CN111596271B - 基于有源定标器参考矩阵的合成孔径雷达极化定标方法 - Google Patents

基于有源定标器参考矩阵的合成孔径雷达极化定标方法 Download PDF

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Abstract

本公开提供一种基于有源定标器参考矩阵的合成孔径雷达极化定标方法，包括：步骤S1：通过极化有源定标器提供参考散射矩阵；步骤S2：基于参考散射矩阵，利用测量矩阵对应元素获得接收失真矩阵和发射失真矩阵的失真参数，进而获得接收失真矩阵和发射失真矩阵；以及步骤S3：利用所获得失真参数进行仿真验证，完成基于参考矩阵的合成孔径雷达的极化定标。该方法基于三个参考矩阵可以大大减小了极化有源定标器设计的难度和误差影响因素，而且基于发明提出的基于测量矩阵对应元素求解方法，不用基于任何假设即可实现失真矩阵的求解。

Description

基于有源定标器参考矩阵的合成孔径雷达极化定标方法
技术领域
本公开涉及合成孔径雷达系统技术领域，尤其涉及一种基于有源定标器参考矩阵的合成孔径雷达极化定标方法。
背景技术
极化合成孔径雷达失真矩阵参数求解是极化合成孔径雷达定标的关键，目前合成孔径雷达极化定标大多基于标准点目标进行，利用不同的标准点目标实现极化失真矩阵的求解，完成极化定标。
标准点目标选择可以是无源点目标，也可以是有源点目标，目前的极化定标中，不同的散射矩阵组合被采用，有的选用三个参考散射矩阵，有的选用四个参考散射矩阵。目前大家参考点目标选择都是基于无源点目标和有源点目标组合。但是，无源参考点目标难以获得较高的雷达截面积以及对指向比较敏感，导致回波数据信噪比不高以及难以获得较高的通道串扰和不平衡指标。
发明内容
(一)要解决的技术问题
基于上述问题，本公开提供了一种基于有源定标器参考矩阵的合成孔径雷达极化定标方法，以缓解现有技术中无源参考点目标难以获得较高的雷达截面积以及对指向比较敏感，导致回波数据信噪比不高以及难以获得较高的通道串扰和不平衡指标等技术问题。
(二)技术方案
本公开提供一种基于有源定标器参考矩阵的合成孔径雷达极化定标方法，包括：
步骤S1：通过极化有源定标器提供参考散射矩阵；
步骤S2：基于参考散射矩阵，利用测量矩阵对应元素获得接收失真矩阵和发射失真矩阵的失真参数，进而获得接收失真矩阵和发射失真矩阵；以及
步骤S3：利用所获得失真参数进行仿真验证，完成基于有源定标器参考矩阵的合成孔径雷达的极化定标。
在本公开实施例中，所述参考散射矩阵设定为S，其包括：S1＝[0 1；0 0]，S2＝[00；1 0]，以及S3＝[1 1；1 1]。
在本公开实施例中，所述失真参数包括：接收端以及发射端的极化通道幅度不平衡度；接收端及发射端的天线串扰。
在本公开实施例中，接收端以及发射端的极化通道幅度不平衡度，包括：
合成孔径雷达接收端极化通道幅度不平衡度F1；以及
合成孔径雷达发射端极化通道幅度不平衡度F2；
接收端及发射端的天线串扰，包括：
接收垂直极化波时的天线串扰δ1；
接收水平极化波时的天线串扰δ2；
发射水平极化波时的天线串扰δ3；以及
发射垂直极化波时的天线串扰δ4。
在本公开实施例中，对于参考矩阵S，对应的极化合成孔径雷达测量矩阵为M，不考虑噪声因素，则有：
M＝RST (1)：
其中，
Figure GDA0003787965430000021
为接收失真矩阵，
Figure GDA0003787965430000022
在本公开实施例中，设
Figure GDA0003787965430000023
则接收失真矩阵R归一化处理为：
Figure GDA0003787965430000024
在本公开实施例中，设
Figure GDA0003787965430000025
则发射失真矩阵T归一化处理为：
Figure GDA0003787965430000026
在本公开实施例中，选取参考矩阵S1＝[0 1；0 0]，由式(1)可得
Figure GDA0003787965430000031
根据矩阵对应元素，由(2)可得：
Figure GDA0003787965430000032
其中，H和V分别表示水平和垂直极化，δ4为发射垂直极化波时的天线串扰。
在本公开实施例中，选取参考矩阵S2＝[0 0；1 0]，由式(1)可得
Figure GDA0003787965430000033
根据矩阵对应元素，由(4)可得：
Figure GDA0003787965430000034
其中，δ1是接收垂直极化波时的天线串扰。
在本公开实施例中，选取参考矩阵S3＝[1 1；1 1]，由式(1)可得
Figure GDA0003787965430000035
根据矩阵对应元素，由(6)可得：
Figure GDA0003787965430000036
Figure GDA0003787965430000037
式(7)可得：
