CN116755093A - 一种改善扫描极化sar模糊的方法、装置及计算机介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种改善扫描极化SAR模糊的方法、装置及计算机介质，所述方法包括：设置发射脉冲的波形参数，生成发射信号；对发射信号中的脉冲分别进行水平极化和垂直极化，将水平极化的脉冲和垂直极化的脉冲按照分组进行发射；对回波信号进行极化接收；对接收到的回波信号进行距离向匹配滤波和方位向匹配滤波。本发明可以有效的提升发射脉冲的等效PRF，改善回波信号的方位向模糊；同时，在距离向上有效地规避了水平极化回波和垂直极化回波的串扰问题，改善回波信号的距离向模糊。
Description
技术领域
本发明属于空间微波技术领域，尤其涉及一种改善扫描极化SAR模糊的方法、装置及计算机介质。
背景技术
极化SAR使用矢量测量的方法获取地物目标信息（Lee J S, Pottier E.Polarimetric radar imaging from basic to application [M]. New York: CRCPress, 2011），极化SAR系统收发水平极化与垂直极化的电磁波，采用交替发射与同时接收的方式来获取水平发射-水平接收、水平发射-垂直接收、垂直发射-水平接收、垂直发射-垂直接收四种组合形式的散射回波信号，这四种信号组合极化合成技术可以产生在任意极化方式下的散射回波信号，因此极化SAR能记录目标散射回波的全极化信息，可获取丰富的目标信息。
在SAR成像过程中，利用目标相对雷达运动的多普勒频率进行方位向压缩来提高方位向分辨率，由于多普勒效应，回波信号沿方位向可以等效为一个线性调频信号，并且用发射脉冲的重复频率PRF进行采样，当PRF过低时，天线方向图旁瓣处频率高于PRF的多普勒信号频谱将折叠到滤波器内，与主信号混叠，造成方位模糊。传统的极化SAR系统采用交替间隔发射垂直和水平极化的电磁波信号，其等效PRF仅为原始PRF的二分之一，容易导致方位向模糊度上升。
在极化SAR系统的距离向回波信号上，若水平极化信号的回波与垂直极化信号的回波相差在时域上相差脉冲重复周期PRT的整数倍，两个回波会产生混叠，造成距离模糊。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种改善扫描极化SAR模糊的方法，包括以下步骤：
步骤1）设置发射脉冲的波形参数，生成发射信号；
步骤2）对发射信号中的脉冲分别进行水平极化和垂直极化，将水平极化的脉冲和垂直极化的脉冲按照分组进行发射，具体为：每个分组均包含相同数量的极化脉冲，同一个分组中的所有脉冲的极化方式相同，相邻分组的极化方式不同；
步骤3）对回波信号进行极化接收，获取水平极化发射-水平极化接收、水平极化发射-垂直极化接收、垂直极化发射-水平极化接收、垂直极化发射-垂直极化四种散射回波信号；
步骤4）对接收到的回波信号进行距离向匹配滤波和方位向匹配滤波。
进一步地，步骤2）中，每个分组包含M个脉冲，所述M为正整数，分组大小M的确定方法具体为：
步骤1、创建M的候选集，初始候选集为空；
步骤2、设置M的初始值；
步骤3、判断M的当前值是否满足正交极化探测范围的要求：如果满足，则进行步骤4；否则，减小M的值，重新进行步骤3直到M的当前值满足正交极化探测范围的要求，进入步骤4；
步骤4、计算回波信号的距离向模糊和方位向模糊；
步骤5、判断距离向模糊和方位向模糊是否满足条件：若满足条件，则本次迭代中M的值作为候选值加入候选集，以该候选值为中心，依次遍历该候选值两侧的数值，重复步骤3-5，直到找出所有符合条件的M值；若不满足条件，则增大M的值，重复步骤3-5，直到满足条件；
步骤6、根据硬件设备的情况选择合适的分组大小。
进一步地，发射信号表示为
其中，为正调频，为脉宽，表示矩形窗函数，t表示时间。
进一步地，对回波信号进行极化接收的散射矩阵的具体公式为：
其中，代表水平极化入射场产生水平极化散射场的相位，代表垂直极化入
射场产生水平极化散射场的相位，代表水平极化入射场产生垂直极化散射场的相位，代表垂直极化入射场产生垂直极化散射场的相位；
、、、分别为水平极化照射时同极化的雷达截面积、水平极化照射时
正交极化的雷达截面积、垂直极化照射时同极化的雷达截面积、垂直极化照射时正交极化
的雷达截面积，其计算方式为
其中，和分别代表水平极化回波和垂直极化回波，用和分别表示目标处
