郭 磊王 宇鄧云凱王 偉②羅繡蓮②

①(中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所 北京 100190)

②(中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100190)

基于方位向相位編碼技術(shù)的方位向多通道SAR距離模糊抑制方法

郭 磊*①②王 宇①鄧云凱①王 偉①②羅繡蓮①②

①(中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所 北京 100190)

②(中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100190)

距離模糊一直是影響合成孔徑雷達(dá)(SAR)成像質(zhì)量的重要因素之一。方位向相位編碼(APC)技術(shù)是一種有效抑制距離模糊的方法，但是由于APC技術(shù)高度依賴于高過采樣率，對(duì)于多通道SAR系統(tǒng)，APC技術(shù)的距離模糊抑制效果很有限。該文提出一種新的基于APC技術(shù)的多通道系統(tǒng)距離模糊抑制方法。該方法首先通過APC技術(shù)將部分距離模糊信號(hào)產(chǎn)生方位平移，通過額外增加接收通道數(shù)提供的額外信號(hào)自由度，能夠在方位向上通過合適的數(shù)字波束形成(DBF)技術(shù)同時(shí)濾去距離模糊和重建方位向信號(hào)，因此距離模糊信號(hào)可以被很好地抑制。該文最后給出仿真結(jié)果，證明該方法的有效性。

合成孔徑雷達(dá)；方位向相位編碼；多通道；距離模糊抑制

1 引言

由于最小天線面積的限制，傳統(tǒng)星載合成孔徑雷達(dá)(SAR)無法同時(shí)達(dá)到高方位分辨率和寬測(cè)繪幅寬[1,2]。方位向多通道技術(shù)能夠利用空間采樣來彌補(bǔ)時(shí)間采樣上的不足，能夠克服最小天線面積的約束，因此方位向多通道SAR系統(tǒng)能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)高方位分辨率和寬測(cè)繪幅寬[3]。但是，由于方位向多通道SAR系統(tǒng)的測(cè)繪幅寬較寬，會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的距離模糊問題，這些距離模糊信號(hào)會(huì)對(duì)成像結(jié)果造成嚴(yán)重的影響。

為了解決上述問題，學(xué)者們先后提出了許多方法來抑制距離模糊，包括正負(fù)調(diào)頻率技術(shù)[4]、距離向數(shù)字波束形成(Digital BeamForming, DBF)技術(shù)[5]、方位向相位編碼(Azimuth Phase Coding, APC)技術(shù)[6]等。APC技術(shù)能夠通過合理的發(fā)射信號(hào)相位調(diào)制和接收信號(hào)的相位解調(diào)，改變距離模糊信號(hào)的方位多普勒頻率位置，使之與有用信號(hào)的區(qū)別開來，然后通過濾波器將部分距離模糊信號(hào)濾去。由于濾波器只能濾去處理多普勒帶寬和脈沖重復(fù)頻率(Pulse Repetition Frequency, PRF)之間的信號(hào)，因此APC技術(shù)抑制距離模糊的效果嚴(yán)重依賴SAR系統(tǒng)的過采樣率。方位向多通道SAR系統(tǒng)的PRF遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于單通道系統(tǒng)，因此APC技術(shù)在用于多通道系統(tǒng)時(shí)效果較差[7,8]。

本文提出一種新的基于APC技術(shù)的方位向多通道SAR系統(tǒng)的距離模糊抑制方法。首先通過APC技術(shù)，將距離模糊信號(hào)和有用信號(hào)在方位向頻率上分離，再利用額外的多個(gè)接收通道來使用方位向DBF技術(shù)濾去距離模糊并重建采集信號(hào)。這樣，絕大部分分離出的距離模糊信號(hào)都能被抑制。

本文的余下部分結(jié)構(gòu)如下：第2節(jié)簡(jiǎn)單介紹了APC方法；第3節(jié)給出了本文所示的距離模糊抑制方法；第4節(jié)給出了仿真結(jié)果來驗(yàn)證方法的有效性；第5節(jié)給出了本文的結(jié)論。

2 APC方法簡(jiǎn)介

傳統(tǒng)的利用APC技術(shù)抑制距離模糊的方法需要3個(gè)步驟：對(duì)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行相位調(diào)制，對(duì)接收回波信號(hào)進(jìn)行相位解調(diào)以及利用方位向處理濾去帶外的距離模糊信號(hào)。通過合適的相位調(diào)制和解調(diào)，可以使距離模糊信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)殘余的相位，而對(duì)有用信號(hào)沒有影響，這使得距離模糊信號(hào)與有用信號(hào)在方位多普勒域上分離開，因此能夠通過選取合理的處理帶寬來濾去部分距離模糊信號(hào)。