Figure GDA0003787965430000038
由于
Figure GDA0003787965430000041
结合式(9)可得：
Figure GDA0003787965430000042
由(8)可得：
Figure GDA0003787965430000043
由于
Figure GDA0003787965430000044
结合式(11)可得：
Figure GDA0003787965430000045
式(7)还可得：
Figure GDA0003787965430000046
由于
Figure GDA0003787965430000047
已由式(10)求出，且
Figure GDA0003787965430000048
因此，结合式(13)，可得：
Figure GDA0003787965430000049
式(8)还可得：
Figure GDA0003787965430000051
由于
Figure GDA0003787965430000052
已有式(12)求出，且
Figure GDA0003787965430000053
因此，结合式(15)，可得：
Figure GDA0003787965430000054
F1为接收端极化通道幅度不平衡度；F2为发射端极化通道幅度不平衡度；δ2是接收水平极化波时的天线串扰；δ3为发射水平极化波时的天线串扰。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开基于有源定标器参考矩阵的合成孔径雷达极化定标方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
(1)容易实现且误差影响因素较少；
(2)不基于其他任何限定条件；
(3)减小了极化有源定标器设计的难度。
附图说明
图1为本公开实施例的基于有源定标器参考矩阵的合成孔径雷达极化定标方法的流程示意图。
图2为本公开实施例合成孔径雷达发射端极化通道幅度不平衡度的数值仿真结果。
图3为本公开实施例合成孔径雷达接收端极化通道幅度不平衡度的数值仿真结果。
图4为本公开实施例合成孔径雷达接收垂直极化波时的天线串扰的数值仿真结果。
图5为本公开实施例合成孔径雷达接收水平极化波时的天线串扰的数值仿真结果。
图6为本公开实施例合成孔径雷达发射水平极化波时的天线串扰的数值仿真结果。
图7为本公开实施例合成孔径雷达发射垂直极化波时的天线串扰的数值仿真结果。
具体实施方式
本公开提供了一种基于有源定标器参考矩阵的合成孔径雷达极化定标方法，考虑利用极化有源定标器提供参考散射矩阵，并且创造性提出了基于[0 1；0 0]，[0 0；1 0]和[1 1；1 1]三个参考散射矩阵对雷达失真矩阵进行求解方法，基于这三个矩阵可以大大减小了极化有源定标器设计的难度和误差影响因素，而且基于发明提出的基于测量矩阵对应元素求解方法，不用基于任何假设即可实现失真矩阵的求解。
为使本公开的目的、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，对本公开进一步详细说明。
在本公开实施例中，提供一种基于有源定标器参考矩阵的合成孔径雷达极化定标方法，如图1所示，所述方法，包括：
步骤S1：通过极化有源定标器提供参考散射矩阵；
在本公开实施例中，所述参考散射矩阵S包括三个，S1＝[0 1；0 0]，S2＝[0 0；10]，以及S3＝[1 1；1 1]，用于实现极化合成孔径雷达的接收失真矩阵和发射失真矩阵的失真参数的求解。
步骤S2：基于参考散射矩阵，利用测量矩阵对应元素获得接收失真矩阵和发射失真矩阵的失真参数；以及
步骤S3：利用所获得失真参数进行仿真验证，完成基于有源定标器参考矩阵的合成孔径雷达的极化定标。
所述失真参数包括：接收端以及发射端的极化通道幅度不平衡度，以及接收端及发射端的天线串扰。
接收端以及发射端的极化通道幅度不平衡度，包括：
合成孔径雷达接收端极化通道幅度不平衡度F1；以及
合成孔径雷达发射端极化通道幅度不平衡度F2；
接收端及发射端的天线串扰，包括：
接收垂直极化波时的天线串扰δ1；接收水平极化波时的天线串扰δ2；发射水平极化波时的天线串扰δ3；发射垂直极化波时的天线串扰δ4。
本公开实施例中，提出了基于参考点目标为S1＝[0 1；0 0]，S2＝[0 0；1 0]和S3＝[1 1；1 1]的失真矩阵解算方法。矩阵[1 1；1 1]相对于极化定标要求的其他散射矩阵实现起来对极化有源定标器而言比较容易且误差因素较少。
在本公开实施例中，基于上述三个参考矩阵，利用测量矩阵对应元素联合求解接收失真矩阵和发射失真矩阵失真参数，不需要基于其他限定条件。
设定极化合成孔径雷达接收失真矩阵为
Figure GDA0003787965430000071
R代表接收失真矩阵，H和V分别表示水平和垂直极化，发射失真矩阵为
Figure GDA0003787965430000072
