双接收通道混合全极化雷达系统抑制方位模糊的方法与流程

本公开涉及合成孔径雷达技术领域，尤其涉及一种双接收通道混合全极化雷达系统抑制方位模糊的方法。

背景技术：

由于天线波束的非理想性，波束宽度通常被定义为天线方向图的3db主瓣宽度，但在波束宽度外依然有部分能量能够照射到目标，这使得实际的多普勒频带范围大于由3db主瓣宽度决定的多普勒频宽。雷达在工作时采用脉冲体制，方位向为离散采样，对应采样率为prf(pulserepetitionfrequency，脉冲重复频率)。根据离散采样定理可知，方位向信号在频域会发生混叠，从而使得频带范围在[-prf/2，prf/2]之外的能量混进[-prf/2，prf/2]内形成模糊信号，该模糊信号被称为方位模糊(azimuthambiguity)。

全极化(quadraturepolarimetric，quad-pol)sar(syntheticapertureradar，合成孔径雷达)是合成孔径雷达研究和发展的趋势，相对于单极化sar而言，全极化sar可以探测到更为丰富的地物散射信息，但其交叉极化通道存在较为严重的距离模糊问题；混合全极化系统(简称混合极化系统)是不同于传统全极化系统的一种新型系统。在混合极化sar系统中，系统通过同时发射经过交替调相后的两个空间正交的线极化(h和v)信号，来实现交替发射左旋圆极化波(leftcircularpolarization，lcp，l)或右旋圆极化波(rightcircularpolarization，rcp，r)，并通过两个空间正交的线极化h和v通道来接收信号。此时在回波信号构成上，同一个接收通道(h或者v)的接收回波在能量上大致处于同一量级，避免了传统全极化sar系统中有着较强能量同极化模糊影响较弱能量交叉极化信号的现象，从而相较于全极化系统能够改善系统距离模糊性能。然而，混合全极化sar系统在改善系统距离模糊性能同时，交叉极化通道方位模糊性能下降。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

基于上述问题，本公开提供了一种双接收通道混合全极化雷达系统抑制方位模糊的方法，以缓解现有技术中混合全极sar化系统在改善系统距离模糊性能同时，交叉极化通道方位模糊性能下降等技术问题。

(二)技术方案

本公开提供一种双接收通道混合全极化雷达系统抑制方位模糊的方法，包括：步骤s1：通过全极化雷达系统方位向双接收通道接收回波数据，所述双接收通道包括第一接收通道和第二接收通道；步骤s2：根据双接收通道脉冲时序关系，对第二接收通道接收的第二回波数据进行相位补偿，使其与第一接收通道接收的第一回波数据对齐；步骤s3：将第一回波数据与第二回波数据进行极化合成，得到极化回波数据；以及步骤s4：对步骤s3获得的极化回波数据进行成像，得到抑制方位模糊后的极化图像。

根据本公开实施例，步骤s1中，第i通道的方位向回波信号si(t)表示为：

其中，δxi为收发天线分置距离，即第i个接收通道的相位中心与发射相位中心的间隔距离，r0为零多普勒距离，t表示方位向时间(现实时间)，λ为发射波长，vs为sar平台速度，j为数学虚数符号。

根据本公开实施例，步骤s2中，第一接收通道接收的频域信号为：

第二接收通道接收的频域信号为：

其中，τ为第一接收通道和第二接收通道之间时间差，f表示频率，k为整数，prf为脉冲重复频率，j为数学虚数符号。

根据本公开实施例，步骤s3中，经过极化合成，可以得到hh极化回波数据为：

根据本公开实施例，步骤s3中，经过极化合成，可以得到hv极化回波数据为：

根据本公开实施例，步骤s3中，可以得到vh极化回波数据为：

根据本公开实施例，步骤s3中，可以得到vv极化回波数据为：

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开双接收通道混合全极化雷达系统抑制方位模糊的方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)方位向模糊性能得到改善；

