極化合成孔徑雷達(dá)極化層次和系統(tǒng)工作方式

楊汝良　戴博偉　李海英

①(中國科學(xué)院電子學(xué)研究所　北京　100190)

②(中國科學(xué)院　北京　100864)

③(中國科學(xué)院國家天文臺(tái)月球與深空探測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　北京　100012)

極化合成孔徑雷達(dá)極化層次和系統(tǒng)工作方式

楊汝良*①戴博偉②李海英③

①(中國科學(xué)院電子學(xué)研究所北京100190)

②(中國科學(xué)院北京100864)

③(中國科學(xué)院國家天文臺(tái)月球與深空探測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室北京100012)

極化合成孔徑雷達(dá)的極化層次和系統(tǒng)工作方式是極化合成孔徑雷達(dá)總體設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一。該文討論了極化合成孔徑雷達(dá)的極化層次，含單極化、雙極化、全極化和簡縮極化合成孔徑雷達(dá)，較深入地分析了極化合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)的工作方式，包括極化時(shí)間分割、極化頻率分割、極化編碼和方位向極化空間分割等方式。

極化合成孔徑雷達(dá)；極化層次；系統(tǒng)工作方式

引用格式：楊汝良, 戴博偉, 李海英.極化合成孔徑雷達(dá)極化層次和系統(tǒng)工作方式[J].雷達(dá)學(xué)報(bào), 2016, 5(2): 132–142.DOI: 10.12000/JR16013.

Reference format: Yang Ruliang, Dai Bowei, and Li Haiying.Polarization hierarchy and system operating architecture for polarimetric synthetic aperture radar[J].Journal of Radars, 2016, 5(2): 132–142.DOI: 10.12000/JR16013.

1　概述

極化合成孔徑雷達(dá)通過發(fā)射和接收不同極化方式的電磁波測量地物目標(biāo)的極化散射特性，獲得目標(biāo)極化散射矩陣[1]。由于電磁波的極化對(duì)目標(biāo)的表面粗糙度、介電常數(shù)、幾何形狀和取向等物理特性比較敏感，因而極化散射矩陣蘊(yùn)含著豐富的目標(biāo)信息。極化測量獲得的目標(biāo)散射矩陣可用于提取目標(biāo)極化特征參數(shù)，在農(nóng)業(yè)大面積地物分類[2,3]、森林物種識(shí)別[4]、地質(zhì)結(jié)構(gòu)描述[5,6]、土壤濕度估計(jì)[7]、海冰監(jiān)測[8]、海洋學(xué)[9,10]和軍事目標(biāo)檢測與識(shí)別[11]等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

極化合成孔徑雷達(dá)極化層次和系統(tǒng)工作方式是極化合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一。隨著極化合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)及其應(yīng)用技術(shù)的快速發(fā)展，極化層次和系統(tǒng)工作方式得到了深入發(fā)展。本文討論了極化合成孔徑雷達(dá)的極化層次，含單極化、雙極化、全極化和簡縮極化合成孔徑雷達(dá)，較深入地分析了極化合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)的工作方式，包括極化時(shí)間分割、極化頻率分割、極化編碼分割和方位向極化空間分割等方式。

表1　極化合成孔徑雷達(dá)的極化層次Tab.1　Polarization hierarchies of PolSAR

2　極化合成孔徑雷達(dá)的極化層次

按照獲取極化散射矩陣的極化層次不同，極化合成孔徑雷達(dá)可以分為單極化、雙極化、全極化和簡縮極化，表1給出極化合成孔徑雷達(dá)的極化層次對(duì)比。

單極化合成孔徑雷達(dá)是成像雷達(dá)最基本的形式。具有單一極化天線，單一發(fā)射通道和相同極化的單一接收通道，產(chǎn)生HH或VV單幅實(shí)圖像。國外早期的星載合成孔徑雷達(dá)，如Seasat、ERS-1、JERS-1、Radarsat-1等[12,13]都是單極化合成孔徑雷達(dá)。

雙極化合成孔徑雷達(dá)具有水平(H)和垂直(V)雙極化天線，單路H或V極化正交發(fā)射。如果單路接收，可以得到HH和VV的兩幅實(shí)圖像，典型的雙極化系統(tǒng)例子為Envisat-ASAR[14,15]；如果雙通道接收，可以得到HH/HV或VV/VH的2×2矩陣的兩幅實(shí)圖像，SIR-C[16,17]、RadarSat-2[18]、ALOSPALSAR[19]都具有雙極化條帶模式。