T代表发射失真矩阵，H和V分别表示水平和垂直极化，对于参考矩阵S，对应的极化合成孔径雷达测量矩阵为M，不考虑噪声因素，则有：
M＝RST (1)；
设
Figure GDA0003787965430000073
则R归一化处理为：
Figure GDA0003787965430000074
其中，F1为接收端极化通道幅度不平衡度，δ1是接收垂直极化波时的天线串扰，δ2是接收水平极化波时的天线串扰；若F1、δ1、δ2求出，即可以获得接收失真矩阵。
同理，设
Figure GDA0003787965430000075
其中，F2为合成孔径雷达发射端极化通道幅度不平衡度，δ3为发射水平极化波时的天线串扰，δ4为发射垂直极化波时的天线串扰，若F2、δ3、δ4求出，则可以获得发射失真矩阵。
所述步骤S2包括：
子步骤S21：选取参考矩阵S1＝[0 1；0 0]，由式(1)可得
Figure GDA0003787965430000081
根据矩阵对应元素，由(2)可得：
Figure GDA0003787965430000082
其中，M1为对应参考矩阵S1的测量矩阵；
子步骤S22：选取参考矩阵S2＝[0 0；1 0]，由式(1)可得
Figure GDA0003787965430000083
根据矩阵对应元素，由(4)可得：
Figure GDA0003787965430000084
其中，M2为对应参考矩阵S2的测量矩阵；
子步骤S23：选取参考矩阵S3＝[1 1；1 1]，由式(1)可得
Figure GDA0003787965430000085
根据矩阵对应元素，由(6)可得：
Figure GDA0003787965430000086
Figure GDA0003787965430000087
式(7)可得：
Figure GDA0003787965430000088
由于
Figure GDA0003787965430000089
结合式(9)可得：
Figure GDA0003787965430000091
其中，M3为对应参考矩阵S3的测量矩阵；
由(8)可得：
Figure GDA0003787965430000092
由于
Figure GDA0003787965430000093
结合式(11)可得：
Figure GDA0003787965430000094
式(7)还可得：
Figure GDA0003787965430000095
由于
Figure GDA0003787965430000096
已由式(10)求出，且
Figure GDA0003787965430000097
因此，结合式(13)，可得：
Figure GDA0003787965430000098
式(8)还可得：
Figure GDA0003787965430000101
由于
Figure GDA0003787965430000102
已有式(12)求出，且
Figure GDA0003787965430000103
因此，结合式(15)，可得：
Figure GDA0003787965430000104
至此，极化合成孔径雷达接收失真矩阵和发射失真矩阵参数F1、δ1、δ2、F2、δ3、δ4均可以求出，基于此可以进行极化定标。
步骤S3中，针对上述三矩阵方法进行数值仿真，结合图2至图7所示，基于本公开提出的三矩阵方法解算极化合成孔径雷达通道不平衡参数基本无误差，通道串扰在小于35dB情况下，估计精度优于0.5dB。
至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。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。
依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开基于有源定标器参考矩阵的合成孔径雷达极化定标方法有了清楚的认识。
综上所述，本公开提供了一种基于有源定标器参考矩阵的合成孔径雷达极化定标方法，其基于三个参考散射矩阵对雷达失真矩阵进行求解方法，基于这三个矩阵可以大大减小了极化有源定标器设计的难度和误差影响因素，而且基于发明提出的基于测量矩阵对应元素求解方法，不用基于任何假设即可实现失真矩阵的求解。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。
再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
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，其本身并不意味着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做出清楚区分。
