Ku波段機載極化SAR數(shù)據(jù)定標

王 鵬，馬 超，吳曉明，唐 坤

(上海無線電設(shè)備研究所，上海 201109)

0 引言

全極化合成孔徑雷達(SAR)技術(shù)利用一對極化天線交替發(fā)射相互正交的極化波,并接受來自目標的極化散射回波，從而測量目標完整的極化信息。全極化觀測模式下，可獲得2個同極化散射系數(shù)和2個交叉極化散射系數(shù)，共4個通道的數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建2×2復(fù)散射矩陣[1]。早期單通道SAR的有效信息僅包含在其幅度或強度數(shù)據(jù)中。與此不同，全極化SAR的有效信息不僅包含在各通道幅度數(shù)據(jù)中，各通道數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性和相位差也提供了豐富的信息。實際應(yīng)用時一般將極化SAR不同極化通道的數(shù)據(jù)以適當(dāng)?shù)姆群拖辔患訖?quán)聯(lián)合起來，完成極化合成處理或極化特征提取。各極化收發(fā)通道間存在路徑差，使得后向散射矩陣測量值帶有附加相位；極化通道間隔離度不高、能量泄露，導(dǎo)致通道間串?dāng)_；極化通道間存在增益差異，造成通道不平衡。以上因素均會干擾極化通道間幅度相位相對關(guān)系，導(dǎo)致提取的極化信息出現(xiàn)偏差或錯誤，無法正確反映地物真實的極化特性。因此，在應(yīng)用極化SAR數(shù)據(jù)進行地表散射特性分析前，必須對其進行定標處理。

2014年12月，在中國山東省平陰市開展了Ku波段機載極化SAR定標試驗。對原始回波數(shù)據(jù)進行SAR成像處理，并在去除由垂直、水平極化天線相位中心位移造成的極化通道間干涉調(diào)制相位[2]后，進行了包括相位定標[3]、串?dāng)_定標和通道不平衡定標[4-6]的極化SAR定標處理。之后，對定標結(jié)果進行了定性和定量分析。

1 極化SAR定標原理

極化SAR定標主要包括相位定標、通道串?dāng)_定標和通道不平衡定標。

1.1 相位定標

假設(shè)某個分辨單元真實的極化后向散射矩陣為

(1)

式中：下標H和V分別表示水平極化和垂直極化；SXY表示發(fā)射X極化、接收Y極化對應(yīng)的散射系數(shù)。

因各極化通道間存在路徑差，各通道附加了不同的相位因子，故實際測量矩陣為

S′=

(2)

式中：φT,H為水平極化發(fā)射通道附加相位；φR,H為水平極化接收通道附加相位；φT,V為垂直極化發(fā)射通道附加相位；φR,V為垂直極化接收通道附加相位。

提取出相對于SVV項的相位因子，得到

S′= exp(j(φT,V+φR,V))·

(3)

式中：φT=φT,H-φT,V；φR=φR,H-φR,V。

(4)

1.2 極化通道串?dāng)_和不平衡定標

極化通道串?dāng)_是指由于極化通道隔離度不高，發(fā)射或接收某種極化波時混入了其他極化波分量的現(xiàn)象；極化通道不平衡是指因不同極化通道間增益的差異而造成其幅度、相位的相對不平衡。

極化通道串?dāng)_和通道不平衡定標采用的系統(tǒng)誤差模型

M=Aexp(jφ)RTST=

(5)

式中：M為系統(tǒng)測量所得的目標散射矩陣；S為目標真實散射矩陣；A為系統(tǒng)絕對增益因子；φ為系統(tǒng)絕對相位；R和T分別為系統(tǒng)接收和發(fā)射失真矩陣；δi為發(fā)射和接收串?dāng)_因子；fi為發(fā)射和接收不平衡因子。極化定標一般主要關(guān)注各極化通道間的相對幅度和相位關(guān)系，可忽略絕對增益因子A和絕對相位φ。求解出串?dāng)_因子和不平衡因子后，即可進行串?dāng)_和不平衡校正：S=(RT)-1MT-1。

1.2.1 串?dāng)_定標

采用式(5)的誤差模型，并忽略絕對幅度和相位因子Aexp(jφ)。根據(jù)van Zyl定標算法[4]，假設(shè)系統(tǒng)發(fā)射與接收滿足互易性R=T，即δ1=δ3，δ2=δ4，f1=f2，令f=f1=f2，將式(5)改寫為

(6)

引入過渡矩陣

Y=

(7)

一般認為：

1)δ1，δ2的幅度相比于1足夠小，即系統(tǒng)通道間隔離性能良好；

根據(jù)以上條件，可得遞推關(guān)系式

(8)

(9)

式中：

1.2.2 通道不平衡定標

通道不平衡因子f可由三面角反射器估計得到[4]，即

(10)

因通道不平衡因子f沿距離向變化，故可由距離向分布的多個三面角反射器求出對應(yīng)距離行的f值，則各距離行處的f值可由插值得到。

2 試驗與分析

2014年12月，在山東省平陰農(nóng)用機場，利用運5-B平臺搭載Ku波段全極化SAR試驗系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)錄取，系統(tǒng)分辨率為1 m。成像區(qū)域為平陰機場周邊區(qū)域，該區(qū)域的主要地物包括機場跑道、道路、湖泊、農(nóng)田、裸土、建筑等。

將三面角定標器擺放于機場跑道兩側(cè)的水泥路面上。考慮到定標參數(shù)隨距離向(入射角)變化，將三面角沿距離向(機場跑道方向)分散布置。為防止成像結(jié)果中各三面角間互相干擾，相鄰三面角的間隔均在10個分辨單元以上。三面角法線方向處于斜距平面內(nèi)，對準SAR天線。