全極化合成孔徑雷達(dá)為標(biāo)準(zhǔn)的極化合成孔徑雷達(dá)，它由H和V雙極化天線正交發(fā)射、雙通道接收組成。發(fā)射極化與接收極化必須是正交的極化對(duì)。全極化SAR固有的數(shù)據(jù)產(chǎn)品是場景每一分辨單元4×4散射矩陣。如果滿足互易性、對(duì)稱性假設(shè)，可能產(chǎn)生3×3矩陣，如被壓縮的Stokes矩陣，或被壓縮的Sinclair散射矩陣，這種形式通常被稱為四極化(Quad-Polarization)合成孔徑雷達(dá)。國外已有的星載合成孔徑雷達(dá)任務(wù)中，RadarSat-2與ALOSPALSAR都具有四極化條帶模式[18,19]，TerraSARX將四極化作為試驗(yàn)?zāi)Ｊ絒20,21]。

全極化合成孔徑雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)完善，能得到全面反映目標(biāo)極化散射矩陣的全極化信息。目前全極化系統(tǒng)通常采用極化時(shí)分的工作方式，脈沖重復(fù)頻率(PRF)是單極化或雙極化合成孔徑雷達(dá)的兩倍。主要缺點(diǎn)是：系統(tǒng)復(fù)雜，成本高；成像帶寬度是單極化或雙極化合成孔徑雷達(dá)的一半；數(shù)據(jù)率為單極化雷達(dá)的4倍，平均數(shù)據(jù)率與雙極化雷達(dá)可比；平均功率大于單極化雷達(dá)的兩倍；大視角交叉極化距離模糊惡化[18,19]。為克服上述缺點(diǎn)，降低系統(tǒng)復(fù)雜性，權(quán)衡成像帶寬度、數(shù)據(jù)率、脈沖重復(fù)頻率、模糊比等指標(biāo)與參數(shù)，必須尋求極化合成孔徑雷達(dá)新的結(jié)構(gòu)體系。簡縮極化(Compact Polarimetry, CP)就是為降低全極化系統(tǒng)復(fù)雜性而提出的新技術(shù)。

簡縮極化雷達(dá)僅發(fā)射一種極化，接收兩種正交極化及其相對(duì)相位。簡縮極化雷達(dá)產(chǎn)生的原始數(shù)據(jù)是后向散射場的協(xié)方差矩陣，并可轉(zhuǎn)換為Stokes矢量。Stokes矢量的4個(gè)要素可以由兩路接收極化的強(qiáng)度及相關(guān)相位的實(shí)部和虛部來估計(jì)。簡縮極化主要是爭取獲得與全極化系統(tǒng)可比的后向散射定量分類，而避免全極化系統(tǒng)相關(guān)的缺點(diǎn)。

按照發(fā)射和接收的極化序列，簡縮極化結(jié)構(gòu)主要的模式有p/4模式、雙圓極化模式(DCP)和圓極化發(fā)射線極化接收模式(CTLR)等[22]。近些年，已發(fā)射或正在研制中的星載極化SAR多采用簡縮極化方式實(shí)現(xiàn)。印度Chandraayan-1月球探測器的Mini-SAR[23]、美國月球勘察軌道器的Mini-RF[24]以及印度的RISAT-1[25]都選擇了雙圓極化簡縮極化模式，日本ALOS-2衛(wèi)星上搭載的PALSAR-2亦將簡縮極化作為試驗(yàn)?zāi)Ｊ?，加拿大Radarsat-2后續(xù)的雷達(dá)衛(wèi)星星座(RadarSat Constellation Mission, RCM)[26]計(jì)劃也采用雙圓極化的簡縮極化模式是實(shí)現(xiàn)全極化。目前，簡縮極化是在不增加系統(tǒng)復(fù)雜度、不降低分辨率和成像帶寬度的前提下獲得全極化數(shù)據(jù)的優(yōu)選方案。

2.1π/4簡縮極化模式[22,27,28]