此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、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，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于有源定标器参考矩阵的合成孔径雷达极化定标方法，包括：
步骤S1：通过极化有源定标器提供参考散射矩阵；
步骤S2：基于参考散射矩阵，利用测量矩阵对应元素获得接收失真矩阵和发射失真矩阵的失真参数，进而获得接收失真矩阵和发射失真矩阵；以及
步骤S3：利用所获得失真参数进行仿真验证，完成基于有源定标器参考矩阵的合成孔径雷达的极化定标；
其中，所述参考散射矩阵设定为S，对应的极化合成孔径雷达测量矩阵为M，不考虑噪声因素，则有：
M＝RST (1)；
其中，R代表接收失真矩阵，S代表参考矩阵，T代表发射失真矩阵；接收失真矩阵
Figure FDA0003680166100000011
发射失真矩阵
Figure FDA0003680166100000012
H和V分别表示水平和垂直极化；
对于参考散射矩阵S，包括：矩阵S1＝[0 1；0 0]，矩阵S2＝[0 0；1 0]，矩阵S3＝[1 1；11]；
选取参考矩阵为S1，由式(1)可得
Figure FDA0003680166100000013
根据矩阵对应元素，由(2)可得：
Figure FDA0003680166100000014
δ4为发射垂直极化波时的天线串扰，M1为对应矩阵S1的测量矩阵；
选取参考矩阵为S2＝[0 0；1 0]，由式(1)可得
Figure FDA0003680166100000021
根据矩阵对应元素，由(4)可得：
Figure FDA0003680166100000022
δ1是接收垂直极化波时的天线串扰，M2为对应矩阵S2的测量矩阵；
选取参考矩阵S3＝[1 1；1 1]，由式(1)可得
Figure FDA0003680166100000023
根据矩阵对应元素，由(6)可得：
Figure FDA0003680166100000024
Figure FDA0003680166100000025
式(7)可得：
Figure FDA0003680166100000026
由于
Figure FDA0003680166100000027
结合式(9)可得：
Figure FDA0003680166100000028
由(8)可得：
Figure FDA0003680166100000031
由于
Figure FDA0003680166100000032
结合式(11)可得：
Figure FDA0003680166100000033
式(7)还可得：
Figure FDA0003680166100000034
由于
Figure FDA0003680166100000035
已由式(10)求出，且
Figure FDA0003680166100000036
因此，结合式(13)，可得：
Figure FDA0003680166100000037
式(8)还可得：
Figure FDA0003680166100000038
由于
Figure FDA0003680166100000039
已有式(12)求出，且
Figure FDA00036801661000000310
因此，结合式(15)，可得：
Figure FDA0003680166100000041
F1为接收端极化通道幅度不平衡度；F2为发射端极化通道幅度不平衡度；δ2是接收水平极化波时的天线串扰；δ3为发射水平极化波时的天线串扰，M3为对应矩阵S3的测量矩阵。
2.根据权利要求1所述的基于有源定标器参考矩阵的合成孔径雷达极化定标方法，所述失真参数包括：接收端以及发射端的极化通道幅度不平衡度；接收端及发射端的天线串扰。
3.根据权利要求2所述的基于有源定标器参考矩阵的合成孔径雷达极化定标方法，
接收端以及发射端的极化通道幅度不平衡度，包括：
合成孔径雷达接收端极化通道幅度不平衡度F1；以及
合成孔径雷达发射端极化通道幅度不平衡度F2；
接收端及发射端的天线串扰，包括：
接收垂直极化波时的天线串扰δ1；
接收水平极化波时的天线串扰δ2；
发射水平极化波时的天线串扰δ3；以及
发射垂直极化波时的天线串扰δ4。
4.根据权利要求1所述的基于有源定标器参考矩阵的合成孔径雷达极化定标方法，设
Figure FDA0003680166100000042
则接收失真矩阵R归一化处理为：
Figure FDA0003680166100000043
5.根据权利要求1所述的基于有源定标器参考矩阵的合成孔径雷达极化定标方法，设
Figure FDA0003680166100000051
则发射失真矩阵T归一化处理为：
Figure FDA0003680166100000052
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