天线所辐射的水平极化和垂直极化的电场，四者之间存在如下关系：
其中，代表水平极化入射场产生水平极化散射场的散射系数，代表垂直极
化入射场产生水平极化散射场的散射系数，代表水平极化入射场产生垂直极化散射场
的散射系数，代表垂直极化入射场产生垂直极化散射场的散射系数；
因此，
。
进一步地，所述步骤4）具体包括如下步骤：
41） 接收极化回波，用表示回波信号，首先对其进行距离向脉冲压缩，用表示脉压后的信号，处理方式为
其中，表示傅里叶变换操作，表示逆傅里叶变换操作，表示雷达
快时间，表示雷达慢时间，表示信号中心频率，表示距离向的频域匹配滤波器，
表示为：
其中，为距离向调频率，为脉宽；
用表示进行距离徙动处理后的信号，对信号的方位向脉冲压缩得到信号，处理方式为：
其中，表示方位向的频域匹配滤波器，，为方位向
调频率；
42）分析距离向模糊和方位向模糊，距离向模糊的定义是所有距离模糊区的回波信号输出总功率与测绘带内回波信号的输出功率之比，计算公式为
其中，为波束入射角，m表示副瓣个数，表示主瓣近端入射角，表示主瓣远端
入射角, 表示第m个副瓣近端入射角，表示第m个副瓣远端入射角,为地物后向
散射系数，为天线发射功率，为天线接收增益，为雷达作用距离。
方位向模糊的定义是处理带宽内模糊信号与有用信号功率之比，计算公式为
其中，PRF表示发射脉冲的重复频率，表示处理带宽/>中变化的频率。
本发明还提供了一种扫描极化SAR改善装置，包括发射模块、极化接收模块、滤波模块，所述发射模块、极化接收模块和滤波模块上述任一项所述方法的步骤进行扫描极化SAR模糊的改善。
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序用于执行上述任一项方法所述的步骤。
本发明与现有技术相比，具备的优点在于：
本发明采用分组发射的方式，相比于传统的极化SAR交替发射水平极化信号和垂直极化信号的方式，本发明可以有效的提升发射脉冲的等效PRF，改善回波信号的方位向模糊；同时，在距离向上有效地规避了水平极化回波和垂直极化回波的串扰问题，改善回波信号的距离向模糊。
附图说明
图1是本发明实施例的流程图。
图2是本发明实施例的极化脉冲分组发射的示意图。
图3是本发明实施例的确定极化信号分组大小方法的流程图。
图4是本发明实施例的交替发射和分组发射的点目标仿真结果图。
具体实施方式
鉴于传统极化SAR系统在脉冲发射阶段使用水平极化信号和垂直极化信号间隔发射的策略，一方面不同极化的回波信号会在接收端串扰，造成距离向模糊；另一方面，间隔发射的等效PRF会降低为原始PRF的二分之一，导致回波信号在方位向的采样率不足，造成方位向的模糊，本发明旨在通过分组发射的策略改善极化SAR的距离向和方位向模糊。
为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本申请的公开内容更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本申请。
本实施例提供了一种改善扫描极化SAR模糊的方法，进行扫描极化SAR的距离模糊与方位模糊测试，如图1所示，包括如下步骤：
10）搭建信号发射接收链路，设置发射脉冲波形参数，采用线性调频信号，假设产
生的线性调频信号为正调频，脉宽为。用表示矩形窗函数，则发射信号可
以表示为
20）对水平极化的脉冲和垂直极化的脉冲分组发射，每个分组均包含M个的极化脉冲，同一个分组中的所有脉冲的极化方式相同，相邻分组的极化方式交替变化，示意图如图2所示。M的取值受限于成像时间和模糊度，M越大，信号的等效PRF越高，方位向模糊降低，但对同一目标地区的成像时间降低，由于极化SAR的工作机制是发射不同极化方式的波形对同一地区进行探测，M过大会导致对目标区域只有一种极化脉冲可以探测，无法获取正交极化的信息，极端情况下会退化为单极化SAR模式；M越小，正交极化的探测范围增大，方位向模糊上升，极端情况下会退化为间隔发射的极化SAR。
分组大小M的选择方式如图3所示，包括以下步骤：
步骤1、创建M的候选集，初始候选集为空；
步骤2、设置M的初始值；
步骤3、判断M的当前值是否满足正交极化探测范围的要求：如果满足，则进行步骤4；否则，减小M的值，重新进行步骤3直到M的当前值满足正交极化探测范围的要求，进入步骤4；
步骤4、计算回波信号的距离向模糊和方位向模糊；