圖1給出了p/4簡縮極化模式的工作原理圖。系統(tǒng)由H和V雙極化天線、單路發(fā)射、單路移相器、H極化和V極化兩路相干接收通道、兩路極化處理器組成。

p/4極化信號(hào)的產(chǎn)生過程為：發(fā)射信號(hào)經(jīng)0°移相后，同時(shí)激勵(lì)水平極化天線和垂直極化天線，在空間形成相對(duì)于水平向和垂直向成45°傾斜的p/4極化發(fā)射信號(hào)。由地物反射的p/4極化信號(hào)，經(jīng)水平極化天線和垂直極化天線分別進(jìn)入H極化和V極化兩路正交極化接收機(jī)，再經(jīng)處理器處理，得到2×2平均協(xié)方差矩陣。

圖1　p/4簡縮極化模式的工作原理圖Fig.1　Principle diagram of p/4 compact polarization radar

p/4模式中，極化分解主要在水平向和垂直向?qū)鼍爸械纳⑸潴w分布進(jìn)行。處理器進(jìn)行聚焦和多視處理：聚焦級(jí)輸出單視復(fù)圖像數(shù)據(jù)；多視級(jí)輸出2×2平均協(xié)方差矩陣，它可轉(zhuǎn)換為4單元Stokes矢量。經(jīng)處理重建全極化數(shù)據(jù)。

目標(biāo)散射矢量為：

對(duì)應(yīng)的目標(biāo)協(xié)方差矩陣為：

重建的偽全極化目標(biāo)協(xié)方差矩陣為：

式中：

p/4簡縮極化模式在脈沖重復(fù)頻率選擇、成像帶寬度、兩接收通路的輻射平衡、功率消耗、下傳數(shù)據(jù)率、極化分解和定標(biāo)處理方法等方面有優(yōu)勢。與全極化方式不同，p/4模式不能區(qū)分點(diǎn)目標(biāo)(單次反射、偶次反射、偶極子)散射點(diǎn)相對(duì)雷達(dá)視角的方位。但對(duì)分布目標(biāo)，如作物、森林等，p/4模式具有與全極化模式一致的區(qū)分能力。

2.2雙圓極化發(fā)射接收(DCP)簡縮極化模式[22,29,30]

雙圓極化模式簡縮極化由H和V雙極化天線左旋或右旋圓極化發(fā)射，左旋和右旋雙極化相干接收組成。旋轉(zhuǎn)不變性要求發(fā)射的極化必須是圓極化。標(biāo)準(zhǔn)的方法是發(fā)射圓極化，接收相干的雙圓極化。雙圓極化發(fā)射接收簡縮極化模式由H和V雙極化天線、單路發(fā)射機(jī)和單路發(fā)射移相器、雙路接收移相器、H和V兩路雙極化相干接收和雙極化處理器組成。圖2給出了雙圓極化模式的工作原理圖。

圓極化發(fā)射信號(hào)的產(chǎn)生過程為：發(fā)射信號(hào)經(jīng)發(fā)射+90°(或–90°)移相后，同時(shí)激勵(lì)水平極化和垂直極化天線，在空間形成右旋圓極化(或左旋圓極化)的發(fā)射信號(hào)。由地物反射的右旋(或左旋)圓極化信號(hào)，進(jìn)入水平極化和垂直極化天線。H極化天線信號(hào)經(jīng)過接收移相器1進(jìn)行+90°移相，產(chǎn)生右旋圓極化波，進(jìn)入右旋圓極化接收機(jī)；V極化天線信號(hào)經(jīng)過接收移相器2進(jìn)行–90°移相，產(chǎn)生左旋圓極化波，進(jìn)入左旋圓極化正交極化接收機(jī)，分別經(jīng)兩路處理器處理，獲得的2×2協(xié)方差矩陣，經(jīng)處理重建3×3四極化協(xié)方差矩陣。

圖2　雙圓極化模式的工作原理圖Fig.2　Principle diagram of DCP compact polarization radar

目標(biāo)散射矢量為(以發(fā)射右旋極化為例)：

式中，R與L分別表示右旋和左旋圓極化。對(duì)應(yīng)的2×2的目標(biāo)協(xié)方差矩陣為：

重建的偽全極化目標(biāo)協(xié)方差矩陣為：

式中：

這種方法在基于Stocks矩陣參數(shù)的后向散射體分析方面已獲得了很好的結(jié)果。后向散射場的Stocks參數(shù)主要是：極化度、圓極化比和后向散射場對(duì)兩種線性電場矢量的相對(duì)相位等。圓極化基接收的Stokes參數(shù)公式與常規(guī)情況相對(duì)應(yīng)。

