一种星载全极化模糊抑制方法和装置与流程

本发明涉及合成孔径雷达(syntheticapertureradar，sar)技术，尤其涉及一种星载全极化模糊抑制方法和装置。
背景技术：
：四极化合成孔径雷达(quad-polsar)具有全天时、全天候的特点，可以实现高分辨率极化成像、极化干涉测高和形变、土地植被反演和动目标检测等任务。传统的quad-polsar通过交替发射h极化和v极化电磁波照射目标，获取hh、hv、vh和vv四种极化图像，进而实现极化干涉测量等任务。但是由于传统四极化sar的距离模糊较为严重，并且对于星载sar而言，电离层对电磁波的法拉第旋转效应会对星载sar系统的性能产生较为严重的影响。因此，混合四极化(hybridquad-pol)sar被提出，并将被应用于星载全极化sar系统。hybridquad-polsar通过交替发射左旋l圆极化和右旋r圆极化电磁波照射目标，避免了电离层法拉第旋转效应的影响，降低了极化sar系统的距离模糊信号比(rasr)，实现了星载sar的四极化成像。但是其具有较为严重的交叉极化方位模糊，会对星载sar的系统性能产生严重的影响。国内外几乎没有报道可以有效抑制星载混合四极化sar方位模糊的方法。因此，交叉极化方位模糊成为阻碍星载hybridquad-polsar快速发展的重要因素，是一个有待解决的难题。技术实现要素：本申请实施例提供了一种星载全极化模糊抑制方法，所述方法包括：交替发射具有不等幅水平h和垂直v极化矢量的左旋l椭圆极化波和右旋r椭圆极化波；使用h和v极化天线同时接收所述l椭圆极化波和r椭圆极化波的回波信号，得到椭圆极化回波信号矩阵；将所述椭圆极化回波信号矩阵转换为线极化回波信号矩阵；对所述线极化回波信号矩阵的交叉极化回波信号的方位模糊进行抑制。在一些实施例中，所述l椭圆极化波和r椭圆极化波的表达式为其中，α为加权因子，且0＜α＜1，j为虚数单位。在一些实施例中，所述将所述椭圆极化回波信号矩阵转换为线极化回波信号矩阵，包括：其中，所述线极化回波信号矩阵为为理想线极化回波信号，为混叠在理想回波信号中的奇数模糊信号，为混叠在理想回波信号中的偶数模糊信号。在一些实施例中，所述对所述线极化回波信号矩阵的交叉极化回波信号的方位模糊进行抑制，包括：对交叉极化回波信号的奇数模糊进行抑制。在一些实施例中，所述对交叉极化回波信号的奇数模糊进行抑制，包括：对所述奇数模糊进行加权，其加权因子为本申请实施例提供了一种星载全极化模糊抑制装置，所述装置包括：发射模块，用于交替发射具有不等幅水平h和垂直v极化矢量的左旋l椭圆极化波和右旋r椭圆极化波；接收模块，用于使用h和v极化天线同时接收所述l椭圆极化波和r椭圆极化波的回波信号，得到椭圆极化回波信号矩阵；转换模块，用于将所述椭圆极化回波信号矩阵转换为线极化回波信号矩阵；抑制模块，用于对所述线极化回波信号矩阵的交叉极化回波信号的方位模糊进行抑制。在一些实施例中，所述l椭圆极化波和r椭圆极化波的表达式为其中，α为加权因子，且0＜α＜1，j为虚数单位。在一些实施例中，所述转换模块，具体用于：其中，所述线极化回波信号矩阵为为理想线极化回波信号，为混叠在理想回波信号中的奇数模糊信号，为混叠在理想回波信号中的偶数模糊信号。在一些实施例中，所述抑制模块，具体用于：对交叉极化回波信号的奇数模糊进行抑制。在一些实施例中，所述抑制模块，具体用于：对所述奇数模糊进行加权，其加权因子为本申请实施例通过交替发射具有不等幅水平h和垂直v极化矢量的左旋l椭圆极化波和右旋r椭圆极化波；使用h和v极化天线同时接收所述l椭圆极化波和r椭圆极化波的回波信号，得到椭圆极化回波信号矩阵；将所述椭圆极化回波信号矩阵转换为线极化回波信号矩阵；对所述线极化回波信号矩阵的交叉极化回波信号的方位模糊进行抑制；能够有效抑制交叉极化回波信号的方位模糊，实现对星载混合四极化sar系统的交叉极化方位模糊的抑制，且操作简单有效，易于工程实现。附图说明附图以示例而非限制的方式大体示出了本文中所讨论的各个实施例。