混合極化SAR系統π/4簡縮極化模式發射端誤差求解的方法與流程

2023-06-01 22:29:56 1

本發明涉及簡縮極化雷達遙感領域，尤其涉及一種混合極化SAR系統π/4簡縮極化模式下發射端誤差求解的方法。

背景技術：
近年來隨著雷達技術的快速發展，雷達已廣泛應用於航天控制，軍事探測，目標檢測，林業遙感，環境監督等眾多領域。為了更好地實現雷達遙感應用與目標探測，全極化雷達應運而生且在過去的60年來蓬勃發展。但目前全極化雷達在應用上仍面臨若干缺點：(1)同極化與交叉極化最優動態範圍差異較大，需要複雜的通道增益控制和內定標迴路控制；(2)較強的同極化距離模糊回波及較弱的交叉極化距離模糊回波需要控制入射角範圍及觀測帶寬；(3)PRF是單極化系統的2倍；(4)全極化4個通道加重數據存儲及傳輸。為此，混合極化SAR系統應運而生，混合極化SAR系統具有三個大優勢，1)其可實現簡縮極化模式還可實現全極化模式；2)據有較好的抑制距離模糊的特點；3)通道間具有較高均衡性降低系統的複雜性，且使定標變得相對簡單。混合極化SAR系統的三個簡縮極化模式有：π/4，CL，CC簡縮極化模式。其各模式特點如下。π/4簡縮極化模式特點為發射1路由線性水平極化(H)與垂直極化(V)合成的線性極化波，同時接收H、V兩路極化波。CL簡縮極化模式為發射一路圓極化波，同時接收H、V兩路極化波。此外還有發射圓極化波接收2路正交圓極化波的CC簡縮極化模式。混合極化技術是近年來的一個熱點研究。2014年，加拿大雷達星座計劃(RadarConstellationMission，RCM)開始採用混合極化模式。混合極化系統設計，混合極化數據處理及其應用成為近年來研究的熱點問題。混合極化SAR系統存在一個棘手的問題，就是它的簡縮極化模式的發射端誤差不能進行定標，即發射端誤差不能消除，這些誤差包括，發射波Jones矢量誤差(φ偏差)，通道失衡，通道串擾，以及法拉第旋轉角。這些誤差都將會影響到獲取的混合極化數據質量，進而影響到後續應用。

技術實現要素：
(一)要解決的技術問題鑑於上述技術問題，本發明提供了一種混合極化SAR系統π/4簡縮極化模式發射端誤差求解的方法。(二)技術方案本發明混合極化SAR系統π/4簡縮極化模式下發射端誤差求解的方法包括：步驟A：接收發射端誤差源的誤差變量，其中，所述誤差變量為：Jones矢量中誤差參數φ、通道失衡參數kt、通道串擾參數∈h，∈v，和/或法拉第旋轉角Ω；以及步驟B：按照下式由誤差變量求解發射端誤差源引起的最大歸一化誤差：其中，λmax為(PD-P0)H(PD-P0)的最大特徵值；P為發射波Jones矢量誤差的矩陣形式，D為包含通道失衡誤差、通道串擾誤差及法拉第旋轉角誤差的矩陣形式，P0為無誤差的矩陣形式，(三)有益效果從上述技術方案可以看出，本發明混合極化SAR系統π/4簡縮極化模式的發射端誤差求解的方法具有以下有益效果：(1)建立CL簡縮極化模式下誤差評估模型及詳細的誤差求解方法。可獲得發射端各誤差：發射波Jones矢量誤差(φ偏差)、通道失衡、通道串擾以及法拉第旋轉角對混合極化SAR系統的影響。(2)在限定系統誤差的條件下，可計算出各誤差參數的上限值，為混合極化SAR系統的設計提供一定的指導。附圖說明圖1為根據本發明實施例混合極化SAR系統π/4簡縮極化模式的發射端誤差求解方法的示意流程圖；圖2為發射波Jones矢量偏差(橢圓方向角誤差)所引起的系統最大歸一化誤差圖；圖3為通道失衡參數所引起的系統最大歸一化誤差圖；圖4為通道串擾所引起的系統最大歸一化誤差；圖5為法拉第旋轉角所引起的系統最大歸一化誤差。具體實施方式為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，並參照附圖，對本發明進一步詳細說明。需要說明的是，在附圖或說明書描述中，相似或相同的部分都使用相同的圖號。附圖中未繪示或描述的實現方式，為所屬技術領域中普通技術人員所知的形式。