CN110261851B - 一种基于脉冲编码实现全极化sar的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了基于脉冲编码实现全极化SAR的方法，对雷达回波数据进行距离向解算处理，恢复分离对应不同发射通道的雷达回波数据，再对不同发射通道的雷达回波数据分别进行方位向解算处理，恢复分离对应不同接收通道的雷达回波数据，分别恢复得到不同接收通道的四种雷达回波数据；对全极化雷达回波数据进行SAR成像处理，得到全极化SAR图像。本发明可以将传统的全极化合成孔径雷达多通道接收系统合并为单通道接收实现，并实现四个全极化通道同时成像。

Description

一种基于脉冲编码实现全极化SAR的方法

技术领域

本发明涉及雷达技术领域，具体涉及一种基于脉冲编码实现全极化SAR的方法。

背景技术

合成孔径雷达(SAR)是一种高分辨率微波成像雷达，可以对地面目标进行高分辨率的探测，并且具有全天候、全天时的优势。全极化SAR可以获取包含目标不同极化散射特性的高分辨率雷达图像，扩展了雷达图像信息的维度，在目标分类、目标识别、农作物监测、林业监测、海洋监测、国土测绘等领域得到了广泛的应用。

相对单极化SAR，全极化SAR系统更为复杂，传统的全极化SAR系统，无论是采用频分实现、或采用码分实现、还是采用时分实现，实现全极化成像通常要求系统要有至少两个收发通道，能够发射垂直极化和水平极化的信号，并且能够接收两种不同极化的信号。对于装载于大型飞行平台，全极化SAR系统的复杂度还不是最为关键问题，但对于小型飞行平台，严格限制载荷的体积、重量和功耗，全极化SRA系统的复杂度成为是否能装载小型飞行平台的核心问题。

因此，为了使全极化SAR系统具有更广泛的装载飞行平台适应能力，在本领域存在以下需求：通过降低全极化SAR系统的复杂度，减少全极化SAR对飞行平台装载能力的要求。

发明内容

鉴于上述技术问题，本发明的目的在于提供一种基于脉冲编码实现全极化SAR的方法，利用连续脉冲编码方法，可以将传统的全极化合成孔径雷达多通道接收系统合并为单通道接收实现，并实现四个全极化通道同时成像。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

根据本发明的一个方面，还提供了一种基于脉冲编码实现全极化SAR的方法，包括以下步骤：

发射采用两个发射通道，包括水平极化发射通道和垂直极化发射通道，两个发射通道同时发射具有不同连续脉冲编码的两种多脉冲组；或发射采用一个发射机和两个发射天线，包括水平极化发射天线和垂直极化发射天线，两个发射天线切换发射具有不同连续脉冲编码的两种多脉冲组；

水平极化接收天线和垂直极化接收天线在连续脉冲编码组的发射间隙同时接收雷达回波信号；

两路接收信号中的一路进行移相编码，然后与另一路接收信号合路，形成一路接收信号；或两路接收信号分别进行移相编码，然后合路，形成一路接收信号；

形成的一路接收信号进入单通道接收机，经数模变化形成雷达回波数据；

对回波数据进行距离向解算处理，恢复得到分离的对应不同发射通道的两种雷达回波数据；

再对不同发射通道的雷达回波数据分别进行方位向解算处理，分别恢复得到不同接收通道的四种雷达回波数据，即HH、HV、VH、VV四种极化的全极化雷达回波数据；

对全极化雷达回波数据进行SAR成像处理，得到全极化SAR图像。

在本发明的某些实施例中，所述两个发射通道同时发射具有不同脉冲编码的两种多脉冲组，在信号发射时，两种多脉冲组在时间上不重叠。

在本发明的某些实施例中，所述两路接收信号中的一路进行移相编码，是对一路接收信号按脉冲组的编码间隔，进行相位编码。

在本发明的某些实施例中，所述两路接收信号分别进行移相编码，是对两路接收信号按脉冲组的编码间隔，分别进行相位编码。

在本发明的某些实施例中，所述再对不同发射通道的雷达回波数据分别进行方位向解算处理，将位于不同子空间对应不同接收通道的雷达信号单独分离出来，恢复得到代表不同接收通道的雷达回波数据。

