分布式目標(biāo)的極化SAR距離模糊計(jì)算方法研究

洪 文楊士林*③李 洋③張晶晶③郭勝龍③

①(微波成像技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100190)

②(中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所 北京 100190)

③(中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100190)

分布式目標(biāo)的極化SAR距離模糊計(jì)算方法研究

洪 文①②楊士林*①②③李 洋①②③張晶晶①②③郭勝龍①②③

①(微波成像技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100190)

②(中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所 北京 100190)

③(中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100190)

該文提出了一種運(yùn)用協(xié)方差矩陣計(jì)算星載全極化SAR距離模糊的方法。首先分析了極化SAR距離模糊的成因及同極化和交叉極化通道間距離模糊能量的差異。現(xiàn)有的距離模糊計(jì)算方法以散射矩陣為主，受相干斑影響，單一像素的散射強(qiáng)度不能表征分布目標(biāo)的反射率，因而在距離向相鄰的像素?zé)o法確定其距離模糊比。針對(duì)上述問題該文推導(dǎo)了基于分布目標(biāo)的極化SAR距離模糊的計(jì)算方法。結(jié)合Radarsat-2實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)這種新方法進(jìn)行了驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)表明，運(yùn)用協(xié)方差矩陣能夠很好地表征分布式目標(biāo)，由它計(jì)算得出的距離模糊比是平穩(wěn)、確定的。相比已有算法，所提方法能夠有效計(jì)算極化SAR分布式目標(biāo)的距離模糊。

合成孔徑雷達(dá)；分布目標(biāo)；極化SAR；距離模糊

1 引言

合成孔徑雷達(dá)(SAR)是一種全天時(shí)、全天候的高分辨率成像雷達(dá)。雷達(dá)天線主瓣照射的區(qū)域?yàn)闇y(cè)繪帶。距離模糊是由于天線主瓣以外的旁瓣回波信號(hào)與所需測(cè)繪帶內(nèi)信號(hào)回波同時(shí)到達(dá)天線所造成的。距離模糊對(duì)于寬測(cè)繪帶SAR系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)起著非常重要的作用，它是影響SAR成像的一個(gè)重要因素[1]。目前單極化SAR系統(tǒng)的距離模糊分析已有很多詳細(xì)的討論[2?4]，而多極化SAR距離模糊的計(jì)算研究相對(duì)較少，該文主要分析了星載全極化SAR系統(tǒng)的距離模糊及其詳細(xì)計(jì)算方法。目前的極化SAR系統(tǒng)距離模糊計(jì)算中[5?7]，用表征地面散射特性的極化散射矩陣來直接計(jì)算距離模糊并不妥當(dāng)。這是因?yàn)椋盒禽dSAR目標(biāo)是分布式目標(biāo)，它們隨環(huán)境和時(shí)間而動(dòng)態(tài)變化。受相干斑影響[8]，相鄰像素間的信號(hào)強(qiáng)度是不連續(xù)的，如果從散射矩陣出發(fā)分析距離模糊比，那么計(jì)算出的交叉極化功率仍在擾動(dòng)，就無法判斷同極化和交叉極化功率的相對(duì)大小，從而出現(xiàn)相鄰像素距離模糊比不能確定的問題。另外，交叉極化能量較同極化能量低6～10 dB[9]，但不能直接體現(xiàn)在散射矩陣上。對(duì)于星載SAR目標(biāo)來說，極化數(shù)據(jù)的二階統(tǒng)計(jì)量協(xié)方差矩陣是大量分辨單元平均后的結(jié)果，它是穩(wěn)定的。用協(xié)方差矩陣來參與計(jì)算距離模糊是合理的，并且可以表征交叉極化能量和同極化能量的關(guān)系。該文首先分析了極化SAR距離模糊的形成原因，并且分析了同極化和交叉極化通道模糊能量的差異；詳細(xì)推導(dǎo)了基于分布式目標(biāo)的極化SAR距離模糊的計(jì)算方法。接著結(jié)合數(shù)據(jù)對(duì)這種新方法進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。最后與現(xiàn)有的計(jì)算距離模糊的方法進(jìn)行了對(duì)比分析。