對(duì)發(fā)射信號(hào)的調(diào)制相位如式(1)所示：

其中，l表示第幾個(gè)發(fā)射脈沖，M表示頻率轉(zhuǎn)移因子。當(dāng)1M=時(shí)等于未使用APC方法，因此式(1)中2M≥。

接收信號(hào)的解調(diào)相位如式(2)所示：

其中n表示第幾個(gè)回波脈沖，d表示有用信號(hào)從發(fā)射到接收這段時(shí)間內(nèi)共發(fā)射了多少個(gè)脈沖信號(hào)。相比于有用信號(hào)，第k階距離模糊信號(hào)延遲了PRIk?時(shí)間到達(dá)接收機(jī)，PRI表示脈沖重復(fù)周期。因此通過式(1)和式(2)調(diào)制和解調(diào)，第k階距離模糊信號(hào)將會(huì)有一個(gè)額外的殘余相位，如式(3)所示：

其中PRF表示脈沖重復(fù)頻率，tm=n/PRF 代表方位向時(shí)間。從式(3)可以看出，第k階距離模糊信號(hào)在方位多普勒頻率域平移了k?PRF/M。圖1顯示了當(dāng)M=3時(shí)使用APC調(diào)制和解調(diào)后的多普勒頻域。對(duì)于任意整數(shù)I來說，第k階距離模糊信號(hào)與第k+M?I階距離模糊信號(hào)有相同的頻率偏移，圖中實(shí)線表示有用信號(hào)和第M?I階距離模糊信號(hào)的頻譜(沒有頻率偏移)，點(diǎn)劃線表示第1MI+?階距離模糊信號(hào)的頻譜，虛線表示第2MI+?階距離模糊信號(hào)的頻譜，aB表示多普勒帶寬，pB表示處理的多普勒帶寬，af表示多普勒頻率，陰影部分表示能夠?yàn)V去的距離模糊部分。

由圖1可以看出，由于能夠?yàn)V去的距離模糊信號(hào)部分是在PRF與pB之間，因此要實(shí)現(xiàn)高的距離模糊抑制的效果，SAR系統(tǒng)需要高的過采樣率。由于方位向多通道SAR系統(tǒng)的系統(tǒng)PRF遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于處理帶寬pB，因此傳統(tǒng)的APC方法對(duì)多通道SAR系統(tǒng)的距離模糊抑制效果很差。文獻(xiàn)[7]給出一種基于APC方法和距離向DBF技術(shù)的距離模糊抑制方法，但這種方法也受制于通道個(gè)數(shù)，當(dāng)方位向通道數(shù)較多的時(shí)候該方法抑制模糊的能力有限。

3 基于APC技術(shù)的多通道SAR距離模糊抑制方法

對(duì)于傳統(tǒng)的多通道SAR系統(tǒng)，通過APC技術(shù)將距離模糊信號(hào)和有用信號(hào)分離的時(shí)頻關(guān)系圖如圖2(a)所示(圖中以方位向3通道為例，頻率轉(zhuǎn)移因子M=2)。由于APC頻率轉(zhuǎn)移因子為2，因此奇數(shù)階距離模糊信號(hào)與有用信號(hào)產(chǎn)生了PRF/2頻移，而偶數(shù)階距離模糊信號(hào)與有用信號(hào)沒有分離。

當(dāng)圖2(a)所示的方位頻譜通過PRF采樣后，時(shí)頻關(guān)系如圖2(b)所示。由于PRF只有合成PRF的三分之一，有用信號(hào)和模糊信號(hào)被分為3部分混疊在一起。再通過多通道重建濾波器對(duì)有用信號(hào)進(jìn)行重建后，得到的時(shí)頻關(guān)系如圖2(c)所示。可以看到，距離模糊信號(hào)非但沒有被抑制，反而更加嚴(yán)重(這與多通道系統(tǒng)的方位模糊更加嚴(yán)重的原理相同)。傳統(tǒng)的APC技術(shù)只能將陰影區(qū)域的距離模糊信號(hào)濾去，相比于單通道系統(tǒng)使用APC技術(shù)抑制距離模糊，多通道系統(tǒng)抑制距離模糊的程度很有限。

圖1 使用APC方法后的方位多普勒頻率示意圖

圖2 多通道系統(tǒng)使用APC技術(shù)的時(shí)頻關(guān)系圖

對(duì)于圖2所示的3通道系統(tǒng)，信號(hào)處理時(shí)需要3個(gè)通道的數(shù)據(jù)即3個(gè)自由度來對(duì)有用信號(hào)做無損恢復(fù)。若該系統(tǒng)參數(shù)不變，但使用5個(gè)接收通道接收數(shù)據(jù)，則除了利用3個(gè)自由度來重建信號(hào)外，還可以有2個(gè)自由度來對(duì)距離模糊信號(hào)的位置做重建處理，如圖3所示。圖3(a)中，重建中間部分有用信號(hào)時(shí)對(duì)left,2θ,left,1θ,right,1θ,right,2θ4個(gè)位置做方位向DBF零陷處理，即可得到重建處理和距離模糊抑制后的結(jié)果，如圖3(b)所示?？梢钥闯?，奇數(shù)階距離模糊信號(hào)被大大抑制。