根据本发明的另一个方面，提供了一种基于脉冲编码实现全极化SAR的系统，包括：

激励信号模块，用于产生采用子带交错和时间交错进行编码的两种多脉冲组，分别输入到第一发射机和第二发射机；

第一发射机和第二发射机，用于放大两种多脉冲组，并分别通过两个环形器输出到H极化天线和V极化天线；

H极化天线，用于发射水平极化编码信号，接收H极化天线发射信号产生的回波信号和V极化天线发射信号产生的回波信号；

V极化天线，用于发射垂直极化编码信号，接收H极化天线发射信号产生的回波信号和V极化天线发射信号产生的回波信号；

移相器，用于对通过环形器的H极化天线接收信号或V极化天线接收信号进行移相编码；

合路器，用于将一路移相编码后的接收信号和另一路接收信号合成一路信号；

接收机，用于接收合路后的接收信号；

数据采集模块，用于对接收机输出的信号进行数字化；

成像处理模块，用于对雷达接收数据进行信号恢复处理和成像处理；信号恢复处理包括对雷达回波数据进行距离向解算处理，恢复分离对应不同发射通道的雷达回波数据，再对不同发射通道的雷达回波数据分别进行方位向解算处理，恢复分离对应不同接收通道的雷达回波数据，分别恢复得到不同接收通道的四种雷达回波数据，即HH、HV、VH、VV四种极化的全极化雷达回波数据；成像处理包括对全极化雷达回波数据进行SAR成像处理，得到全极化SAR图像。

在本发明的某些实施例中，采用两个移相器代替一个移相器，分别为第一移相器和第二移相器，第一移相器对H极化天线接收信号进行移相编码，第二移相器对V极化天线接收信号进行移相编码；

合路器将移相编码后的一路接收信号和另一路接收信号合成一路信号。

在本发明的某些实施例中，采用一个发射机和一个切换开关代替两个发射机，由于H极化天线发射编码脉冲组和V极化天线发射编码脉冲组在时间上是错开的，通过切换开关在时间上控制激励信号模块、发射机输出的子脉冲分别发送到H极化天线和V极化天线，实现两种多脉冲组分别在两个极化天线发射。

从上述技术方案可以看出，本发明基于脉冲编码实现全极化SAR的方法至少具有以下有益效果其中之一：

(1)只需要单接收通道，降低了设计难度，简化了系统实现，消除了多通道系统接收通道不一致问题；

(2)在一个等效脉冲重复周期(PRI)内同时完成了全极化信息的获取。

附图说明

通过以下结合附图的说明，并且随着对本发明的更全面了解，本发明的其他目的和效果将变得更加清楚和易于理解，其中：

图1是传统全极化SAR系统结构示意图。

图2是传统全极化SAR工作原理示意图。

图3是本发明第一实施例基于脉冲编码实现全极化SAR的系统的结构示意图。

图4是本发明第一实施例基于脉冲编码实现全极化SAR的系统的工作原理示意图。

图5是本发明第一实施例基于脉冲编码实现全极化SAR的系统的发射编码示意图。

图6是本发明第一实施例基于脉冲编码实现全极化SAR的系统的接收编码示意图。

图7是本发明第二实施例基于脉冲编码实现全极化SAR的系统的结构示意图。

图8是本发明第三实施例基于脉冲编码实现全极化SAR的系统的结构示意图。

图9是本发明第四实施例基于脉冲编码实现全极化SAR的系统的结构示意图。

具体实施方式

在对本发明进行详细说明之前，先介绍一下传统全极化SAR的系统结构及工作原理。

如图1所示，传统全极化SAR系统包括：两个发射机；两部收发天线，分别为水平极化(H极化)收发天线和垂直极化(V极化)收发天线；两个接收机；两个数据采集模块；发射通道的激励信号模块和成像处理模块。可以看出，除了激励信号模块和成像处理模块为共用部分，传统全极化SAR基本可以看做是由两部单极化SAR组成，系统结构复杂，尽管可以通过系统设计优化只采用一个发射机，但整体上不利于实现轻小型化。

如图2所示，这是典型的时分工作方式，水平极化天线(H极化天线)与垂直极化天线(V极化天线)交替发射脉冲发射信号，在发射脉冲之间，H极化天线与V极化天线同时接收雷达回波信号，对应得到4个全极化的雷达回波信号：H极化天线发射H极化天线接收的HH极化雷达回波信号、H极化天线发射V极化天线接收的HV极化雷达回波信号、V极化天线发射H极化天线接收的VH极化雷达回波信号和V极化天线发射V极化天线接收的VV极化雷达回波信号。

以下将对本发明进行详细说明，为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

第一实施例：

在本实施例中，提供了一种基于脉冲编码实现全极化SAR的系统。如图3所示，本发明基于脉冲编码实现全极化SAR的系统包括：激励信号模块、发射机一、发射机二、H极化天线、V极化天线、接收机、移相器、合路器、数据采集模块、成像处理模块。