图1为本申请实施例一种星载全极化模糊抑制方法流程示意图；图2为本申请实施例左旋l椭圆极化波和右旋r椭圆极化波的发射时序；图3为本申请实施例点目标仿真的几何示意图；图4为本申请实施例点目标仿真结果的距离向切面示意图；图5为本申请实施例点目标仿真结果的二维脉冲压缩结果示意图；图6为本申请实施例实验对比验证当α＝1时，其hh、hv、vh和vv的方位模糊示意图；图7为本申请实施例实验对比验证当α＝0.1时，其hh、hv、vh和vv的方位模糊示意图；图8为本申请实施例一种星载全极化模糊抑制装置结构示意图；图9为本申请实施例改进四极化sar模式的模糊性能；图10为本申请实施例改进四极化sar模式的场景仿真结果。具体实施方式为了能够更加详尽地了解本申请实施例的特点与技术内容，下面结合附图对本申请实施例的实现进行详细阐述，所附附图仅供参考说明之用，并非用来限定本申请实施例。图1为本申请实施例一种星载全极化模糊抑制方法流程示意图，如图1所示，所述方法包括：步骤101，交替发射具有不等幅水平h和垂直v极化矢量的左旋l椭圆极化波和右旋r椭圆极化波；所述l椭圆极化波和r椭圆极化波的表达式为其中，α为加权因子，且0＜α＜1，j为虚数单位。步骤102，使用h和v极化天线同时接收所述l椭圆极化波和r椭圆极化波的回波信号，得到椭圆极化回波信号矩阵；其中，所述椭圆极化回波信号矩阵为步骤103，将所述椭圆极化回波信号矩阵转换为线极化回波信号矩阵；所述将所述椭圆极化回波信号矩阵转换为线极化回波信号矩阵，包括：其中，所述线极化回波信号矩阵为为理想线极化回波信号，为混叠在理想回波信号中的奇数模糊信号，为混叠在理想回波信号中的偶数模糊信号。步骤104，对所述线极化回波信号矩阵的交叉极化回波信号的方位模糊进行抑制。在一些实施例中，所述对所述线极化回波信号矩阵的交叉极化回波信号的方位模糊进行抑制，包括：对回波信号的奇数模糊进行抑制。在一些实施例中，所述对回波信号的奇数模糊进行抑制，包括：对所述奇数模糊进行加权，其加权因子为本申请的星载全极化模糊抑制方法包括一种全新的、有效的和易实现的星载混合四极化合成孔径雷达(hybridquad-polsar)方位模糊抑制体制，克服了hybridquad-polsar交叉极化方位模糊较为严重、星载极化sar系统的测绘幅宽受限和工程实现难度高等难题。在一些实施例中，本申请解决其技术问题所采用的技术方案包括：抑制交叉极化方位模糊。该方法通过交替发射具有不等幅h和v极化矢量的左旋l椭圆极化波和右旋r椭圆极化波，从而完成对混合四极化sar的奇数方位模糊的加权，实现共极化和交叉极化方位模糊的平衡，进而降低星载sar系统的交叉极化方位模糊。交替发射的左旋l椭圆极化波和右旋r椭圆极化波的表述形式如下公式所示。其中α为小于1，大于0的加权因子；α等于0是传统的四极化sar模式，α等于1是未改进的混合四极化sar模式。左旋l椭圆极化波和右旋r椭圆极化波的发射时序如图2所示，先发射右旋r椭圆极化波(v矢量的幅度大于h矢量)，接着发射左旋l椭圆极化波(v矢量的幅度小于h矢量)，之后连续交替发射r椭圆极化波和l椭圆极化波。对于接收端而言，使用h和v极化天线同时接收，得到的回波信号依次为：hr和vr、hl和vl极化信号(hr表示：发射r椭圆极化波，h极化天线接收，其它同理)。在混合四极化的后期成像处理中，需要将椭圆极化回波信号转换为线极化信号(hh、hv、vh和vv)。将理想的椭圆极化回波信号转换为线极化回波信号的过程可以表示为如下公式。那么将包含模糊信号的椭圆极化回波信号转换为线极化回波信号，可以表示为如下所示。上式中的表示包含模糊信号的线极化形式的回波信号。等号右侧第一项表示理想线极化回波信号，第二项表示混叠在理想回波信号中的奇数模糊信号，第三项表示混叠在理想回波信号中的偶数模糊信号。可以发现对于hh、hv、vh和vv而言，其偶数模糊信号部分的极化特性与理想信号的极化特性相同，其奇数模糊信号部分的极化特性与理想信号的极化特性不相同。那么根据距离模糊信号比(rasr)的定义得到四种线极化回波信号的rasr，可以表示为如下公式。上式中α为小于1大于0的因子，下标n＝1,2…表示第n模糊回波，nodd和nodd分别表示奇数和偶数模糊回波区域的总个数，ηmain为天线波束照射目标的入射角，ηn表示天线波束照射第n模糊区域的入射角，为pq极化的后向散射系数且p,q∈{h,v}，g2(θ,f)表示2-d双程天线方向图，θ表示天线视角，f表示方位向多普勒频率，q(θ,f)表示后期数据处理的多普勒频谱的加权，bp为方位向数据处理的多普勒带宽，rmain表示天线相位中心到目标的距离和rn表示天线相位中心到第n模糊区域的距离。