CN108051790A - 一种用于混合紧缩极化探地雷达系统的极化校准方法 - Google Patents
一种用于混合紧缩极化探地雷达系统的极化校准方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种用于混合紧缩极化探地雷达系统的极化校准方法，该方法有三个步骤，第一步建立一个校准模型，该校准模型包含了接收天线的串扰参数，通道不平衡的参数，发射天线的串扰参数。第二步采用一个一面为格栅的三面角校准器作为探测目标，将不同方向格栅三面角的散射矩阵代入到校准模型中，经过计算可以得到所有的串扰参数以及通道不平衡参数。第三步将得到的各个串扰参数以及不平衡参数代入到校准模型中，这样可以得到校准后的天线收发信号，从中可以提取出校准后的极化散射矩阵。
Description
技术领域
本发明涉及信号处理技术领域，具体为一种用于混合紧缩极化探地雷达系统的极化校准方法。
背景技术
探地雷达作为一种浅层地球物理方法，具有分辨率高、数据采集快和图像直观易懂等优点，已经在工程检测、地下管线探测、考古勘探和地质调查等领域得到了广泛的应用。通常，探地雷达系统一般采用相同的线性极化偶极子天线及其改进类型天线作为收发天线，只能采集单个极化方向的回波信号，用于地下线性目标探测时，回波信号的强度受目标走向的影响很大，容易造成目标探测失败。相比之下，全极化探地雷达可以通过在同一个位置采集四组不同极化收发组合，包括水平发射水平接收(HH)、水平发射垂直接收(HV)、垂直发射水平接收(VH)和垂直发射垂直接收(VV)的回波信号，可以获取比单极化雷达信息更加丰富的目标极化散射矩阵，从而实现对目标的分类和识别。目前，全极化探地雷达数据可采用收发分置的探地雷达系统在同一条测线上使用不同极化组合方式重复四次采集来实现，也可以使用全极化探地雷达系统通过同轴开关的控制来实现采集，但这两者采集方式都很难保证不同极化通道回波信号的相干性。相比之下，近年来发展起来的混合紧缩极化技术，利用圆极化发射和两个线极化(水平和垂直)同时接收的组合方式，不仅可以保证两个接收通道信号的相干性，还能提取目标的极化散射矩阵，用于计算线性目标的走向，识别对目标的几何属性。
圆极化天线理论上发射的是正圆的右旋(左旋)圆极化波，然而由于会存在设计缺陷，加工精度不足等原因，右旋极化天线也会存在左旋极化波，因此会存在圆极化天线的串扰。即使是对于线极化天线，由于天线的方向性等原因，H方向的天线也会收到v方向的信号，因此会存在线极化天线的串扰。除了天线的串扰，极化通道不平衡等因素外，天线的耦合，环境中的噪声都会影响测量结果，导致最终测得的极化散射矩阵存在偏差。因此必须利用极化校准对测量值进行修正。
经过极化校准后的极化散射矩阵中存在有准确的线性目标的走向信息，可以从中反演出线性目标的走向。
发明内容
本发明的目的在于解决在实际测量中因为天线加工工艺的原因而导致的天线串扰以及在测量中所产生的极化通道不平衡等因素所产生的误差，从而会导致最终测得的极化散射矩阵存在偏差。提供一种用于混合紧缩极化探地雷达系统的极化校准方法。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种用于混合紧缩极化探地雷达系统的极化校准方法，通过测量已知散射矩阵的校准器，计算出校准模型中的天线串扰参数以及通道不平衡参数，对实测的天线收发信号进行校准，从中提取准确的目标极化散射矩阵。
一种用于混合紧缩极化探地雷达系统的极化校准方法，包括如下步骤：
步骤一：考虑到天线串扰以及在测量中所产生的极化通道不平衡等因素采用了如下模型：
其中M表示天线接收到的信号，I表示天线的耦合，N表示环境噪声，是一个复杂的系数，其中，天线的耦合可以通过目标信号减去背景信号去除，因为在微波暗室中进行校准实验，可以不予考虑环境噪声的影响，因此运用如下的系统模型：
式中，A为Z的振幅系数；为Z的相位系数，S表示目标理想的极化散射矩阵，R、T分别表示接收天线和发射天线的参数，而复数系数可通过归一化简化消除，因此实验观测到的极化散射矩阵可以展开为：