步骤5、判断距离向模糊和方位向模糊是否满足条件：若满足条件，则本次迭代中M的值作为候选值加入候选集，以该候选值为中心，依次遍历该候选值两侧的数值，重复步骤3-5，直到找出所有符合条件的M值；若不满足条件，则增大M的值，重复步骤3-5，直到满足条件；
步骤6、根据硬件设备的情况选择合适的分组大小。
30）对回波信号进行极化接收，获取水平极化发射-水平极化接收、水平极化发射-
垂直极化接收、垂直极化发射-水平极化接收、垂直极化发射-垂直极化接收等四种散射回
波信号。照射到目标的是线极化平面波，任意方向的线极化平面波都可以分解为两个正交
分量，即垂直极化分量和水平极化分量，用和分别表示目标处天线所辐射的水平极化
和垂直极化的电场，四种散射成分中，水平散射场可被水平极化天线接收，垂直极化散射场
可被垂直极化天线接收，有以下等式关系
其中，和分别代表水平极化回波和垂直极化回波，代表水平极化入射场
产生水平极化散射场的散射系数，代表垂直极化入射场产生水平极化散射场的散射系
数，代表水平极化入射场产生垂直极化散射场的散射系数，代表垂直极化入射场产
生垂直极化散射场的散射系数。
定义、、、分别为水平极化照射时同极化的雷达截面积、水平极化照
射时正交极化的雷达截面积、垂直极化照射时同极化的雷达截面积、垂直极化照射时正交
极化的雷达截面积，其计算方式为
用ρ表示相位，则散射矩阵可以表示为
其中，代表水平极化入射场产生水平极化散射场的相位，代表垂直极化入
射场产生水平极化散射场的相位，代表水平极化入射场产生垂直极化散射场的相位，代表垂直极化入射场产生垂直极化散射场的相位。
40)接收极化回波，并对其进行匹配滤波，分析距离向模糊和方位向模糊。具体步骤如下：
41）接收极化回波，用表示回波信号，首先对其进行距离向脉冲压缩，用表示脉压后的信号，处理方式为
其中，表示傅里叶变换操作，表示逆傅里叶变换操作，表示雷达
快时间，表示雷达慢时间，表示信号中心频率，表示距离向的频域匹配滤波器，
可以表示为
其中，为距离向调频率，为脉宽。
用表示进行距离徙动处理后的信号，之后对信号的方位向脉冲压缩得到信
号，用，处理方式为
表示方位向的频域匹配滤波器，可以表示为
其中，为方位向调频率。
42）分析距离向模糊和方位向模糊，距离向模糊的定义是所有距离模糊区的回波信号输出总功率与测绘带内回波信号的输出功率之比，计算公式为
其中，为波束入射角，m表示副瓣个数，表示主瓣近端入射角，表示主瓣远端
入射角, 表示第m个副瓣近端入射角，表示第m个副瓣远端入射角,为地物后向
散射系数，为天线发射功率，为天线接收增益，为雷达作用距离。
方位向模糊的定义是处理带宽内模糊信号与有用信号功率之比，计算公式为
其中，PRF表示发射脉冲的重复频率，表示处理带宽/>中变化的频率。点目标仿真结果如图4所示，左图是交替发射的结果，右图是分组发射的结果，由图可见，交替发生会造成严重的方位向模糊，具体的表现是产生重影，分组发射没有产生重影，改善了方位向模糊。
本实施例还提供了一种扫描极化SAR改善装置，包括发射模块、极化接收模块、滤波模块，所述发射模块、极化接收模块和滤波模块上述方法的步骤进行扫描极化SAR模糊的改善。
发射模块：设置发射脉冲的波形参数，生成发射信号；对发射信号中的脉冲分别进行水平极化和垂直极化，将水平极化的脉冲和垂直极化的脉冲按照分组进行发射，具体为：每个分组均包含相同数量的极化脉冲，同一个分组中的所有脉冲的极化方式相同，相邻分组的极化方式不同；
极化接收模块：对回波信号进行极化接收，获取水平极化发射-水平极化接收、水平极化发射-垂直极化接收、垂直极化发射-水平极化接收、垂直极化发射-垂直极化四种散射回波信号；
滤波模块：对接收到的回波信号进行距离向匹配滤波和方位向匹配滤波。
本实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序用于执行上述方法所述的步骤。
本发明采用分组发射的方式，相比于传统的极化SAR交替发射水平极化信号和垂直极化信号的方式，本发明可以有效的提升发射脉冲的等效PRF，改善回波信号的方位向模糊；同时，在距离向上有效地规避了水平极化回波和垂直极化回波的串扰问题，改善回波信号的距离向模糊。
以上所述仅为本发明的较佳实施例、并不用以限制本发明、凡在本发明的精神和原则之内、所作的任何修改、等同替换、改进等、均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种改善扫描极化SAR模糊的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1）设置发射脉冲的波形参数，生成发射信号；