另外，雖然本文可提供包含特定值的參數的示範，但應了解，參數無需確切等於相應的值，而是在可接受的誤差容限或設計約束內近似於相應的值。本發明提供了一種混合極化SAR系統π/4簡縮極化模式的發射端誤差求解的方法。該方法將首先推導出最大歸一化誤差表達式e，而後將誤差源代入該最大歸一化誤差表達式e中，求取該誤差源帶來的誤差。一、實例一在本發明的第一個示例性實施例中，提供了混合極化SAR系統π/4簡縮極化模式的發射端誤差求解的方法。請參照圖1，本實施包括：步驟A：接收發射端誤差源的誤差變量；其中，當考慮發射波Jones矢量誤差時，誤差變量為Jones矢量誤差參數φ；當考慮考慮通道失衡參數的影響時，誤差變量為通道失衡參數kt，當考慮通道串擾參數的影響時，誤差變量為通道串擾參數∈h，∈v；當考慮法拉第旋轉角的影響時，誤差變量為法拉第旋轉角Ω。步驟B：按照下式求解發射端誤差源引起的最大歸一化誤差：其中，λmax為(PD-P0)H(PD-P0)的最大特徵值。P為發射波Jones矢量誤差的矩陣形式，D為包含通道失衡誤差、通道串擾誤差及法拉第旋轉角誤差的矩陣形式，P0為無誤差的矩陣形式，代表矩陣內積。以下給出式1的推導過程：步驟S102：根據全極化SAR系統觀測模型Sm推導混合極化SAR系統π/4簡縮極化模式的誤差觀測模型M；該步驟S102進一步包括：子步驟S102a：依據下式，根據全極化SAR散射矩陣S推導帶有誤差源的全極化SAR系統π/4簡縮極化模式的觀測模型Sm；Sm＝XrSXt(1)其中，Xr表示接收端失真矩陣，Xt表示發射端失真矩陣。在H/V極化基下，Xt與Xr可以分別表示為：其中，Ω為法拉第旋轉角，kt，kr為通道失衡參數，εh，εv，gh，gv為通道串擾參數。子步驟S102b：依據下式，根據全極化SAR系統觀測模型Sm推導混合極化SAR系統π/4模式簡縮極化模式的誤差觀測模型M：M＝PrSmpt＝prXrSXtpt(3)其中，pt＝[cosφsinφ]T為混合極化π/4簡縮極化模式發射端Jones矢量，φ為表徵發射波極化狀態的橢圓方向角，上標T表示矩陣轉置。pr為兩個接收通道Jones矢量組成的2×2矩陣。對於理想π/4簡縮極化模式，發射波為45°線極化波，即φ＝45°，因此pr為單位陣。由於發射端誤差可以通過定標消除，因此我們在這裡只評估發射端誤差，因此忽略pr，Xr，式(3)可簡化為：M＝SXtpt(4)步驟S104：按照辭書式排列，將混合極化觀測矩陣M轉換成矢量形式M；M＝vec(M)＝PDS(5)其中，S為全極化散射矩陣矢量形式，定義為S＝[SHHSHVSVHSVV]T，SHH，SHV，SVH，SVV表示全極化散射矩陣S的HH、HV、VH、VV四通道數據。並且，矩陣P為2×4矩陣，包含發射波Jones矢量；矩陣D為4×4矩陣，它包含了通道失衡，通道串擾及法拉第旋轉角在內的三種誤差源。步驟S106：建立無誤差的混合極化SAR觀測矢量V；首先，建立無誤差的混合極化SAR觀測矩陣V：然後將式7轉化為矢量形式，得到混合極化SAR觀測矢量V：V＝P0S(8)其中：步驟S108：根據有誤差觀測矢量M及無誤差矢量V建立誤差項e表達式；e＝M-V＝(PD-P0)S(10)步驟S110：根據誤差矢量e建立最大歸一化誤差表達式e：可見，最大歸一化誤差轉化為求解矩陣的2範數，按照通常的2範數求解方法進行求解，即求解(PD-P0)H(PD-P0)矩陣的最大特徵值λmax；根據矩陣論知識可知，得到最大歸一化誤差：需要說明的是，誤差源可以有一個，也可以為多個。對於存在多個誤差源的情況，直接按照式1進行求解即可。以下給出應用上述理論求取僅包含一種誤差源場景時的四種典型實施例。二、實施例二在本發明的第二個示例性實施例中，提供了求解發射波Jones矢量誤差(τ偏差)引起π/4簡縮極化模式下的最大歸一化誤差的方法。本實施例中，僅考慮發射波Jones矢量誤差時，其它誤差設置為零，因此矩陣D變成單位陣列，則最大歸一化誤差表達式e為：其中，λmax[(P-P0)H(P-P0)]表示(P-P0)H(P-P0)的最大特徵值。