其中δ1和δ2表示接收天线的串扰参数，f表示通道不平衡的参数，δc表示发射天线的串扰参数，为了计算这些参数用于极化校准，需要使用已知极化散射矩阵的格栅三面角作为校准器。
步骤二：选用校准器作为探测目标，针对混合紧缩极化模式选用了格栅三面角作为校准器；格栅三面角(gridded trihedral)与普通三面角(三个两两垂直的等腰直角三角形面组成)结构类似，不同之处在于，其中一面替换为了密集的格栅(与入射波长有关)；
当不考虑损耗，就可以假定理想的回波信号中的振幅系数和相位系数已知并通过归一化来进行简化，之后可以得到：
其中，Sgt1表示θ＝0，时格栅三面角的极化散射矩阵，Sgt2表示θ＝0，φ＝0时格栅三面角的极化散射矩阵；
将(5)和(6)代入到极化校准模型(3)和(4)之中，经过计算后可以得到：
(7)式中的在校准时，将天线阵中心保持在格栅三面角格栅那面的中心，需要取信号到达时刻附近的值进行计算，因为在进行校准时，仍然存在直达波与环境噪声的影响，在校准器与雷达距离确定的情况下，可以算出信号的到达时刻，再进行计算能够减小误差。
步骤三：将得到的串扰参数和不平衡参数代入到极化校准模型中，可以得到校准后的天线接收信号，再通过如下公式还原目标的极化散射矩阵：
每个极化天线接收到的信号都包含了两个部分，即水平极化波和垂直极化波的反射信号，因为采用的是右旋圆极化天线，且经过极化校正后可以不考虑串扰，可以得到：
将上式代入(8)可以得到：
与现有技术相比，本发明的有益效果是：一种用于混合紧缩极化探地雷达系统的极化校准方法，该方法有三个步骤，第一步建立一个校准模型，该校准模型包含了接收天线的串扰参数，通道不平衡的参数，发射天线的串扰参数。第二步采用一个一面为格栅的三面角校准器作为探测目标，将不同方向格栅三面角的散射矩阵代入到校准模型中，经过计算可以得到所有的串扰参数以及通道不平衡参数。第三步将得到的各个串扰参数以及不平衡参数代入到校准模型中，这样可以得到校准后的天线收发信号，从中可以提取出校准后的极化散射矩阵。
附图说明
图1为一种用于混合紧缩极化探地雷达系统流程图；
图2为一种用于混合紧缩极化探地雷达系统极化模式下的极化校准流程；
图3为一种用于混合紧缩极化探地雷达系统极化模式下的格栅三面角示意图:表示电磁波传播方向。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参考图1至图3，本发明提供的一种实施例：
步骤1、考虑到天线串扰以及在测量中所产生的极化通道不平衡等因素采用了如下模型：
其中M表示天线接收到的信号，I表示天线的耦合，N表示环境噪声，是一个复杂的系数，其中，天线的耦合可以通过目标信号减去背景信号去除，因为在微波暗室中进行校准实验，可以不予考虑环境噪声的影响，因此运用如下的系统模型：
式中，A为Z的振幅系数；为Z的相位系数。S表示目标理想的极化散射矩阵，R、T分别表示接收天线和发射天线的参数，，而复数系数可通过归一化简化消除。因此实验观测到的极化散射矩阵可以展开为：
其中δ1和δ2表示接收天线的串扰参数，f表示通道不平衡的参数，δc表示发射天线的串扰参数。为了计算这些参数用于极化校准，需要使用已知极化散射矩阵的格栅三面角作为校准器。
步骤2、如图2所示，需要选用校准器作为探测目标，针对混合紧缩极化模式选用了格栅三面角作为校准器。格栅三面角与普通三面角(三个两两垂直的等腰直角三角形面组成)结构类似，不同之处在于，其中一面替换为了密集的格栅(与入射波长有关)，下方是吸波材料构成的平台。
这种校准器的极化散射矩阵可表示为：
式中AGt(θ,φ)是振幅系数，为相位系数，φ和θ分别是倾斜角和方位角。
当不考虑损耗，就可以假定理想的回波信号中的振幅系数和相位系数已知并通过归一化来进行简化，之后可以得到：
其中，Sgt1表示θ＝0，时格栅三面角的极化散射矩阵，Sgt2表示θ＝0，φ＝0时格栅三面角的极化散射矩阵；。
将(6)和(7)代入到极化校准模型(3)和(4)之中，经过计算后可以得到：