步骤2）对发射信号中的脉冲分别进行水平极化和垂直极化，将水平极化的脉冲和垂直极化的脉冲按照分组进行发射，具体为：每个分组均包含相同数量的极化脉冲，同一个分组中的所有脉冲的极化方式相同，相邻分组的极化方式不同；
步骤3）对回波信号进行极化接收，获取水平极化发射-水平极化接收、水平极化发射-垂直极化接收、垂直极化发射-水平极化接收、垂直极化发射-垂直极化四种散射回波信号；
步骤4）对接收到的回波信号进行距离向匹配滤波和方位向匹配滤波。
2.根据权利要求1所述的改善扫描极化SAR模糊的方法，其特征在于，步骤2）中，每个分组包含M个脉冲，所述M为正整数，分组大小M的确定方法具体为：
步骤1、创建M的候选集，初始候选集为空；
步骤2、设置M的初始值；
步骤3、判断M的当前值是否满足正交极化探测范围的要求：如果满足，则进行步骤4；否则，减小M的值，重新进行步骤3直到M的当前值满足正交极化探测范围的要求，进入步骤4；
步骤4、计算回波信号的距离向模糊和方位向模糊；
步骤5、判断距离向模糊和方位向模糊是否满足条件：若满足条件，则本次迭代中M的值作为候选值加入候选集，以该候选值为中心，依次遍历该候选值两侧的数值，重复步骤3-5，直到找出所有符合条件的M值；若不满足条件，则增大M的值，重复步骤3-5，直到满足条件；
步骤6、根据硬件设备的情况选择合适的分组大小。
3.根据权利要求2所述的改善扫描极化SAR模糊的方法，其特征在于，发射信号表示为
其中，/>为正调频，/>为脉宽，/>表示矩形窗函数，t表示时间。
4.根据权利要求3所述的改善扫描极化SAR模糊的方法，其特征在于，对回波信号进行极化接收的散射矩阵的具体公式为：
其中，/>代表水平极化入射场产生水平极化散射场的相位，代表垂直极化入射场产生水平极化散射场的相位，/>代表水平极化入射场产生垂直极化散射场的相位，/>代表垂直极化入射场产生垂直极化散射场的相位；
、/>、/>、/>分别为水平极化照射时同极化的雷达截面积、水平极化照射时正交极化的雷达截面积、垂直极化照射时同极化的雷达截面积、垂直极化照射时正交极化的雷达截面积，其计算方式为
其中，/>和/>分别代表水平极化回波和垂直极化回波，用/>和/>分别表示目标处天线所辐射的水平极化和垂直极化的电场，四者之间存在如下关系：
其中，/>代表水平极化入射场产生水平极化散射场的散射系数，/>代表垂直极化入射场产生水平极化散射场的散射系数，/>代表水平极化入射场产生垂直极化散射场的散射系数，/>代表垂直极化入射场产生垂直极化散射场的散射系数；
因此， 。
5.根据权利要求4所述的改善扫描极化SAR模糊的方法，其特征在于，所述步骤4）具体包括如下步骤：
41） 接收极化回波，用表示回波信号，首先对其进行距离向脉冲压缩，用/>表示脉压后的信号，处理方式为
其中，/>表示傅里叶变换操作，/>表示逆傅里叶变换操作，/>表示雷达快时间，/>表示雷达慢时间，/>表示信号中心频率，/>表示距离向的频域匹配滤波器，表示为：
其中，/>为距离向调频率，/>为脉宽；
用表示进行距离徙动处理后的信号，对信号的方位向脉冲压缩得到信号，处理方式为：
其中，/>表示方位向的频域匹配滤波器，/>，/>为方位向调频率；
42）分析距离向模糊和方位向模糊，距离向模糊的定义是所有距离模糊区的回波信号输出总功率与测绘带内回波信号的输出功率之比，计算公式为
其中，/>为波束入射角，m表示副瓣个数，/>表示主瓣近端入射角，/>表示主瓣远端入射角, />表示第m个副瓣近端入射角，/>表示第m个副瓣远端入射角,/>为地物后向散射系数，/>为天线发射功率，/>为天线接收增益，为雷达作用距离；
方位向模糊的定义是处理带宽内模糊信号与有用信号功率之比，计算公式为
其中，PRF表示发射脉冲的重复频率，/>表示处理带宽/>中变化的频率。
6.一种扫描极化SAR改善装置，其特征在于，包括发射模块、极化接收模块、滤波模块，所述发射模块、极化接收模块和滤波模块根据权利要求1-5任一项所述方法的步骤进行扫描极化SAR模糊的改善。
7.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序用于执行权利要求1-5任一项方法所述的步骤。
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