一个子测绘带反射的VH极化回波和VV极化回波；按照上述方式，依次扫描完所有的子测绘带，得到全极化数据。利用本发明得到的成像结果，其同极化RASR指标和交叉极化RASR指标可达相同数量级。

Description

全极化星载TOPSAR提高交叉极化RASR的方法

技术领域

本发明属于航天和微波遥感的交叉技术领域，特别涉及一种全极化星载TOPSAR（Terrain Observation by Progressive scans Synthetic Aperture Radar，渐进式扫描合成孔径雷达）提高交叉极化RASR（Range Ambiguity to Signal Ratio，距离模糊度）指标的方法。

背景技术

RASR是全极化星载SAR（Synthetic Aperture Radar，合成孔径雷达）系统设计考虑的重要指标。传统交替发射的全极化星载SAR系统中，受同极化模糊的影响，交叉极化RASR会不同程度地恶化。以海洋目标为例，一般同极化分量比交叉极化分量高20dB以上，交叉极化RASR严重恶化，如果仍采用传统的交替发射工作方式，全极化星载SAR系统的RASR无法达到要求。以往的解决方式是使用超低旁瓣天线，或者减小测绘带范围，但在全极化星载SAR系统上实现超低旁瓣天线比较困难，而减小测绘带范围也仅是一个折衷的办法，没有从根本上解决问题。

TOPSAR工作模式自2006年提出，是一种渐进式扫描全极化星载SAR工作模式，已经在德国雷达卫星TerraSAR-X上实验成功，所得到的图像几乎完全没有扇贝效应。基于TOPSAR工作模式，提高交叉极化RASR的方法目前尚未有资料可查。

发明内容

本发明的目的是：提出一种利用全极化星载TOPSAR提高交叉极化RASR的扫描方法，并给出RASR指标的获取方法。

本发明提供的第一个技术方案是：一种利用全极化星载TOPSAR提高交叉极化RASR的扫描方法，其特征在于，包括下述步骤：步骤①：全极化星载TOPSAR首先向第一个子测绘带上按照设定的脉冲重复频率发射H极化信号，接着接收第一个子测绘带反射的HH极化回波和HV极化回波；步骤②：按照步骤①所述方式，依次扫描完所有的子测绘带；步骤③：全极化星载TOPSAR向第一个子测绘带上按照设定的脉冲重复频率发射V极化信号，接着接收第一个子测绘带反射的VH极化回波和VV极化回波；步骤④：按照步骤③所述方式，依次扫描完所有的子测绘带。循环执行步骤①至步骤④，得到全极化数据。其中，设定的脉冲重复频率根据雷达工作时序和实际工作要求确定。

本发明提供的第二个技术方案是：一种获取RASR指标的方法，基于本发明提供的第一个技术方案的扫描方法，其特征在于，包括下述步骤：

已知参数：地球半径为R_e，光速为c，卫星高度为H，发射信号波长为λ，天线距离向孔径为L，极化隔离度为δ。

已知第i个波位参数：被模糊点的斜距为R⁽ⁱ⁾，且

为最小斜距，为最大斜距；中心下视角为

脉冲重复频率为

已知目标参数：假设第i个波位被模糊点的散射矩阵为 $S^{\left(i\right)}=\left[\begin{array}{cc}{S}_{\mathrm{HH}}^{\left(i\right)}& S_{\mathrm{VH}}^{\left(i\right)}\\ S_{\mathrm{HV}}^{\left(i\right)}& S_{\mathrm{VV}}^{\left(i\right)}\end{array}\right],$ $S_{\mathrm{VH}}^{\left(i\right)}=S_{\mathrm{HV}}^{\left(i\right)};$ 第i个波位第j个模糊区的模糊点的散射矩阵为 ${S_j}^{\left(i\right)}=\left[\begin{array}{cc}{S}_{j,\mathrm{HH}}^{\left(i\right)}& S_{j,\mathrm{VH}}^{\left(i\right)}\\ S_{j,\mathrm{HV}}^{\left(i\right)}& S_{j,\mathrm{VV}}^{\left(i\right)}\end{array}\right],$ $S_{j,\mathrm{VH}}^{\left(i\right)}=S_{j,\mathrm{HV}}^{\left(i\right)}.$

第一步：计算斜距为R⁽ⁱ⁾的被模糊点的参数。

利用下式计算入射角θ⁽ⁱ⁾为：

${\mathrm{\θ}}^{\left(i\right)}=\arccos \frac{{(H+R_e)}^2-{\left(R^{\left(i\right)}\right)}^2-R_e^2}{2R^{\left(i\right)}{R}_e}$

利用下式计算天线距离向离轴角

为：

利用下式计算斜距为R⁽ⁱ⁾的被模糊点的双程天线增益

为：

第二步：计算第j个模糊区模糊点的参数。

利用下式计算斜距

为

$R_j^{\left(i\right)}=\frac{j\·c}{2f_{\mathrm{prf}}^{\left(i\right)}}+R^{\left(i\right)},$