雙圓極化模式在Stokes參數(shù)計(jì)算、兩接收通道接收信號(hào)不平衡、極化模式串?dāng)_、定標(biāo)、分解策略等方面都具有優(yōu)勢。需要特別考慮的內(nèi)容包括：圓極化比的測量、可區(qū)分不同散射體類型的最大電壓、對(duì)二面角散射體分布狀態(tài)的隨機(jī)取向的魯棒性等。

2.3圓極化發(fā)射線極化接收(CTLR)簡縮極化模式[22,29,30]

圓極化發(fā)射線極化接收模式由H和V雙極化天線左旋或右旋圓極化發(fā)射，H和V雙線極化相干接收組成。發(fā)射圓極化，接收正交線極化。如果同時(shí)饋給H和V天線相位差90°的信號(hào)，雙線極化天線將輻射圓極化電磁波。回波由H和V雙線極化天線接收后，經(jīng)H、V接收通道到達(dá)處理器。處理器進(jìn)行聚焦和多視處理：聚焦級(jí)輸出單視復(fù)圖像數(shù)據(jù)，多視級(jí)輸出2×2平均協(xié)方差矩陣，它可轉(zhuǎn)換為4單元Stokes矢量。圖3給出了圓極化發(fā)射線極化接收簡縮極化模式的工作原理圖。

圓極化信號(hào)的產(chǎn)生過程為：發(fā)射信號(hào)經(jīng)發(fā)射+90°(或–90°)移相后，同時(shí)激勵(lì)水平極化和垂直極化天線，在空間形成右旋圓極化(或左旋圓極化)的發(fā)射信號(hào)。由地物反射的信號(hào)，經(jīng)水平極化和垂直極化天線分別進(jìn)入H極化和V極化兩路正交極化接收機(jī)，再經(jīng)處理器處理，得到2×2平均的協(xié)方差矩陣，并可轉(zhuǎn)換為4單元Stokes矢量。經(jīng)處理重建全極化數(shù)據(jù)。目標(biāo)散射矢量為(以發(fā)射右旋極化為例)：

圖3　圓極化發(fā)射線極化接收簡縮極化模式的工作原理圖Fig.3　Principle diagram of CTLR compact polarization radar

對(duì)應(yīng)的目標(biāo)協(xié)方差矩陣為：

重建的偽全極化目標(biāo)協(xié)方差矩陣為：

式中：

圓極化發(fā)射線極化接收模式可簡化系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，需要較少的射頻硬件、重量輕、功耗低，系統(tǒng)在Stokes參數(shù)產(chǎn)生、通道信號(hào)平衡、對(duì)相對(duì)誤差、串?dāng)_的魯棒性等方面有優(yōu)勢。這種模式優(yōu)化了相對(duì)相位定標(biāo)和幅度定標(biāo)，數(shù)據(jù)通過2×2矩陣完全表征，更適合于改進(jìn)分解策略，是月球及行星探測器優(yōu)選的極化雷達(dá)結(jié)構(gòu)，同時(shí)也是探地雷達(dá)的一種可選的、具有吸引力的技術(shù)。

3　極化合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)的工作方式

為獲得地物目標(biāo)的全極化散射矩陣，要求多極化合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)具有獲得HH、VH、HV、VV 4種極化回波的能力；要同時(shí)獲得上面4種極化，必須采用2個(gè)并行的發(fā)射通道和4個(gè)并行的接收通道，但這會(huì)大大增加設(shè)備的復(fù)雜性。對(duì)實(shí)際多極化系統(tǒng)而言，通常采用雙極化天線單通道發(fā)射、單或雙通道接收，利用發(fā)射和接收通道的組合，獲得準(zhǔn)同時(shí)的4種極化回波。極化合成孔徑雷達(dá)通常采用極化時(shí)間分割、極化頻率分割、極化編碼分割、方位向極化空間分割等方式實(shí)現(xiàn)全極化功能。

3.1極化時(shí)間分割工作方式[16–21,31]