由于共极化回波的后向散射系数远大于交叉极化回波的后向散射系数那么由如上表达式可知对于交叉极化的距离模糊而言，奇数共极化模糊回波能量(hh/vv)对其影响较为严重。因此，需要对交叉极化回波的rasr的奇数模糊(hh/vv)进行抑制，而距离向数字波束形成(dbf)可以实该功能。基于表1参数，使用dbf技术对第一模糊区的能量进行抑制的仿真实验。表1仿真实验的几何图如图3所示。其中天线安装角表示垂直于天线的方向与地球径向的夹角为30°；卫星轨道高度为670km；天线的载频、带宽以及脉冲宽度分别为9.6ghz、75mhz和20us；sar系统的距离向和方位向分辨率均为2m；距离向过采样率为2，即采样频率为150mhz；sar系统为正侧视，即斜视角度为0；sar系统的侧视角度，即波束中心角度为45°；天线的距离向高度为3m；天线距离向的通道数为16；成像的场景大小为400mx400m；系统的脉冲重复频率(prf)为4023hz；点目标个数为9，其相互间隔为200m。点目标的仿真结果如图4所示。其中(a)、(b)和(c)表示包含第一模糊区的点目标仿真结果，3个黑色框内的压缩脉冲表示目标点，而其他6个压缩脉冲则表示3个点目标的第一模糊信号。而(d)、(e)和(f)则表示使用了dbf的点目标仿真结果，3个黑色框的压缩脉冲为目标点，而其他6个压缩脉冲则表示3个点目标的第一模糊信号。显而易见，dbf技术可以实现对模糊区信号能量抑制20db以上，其可以被用于对交叉极化距离模糊中的奇数模糊的抑制，从而确保混合极化sar可以满足应用的需求。整个场景仿真的二维脉冲压缩结果如图5所示；(a)为包含模糊的脉冲响应，方框内为目标，圆圈内为模糊目标；(b)为使用距离向dbf技术得到的脉冲响应结果，从中几乎看不到模糊目标，这表明了dbf可以有效抑制交叉极化的奇数模糊能量，进而满足混合极化sar系统的应用需求。同样根据定义，它们的方位模糊信号比(aasr)可以表示为如下4个公式所示，下标hh、hv、vh和vv分别表示混合极化转化为不同线极化的方位模糊表达式。上式中g2(f)表示方位向的双程天线方向图，m表示第m方位模糊信号，odd和even分别表示奇数和偶数方位模糊信号，prf表示系统的方位向采样率(多普勒偏移的最小间隔)，bp为方位向数据处理的多普勒带宽，α表示被发射的h和v极化波幅度的加权因子。对于工作于l波段(1～2ghz)的星载sar系统而言，在50°的入射角范围内照射土壤、岩石、草地、灌木丛、矮植被、干雪(湿雪)等，其hh/vv与hv/vh后向散射系数相差7～13db。由如上公式可知，对于交叉极化hv和vh的方位模糊性能影响较为严重的部分是奇数模糊部分的和值，那么降低其对交叉极化方位模糊影响的方式是对它们进行加权(其加权因子为)，从而抑制交叉极化回波信号的方位模糊，满足星载sar系统的性能要求。对于星载sar系统而言，方位模糊通常是由于该系统的prf较低而使得方位向的回波信号在多普勒频率域发生混叠而导致的。为了降低混合四极化sar系统的aasr，需要提升方位向的prf，但是根据星载sar系统设计中的最小天线原理，星载sar系统的prf提升将会导致测绘幅宽降低。因此，本文提出的方法通过对发射的h和v极化波的交替加权，实现非提升脉冲重复频率(prf)的方式来降低交叉极化回波的方位模糊，等效于提升了星载sar系统的观测幅宽。本申请实施例公开的星载全极化模糊抑制方法包括通过交替发射具有不等幅h和v极化矢量的左旋和右旋椭圆极化波，进而实现对混合四极化sar中的奇数方位模糊的加权，实现共极化和交叉极化方位模糊的平衡，从而降低交叉极化回波的方位模糊。在实际工程中，只需要交替改变h和v极化波的幅度即可实现对星载混合四极化sar系统交叉极化方位模糊的抑制，该操作简单有效，工程易实现。实验对比验证：在实验仿真部分，通过使用某星载sar混合四极化模式的系统参数进行仿真实验，从而实现对该quad-polsar方位模糊抑制体制的验证。