(2)方位向脉冲发射频率变为原始采样率一半，对信号收发系统要求降低；

(3)方位向采样率降低可进一步改善距离向模糊性能；

(4)整体极化sar系统可探测幅宽范围更大。

附图说明

图1为现有技术中双接收通道混合全极化雷达系统的工作原理示意图；

图2为本公开实施例双接收通道混合全极化雷达系统的收发天线等效相位中心的工作原理示意图；

图3为方位向两个通道接收信号对应的等效时序图；

图4为方位向两个通道接收信号对应的极化状态时序图。

图5本公开实施例双接收通道混合全极化雷达系统抑制方位模糊的方法中三种全极化aasr性能曲线对比hh通道图。

图6本公开实施例双接收通道混合全极化雷达系统抑制方位模糊的方法中三种全极化aasr性能曲线对比hv通道图。

图7本公开实施例双接收通道混合全极化雷达系统抑制方位模糊的方法中三种全极化aasr性能曲线对比vh通道图。

图8本公开实施例双接收通道混合全极化雷达系统抑制方位模糊的方法中三种全极化aasr性能曲线对比vv通道图。

图9为本公开实施例双接收通道混合全极化雷达系统抑制方位模糊的方法的流程示意图。

具体实施方式

本公开提供了一种双接收通道混合全极化雷达系统抑制方位模糊的方法，混合全极化sar系统中利用方位多通道数据和分析混合全极化sar数据相位并进行极化合成处理，最终获得抑制方位模糊后的混合全极化图像。方位向多通道技术是在天线方位向上增设接收通道，通过其中单通道发射，多通道同时接收，可以在方位向上获得更多接收数据，这些数据由于来自不同接收通道，具有不同的方位向调制相位，有着常规单接收通道sar系统不具有的数据多样性优势。

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，提供一种双接收通道混合全极化雷达系统抑制方位模糊的方法，结合图1至图9所示，所述方法，包括：

步骤s1：通过全极化雷达系统方位向双接收通道接收回波数据；

所述双接收通道包括第一接收通道和第二接收通道。

在本公开实施例中，如图1所示的混合全极化雷达系统中采用方位向双接收通道，并以空间采样替代时间采样；对于单发射、多接收系统，每个接收通道收到的回波，可将其等效为位于不同天线相位中心的收发同置天线接收的回波信号。

对于方位向双接收通道混合全极化雷达系统(单发双收系统)，不考虑后向散射系数和天线方向图加权，则第j通道的方位向回波信号sj(t)可以表示为：

上述天线方向图(antennapattern)，是指在离天线一定距离处，辐射场的相对场强(归一化模值)随方向变化的图形，通常采用通过天线最大辐射方向上的两个相互垂直的平面方向图来表示。本质上来讲，可以将天线的方向图看作是对天线对雷达发射信号的一种增益，该种增益为空间增益，不同角度、距离增益状态有差异。

将公式(1)中的距离根式进行展开，当只考虑二次项时，由公式(1)可得到：

其中δxi为收发天线分置距离，即第i个接收通道的相位中心与发射相位中心的间隔距离，r0为零多普勒距离，t表示方位向时间(现实时间)，λ为发射波长，vs为sar平台速度，j为数学虚数符号。

步骤s2：根据双接收通道脉冲时序关系，对第二接收通道接收的第二回波数据进行相位补偿，使其与第一接收通道接收的第一回波数据对齐；

公式(4)中第一个指数项为由于目标等效r0位置产生的双程相位；第二个指数项是常数，可以看出是由于收发天线分置距离造成的常数相位项；第三个指数项是由于收发天线分置导致的方位向时变调制，也就是说，此接收天线接收到的信号等效在方位向δxj/2vs处，即方位向时间移位量为

而对于单发单收(仅有一接收通道j)收发同置天线，则其接收的回波信号s0(t)为：

对比公式(4)和公式(5)，可以发现，单发双收系统方位向第j个接收通道接收的回波信号与单发单收收发同置系统天线接收的信号除了一个与收发天线分置距离δxj参数相关的常数相位，只存在一个由于天线分置导致的方位向时移，由此可以推导出如图2所示的等效单发单收天线模式相位中心图。

对于混合极化系统，发射信号为两个正交极化信号的混合形式，不论是±π/4模式还是ctlr(circulartransmitlinearreceive，圆发线收)混合极化模式；这里以发射圆极化(左旋/右旋)接收线极化的混合极化模式为例进行说明。对于发射天线，依然采用交替发射左旋和右旋极化波的形式，发射信号如下所示：

其中，thybrid为混合极化发射(transmission)信号符号，h表示水平线极化(horizontalpolarization)，v表示垂直线极化(verticalpolarization)；此处，式中左旋/右旋圆极化信号由以上两种线极化信号合成，其中h+jv，(+)信号代表左旋圆极化信号，h-jv，(-)信号代表右旋圆极化信号；j为数学虚数符号。

在本公开实施例中，如图3和图4所示，方位向两个通道接收信号对应的等效时序图；图中深色圆和浅色圆分别表示两个通道天线的等效相位中心c1和c2，其在坐标轴上的投影位置表示其在时间轴上的相对位置关系；pn和pn+1…pn+5表示两个接收天线通道在时间上的序列标记。还绘制了天线等效相位中心设置的一种特殊状态，此时前一时刻的c2与当前时刻的c1在等效方位时间轴ta上相互对应，而当前时刻的c2与下一时刻的c1在等效方位时间轴ta上相互对应。由于系统的发射模式为交替发射左旋圆极化和右旋圆极化，故偶数序列p2i和奇数序列p2i+1(i＝0，1，2，…)分别对应左旋圆极化和右旋圆极化发射的天线相位中心组。

对于混合极化信号来说，由于信号为交替的左旋/右旋圆极化，而上面的分析是针对两个通道中单一的一个接收通道(与多通道脉冲重复频率不匹配的通道)进行的。此时，对通道中的数据进行分析，可以将混合的信号拆分为h极化与v极化来分析。