極化時(shí)間分割方式由H與V雙極化天線、一路極化開關(guān)和一路發(fā)射通道，H極化與V極化兩路接收通道組成，圖4為基于極化時(shí)間分割方式的SAR原理圖。圖5為極化時(shí)間分割方式收發(fā)時(shí)序關(guān)系圖。雷達(dá)在脈沖重復(fù)周期(PRT)內(nèi)交替發(fā)射H極化、V極化波，同時(shí)接收某一極化入射波對(duì)應(yīng)的H極化與V極化散射回波。這樣，按照極化時(shí)間分割方式，可以得到HH/VH/HV/VV 4路極化信息，構(gòu)成目標(biāo)的極化散射矩陣，實(shí)現(xiàn)全極化功能。

極化時(shí)間分割工作方式的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)。缺點(diǎn)是：由于每一極化組合信號(hào)其方位向取樣頻率僅為PRF值的一半，所以為改善方位模糊需將系統(tǒng)PRF值提高一倍，這使平均功率增加一倍、成像帶寬變窄、交叉極化圖像的距離模糊惡化。

圖4　基于極化時(shí)間分割方式的SAR系統(tǒng)原理框圖Fig.4　Principle diagram of polarization time-division multiplexing pulse SAR

圖5　基于極化時(shí)間分割方式的信號(hào)收發(fā)時(shí)序圖Fig.5　Timing sequence diagram of polarization time-division multiplexing pulse SAR

圖6　基于極化頻率分割方式的信號(hào)收發(fā)時(shí)序圖Fig.6　Timing sequence diagram of polarization frequency-division multiplexing pulse SAR

現(xiàn)今許多機(jī)載多極化SAR系統(tǒng)，如加拿大的C/X SAR、NASA-JPL的AIRSAR、日本的Pi-SAR以及德國的ESAR[32]，部分星載SAR系統(tǒng)，如美國的SIR-C/X SAR[16,17]、加拿大RadarSat-2[18]、德國TerraSAR[20,21]以及日本PALSAR[19]等，均采用PRF加倍的極化時(shí)間分割方式實(shí)現(xiàn)全極化。

3.2極化頻率分割工作方式[31]

極化頻率分割工作方式分別由水平、垂直線極化天線同時(shí)發(fā)射兩種不同極化、不同中心頻率的脈沖信號(hào)，兩接收通道同時(shí)接收回波并進(jìn)行記錄，然后通過濾波器對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行頻率分離，從而得到目標(biāo)的4種全極化信息。考慮到平臺(tái)對(duì)發(fā)射信號(hào)功率的限制，水平極化與垂直極化兩種脈沖信號(hào)只能成對(duì)發(fā)射，并且兩個(gè)發(fā)射脈沖之間要留有一很窄的時(shí)隙以便功率轉(zhuǎn)換。圖6為極化頻率分割工作方式信號(hào)收發(fā)時(shí)序圖。

極化頻率分割方式所發(fā)射的H、V極化脈沖對(duì)在頻域上是連續(xù)的，這樣發(fā)射脈沖信號(hào)帶寬將要增加一倍以上，高質(zhì)量的天線系統(tǒng)和濾波器研制增加了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的難度和復(fù)雜性。

3.3極化編碼分割工作方式[19,31]

極化編碼分割工作方式要求H極化和V極化兩幅天線同時(shí)發(fā)射H和V線極化脈沖信號(hào)，并對(duì)發(fā)射脈沖進(jìn)行正交編碼，在接收通道通過正交解碼來分離同極化和交叉極化信號(hào)，從而得到目標(biāo)的散射矩陣。圖7給出極化編碼分割方案下系統(tǒng)的原理示意。

圖8給出采用具有正負(fù)調(diào)頻斜率的線性調(diào)頻脈沖信號(hào)的極化SAR系統(tǒng)收發(fā)信號(hào)時(shí)序。

同極化和交叉極化回波信號(hào)分別經(jīng)過與正負(fù)調(diào)頻斜率發(fā)射信號(hào)相對(duì)應(yīng)的匹配濾波器后，能夠很好地分離開來，同時(shí)保持了較好的壓縮效果。理想情況下，極化編碼分割工作方式的方位模糊和距離模糊與極化頻率分割工作方式相同，但這種方案不需要轉(zhuǎn)換開關(guān)，有利于提高系統(tǒng)的壽命和可靠性。

圖7　基于極化編碼分割工作方式的SAR系統(tǒng)原理框圖Fig.7　Principle diagram of polarization code-division multiplexing pulse SAR