本次仿真实验将加权因子α分别设置为1和0.1，通过对比实验结果表明该方法的有效性。α＝1表示混合四极化sar交替发射左旋和右旋圆极化波的情况；α＝0.1表示混合四极化sar交替发射左旋和右旋椭圆极化波的情况。本次仿真使用的具体参数如表2所示：轨道高度607km天线面积10mx3m天线载频1.26ghz峰值功率20000w天线效率75％幅宽指标6m/60km视角13～33°占空比18％通道数1/1表2当α＝1时，其hh、hv、vh和vv的aasr如图6所示。当α＝0.1时，其hh、hv、vh和vv的aasr如图7所示。其中α＝1表示发射左旋圆极化和右旋圆极化波的混合四极化模式，而α＝0.1表示分别对h和v进行加权后发射的左旋椭圆极化波和右旋椭圆极化波的改进的混合四极化sar模式。实验结果表明：改进的混合四极化模式的交叉极化方位模糊相比原始的混合四极化模式降低了大约10db，而共极化方位模糊仍然低于-20db，满足星载sar系统的性能要求。该结果也表明该星载sar体制可以有效抑制交叉极化回波信号的方位模糊，有效地将交叉极化的方位模糊部分转移至共极化的方位模糊，同时使得交叉极化和共极化方位模糊满足系统设计的要求。图8为本申请实施例一种星载全极化模糊抑制装置结构示意图，如图8所示，所述装置包括：发射模块201，用于交替发射具有不等幅水平h和垂直v极化矢量的左旋l椭圆极化波和右旋r椭圆极化波；所述l椭圆极化波和r椭圆极化波的表达式为其中，α为加权因子，且0＜α＜1，j为虚数单位。接收模块202，用于使用h和v极化天线同时接收所述l椭圆极化波和r椭圆极化波的回波信号，得到椭圆极化回波信号矩阵；其中，所述椭圆极化回波信号矩阵为转换模块203，用于将所述椭圆极化回波信号矩阵转换为线极化回波信号矩阵。在一些实施例中，具体地，所述将所述椭圆极化回波信号矩阵转换为线极化回波信号矩阵，包括：其中，所述线极化回波信号矩阵为为理想线极化回波信号，为混叠在理想回波信号中的奇数模糊信号，为混叠在理想回波信号中的偶数模糊信号。抑制模块204，用于对所述线极化回波信号矩阵的交叉极化回波信号的方位模糊进行抑制。在一些实施例中，所述对所述线极化回波信号矩阵的交叉极化回波信号的方位模糊进行抑制，包括：对回波信号的奇数模糊进行抑制。在一些实施例中，所述对回波信号的奇数模糊进行抑制，包括：对所述奇数模糊进行加权，其加权因子为为了进一步说明本申请实施例星载全极化模糊抑制方法的技术效果，在一些实施例中，还提供了基于本申请提供的星载全极化模糊抑制方法的仿真实验验证，具体地：对于传统四极化sar：发射端在相邻的脉冲重复时间(prt)交替发射h和v线极化信号照射目标，接收端使用h和v极化天线同时接收雷达回波信号，之后对雷达回波信号进行成像处理，获取hh，hv，vh和vv四副线极化sar图像，但是vh和hv极化图像的距离模糊极为严重。而对于混合四极化sar：发射端在相邻的脉冲重复时间(prt)交替发射右旋r和左旋l圆极化信号照射目标，接收端使用h和v极化天线同时接收雷达回波信号，之后对雷达回波信号进行成像获取hr，vr，hl和vl的圆极化图像，乘一个矩阵将四副圆极化图像变为四副线极化图像，但是vh和hv图像的方位模糊极为严重。本申请实施例提供的星载全极化模糊抑制方法所包括的改进四极化sar：发射端在相邻的脉冲重复时间(prt)交替发射右旋和左旋椭圆极化信号照射目标，接收端使用距离向多通道h和多通道v极化天线同时接收回波信号(即距离向dbf)，之后在成像的过程中对16通道的雷达回波信号进行加权处理来抑制交叉极化回波信号的距离模糊，进而获取hr，vr，hl和vl四副椭圆极化图像，乘一个矩阵将四副椭圆极化图像变为四副线极化图像，即可获取四副清晰的线极化图像。根据如下rasr公式：明显可知交叉极化回波的rasr受奇数共极化模糊信号的影响。相比于传统的quad-polsar模式，改进四极化sar模式的距离模糊性能的提升与加权系数α有关。