利用下式计算入射角

为

${\mathrm{\θ}}_j^{\left(i\right)}=\arccos \frac{{(H+R_e)}^2-{\left(R_j^{\left(i\right)}\right)}^2-R_e^2}{2R_j^{\left(i\right)}{R}_e}$

利用下式计算天线距离向离轴角

为

利用下式计算第j个模糊区模糊点的双程天线增益为

第三步：计算HH极化RASR指标。

利用下式计算HH极化RASR指标RASR_HH,TOPS：

${\mathrm{RASR}}_{\mathrm{HH},\mathrm{TOPS}}=\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{A}_j{(1+2\mathrm{\δ}\frac{S_{j,\mathrm{HV}}^{\left(i\right)}}{S_{\mathrm{HH}}^{\left(i\right)}})}^2-1$

其中，模糊加权系数A_j的计算公式为：

第四步，获得VV极化RASR指标。

利用下式获得VV极化RASR指标RASR_VV,TOPS：

${\mathrm{RASR}}_{\mathrm{VV},\mathrm{TOPS}}=\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{A}_j{(1+2\mathrm{\δ}\frac{S_{j,\mathrm{HV}}^{\left(i\right)}}{S_{\mathrm{VV}}^{\left(i\right)}})}^2-1$

第五步：获得HV极化RASR指标。

利用下式获得HV极化RASR指标RASR_HV,TOPS：

${\mathrm{RASR}}_{\mathrm{HV},\mathrm{TOPS}}=\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{A}_j{(1+\mathrm{\δ}\frac{S_{j,\mathrm{HH}}^{\left(i\right)}+S_{j,\mathrm{VV}}^{\left(i\right)}}{S_{\mathrm{HV}}^{\left(i\right)}})}^2-1$

采用本发明可取得以下技术效果：

本发明提出的利用全极化星载TOPSAR提高交叉极化RASR的扫描方法，得到成像结果的同极化RASR指标和交叉极化RASR指标可达相同数量级，特别是交叉极化RASR指标得到有效改善，优于-20dB。本发明提出的计算RASR指标的方法，基于本发明提供的扫描方法，符合交叉极化RASR的定义。

附图说明

图1为本发明提供的第二个技术方案的流程图；

图2为传统全极化星载SAR波位参数；

图3为全极化星载TOPSAR波位参数；

图4为HH极化的RASR指标曲线图（当时）；

图5为HV极化的RASR指标曲线图（当

时）；

图6为HH极化的RASR指标曲线图（当

时）；

图7为HV极化的RASR指标曲线图（当

时）。

具体实施方式

图1为本发明提供的全极化星载TOPSAR的RASR指标计算方法流程图。整个流程分为五步。以卫星和雷达参数、波位信息、目标信息作为输入，第一步，计算斜距为R⁽ⁱ⁾的被模糊点的参数，包括入射角和天线增益计算；第二步，计算第j个模糊区模糊点的参数，包括入射角、斜距和天线增益计算；第三步，计算HH极化RASR指标，其中，为了后续计算方便，也给出了模糊加权系数A_j的计算公式；第四步，获得VV极化RASR指标；第五步，获得HV极化RASR指标。

图2至图7是在实验室进行仿真实验的示意图和结果图。其中，实验的仿真条件是：地球半径R_e＝6371km，光速c＝3×10⁸m/s，卫星高度H＝798km；发射信号波长λ＝0.0556m；极化隔离度δ＝-40dB；同极化和交叉极化之比

或20dB，仿真实验中不考虑i和j带来的差异，因此

等于

的倒数；同极化和同极化之比

仿真实验中，为方便RASR性能对比，对现有的全极化星载SAR的RASR计算方法和本发明技术方案二提供的RASR计算方法都进行了仿真计算，全极化星载SAR的天线距离向孔径L＝15m，全极化星载TOPSAR（利用本发明的技术方案一的扫描方法）的天线距离向孔径L＝5m。图2为仿真计算输入的全极化星载SAR的17个波位及相关参数；图3为仿真计算输入的全极化星载TOPSAR的16个波位及相关参数。

图4为各波位的HH极化RASR曲线，图5为各波位的HV极化RASR曲线，其中设定

横坐标表示被模糊点的斜距R⁽ⁱ⁾，纵坐标表示RASR，虚线对应传统全极化星载SAR情况，实线对应全极化星载TOPSAR情况。

图6为各波位的HH极化RASR曲线，图7为各波位的HV极化RASR曲线，其中设定

横坐标表示被模糊点的斜距R⁽ⁱ⁾，纵坐标表示RASR，虚线对应传统全极化星载SAR情况，实线对应全极化星载TOPSAR情况。

通过对比图4至图7中虚线所示的RASR指标计算结果，表明全极化星载SAR的同极化和交叉极化距离模糊度差异很大，尤其是在20dB情况，交叉极化模糊度最差达到-5dB。通过对比图4至图7中实线所示的RASR指标计算结果，表明本发明提出的利用全极化星载TOPSAR提高交叉极化RASR的扫描方法，其同极化和交叉极化都有一致的表现，交叉极化距离模糊度性能得到有效改善，两种情况下都优于-20dB。

Claims (2)