圖8　基于極化編碼分割工作方式的信號(hào)收發(fā)時(shí)序圖Fig.8　Timing sequence diagram of polarization code-division multiplexing pulse SAR

3.4方位向極化空間分割工作方式[14,15,33,34]

方位向極化空間分割工作方式，是在一個(gè)合成孔徑時(shí)間內(nèi)，將方位向空間分割為若干子孔徑，在極化開關(guān)控制下H和V天線交替輻射成對(duì)極化脈沖串(Twin-burst)，H和V天線同時(shí)接收，得到全極化數(shù)據(jù)。

方位向極化空間分割成對(duì)脈沖串獲得全極化的方式，采用與ScanSAR類似的方法，以犧牲方位分辨率為代價(jià)獲得全極化。將方位向合成孔徑時(shí)間Ts分成多個(gè)駐留時(shí)間段。與ScanSAR不同的是，雷達(dá)在多個(gè)駐留時(shí)間段之間不切換波位，而是在同一波位內(nèi)切換發(fā)射信號(hào)的極化方式，即在相鄰兩段駐留時(shí)間內(nèi)交替發(fā)射水平極化和垂直極化脈沖串(burst)，并接收脈沖串的回波。這種工作方式簡化了全極化合成孔徑雷達(dá)結(jié)構(gòu)，減少數(shù)傳數(shù)據(jù)率，降低成本。在已發(fā)射的星載合成孔徑雷達(dá)中，歐空局的Envisat-ASAR[14,15]與意大利的Cosmo-Skymed[33,34]都采用這種方式實(shí)現(xiàn)多極化，德國的TerraSAR[20,21]亦將這種極化方式作為試驗(yàn)?zāi)Ｊ健?/p>

方位向極化空間分割方式有雙通道接收和單通道接收兩種模式。

3.4.1雙接收通道方位向極化空間分割方式雙接收通道方位向極化空間分割方式由H極化和V極化天線、1路發(fā)射機(jī)、1個(gè)發(fā)射極化開關(guān)、兩路正交極化接收機(jī)和兩路數(shù)據(jù)處理器組成，系統(tǒng)工作原理如圖9所示。發(fā)射機(jī)由發(fā)射極化開關(guān)K1控制，交替切至H極化天線和V極化天線發(fā)射成對(duì)脈沖串，地物散射回波同時(shí)經(jīng)H極化和V極化天線進(jìn)入H和V極化接收通道，順序得到HH/HV、VH/VV極化數(shù)據(jù)。經(jīng)數(shù)據(jù)處理，最終得到成像區(qū)域的HH/HV/VH/VV全極化數(shù)據(jù)。

圖10給出雙接收通道方位向極化空間分割方式發(fā)射與接收極化狀態(tài)示意。該工作方式下，需要將方位向合成孔徑時(shí)間Ts等分成3段，每段駐留時(shí)間為Ts/3。雷達(dá)在相鄰波束駐留時(shí)間Td1與Td2內(nèi)交替發(fā)射H極化脈沖串和V極化脈沖串，H極化與V極化雙通道同時(shí)接收。

圖11(a)給出駐留時(shí)間Td1內(nèi)H極化發(fā)射、H與V雙極化接收的方位向成像區(qū)域示意，可見在多個(gè)駐留時(shí)間Td1內(nèi)可獲得方位向連續(xù)拼接的HH與HV極化圖像；圖11(b)給出駐留時(shí)間Td2內(nèi)V極化發(fā)射、H與V雙極化接收的方位向成像區(qū)域示意，可見在多個(gè)駐留時(shí)間Td2內(nèi)可獲得方位向連續(xù)拼接的VH與VV極化圖像。

由分析可知：雷達(dá)通過波束在相鄰駐留時(shí)間內(nèi)交替發(fā)射H極化脈沖串和V極化脈沖串、H極化與V極化雙通道同時(shí)接收的方式，可準(zhǔn)同時(shí)獲得方位向同一區(qū)域的HH/HV/VH/VV全極化雷達(dá)圖像。該種工作方式下的全極化雷達(dá)圖像的方位單視分辨率較常規(guī)雙極化雷達(dá)圖像惡化3倍。

圖9　雙接收通道方位向極化空間分割方式工作原理圖Fig.9　Principle diagram of polarization space-division in azimuth of dual-receiver radar