其中，下标n∈{1,2,…}表示第n模糊回波，nodd和neven分别表示奇数和偶数距离模糊区域的总数目，θmain和θn分别为天线波束照射目标和第n模糊区域的偏离角，ηmain和ηn分别为天线波束照射目标和第n模糊区域的入射角，为pq极化的后向散射系数且p,q∈{h,v}，g2(θ,f)为双程天线方向图，f是多普勒频率，q(f)表示在数据处理中对多普勒频谱的加权，bp为多普勒带宽，和rmain和rn分别表示天线相位中心到目标和第n模糊区域中心的距离。同理，可以得到改进四极化sar模式的aasr，分别被表示为如下公式：其中，g2(f)表示方位向的双程天线方向图，m表示第m方位模糊信号，odd和even分别表示奇数和偶数模糊信号，prf表示系统的方位向采样率。在上述aasr公式中，和会对交叉极化回波信号的aasr产生影响。对于l波段sar系统而言，在50°入射角下照射土壤、岩石、草地、灌木丛、矮植被、干雪等区域时，其交叉极化回波信号的后向散射系数比共极化低7～13db。因此，奇数模糊区的共极化回波能量会对上述aasr公式中交叉极化回波信号的aasr有较大的贡献，这是限制hybridquad-polsar测绘幅宽的重要因素。明显可知改进四极化sar模式可以削弱它们的影响，也就是说，改进四极化sar模式给它们赋予了加权系数并且其权值随α变化。因此在对星载四极化sar进行系统设计时，可以通过选择合适的α来降低共极化模糊信号对交叉极化回波信号的aasr的影响。由上述aasr公式可知星载sar可以通过交替发射具有不等幅的h和v极化矢量的左旋和右旋椭圆极化波对hybridquad-polsar交叉极化回波信号的奇数模糊信号进行加权，降低交叉极化回波信号的方位模糊。表3为用于仿真实验的系统参数。轨道高度607km天线面积10mx3m天线载频1.26ghz峰值功率20000w天线效率75％幅宽指标6m/60km视角12～33°占空比18％收发通道数1/1表3基于上述rasr公式、上述aasr公式和表3的系统参数，对改进四极化sar模式的距离和方位模糊进行仿真实验。其实验结果如图9所示，其中α∈[0,2]。可见当α＜0.05时，改进四极化sar的回波的aasr均低于-20db，满足星载sar系统设计的要求。但是，此时的交叉极化回波信号的rasr不能满足要求。因此，使用距离向dbf技术来抑制较强的距离模糊信号，降低rasr对sar距离模糊性能的影响。其中，图9中的(a)表示在观测范围内，rasr的最大值随α的变化情况；图9中的(b)表示在观测范围内，aasr的最大值随α的变化情况。接下来的场景仿真实验用于验证本申请实施例提供的星载全极化模糊抑制方法所包括的改进四极化sar的可行性。在实验中，改进四极化sar使用dbf对距离模糊进行抑制，并且改进四极化sar的多个通道所接收到的回波数据使用lcmw方法进行加权。表4为用于改进四极化sar成像仿真实验的系统参数。表4基于表4的系统参数，使用成熟的chirpscalingalgorithm(csa)对改进四极化sar进行场景仿真实验，其结果如图10所示。其中，图10中的(a)为理想的vh极化图像；图10中的(b)为混合四极化sar模式的vh极化图像；图10中的(c)为没有距离向dbf加权的改进四极化sar模式的vh极化图像；图10中的(d)为使用了dbf的改进四极化sar的vh极化图像。明显可见混合四极化sar所获取的vh极化图像的方位模糊较为严重，很难确定海上停泊船只的数目。并且在没有使用距离向dbf的情况下，改进四极化sar模式所获取的雷达图像具有较为严重的距离模糊，导致陆地上较强的模糊目标淹没了船只。然而，在使用距离向16通道dbf所获取的sar图像上可以很清晰地看到停泊的船只，这表明交替发射正交椭圆极化波的改进四极化sar模式的可行性。总之，相比混合四极化sar模式，本申请实施例提供的星载全极化模糊抑制方法所包括的改进四极化sar模式的场景仿真结果表明其具有更好的模糊性能，具有被应用于星载四极化sar的潜力。本申请实施例所记载的技术方案之间，在不冲突的情况下，可以任意组合。以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本
技术领域：
的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。当前第1页12