一种改善交叉极化距离模糊度的新工作模式

陈 祺 黄海风 余安喜 梁甸农 何 峰

（国防科学技术大学电子科学与工程学院，湖南 长沙410073）

引 言

全极化能够提供更多的目标信息和地物散射特性，是星载合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，SAR）重要的发展方向，目前国外的许多星载SAR系统都有全极化工作模式，如德国的TerraSARX、加拿大的 Radarsat-2等［1-4］.全极化星载SAR数据在植物分类、农作物检测、海面目标监视等方面具有广泛的应用前景［5-11］.我国也有许多学者进行了全极化星载SAR系统的研究工作［12-15］.

距离模糊度（Range Ambiguity to Signal Ratio，RASR）是星载SAR的一项重要性能参数，在单极化系统中，信号与模糊的极化方式相同，所以，只要选择合适的系统参数，一般都能设计出合理的距离模糊度.但由于传统的全极化星载SAR一般采用交替发射的方式，信号与模糊的极化方式不相同，如果目标散射矩阵的交替极化分量与同极化分量相差较大，则交叉极化信号由于受到同极化模糊的影响，交叉极化模糊度会急剧恶化.一般说来，森林目标的这两个分量差5dB左右，对距离模糊度的影响尚可接受.但对海洋目标来说，一般两个分量会相差20dB以上，交叉极化模糊度严重恶化，如果仍采用传统的交替发射工作方式，星载SAR系统的距离模糊度无法达到要求，无法获得质量好的全极化数据.以往的解决方式是使用超低旁瓣天线，或者减小测绘带范围，但在星载SAR系统上实现超低旁瓣天线比较困难，而减小测绘带范围也仅是一个折衷的办法，没有从根本上解决问题［16-18］.

渐进扫描合成孔径雷达（Terrain Observation by Progressive Scans，TOPSAR）是一种全新的星载SAR多子带宽幅观测工作模式，它通过在不同测绘带间切换，来获得较宽的测绘带［2，19-20］.这种工作模式在保持传统扫描模式宽测绘带优势的基础上，可以消除扇贝效应等问题以提高图像质量，国内外许多学者都对其进行了研究［21-26］.针对传统交替发射全极化星载SAR系统中交叉极化距离模糊度较差的问题，结合TOPSAR优点，提出了全极化TOPSAR工作模式，这种模式通过对同一子带多次以不同的极化进行观测得到全极化数据.这样，信号与模糊仍是相同极化方式，可以有效防止交叉极化信号受同极化模糊的影响问题，从而大大改善星载全极化系统的交叉极化距离模糊度.

首先分析了传统交替发射全极化星载SAR距离模糊的成因与计算方法，指出其交叉极化距离模糊度恶化的原因.然后，提出了全极化TOPSAR工作模式，并分析了全极化TOPSAR系统距离模糊度的特点，指出其能够来提升交叉极化距离模糊度的原因.最后，以Radarsat-2基本参数为基础，对传统交替发射工作方式与全极化TOPSAR方式进行了设计并对它们的距离模糊性能进行了比较.

1 传统全极化SAR的距离模糊

传统全极化星载SAR的工作时序如图1所示.这种工作方式交替发射H和V极化，同时接收两种极化，从而获得全极化数据.这种工作方式实现相对简单，目前的全极化系统基本都采用这种工作方式，在大部分区域探测上都取得了较好的效果.

图1 交替发射同时接收时序图

图2 模糊区示意图

全极化SAR系统的距离模糊与单极化SAR系统的距离模糊是不相同的.图2（a）画出了单极化模糊区的示意图，图2（b）以HV交叉极化方式为例，画出了极化SAR系统的模糊区.

从图2中可以看出，与单极化距离模糊相比，全极化系统最大的差别在于模糊能量与信号能量不一定是相同的极化方式.以图2（b）的HV极化为例，奇数标号的模糊区都为VV极化，特别是对距离模糊影响最严重的±1模糊区都为VV极化的信号，因此VV极化的模糊能量将对HV极化的信号造成较严重的影响.同理，同极化的模糊度也会受到交叉极化模糊能量的影响.因此，全极化系统的距离模糊与单极化系统的距离模糊是不一样的.为简化问题，假设地面为均匀场景，目标的散射矩阵为

全极化的模糊度的表达式为（假设SVH＝SHV）［16-17］

1）HH极化

2）VV极化

3）HV交叉极化

式中，j为模糊区编号；Aj为模糊加权系数，Aj＝为入射角，φ为雷达波束角，假设各极化收发天线的方向图一致，G（·）为双程天线方向图；δ为极化隔离度；R为斜距.