1.一种利用全极化星载TOPSAR提高交叉极化RASR的扫描方法，其特征在于，包括下述步骤：步骤①：全极化星载TOPSAR首先向第一个子测绘带上按照设定的脉冲重复频率发射H极化信号，接着接收第一个子测绘带反射的HH极化回波和HV极化回波；步骤②：按照步骤①所述方式，依次扫描完所有的子测绘带；步骤③：全极化星载TOPSAR向第一个子测绘带上按照设定的脉冲重复频率发射V极化信号，接着接收第一个子测绘带反射的VH极化回波和VV极化回波；步骤④：按照步骤③所述方式，依次扫描完所有的子测绘带；循环执行步骤①至步骤④，得到全极化数据；其中，TOPSAR是指渐进式扫描合成孔径雷达，RASR是指距离模糊度，H极化信号是指水平极化信号，V极化信号是指垂直极化信号，HH极化回波是指雷达水平发射水平接收的极化回波，HV极化回波是指雷达水平发射垂直接收的极化回波，设定的脉冲重复频率根据雷达工作时序和实际工作要求确定。

2.一种获取RASR指标的方法，利用权力要求1所述的扫描方法获得全极化数据，其特征在于，还包括下述步骤：

已知参数：地球半径为R_e，光速为c，卫星高度为H，发射信号波长为λ，天线距离向孔径为L，极化隔离度为δ；

已知第i个波位参数：被模糊点的斜距为R⁽ⁱ⁾，且

为最小斜距，

为最大斜距；中心下视角为

脉冲重复频率为

；

已知目标参数：假设第i个波位被模糊点的散射矩阵为 $S^{\left(i\right)}=\left[\begin{array}{cc}{S}_{\mathrm{HH}}^{\left(i\right)}& S_{\mathrm{VH}}^{\left(i\right)}\\ S_{\mathrm{HV}}^{\left(i\right)}& S_{\mathrm{VV}}^{\left(i\right)}\end{array}\right],$ $S_{\mathrm{VH}}^{\left(i\right)}=S_{\mathrm{HV}}^{\left(i\right)};$ 第i个波位第j个模糊区的模糊点的散射矩阵为 ${S_j}^{\left(i\right)}=\left[\begin{array}{cc}{S}_{j,\mathrm{HH}}^{\left(i\right)}& S_{j,\mathrm{VH}}^{\left(i\right)}\\ S_{j,\mathrm{HV}}^{\left(i\right)}& S_{j,\mathrm{VV}}^{\left(i\right)}\end{array}\right],$ $S_{j,\mathrm{VH}}^{\left(i\right)}=S_{j,\mathrm{HV}}^{\left(i\right)};$

第一步：计算斜距为R⁽ⁱ⁾的被模糊点的参数：

利用下式计算入射角θ⁽ⁱ⁾为：

${\mathrm{\θ}}^{\left(i\right)}=\arccos \frac{{(H+R_e)}^2-{\left(R^{\left(i\right)}\right)}^2-R_e^2}{2R^{\left(i\right)}{R}_e},$

利用下式计算天线距离向离轴角

为：

利用下式计算斜距为R⁽ⁱ⁾的被模糊点的双程天线增益

为：

第二步：计算第j个模糊区模糊点的参数：

利用下式计算斜距

为：

$R_j^{\left(i\right)}=\frac{j\·c}{2f_{\mathrm{prf}}^{\left(i\right)}}+R^{\left(i\right)},$

利用下式计算入射角为：

${\mathrm{\θ}}_j^{\left(i\right)}=\arccos \frac{{(H+R_e)}^2-{\left(R_j^{\left(i\right)}\right)}^2-R_e^2}{2R_j^{\left(i\right)}{R}_e},$

利用下式计算天线距离向离轴角

为：

利用下式计算第j个模糊区模糊点的双程天线增益

为：

第三步：计算HH极化RASR指标：

利用下式计算HH极化RASR指标RASR_HH,TOPS：

${\mathrm{RASR}}_{\mathrm{HH},\mathrm{TOPS}}=\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{A}_j{(1+2\mathrm{\δ}\frac{S_{j,\mathrm{HV}}^{\left(i\right)}}{S_{\mathrm{HH}}^{\left(i\right)}})}^2-1,$

其中，模糊加权系数A_j的计算公式为：

第四步，获得VV极化RASR指标：

利用下式获得VV极化RASR指标RASR_VV,TOPS：

${\mathrm{RASR}}_{\mathrm{VV},\mathrm{TOPS}}=\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{A}_j{(1+2\mathrm{\δ}\frac{S_{j,\mathrm{HV}}^{\left(i\right)}}{S_{\mathrm{VV}}^{\left(i\right)}})}^2-1;$

第五步：获得HV极化RASR指标：

利用下式获得HV极化RASR指标RASR_HV,TOPS：

${\mathrm{RASR}}_{\mathrm{HV},\mathrm{TOPS}}=\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{A}_j{(1+\mathrm{\δ}\frac{S_{j,\mathrm{HH}}^{\left(i\right)}+S_{j,\mathrm{VV}}^{\left(i\right)}}{S_{\mathrm{HV}}^{\left(i\right)}})}^2-1.$

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