2 極化SAR距離模糊分析與計(jì)算

2.1 距離模糊分析

極化SAR系統(tǒng)的工作模式為交替發(fā)射水平(H)、垂直(V)極化波。在發(fā)射脈沖間隔內(nèi)同時(shí)接收發(fā)射脈沖對(duì)應(yīng)的H, V散射回波。如圖1所示，發(fā)射H極化波時(shí)，水平通道接收HH散射波，垂直通道接收HV散射波；發(fā)射V極化波時(shí)，水平通道接收VH 散射波，垂直通道接收VV散射波。工作時(shí)序如圖1所示。

圖1 極化SAR工作時(shí)序圖(交叉極化回波比同極化回波低6～10 dB)

在距離向，假設(shè)某一區(qū)域的回波延時(shí)和觀測(cè)帶內(nèi)目標(biāo)的回波延時(shí)正好相差整數(shù)倍個(gè)脈沖周期，這就形成了距離模糊，產(chǎn)生模糊信號(hào)的那個(gè)區(qū)域稱為距離模糊區(qū)，或者與觀測(cè)處的斜距相差整數(shù)個(gè)脈沖數(shù)的區(qū)域即為模糊區(qū)[10?12]。對(duì)于這種交替發(fā)射，同時(shí)接收的極化SAR工作模式，某個(gè)回波接收時(shí)刻，接收信號(hào)除了感興趣的信號(hào)之外，也有正好相差整數(shù)j個(gè)脈沖重復(fù)周期(IPP)的模糊回波信號(hào)。當(dāng)j為奇數(shù)時(shí)，模糊回波信號(hào)對(duì)應(yīng)的發(fā)射脈沖和有用信號(hào)對(duì)應(yīng)的發(fā)射脈沖極化方式相反。我們把對(duì)應(yīng)的模糊區(qū)為稱奇數(shù)模糊區(qū)(odd ambiguity zones)。當(dāng)j為偶數(shù)時(shí)，模糊回波信號(hào)對(duì)應(yīng)的發(fā)射脈沖和有用信號(hào)對(duì)應(yīng)的發(fā)射脈沖極化方式相同。我們把對(duì)應(yīng)的模糊區(qū)稱作偶數(shù)模糊區(qū)(even ambiguity zones)。圖2所示是極化SAR距離模糊示意圖。與t=0時(shí)刻相差Tp(脈沖重復(fù)周期)，?Tp的發(fā)射脈沖與t=0時(shí)刻的發(fā)射脈沖極化方式相反，對(duì)應(yīng)的模糊區(qū)域?yàn)槠鏀?shù)模糊區(qū)。與t=0時(shí)刻相差2Tp,?2Tp的發(fā)射脈沖與t=0時(shí)刻的發(fā)射脈沖極化方式相同，對(duì)應(yīng)的模糊區(qū)域?yàn)榕紨?shù)模糊區(qū)。

基于以上分析，由文獻(xiàn)[9]可知，極化SAR觀測(cè)散射矩陣為

式中，RAR表示距離模糊比。等號(hào)右邊第1項(xiàng)表示測(cè)繪帶(swath)內(nèi)感興趣目標(biāo)的散射矩陣，剩余兩項(xiàng)為距離模糊區(qū)域散射矩陣，j=od 為奇數(shù)模糊區(qū)域，j=ev為偶數(shù)模糊區(qū)域。

圖2 極化SAR距離模糊示意圖

由式(1)看出，有用信號(hào)同極化通道模糊能量分別來自奇數(shù)模糊區(qū)交叉極化通道和偶數(shù)模糊區(qū)同極化通道；有用信號(hào)交叉極化通道模糊能量分別來自奇數(shù)模糊區(qū)同極化通道和偶數(shù)模糊區(qū)交叉極化通道。由于同極化通道能量比交叉極化通道能量高6～10 dB，因此交叉極化通道受來自奇數(shù)模糊區(qū)同極化模糊能量的主導(dǎo)，模糊比值比較大[13]。

2.2 分布式目標(biāo)距離模糊計(jì)算推導(dǎo)

下面推導(dǎo)距離模糊的計(jì)算公式。雷達(dá)信號(hào)接收電壓表達(dá)式為

其中?=?2kR ,R是散射目標(biāo)到天線的斜距， η0=μ0和ε0分別表示磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率，η是本地入射角，Pt是天線發(fā)射功率，G表示天線增益，λ是波長(zhǎng)。

那么根據(jù)式(1)可以得到極化SAR的接收電壓為

其中Ssig,Sev,Sod分別表示有用信號(hào)，偶數(shù)模糊區(qū)，奇數(shù)模糊區(qū)的散射矩陣。

由于星載SAR目標(biāo)是隨環(huán)境動(dòng)態(tài)變化的，因此可以假設(shè)有用信號(hào)與模糊信號(hào)不相關(guān)，模糊信號(hào)之間也不相關(guān)(上標(biāo)H表示共軛轉(zhuǎn)置)，即