式中的在校准时，需要取信号到达时刻附近的值进行计算，因为在进行校准时，仍然存在直达波与环境噪声的影响，在校准器与雷达距离确定的情况下，可以算出信号的到达时刻，再进行计算能够减小误差。
步骤3、将得到的串扰参数和不平衡参数代入到极化校准模型中，可以得到校准后的天线接收信号，再通过如下公式还原目标的极化散射矩阵：
每个极化天线接收到的信号都包含了两个部分，即水平极化波和垂直极化波的反射信号，因为采用的是右旋圆极化天线，且经过极化校正后可以不考虑串扰，可以得到：
将上式代入(9)可以得到：
与现有技术相比，本发明的有益效果是：一种用于混合紧缩极化探地雷达系统的极化校准方法，该方法有三个步骤，第一步建立一个校准模型，该校准模型包含了接收天线的串扰参数，通道不平衡的参数，发射天线的串扰参数。第二步采用一个一面为格栅的三面角校准器作为探测目标，将不同方向格栅三面角的散射矩阵代入到校准模型中，经过计算可以得到所有的串扰参数以及通道不平衡参数。第三步将得到的各个串扰参数以及不平衡参数代入到校准模型中，这样可以得到校准后的天线收发信号，从中可以提取出校准后的极化散射矩阵。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
Claims (1)
1.一种用于混合紧缩极化探地雷达系统的极化校准方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：考虑到天线串扰以及在测量中所产生的极化通道不平衡等因素采用了如下模型：
其中M表示天线接收到的信号，I表示天线的耦合，N表示环境噪声，是一个复杂的系数，其中，天线的耦合可以通过目标信号减去背景信号去除，因为在微波暗室中进行校准实验，可以不予考虑环境噪声的影响，因此运用如下的系统模型：
式中，A为Z的振幅系数；为Z的相位系数，S表示目标理想的极化散射矩阵，R、T分别表示接收天线和发射天线的参数，而复数系数可通过归一化简化消除，因此实验观测到的极化散射矩阵可以展开为：
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其中δ1和δ2表示接收天线的串扰参数，f表示通道不平衡的参数，δc表示发射天线的串扰参数，为了计算这些参数用于极化校准，需要使用已知极化散射矩阵的格栅三面角作为校准器；
步骤二：选用校准器作为探测目标，针对混合紧缩极化模式选用了格栅三面角作为校准器，格栅三面角与普通三面角(三个两两垂直的等腰直角三角形面组成)结构类似，不同之处在于，其中一面替换为了密集的格栅(与入射波长有关)；
当不考虑损耗，就可以假定理想的回波信号中的振幅系数和相位系数已知并通过归一化来进行简化，之后可以得到：
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其中，Sgt1表示θ＝0，时格栅三面角的极化散射矩阵，Sgt2表示θ＝0，φ＝0时格栅三面角的极化散射矩阵；
将(5)和(6)代入到极化校准模型(3)和(4)之中，经过计算后可以得到：
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(7)式中的在校准时，将天线阵中心保持在格栅三面角格栅那面的中心，需要取信号到达时刻附近的值进行计算，因为在进行校准时，仍然存在直达波与环境噪声的影响，在校准器与雷达距离确定的情况下，可以算出信号的到达时刻，再进行计算能够减小误差；
步骤三：将得到的串扰参数和不平衡参数代入到极化校准模型中，可以得到校准后的天线接收信号，再通过如下公式还原目标的极化散射矩阵：
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每个极化天线接收到的信号都包含了两个部分，即水平极化波和垂直极化波的反射信号，因为采用的是右旋圆极化天线，且经过极化校正后可以不考虑串扰，可以得到：
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