对于第一接收通道，以接收h极化信号为例，由混合信号形式可知，第一接收通道中接收到的信号为：

其中，sh+和sh-为h接收通道接收的左旋右旋圆极化信号，其分别对应公式(6)中的(+)与(-)发射信号；sh+表示shh+jshv，sh-表示shh-jshv，为了简单表述，此处忽略hv部分的虚数符号j；prt是脉冲重复间隔。

由公式(7)可知，第一接收通道中的hv极化部分会存在正负交替现象，其频谱会存在半采样率偏移效应，即

相对的，hh极化部分，保持原始状态不变，为

则第一接收通道接收的信号在频域的表现形式为：

对于第二接收通道，不同地，由于接收第二接收通道的等效天线位置d/2与理想位置存在偏移，存在时间差τ，则：

若要将其与第一接收通道数据进行处理，相对第一接收通道中的hh极化，第二接收通道中的hh极化部分存在一个时间差，其频率表现形式如下：

则第二接收通道的信号在频域的表现形式为：

对于公式(10)和公式(13)，若要获取hh极化信号，需要先对公式(13)中的信号部分进行时间差补偿，然后进行求和运算，同理，要获取hv极化信号，需要在补偿后进行求差运算，该种求和或求差进行极化数据转化称为极化合成过程。

而由于离散采样信号的采样率有限，此处采样率被限制在2prf，故而，所作的频域信号时间差补偿项为exp(j2πf·τ)，其中f∈[-prf，prf]。经过补偿后，有：第一接收通道接收的频域信号为：

和第二接收通道接收的频域信号为：

其中，τ为第一接收通道和第二接收通道之间时间差，f表示频率，k为整数，prf为脉冲重复频率，j为数学虚数符号。

步骤s3：将第一回波数据与第二回波数据进行极化合成，得到极化回波数据；

经过极化合成，可以得到：

和

观察公式(16)与公式(17)中的系数，如下

1±exp[-j2π·2k·prf·τ](18)

可以看出，当τ为0，也即系统第一接收通道和第二接收通道完全与设定脉冲发射频率对应时，则：

1-exp[-j2π·2k·prf·τ]＝0(19)

则hh与hv极化数据变为：

和

其在方位模糊表现上能够达到与常规单极化sar一致的状态，从而可以解决混合全极化sar系统中方位模糊问题。

同样的，可以对v接收通道做同样处理，得到对应的vh与vv极化数据：

和

步骤s4：对步骤s3获得的极化回波数据进行成像，得到抑制方位模糊后的极化图像。

最终，经过成像算法，对获得的hh、hv、vh和vv数据进行成像，可以得到最终图像结果。

在本公开实施例中，如图5至图8所示，为对传统单极化、常规混合全极化与采用双接收通道的混合全极化系统的aasr评估曲线图，分别对应hh、hv、vh与vv通道，其中横轴表示双通道整体的prf，以hz为单位，纵轴表示aasr数值，以db为单位。可见采用双通道系统的混合极化系统恢复出的四极化通道的方位模糊aasr曲线，其整体趋势为随着prf的增加而降低，且随着prf增长其曲线在传统单通道与混合极化之间震荡。由于现阶段对地探测极化应用通常依旧采用线极化基数据(hh极化、hv极化、vh极化、vv极化)来进行分析，这里提到的三种全极化sar系统，除了传统全极化系统本身得到的就是hh/hv/vh/vv极化数据，混合全极化(hybrid)与双通道全极化(hybrid-dc)的极化数据采用的为圆极化发射线极化接收的数据，需要变换为hh/hv/vh/vv线极化数据。

图5至图8是为了可以统一对比，基于该4个线极化数据通道来分别对三种全极化系统进行性能比对。图中曲线表示sar系统的性能指标：方位模糊比aasr(azimuthambiguitytosignalratio)，用来评估通道中方位模糊相较于有用信号的相对强度，以db为单位。对星载sar系统来说，通常要求aasr小于-20db。在prf限制在2000hz到3000hz时，观察图5至图8，可以发现，在该prf条件下，采用方位向双通道的混合全极化系统(hybrid&mc，点划线)能够较好地平衡aasr方位模糊性能。

从上面的描述中可以看出，采用本发明提供的方法，能够较好地解决混合全极化系统地方位模糊问题。

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双接收通道混合全极化雷达系统抑制方位模糊的方法有了清楚的认识。

综上所述，本公开提供了一种双接收通道混合全极化雷达系统抑制方位模糊的方法，采用双通道系统的混合极化系统恢复出的四极化通道的方位模糊aasr曲线，最终获得抑制方位模糊后的混合全极化图像。可以看出其整体趋势为随着prf的增加而降低，且随着prf增长其曲线在传统单通道与混合极化之间震荡。

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。