那么接收信號(hào)功率可以表示為

其中，C=SSH是協(xié)方差矩陣。j是模糊區(qū)標(biāo)號(hào)，其中j=0表示測(cè)繪帶內(nèi)感興趣的脈沖。i是測(cè)繪帶內(nèi)采樣點(diǎn)標(biāo)號(hào)，Ri0表示觀測(cè)帶內(nèi)的第i個(gè)采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的斜距。那么Rij表示給i點(diǎn)造成模糊的所有點(diǎn)的斜距值。由式(6)就可以計(jì)算得出整數(shù)j的值。

Rn和Rf分別表示測(cè)繪帶內(nèi)的近點(diǎn)斜距和遠(yuǎn)點(diǎn)斜距值；Re和h分別表示地球半徑和軌道高度。圖3表示斜距幾何關(guān)系。

圖3中，SAR到地球中心的距離定義為Rs=Re+h,γij為對(duì)應(yīng)于入射角ηij的天線視軸角。

Gij表示在給定的γij下的天線方向圖。對(duì)于均勻照明孔徑，遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖由式(9)定義：

其中離軸高度角計(jì)算式為

式中，γ0表示天線下視角(look angle), r表示橫滾角。

根據(jù)距離模糊比(RASR)的定義[14]，距離模糊比是模糊信號(hào)能量與有用信號(hào)能量的比值，即

圖3 斜距幾何關(guān)系圖

根據(jù)式(1)和式(11)，傳統(tǒng)極化HH通道距離模糊比為

同理，傳統(tǒng)極化HV通道距離模糊比為

其中Cmn表示C協(xié)方差矩陣第m行，第n列的元素。由式(1)可知，極化SAR系統(tǒng)中C項(xiàng)是同極化通道，C和C是模糊能量中給同極化通道造成模糊的項(xiàng)。

至此，已詳細(xì)給出由全極化協(xié)方差矩陣C推導(dǎo)出距離模糊的計(jì)算表達(dá)式。下面用Radarsat-2實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證與分析。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)介紹

實(shí)驗(yàn)所用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來自于Radarsat-2系統(tǒng)，系統(tǒng)主要參數(shù)如表1所示。

文章分別對(duì)舊金山地區(qū)分布式目標(biāo)海洋和森林運(yùn)用本文的方法進(jìn)行了計(jì)算。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)文獻(xiàn)[6]現(xiàn)有的計(jì)算全極化SAR距離模糊的方法，海洋和森林的距離模糊計(jì)算結(jié)果如圖4～圖7所示。

由圖4～圖7可以看出，用散射矩陣描述分布式觀測(cè)對(duì)象，無論是海洋還是森林，每條距離模糊比曲線變化很不穩(wěn)定，曲線中相鄰兩點(diǎn)的距離模糊比跳變很大，而且如果存在強(qiáng)散射點(diǎn)，距離模糊比甚至有超過0 dB的可能。這是由于在距離模糊計(jì)算中，受相干斑因素的影響，相鄰像素的信號(hào)強(qiáng)度是不連續(xù)的，單一像素的極化散射矩陣不能表征分布式目標(biāo)的散射率，由散射矩陣計(jì)算得出極化功率時(shí)刻在隨時(shí)間和空間而擾動(dòng)[15]。極化數(shù)據(jù)的二階統(tǒng)計(jì)量協(xié)方差矩陣是穩(wěn)定的，是大量分辨單元平均后的結(jié)果，因此本文的運(yùn)用散射數(shù)據(jù)的二階量協(xié)方差矩陣計(jì)算距離模糊是合理的。圖8～圖11結(jié)果是依據(jù)本文方法對(duì)海洋和森林目標(biāo)計(jì)算得到的。

表1 Radarsat-2系統(tǒng)參數(shù)

圖8～圖11是采用本文的方法計(jì)算距離模糊比。由圖可以看出距離模糊比曲線比較平緩光滑，計(jì)算結(jié)果是比較穩(wěn)定的，所以可以根據(jù)當(dāng)前某點(diǎn)的距離模糊比值而推理得到與它相鄰點(diǎn)的距離模糊比值以及變化趨勢(shì)。