激励信号模块用于产生采用子带交错和时间交错进行编码的两种多脉冲组，分别输入到发射机一和发射机二。

发射机一和发射机二用于放大两种多脉冲组，并分别通过两个环形器输出到H极化天线和V极化天线。

H极化天线用于发射水平极化编码信号，接收H极化天线发射信号产生的回波信号和V极化天线发射信号产生的回波信号。

V极化天线用于发射垂直极化编码信号，接收H极化天线发射信号产生的回波信号和V极化天线发射信号产生的回波信号。

移相器用于对通过环形器的V极化天线接收信号进行移相编码。需要说明的是，移相器也可以对通过环形器的H极化天线接收信号进行移相编码。

合路器用于将一路移相编码后的接收信号和另一路接收信号合成一路信号。

接收机用于接收合路后的接收信号。

数据采集模块用于对接收机输出的信号进行数字化。

成像处理模块用于对雷达接收数据进行信号恢复处理和成像处理；信号恢复处理包括对雷达回波数据进行距离向解算处理，恢复分离对应不同发射通道的雷达回波数据，再对不同发射通道的雷达回波数据分别进行方位向解算处理，恢复分离对应不同接收通道的雷达回波数据，分别恢复得到不同接收通道的四种雷达回波数据，即HH、HV、VH、VV四种极化的全极化雷达回波数据；成像处理包括对全极化雷达回波数据进行SAR成像处理，得到全极化SAR图像。

需要说明的是，HH是指H极化天线发射H极化天线接收、HV是指H极化天线发射V极化天线接收、VH是指V极化天线发射H极化天线接收、VV是指V极化天线发射V极化天线接收。

如图4所示，图4为基于发射信号连续脉冲编码的工作方式，水平极化天线(H极化天线)与垂直极化天线(V极化天线)交替发射连续脉冲的子脉冲发射信号，在发射子脉冲之间，H极化天线与V极化天线同时接收雷达回波信号，在H极化天线和V极化天线端，H极化天线同时接收H极化天线发射信号和V极化天线发射信号，V极化天线同时接收H极化天线发射信号和V极化天线发射信号。

在信号接收时，首先，对一个天线的接收信号进行移相编码，使两个天线的接收信号处于编码空间的两个不重叠的子空间；然后，合路进入一路接收机再进行数据采集，得到四个通道混合在一起的一路雷达回波数据；最后，通过解算处理和信号恢复处理，得到四个全极化的雷达回波信号：H极化天线发射H极化天线接收的HH极化雷达回波信号、H极化天线发射V极化天线接收的HV极化雷达回波信号、V极化天线发射H极化天线接收的VH极化雷达回波信号和V极化天线发射V极化天线接收的VV极化雷达回波信号。

如图5所示，这种全极化SAR发射编码采用连续脉冲编码方式，即目标的完整回波分布在多个子脉冲的接收窗口，需要通过信号恢复才能恢复出完整的回波信号；激励信号采用时间交错进行多脉冲编码的两种多脉冲组，H极化天线发射编码子脉冲组成H极化天线发射编码脉冲组，V极化天线发射编码子脉冲组成V极化天线发射编码脉冲组；H极化天线发射编码脉冲组和V极化天线发射编码脉冲组的子脉冲在时间上是错开的，共用相同的接收窗口；H极化天线发射编码脉冲组和V极化天线发射编码脉冲组采用独立的连续脉冲编码。

如图6所示，全极化SAR接收时，对一个接收天线的接收信号进行相位编码时，从第1组连续脉冲编码组开始、以2组连续脉冲编码组结束为1个循环，并以此循环进行编码，方法如下：

对于第1组连续脉冲编码组，标记为Ma脉冲组；

对于第2组连续脉冲编码组，标记为Mb脉冲组；

设定Ma脉冲组的附加相位为0；

Mb脉冲组的附加相位为π；

在信号解算恢复时，对不同发射通道的两种雷达回波数据分别进行解算处理，将位于不同子空间对应不同接收通道的雷达信号单独分离出来，恢复得到代表不同接收通道的雷达回波数据。

本实施例在解算时，首先进行相位对齐处理，即，使不同编码脉冲组的接收信号的初始相位相同。这样，天线接收信号未编码的一路接收信号的恢复信号处于频谱中间，天线接收信号编码的一路接收信号的恢复信号处于频谱的两端，信号恢复前，编码脉冲组的接收信号在接收时原本混叠在一起，但通过对脉冲编码组信号的相位对齐处理，在方位向频域上变成是可分的，再经过滤波处理即可分开。