圖10　雙接收通道方位向極化空間分割方式收發(fā)極化狀態(tài)示意圖Fig.10　Tx/Rx polarization of polarization space-division in azimuth of dual-receiver radar

圖11　雙接收通道方位向極化空間分割方式方位向成像區(qū)域示意圖Fig.11　Imaging area in azimuth of polarization space-division dual-receiver SAR

3.4.2單接收通道方位向極化空間分割方式單接收通道方位向極化空間分割方式由H極化和V極化天線、1路發(fā)射機(jī)、1個(gè)發(fā)射極化開關(guān)K1、1個(gè)接收極化開關(guān)K2、1路接收機(jī)和數(shù)據(jù)處理器組成。單接收通道方位向極化空間分割方式工作原理如圖12所示。發(fā)射機(jī)通過發(fā)射極化開關(guān)K1控制，交替切至H極化天線和V極化天線發(fā)射成對(duì)脈沖串，地物反射的回波經(jīng)H極化和V極化天線接收，經(jīng)接收極化開關(guān)K2控制，分別將H極化天線接收到的HH或VH極化數(shù)據(jù)、V極化天線接收到的HV或VV極化數(shù)據(jù)送入單路相干接收機(jī)。經(jīng)數(shù)據(jù)處理得到HH/HV/VH/VV全極化數(shù)據(jù)。

圖13給出單接收通道方位向極化空間分割方式發(fā)射與接收極化狀態(tài)示意。該工作方式下，需要將方位向合成孔徑時(shí)間Ts等分成5段，每段駐留時(shí)間為Ts/5。雷達(dá)在波束駐留時(shí)間Td1＋Td2與Td3＋ Td4內(nèi)交替發(fā)射H極化脈沖串和V極化脈沖串；Td1駐留時(shí)間內(nèi)H極化發(fā)射、H極化接收，Td2駐留時(shí)間內(nèi)H極化發(fā)射、V極化接收，Td3駐留時(shí)間內(nèi)V極化發(fā)射、H極化接收，Td4駐留時(shí)間內(nèi)V極化發(fā)射、V極化接收。

雷達(dá)在相鄰駐留時(shí)間內(nèi)交替發(fā)射H極化脈沖串和V極化脈沖串，每種極化脈沖串的回波分別采用H極化和V極化輪流接收，可準(zhǔn)同時(shí)獲得方位向同一區(qū)域的HH/HV/VH/VV全極化雷達(dá)圖像。該種工作方式下的全極化雷達(dá)圖像方位單視分辨率較常規(guī)單極化雷達(dá)圖像惡化5倍。

方位向發(fā)射成對(duì)極化脈沖串獲得多極化的方式比較靈活，可根據(jù)極化和分辨率需求靈活設(shè)置駐留時(shí)間和發(fā)射接收極化方式。

圖12　單接收通道方位向極化空間分割方式工作原理Fig.12　Principle diagram of polarization space-division in azimuth of single-receiver radar

圖13　單接收通道方位向極化空間分割方式收發(fā)極化狀態(tài)示意圖Fig.13　Tx/Rx polarization of polarization space-division in azimuth of single-receiver radar

4　結(jié)束語

在極化合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)技術(shù)研究中，雷達(dá)的極化結(jié)構(gòu)和工作方式是首要考慮的關(guān)鍵問題。早期研制的單極化和雙極化SAR系統(tǒng)已逐漸不能滿足極化合成孔徑雷達(dá)應(yīng)用發(fā)展的需要。為獲得反映目標(biāo)極化散射矩陣的全極化信息，極化SAR系統(tǒng)通常采用極化天線、發(fā)射通道與接收通道在時(shí)間和空間不同的組合獲得準(zhǔn)同時(shí)的四極化回波。

(1)極化時(shí)間分割。結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)；缺點(diǎn)是脈沖重復(fù)頻率提高一倍，平均功率增大一倍、成像帶寬變窄、交叉極化圖像的距離模糊惡化。

(2)極化頻率分割或極化編碼分割。均可以在一定程度上抑制極化SAR的距離模糊。極化頻率分割的信號(hào)帶寬將增加一倍，高質(zhì)量的帶通濾波器增加實(shí)現(xiàn)的難度；極化編碼分割工作方式能較好地抑制距離模糊，不增加信號(hào)帶寬，下傳數(shù)據(jù)率降低一倍。在MIMO-SAR系統(tǒng)中有進(jìn)一步的發(fā)展前景。