此外，圖8所示是同極化通道的距離模糊比值，圖中測(cè)繪帶內(nèi)大部分區(qū)域距離模糊比都低于-20 dB(一般要求距離模糊比低于-20 dB)。圖9所示的交叉極化通道低于-20 dB的測(cè)繪帶寬不到20 km。這是因?yàn)橛墒?1)可知HV, VH有用回波信號(hào)的模糊能量受同極化信號(hào)的主導(dǎo)，因?yàn)橥瑯O化回波能量要比交叉極化高6～10 dB，所以交叉極化通道的距離模糊嚴(yán)重一些。HH, VV同極化波在奇數(shù)模糊區(qū)受交叉極化波的影響，因此它們所受的影響較小。偶數(shù)模糊區(qū)域和單極化SAR系統(tǒng)的模糊一樣。

圖4 海洋同極化通道距離模糊比

圖5 海洋交叉極化通道距離模糊比

圖6 森林同極化通道距離模糊比

圖7 森林交叉極化通道距離模糊比

圖8 海洋同極化通道距離模糊比

圖9 海洋交叉極化通道距離模糊比

圖10 森林同極化通道距離模糊比

圖11 森林交叉極化通道距離模糊比

4 結(jié)束語

本文詳細(xì)地分析了極化SAR系統(tǒng)距離模糊形成的原因，針對(duì)現(xiàn)有的星載極化SAR距離模糊計(jì)算方法中用散射矩陣無法描述分布式觀測(cè)對(duì)象極化散射特征的問題，本文提出了一種運(yùn)用協(xié)方差矩陣計(jì)算星載全極化SAR距離模糊的方法。詳細(xì)推導(dǎo)出極化SAR系統(tǒng)HH, HV通道距離模糊的計(jì)算公式。最后，通過Radarsat-2舊金山地區(qū)海洋和森林分布式目標(biāo)距離模糊計(jì)算，驗(yàn)證了運(yùn)用協(xié)方差矩陣計(jì)算極化SAR系統(tǒng)距離模糊的合理性與精確性，為極化SAR距離模糊分析與計(jì)算提供一種有價(jià)值的參考。

[1] 韓曉東, 宋紅軍, 徐偉. 基于星載SAR實(shí)時(shí)波束形成的星下點(diǎn)及距離模糊抑制方法[J]. 電子與信息學(xué)報(bào), 2013, 35(12): 2821-2828.

Han Xiao-dong, Song Hong-jun, and Xu Wei. Nadir and range ambiguity suppression based on real-time digital beam froming in spaceborne SAR[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2013, 35(12): 2821-2828.

[2] Wang Wen-qin. Mitigating range ambiguities in high-PRF SAR with OFDM waveform diversity[J]. IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters, 2013, 10(1): 101-105.

[3] Yang Jun, Sun Guang-cai, Wu Yu-feng, et al.. Range ambiguity suppression by azimuth phase coding in multichannel SAR systems[C]. IET International Radar Conference 2013, Xi'an, China, 2013: 1-5.

[4] Davis Michael S and Cook Daniel A. Quantifying the impact of range and azimuth ambiguities on multichannel SAR and SAS image quality[C]. EUSAR 2014: 10th European Conference on Synthetic Aperture Radar, Berlin, Germany, 2014: 1-4.

[5] Ralph C and Pierluigi M. Range ambiguities for a polarimetric spaceborne SAR[C]. IGARSS 92: Proceedings of the 12th Annual International Geoscience and Remote Sensing Symposium, Houston, TX, US, 1992: 637-639.

[6] 李延, 丁澤剛, 郭佳佳. 多極化星載SAR模糊比分析與計(jì)算[J]. 航天器工程, 2011, 20(1): 45-49.

Li Yan, Ding Ze-gang, and Guo Jia-jia. Ambiguity analysis and calculation of polarimetric SAR[J]. Spacecraft Engineering, 2011, 20(1): 45-49.

[7] 戴博偉, 楊汝良. 多極化星載合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)新工作方式及模糊分析[J]. 電子與信息學(xué)報(bào), 2001, 23(12): 1256-1263.

Dai Bo-wei and Yang Ru-liang. New operation modes and ambiguity analysis for spaceborne polarimetric SAR system [J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2001, 23(12): 1256-1263.

[8] Foucher S and Lopez-Martinez C. Analysis, evaluation, and comparison of polarimetric SAR speckle filtering techniques [J]. IEEE Transactions on Image Processing, 2014, 23(4): 1751-1764.