在本实施例中，还提供了一种基于脉冲编码实现全极化SAR的方法，包括以下步骤：

发射采用两个发射通道，包括水平极化发射通道和垂直极化发射通道，两个发射通道同时发射具有不同连续脉冲编码的两种多脉冲组；

水平极化接收天线和垂直极化接收天线在连续脉冲编码组的发射间隙同时接收雷达回波信号；

两路接收信号中的一路进行移相编码，然后与另一路接收信号合路，形成一路接收信号；

形成的一路接收信号进入单通道接收机，经数模变化形成雷达回波数据；

对回波数据进行距离向解算处理，恢复得到分离的对应不同发射通道的两种雷达回波数据；

再对不同发射通道的雷达回波数据分别进行方位向解算处理，分别恢复得到不同接收通道的四种雷达回波数据，即HH、HV、VH、VV四种极化的全极化雷达回波数据；

对全极化雷达回波数据进行SAR成像处理，得到全极化SAR图像。

其中，两个发射通道同时发射具有不同脉冲编码的两种多脉冲组，在信号发射时，两种多脉冲组在时间上不重叠。

两路接收信号中的一路进行移相编码，是对一路接收信号按脉冲组的编码间隔，进行相位编码。

再对不同发射通道的雷达回波数据分别进行方位向解算处理，将位于不同子空间对应不同接收通道的雷达信号单独分离出来，恢复得到代表不同接收通道的雷达回波数据。

第二实施例：

在本实施例中，提供了一种基于脉冲编码实现全极化SAR的系统。如图7所示，与第一实施例的基于脉冲编码实现全极化SAR的系统相比，本实施例基于脉冲编码实现全极化SAR的系统的区别在于：本实施例包括两个移相器，分别为移相器一和移相器二，移相器一对H极化天线接收信号进行移相编码，移相器二对V极化天线接收信号进行移相编码。合路器将移相编码后的一路接收信号和另一路接收信号合成一路信号。

全极化SAR接收时，对于两个接收天线的接收信号进行相位编码，每个天线以第1组连续脉冲编码组和第2组连续脉冲编码组成编码循环：

对于第1组连续脉冲编码组，标记为Ma脉冲组；

对于第2组连续脉冲编码组，标记为Mb脉冲组；

Ma脉冲组的附加相位为0；

Mb脉冲组的附加相位为π。

两个接收天线的接收信号独立编码。在信号解算恢复时，对不同发射通道的两种雷达回波数据分别进行解算处理，将位于不同子空间对应不同接收通道的雷达信号单独分离出来，恢复得到代表不同接收通道的雷达回波数据。

为了达到简要说明的目的，上述第一实施例中任何可作相同应用的技术特征叙述皆并于此，无需再重复相同叙述。

第三实施例：

在本实施例中，提供了一种基于脉冲编码实现全极化SAR的系统。如图8所示，与第一实施例的基于脉冲编码实现全极化SAR的系统相比，本实施例基于脉冲编码实现全极化SAR的系统的区别在于：采用一个发射机和一个切换开关代替两个发射机，由于H极化天线发射编码脉冲组和V极化天线发射编码脉冲组在时间上是错开的，通过切换开关在时间上控制激励信号模块、发射机输出的子脉冲分别发送到H极化天线和V极化天线，就可以实现两种多脉冲组分别在两个极化天线发射。

为了达到简要说明的目的，上述第一实施例中任何可作相同应用的技术特征叙述皆并于此，无需再重复相同叙述。

第四实施例：

在本实施例中，提供了一种基于脉冲编码实现全极化SAR的系统。如图9所示，与第二实施例的基于脉冲编码实现全极化SAR的系统相比，本实施例基于脉冲编码实现全极化SAR的系统的区别在于：采用一个发射机和一个切换开关代替两个发射机，由于H极化天线发射编码脉冲组和V极化天线发射编码脉冲组在时间上是错开的，通过切换开关在时间上控制激励信号模块、发射机输出的子脉冲分别发送到H极化天线和V极化天线，就可以实现两种多脉冲组分别在两个极化天线发射。