(3)方位向極化空間分割。是以犧牲方位分辨率為代價(jià)獲得全極化。這種工作方式雷達(dá)結(jié)構(gòu)簡化，數(shù)據(jù)率低，受到普遍重視。

簡縮極化合成孔徑雷達(dá)僅發(fā)射單一的極化而接收兩路正交極化及其相對(duì)的相位，測量2×2協(xié)方差矩陣，再作為4單元Stokes矢量重建全極化數(shù)據(jù)。簡縮極化SAR雖不像全極化系統(tǒng)那樣完美，然而在很多應(yīng)用中，簡縮極化雷達(dá)的結(jié)果可近似等效于全極化雷達(dá)，且簡縮極化雷達(dá)的結(jié)果遠(yuǎn)優(yōu)于單極化合成孔徑雷達(dá)，并總是優(yōu)于常規(guī)雙極化雷達(dá)[35–38]。按照發(fā)射和接收的極化方式，簡縮極化主要工作模式歸納如下：

(1)p/4簡縮極化模式。在脈沖重復(fù)頻率選擇、成像帶寬度、兩接收通路的幅相平衡、功率消耗、下傳數(shù)據(jù)率、極化分解和定標(biāo)處理方法等方面有優(yōu)勢。

(2)雙圓極化模式。系統(tǒng)硬件復(fù)雜，但在Stokes參數(shù)計(jì)算、兩接收通道接收信號(hào)不平衡、極化模式串?dāng)_、定標(biāo)、分解策略等方面都具有優(yōu)勢。

(3)圓極化發(fā)射線極化接收模式。結(jié)構(gòu)簡化，射頻硬件設(shè)備量少、重量輕、功耗低，系統(tǒng)在Stokes參數(shù)產(chǎn)生、通道信號(hào)平衡、對(duì)相對(duì)誤差、串?dāng)_的敏感性降低等方面有優(yōu)勢。這種模式優(yōu)化了相對(duì)相位定標(biāo)和幅度定標(biāo)，數(shù)據(jù)通過2×2矩陣完全表征，更適合于改進(jìn)分解策略，可作為極化雷達(dá)的首選結(jié)構(gòu)。

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楊汝良(1943–)，男，中國科學(xué)院電子學(xué)研究所研究員，博士生導(dǎo)師，主要研究領(lǐng)域?yàn)樾禽d、機(jī)載合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)、微波成像雷達(dá)新體制、新技術(shù)研究。

戴博偉(1973–)，男，博士，研究員，中國科學(xué)院重大科技任務(wù)局副局長。主要研究方向?yàn)闃O化合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)與信息處理、新一代信息技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略研究、先進(jìn)科研網(wǎng)絡(luò)建設(shè)與應(yīng)用。

李海英(1974–)，女，博士，中國科學(xué)院國家天文臺(tái)副研究員，主要從事雷達(dá)技術(shù)在月球與深空探測中的應(yīng)用研究。

Polarization Hierarchy and System Operating Architecture for Polarimetric Synthetic Aperture Radar

Yang Ruliang①Dai Bowei②Li Haiying③

①(Institute of Electronics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)
②(Chinese Academy of Sciences, Beijing 100864, China)
③(Key Laboratory of Lunar and Deep Space Exploration, National Astronomical Observatories, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100012, China)

Polarization hierarchy and system operating architecture is one of the key technologies for Polarimetric Synthetic Aperture Radar (PolSAR)system design.In this paper the polarization hierarchies of PolSAR, including Single-Polarization radar, Dual-Polarization radar, Full-Polarization radar, and Compact Polarization radar are discussed.In addition, the system operating architectures such as Polarization Timedivision multiplexing pulse, Polarization Frequency-division multiplexing pulse, Polarization Code-division multiplexing pulse, and Polarization Space-division in Azimuth are presented more in detail.

Polarimetric Synthetic Aperture Radar (PolSAR); Polarization hierarchy; System operating architecture

TN957.5

A

2095-283X(2016)02-0132-11

10.12000/JR16013

2016-01-20；改回日期：2016-03-14；網(wǎng)絡(luò)出版：2016-04-08

楊汝良rlyang@mail.ie.ac.cn

863項(xiàng)目和國家部委基金

Foundation Items: The National 863 Program of China, The National Ministries Foundation