[9] Raney R K, Freeman A, and Jordan R L. Improved range ambiguity performance in quad-pol SAR[J]. IEEETransactions on Geoscience and Remote Sensing, 2012, 50(2): 349-356.

[10] 劉軍鷹, 蔡竟業(yè), 王文欽. 星載距離向多波束SAR的系統(tǒng)模糊特性[J]. 信息與電子工程, 2012, 10(2): 138-142.

Liu Jun-ying, Cai Jing-ye, and Wang Wen-qin. Ambiguity characteristics of spaceborne range multi-beam SAR systems[J]. Information and Electronic Engineering, 2012, 10(2): 138-142.

[11] 席龍梅, 盛磊, 葛家龍. 星載滑動(dòng)聚束SAR模糊特性分析與仿真[J]. 上海航天, 2011, 28(1): 1-6.

Xi Long-mei, Sheng Lei, and Ge Jia-long. Analysis and simulation of ambiguities on spaceborne sliding spotlight SAR[J]. Aerospace Shanghai, 2011, 28(1): 1-6.

[12] 荊麟角. 星載SAR距離模糊分布規(guī)律及其改進(jìn)設(shè)計(jì)[J]. 電子科學(xué)學(xué)刊, 1994, 16(5): 490-496.

Jing lin-jiao. Range ambiguity distribution characteristic of spaceborne SAR and its design consideration[J]. Journal of Electronics, 1994, 16(5): 490-496.

[13] 陳祺, 黃海風(fēng), 余安喜, 等. 一種改善交叉極化距離模糊度的新工作模式[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào), 2013, 28(6): 1082-1087.

Chen Qi, Huang Hai-feng, Yu An-xi, et al.. A new working mode to improve the cross-polarization range ambiguity to signal ratio[J]. Chinese Journal of Radio Science, 2013, 28(6): 1082-1087.

[14] Curlander J C and McDonough R N. Synthetic Aperture Radar Systems and Signal Processing[M]. Wiley Series in Remote Sensing, Hoboken, NJ: Wiley, 1991: 303-306.

[15] Lee J S and Pottier E. Polarimetric Radar Imaging from Basic to Application[M]. Boca Raton, FL, Taylor & Francis Group, 2009: 74-75.

洪 文： 女，1968年生，研究員，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)镾AR成像與系統(tǒng)及其應(yīng)用、極化/極化干涉SAR數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用、3維微波成像新概念新體制新方法等.

楊士林： 男，1989年生，碩士生，研究方向?yàn)榛旌蠘O化SAR系統(tǒng)仿真.

李 洋： 男，1983年生，博士生，研究方向?yàn)闃O化SAR、簡(jiǎn)縮極化SAR、相干層析理論研究與應(yīng)用.

張晶晶： 男，1986年生，博士生，研究方向?yàn)闃O化SAR、簡(jiǎn)縮極化SAR、極化定標(biāo)理論研究.

郭勝龍： 男，1987年生，博士生，研究方向?yàn)闃O化SAR/簡(jiǎn)縮極化SAR理論研究與應(yīng)用.

Study on Polarimetric SAR Range Ambiguity Computation for Distributed Targets

Hong Wen①②Yang Shi-lin①②③Li Yang①②③Zhang Jing-jing①②③Guo Sheng-long①②③

①(Science and Technology on Microwave Imaging Laboratory, Beijing 100190, China)

②(Institute of Electronics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)

③(University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)

A new approach is proposed to compute spaceborne SAR range ambiguity using covariance matrix. The causation of range ambiguity of spaceborne SAR and the ambiguous energy difference between like-polarized channel and cross-polarized channel are analyzed. In current study, it is common to use polarimetric scattering matrix to compute range ambiguity. Because of the speckle, the scattering matrix of a pixel can not describe the distributed targets precisely. Therefore, it is hard to decide the range ambiguity signal ratio of adjacent pixels. In this paper, the formulation of computing range ambiguity is derived for distributed targets first. Second, this new method is tested by using Radarsat-2 data. The results show that covariance matrix can effectively illustrate distributed targets. The results are smooth and confirmed. The new method is rational to compute range ambiguity of distributed targets.

SAR; Distributed targets; Polarimetric SAR; Range ambiguity

TN958

： A

：1009-5896(2015)06-1437-06

10.11999/JEIT141234

2014-09-23收到，2015-02-13改回

*通信作者：楊士林 slyangcau@163.com