掛飛雷達系統(tǒng)采用單發(fā)單收時分復(fù)用的方式獲得全極化數(shù)據(jù)，單通道采集器記錄HH，HV，VH，VV共4個通道的原始回波數(shù)據(jù)。成像處理時，距離維采用匹配濾波脈沖壓縮方式，方位維采用去斜方式，獲得4個極化通道的單視復(fù)(SLC)圖像，如圖1所示。

由于載機平臺在飛行過程中存在一定的俯仰角和偏流角，H極化和V極化天線相位中心在高程方向形成干涉基線。另外，由于4個通道的數(shù)據(jù)按單發(fā)單收時分復(fù)用方式采集，載機平臺的運動也造成順軌方向上各極化通道所對應(yīng)的天線相位中心不一致，在各極化通道間形成了干涉效應(yīng)。HH極化和VV極化通道間的相位差如圖2(a)所示，從圖中可以看出，圖中存在明顯的相位調(diào)制現(xiàn)象。在定標處理前，需進行數(shù)據(jù)預(yù)處理，去除該調(diào)制相位。采用滑動窗取平均方法估計出的調(diào)制相位如圖2(b)所示，對干涉相位進行相位補償后的相位結(jié)果如圖2(c)所示。由圖可見，調(diào)制相位已被去除。采用同樣的方法可將其他極化通道間的干涉調(diào)制相位去除。

圖1 SAR各極化通道SLC圖像Fig.1 SLC image of each polarimetric channel

圖2 干涉相位去除Fig.2 Removal of spatial varied phase error

按照第1節(jié)中的相位定標、串?dāng)_定標和通道不平衡定標方法，對去除通道間干涉相位調(diào)制的數(shù)據(jù)進行極化定標。利用6個三面角和方位對稱的分布式目標求得通道串?dāng)_δ1=-21.82 dB∠-64.23°，δ2=-15.71 dB∠35.05°。6個三面角所在距離行處的通道不平衡因子分別為2.17 dB∠16.60°，1.54 dB∠11.90°，1.57 dB∠10.25°，1.34 dB∠5.37°，0.44 dB∠-3.03°，-0.17 dB∠-4.61°。通過幅度和相位插值可得各距離行對應(yīng)的通道不平衡參數(shù)，如圖3所示。

圖3 通道不平衡因子擬合結(jié)果Fig.3 Interpolation result of channel imbalance factor

利用串?dāng)_和不平衡參數(shù)對獲取的極化SAR數(shù)據(jù)進行校正。定標校正前后三面角的散射矩陣對比結(jié)果見表1。經(jīng)定標處理后，通道不平衡得到顯著改善，均降至1 dB以內(nèi)，除定標器1，4外，其余定標器通道串?dāng)_均降至-20 dB以下。不失一般性，以6號定標器為例，定標前后極化特征圖對比如圖4所示。作為參考，圖4給出了理想三面角的同極化與交叉極化特征圖[1]。經(jīng)定標處理后，試驗所用三面角與理想三面角的極化特征圖更為接近，表明了定標處理的有效性。

表1 定標前后三面角定標器散射矩陣對比Tab.1 Backscattering matrix of trihedral corner reflectors before and after calibration

圖4 6號三面角定標前后極化特征圖與理想三面角比較Fig.4 Polarimetric signature of ideal trihedral corner reflector and the 6th trihedral corner reflector before and after calibration

圖4(續(xù)) 6號三面角定標前后極化特征圖與理想三面角比較Fig.4(contimucd) Polarimetric signature of ideal trihedral corner reflector and the 6th trihedral corner reflector before and after calibration

圖5(a)為定標場區(qū)域極化SAR數(shù)據(jù)經(jīng)定標處理后的FD(Freeman-Durden)分解[7]彩圖。圖5(b)，5(c)為與圖5(a)同一飛行架次中獲取的另外兩景數(shù)據(jù)，處理方法與圖5(a)相同。FD分解理論認為，散射功率可分解為奇次散射、偶次散射、體散射3種散射分量，地物的散射機制為這3種基本散射機制的組合。在進行可視化處理時，習(xí)慣上以藍色表示奇次散射分量，以紅色表示偶次散射分量，以綠色表示體散射分量。圖5中：大部分區(qū)域為藍色，代表由裸露地表產(chǎn)生的奇次散射；建筑物、飛機等人造物與地面構(gòu)成了偶次散射，顯示為紅色；體散射(綠色分量)成因較為復(fù)雜，一部分由電磁波在植被內(nèi)多次散射產(chǎn)生，另外，不規(guī)則建筑物或建筑相對于雷達視線的角度偏轉(zhuǎn)也會造成體散射。經(jīng)定標處理后，極化SAR數(shù)據(jù)較為準確地反映了地物的真實散射機制信息。

圖5 經(jīng)定標處理后的極化SAR數(shù)據(jù)FD分解偽彩圖Fig.5 Color coded image of FD target decomposition results of calibrated polarimetric SAR data

3 結(jié)束語

本文基于Ku波段全極化SAR實測數(shù)據(jù)進行定標處理試驗，開展了極化通道間干涉相位去除、極化定標等處理，對三面角反射器在定標前后的散射特性進行了分析。定標處理試驗結(jié)果表明：6個三面角反射器的后向散射極化通道不平衡均降至1 dB以內(nèi)，通道串?dāng)_降至-17 dB以下，極化特征圖與理想三面角更為接近。對經(jīng)定標的極化SAR數(shù)據(jù)進行FD分解，合成的偽彩圖能較為準確地反映地物散射機制信息，驗證了定標處理的有效性，為后續(xù)地物分類識別、地表參數(shù)反演等應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。