从式（1）～（4）可以看出，在相同的参数下，与单极化系统相比，全极化系统的距离模糊需要考虑不同模糊区交叉极化回波和同极化回波的相互影响.同时，如果极化散射矩阵中的同极化散射分量比交叉极化分量大很多，将会严重影响SAR系统的交叉极化模糊度.因此，以目前的一般星载SAR系统参数来说，相比单极化系统，由于交叉极化回波能量较小，对同极化模糊度有一定的改善，但对交叉极化来说，由于受到同极化模糊能量的影响，距离模糊度将会恶化.

2 全极化TOPSAR系统

TOPSAR是一种全新的星载SAR多子带宽幅观测工作模式，通过天线在方位向扫描，克服了传统ScanSAR的扇贝效应，可以得到更高质量的图像.在距离向，通过在不同测绘带间切换，来获得较宽的测绘带［6-7］.用TOPSAR来获取全极化数据可以只把TOPSAR与传统全极化工作体制相接合，通过交替发射分时接收的方式获取全极化数据，但这样将面临与传统全极化系统相同的问题.为了避免交叉极化数据的距离模糊度恶化，结合TOPSAR与全极化技术，提出一种全极化TOPSAR系统的工作模式，其工作原理如图3所示.

图3 全极化TOPSAR工作原理示意图

图4 全极化TOPSAR工作时序图

全极化TOPSAR系统首先在第一个子测绘带上发射H极化，接收H和V极化，然后在第二个测绘带上发射H极化，接收H和V极化，扫描完所有的子测绘带后，再在第一个子测绘带上发射V极化，接收H和V极化，把每个子测绘再扫描一次.因此，在每个子测绘带上都工作两次，一次发射H极化，另一次发射V极化，每次都接收两种极化，从而在每个测绘带上，都能得到全极化数据.而这种工作方式下，距离模糊与传统单极化的成因是一样的，主要受到极化隔离度的影响，可以用下列式子进行计算：

1）HH极化

2）VV极化

3）HV交叉极化

与传统全极化方式相比，全极化TOPSAR同极化和交叉极化的回波不会相互影响.因此，无论散射矩阵情况如何，全极化TOPSAR都能获得距离模糊度较好的全极化数据.

全极化TOPSAR的参数设计与单极化的TOPSAR相比，只需要把每个测绘带考虑两次，具体可参考文献［2，19，26］等.与传统的全极化系统相比，由于从根本上解决了交叉极化距离模糊度恶化的问题，全极化TOPSAR系统可以得到更宽的测绘带，同时，可以在多个子测绘带间切换，在分辨率与测绘带宽间有更多的选择.

3 仿真结果

为了分析与对比，根据Radarsat-2的基本参数，设计了一组按传统全极化方式工作的波位.同时为了便于对比，相应设计了一组单子带的全极化TOPSAR系统的波位，基本参数在表1中给出.从表中可以看出，全极化TOPSAR系统需要的天线面积更小，同时，需要更高一些的脉冲重复频率（pulse recurrence frequency，PRF）.在本例的设计中，为了与传统全极化系统对比，只选择了一个子测绘带，25km的测绘带宽.实际上，单个测绘带还可以做得更宽，而且还可以灵活地选择几个测绘带，满足不同的测绘需求.

表1 仿真参数

在此基础上进行了仿真，仿真结果如图5和图6所示，图中Rg表示地距.

图5 SHH/SHV＝5dB的仿真结果

图6 SHH/SHV＝20dB的仿真结果

从仿真结果可以看出，尽管传统全极化系统的同极化模糊度稍好，但其交叉极化模糊度会变差.特别是在SHH/SHV较大时，由于同极化模糊能量的影响，交叉极化模糊度恶化较快.而在全极化TOPSAR系统中，无论在散射矩阵情况怎样，同极化和交叉极化都有一致的表现，交叉极化距离模糊度性能得到有效改善，因此，全极化TOPSAR系统可以防止同极化模糊对交叉极化信号的干扰，有效改善了交叉极化的距离模糊度.

4 结 论

分析了传统全极化系统的距离模糊度特点，指出在散射矩阵的同极化分量比交叉极化分量大较多时，传统全极化系统交叉极化距离模糊度性能恶化较大，严重影响图像质量.针对这一问题，提出了全极化TOPSAR工作模式以提升交叉极化距离模糊度，并分析了全极化TOPSAR系统的距离模糊.最后，以Radarsat-2基本参数为基础，设计了一个全极化TOPSAR系统，并仿真了其在不同情况下的距离模糊度.分析和仿真结果表明，全极化TOPSAR系统可以防止同极化模糊对交叉极化信号的影响，有效改善星载SAR的交叉极化模糊度性能.

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