为了达到简要说明的目的，上述第二实施例中任何可作相同应用的技术特征叙述皆并于此，无需再重复相同叙述。

应当注意，为了使本发明的实施方式更容易理解，上面的描述省略了对于本领域的技术人员来说是公知的、或是已公开的、并且对于本发明的实施方式的实现可能是必需的更具体的一些技术细节。例如，上面的描述省略了对发射脉冲的连续脉冲编码和解算的一般性描述。应该理解，根据本发明的实施例的实现方法仅仅是示意性的而不是限制性的。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明基于脉冲编码实现全极化SAR的方法有了清楚的认识。利用本发明的连续脉冲编码方法，可以将传统的全极化合成孔径雷达多通道接收系统合并为单通道接收实现，并实现四个全极化通道同时成像。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

再者，说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意含及代表该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能作出清楚区分。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于脉冲编码实现全极化SAR的方法，其特征在于，包括以下步骤：

发射采用两个发射通道，包括水平极化发射通道和垂直极化发射通道，两个发射通道同时发射具有不同连续脉冲编码的两种多脉冲组；或发射采用一个发射机和两个发射天线，包括水平极化发射天线和垂直极化发射天线，两个发射天线切换发射具有不同连续脉冲编码的两种多脉冲组；

水平极化接收天线和垂直极化接收天线在连续脉冲编码组的发射间隙同时接收雷达回波信号；

两路接收信号中的一路进行移相编码，然后与另一路接收信号合路，形成一路接收信号；或两路接收信号分别进行移相编码，然后合路，形成一路接收信号；

形成的一路接收信号进入单通道接收机，经数模变化形成雷达回波数据；

对回波数据进行距离向解算处理，恢复得到分离的对应不同发射通道的两种雷达回波数据；

再对不同发射通道的雷达回波数据分别进行方位向解算处理，分别恢复得到不同接收通道的四种雷达回波数据，即HH、HV、VH、VV四种极化的全极化雷达回波数据；

对全极化雷达回波数据进行SAR成像处理，得到全极化SAR图像。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述两个发射通道同时发射具有不同脉冲编码的两种多脉冲组，在信号发射时，两种多脉冲组在时间上不重叠。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述两路接收信号中的一路进行移相编码，是对一路接收信号按脉冲组的编码间隔，进行相位编码。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述两路接收信号分别进行移相编码，是对两路接收信号按脉冲组的编码间隔，分别进行相位编码。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述再对不同发射通道的雷达回波数据分别进行方位向解算处理，将位于不同子空间对应不同接收通道的雷达信号单独分离出来，恢复得到代表不同接收通道的雷达回波数据。

6.一种基于脉冲编码实现全极化SAR的系统，其特征在于，包括：

激励信号模块，用于产生采用子带交错和时间交错进行编码的两种多脉冲组，分别输入到第一发射机和第二发射机；

第一发射机和第二发射机，用于放大两种多脉冲组，并分别通过两个环形器输出到H极化天线和V极化天线；

H极化天线，用于发射水平极化编码信号，接收H极化天线发射信号产生的回波信号和V极化天线发射信号产生的回波信号；

V极化天线，用于发射垂直极化编码信号，接收H极化天线发射信号产生的回波信号和V极化天线发射信号产生的回波信号；

移相器，用于对通过环形器的H极化天线接收信号或V极化天线接收信号进行移相编码；

合路器，用于将一路移相编码后的接收信号和另一路接收信号合成一路信号；

接收机，用于接收合路后的接收信号；

数据采集模块，用于对接收机输出的信号进行数字化；

成像处理模块，用于对雷达接收数据进行信号恢复处理和成像处理；信号恢复处理包括对雷达回波数据进行距离向解算处理，恢复分离对应不同发射通道的雷达回波数据，再对不同发射通道的雷达回波数据分别进行方位向解算处理，恢复分离对应不同接收通道的雷达回波数据，分别恢复得到不同接收通道的四种雷达回波数据，即HH、HV、VH、VV四种极化的全极化雷达回波数据；成像处理包括对全极化雷达回波数据进行SAR成像处理，得到全极化SAR图像。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，采用两个移相器代替一个移相器，分别为第一移相器和第二移相器，第一移相器对H极化天线接收信号进行移相编码，第二移相器对V极化天线接收信号进行移相编码；

合路器将移相编码后的一路接收信号和另一路接收信号合成一路信号。

8.根据权利要求6或7所述的系统，其特征在于，采用一个发射机和一个切换开关代替两个发射机，由于H极化天线发射编码脉冲组和V极化天线发射编码脉冲组在时间上是错开的，通过切换开关在时间上控制激励信号模块、发射机输出的子脉冲分别发送到H极化天线和V极化天线，实现两种多脉冲组分别在两个极化天线发射。

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