將發射波Jones矢量誤差的誤差參數φ代入式13中，即可以得到其引起的最大歸一化誤差，具體過程如下：子步驟S202，求解(P-P0)H(P-P0)的最大特徵值λmax。其中，φ的標準無誤差值為45°。任何偏離45°將會帶來誤差。子步驟S204，根據下式，求解出最大化歸一化誤差e：P中誤差變量τ所引起的最大歸一化誤差如圖2所示。圖2中，橫坐標代表橢圓方向角，單位(°)，縱坐標代表最大歸一化誤差值，單位為dB。由圖2可知，若使系統誤差不大於-20dB，則橢圓率τ誤差就控制在±5°之間。三、實施例三在本發明的第三個示例性實施例中，提供了求解通道失衡參數引起的最大歸一化誤差的方法。本實施例中，僅考慮通道失衡的影響，則發射波Jones矢量無誤差，即P＝P0，矩陣D中，Ω，∈h，∈v均為零。誤差變量僅有通道失衡參數kt。誤差表達式為：將通道失衡參數代入式14中，即可以得到其引起的最大歸一化誤差，具體過程如下：子步驟S302，求解(P0D-P0)H(P0D-P0)的最大特徵值λmax。其中，kt為通道失衡參數。代表矩陣直積。子步驟S304，根據下式，求解出最大化歸一化誤差值e：通道失衡參數引起的最大歸一化誤差如圖3所示。圖3中，橫坐標代表通道失衡參數的幅度，單位為dB，縱坐標代表通道失衡參數的相位偏移，單位為(°)，圖中為最大歸一化誤差的等值線，單位為dB。由圖3可知，若使系統誤差不大於-20dB，則通道失衡參數幅度應控制在±1.2dB，相位偏差控制在±8°以內。四、實施例四在本發明的第四個示例性實施例中，提供了求解通道串擾引起的最大歸一化誤差的方法。本實施例中，僅考慮通道串擾的影響，則發射波Jones矢量無誤差，即P＝P0，矩陣D中，Ω，kt均為零。誤差變量僅有通道串擾參數∈h，∈v，且一般假定∈h＝∈v。誤差表達式同式15。將通道串擾參數代入式15中，即可以得到其引起的最大歸一化誤差，具體過程如下：子步驟S402，求解(P0D-P0)H(P0D-P0)的最大特徵值λmax。其中，εh，εv代表通道串擾參數。代表矩陣直積。子步驟S404，根據下式，求解出最大化歸一化誤差e：通道串擾引起的最大歸一化誤差如圖4所示。在圖4中，橫坐標代表通道串擾，單位為dB，縱坐標代表最大歸一化誤差，單位為dB。由圖4可知，若使系統誤差不大於-20dB，則串擾幅度應小於-20dB。五、實施例五在本發明的第五個示例性實施例中，提供了求解法拉第旋轉角引起的最大歸一化誤差的方法。本實施例中，僅考慮法拉第旋轉角，則發射波Jones矢量無誤差，即P＝P0，矩陣D中，∈h，∈v，kt均為零。誤差變量僅有法拉第旋轉角Ω，誤差表達式同式(15)。將法拉第旋轉角誤差代入式15中，即可以得到其引起的最大歸一化誤差，具體過程如下：子步驟S502，求解(P0D-P0)H(P0D-P0)的最大特徵值λmax。其中，Ω代表法拉第旋轉角。代表矩陣直積。子步驟S504，根據下式，求解出最大化歸一化誤差e。法拉第旋轉角引起的最大歸一化誤差如圖5所示。圖5中，橫坐標代表法拉第旋轉角，單位為(°)，縱坐標代表最大歸一化誤差，單位為dB。由圖5可知，若使系統誤差不大於-20dB，則法拉第旋轉角不得超過4°。至此，已經結合附圖對本發明實施例進行了詳細描述。依據以上描述，本領域技術人員應對本發明混合極化SAR系統π/4簡縮極化模式的發射端誤差求解的方法有了清楚的認識。綜上所述，本發明提供了混合極化SAR系統π/4簡縮極化模式發射端誤差求解的方法。對混合極化SAR發射端誤差源：包括發射波Jones矢量偏差，通道失衡，通道串擾，法拉第旋轉角誤差所引起的系統誤差進行清晰明了的計算與分析，並且給出了在系統誤差一定的前提下各誤差源的上限值。該發明為混合極化SAR系統誤差分析及實際系統設計提供了新的技術手段及支持。以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，並不用於限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。