對(duì)于圖3所示的多通道系統(tǒng)，要同時(shí)實(shí)現(xiàn)多通道重建處理和距離模糊抑制，則方位向DBF的加權(quán)向量mp需要滿足式(4)：

圖3 利用額外的自由度對(duì)使用APC技術(shù)的多通道系統(tǒng)做距離模糊抑制處理

其中為方位向接收矩陣，如式(5)～式(7)所示。da表示子通道間間距，λ表示波長(zhǎng)，θ1,θ2,θ3表示3部分有用信號(hào)的位置。根據(jù)式(4)得到DBF加權(quán)矢量pm，將各個(gè)通道采集數(shù)據(jù)通過該加權(quán)矢量，得到多通道重建處理和距離模糊抑制后的頻譜信號(hào)，再通過普通成像算法即可得到距離模糊抑制后的圖像[9-11]。

4 仿真結(jié)果

為了驗(yàn)證第3節(jié)所示的抑制距離模糊的方法，本節(jié)設(shè)計(jì)了一個(gè)5通道星載SAR系統(tǒng)進(jìn)行仿真，該系統(tǒng)的主要參數(shù)如表1所示。

表1 多通道星載SAR系統(tǒng)參數(shù)

該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)1.00 m分辨率和50 km的測(cè)繪幅寬，5個(gè)通道可以產(chǎn)生5個(gè)接收相位中心，即5個(gè)方位向DBF自由度。其中3個(gè)自由度用來進(jìn)行多通道非均勻重建，剩下兩個(gè)用來抑制奇數(shù)階距離模糊。系統(tǒng)PRF為3160 Hz，計(jì)算得到系統(tǒng)的方位模糊比(Azimuth Ambiguity-to-Signal Ratio, AASR)為-23.52 dB，滿足X波段星載SAR系統(tǒng)一般的方位模糊要求。該波位的時(shí)序關(guān)系圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)的時(shí)序關(guān)系圖

為了驗(yàn)證該方法對(duì)距離模糊的抑制情況，仿真中在成像場(chǎng)景中心和所有的距離模糊區(qū)中心都放置一個(gè)點(diǎn)目標(biāo)，該星載SAR系統(tǒng)的成像場(chǎng)景區(qū)域和距離模糊區(qū)如圖5所示，模糊區(qū)內(nèi)的雷達(dá)信號(hào)會(huì)通過天線旁瓣進(jìn)入雷達(dá)接收機(jī)，同成像區(qū)回波信號(hào)混疊，造成距離模糊，降低成像質(zhì)量。由文獻(xiàn)[12](P190的式(5～79))的雷達(dá)方程知，每個(gè)點(diǎn)目標(biāo)的回波能量功率如式(8)所示。σ0為每個(gè)點(diǎn)目標(biāo)的后向散射系數(shù)，為了方便起見，所有的點(diǎn)目標(biāo)的后向散射系數(shù)都設(shè)置為1, G為單程天線方向圖(本仿真中天線方向圖使用sinc函數(shù))，R為天線到每個(gè)點(diǎn)目標(biāo)的斜距，θInc為每個(gè)點(diǎn)目標(biāo)的入射角，Pt為發(fā)射峰值功率，τP為發(fā)射脈沖脈寬，c為光速，vs為衛(wèi)星飛行速度。

對(duì)于有用信號(hào)能量和模糊信號(hào)來說，除了入射角θInc不同，式(8)中的參數(shù)都相同。因此消去相同項(xiàng)后距離模糊比(Range Ambiguity-to-Signal Ratio, RASR)的計(jì)算公式如式(9)所示[12]，θInc-signal為成像區(qū)內(nèi)每個(gè)距離位置的入射角，θInc-amb,i為第i個(gè)模糊區(qū)內(nèi)每個(gè)距離位置的入射角。

圖5 成像區(qū)和模糊區(qū)示意圖

圖6給出未做距離模糊抑制的點(diǎn)目標(biāo)成像結(jié)果，圖6(a)為場(chǎng)景中心的點(diǎn)目標(biāo)成像結(jié)果，方位向分辨率為0.91 m(較指標(biāo)的1.00 m分辨率更好一些，主要是為后期的加窗處理等留出余量)，峰值旁瓣比為-13.25 dB，積分旁瓣比為-9.81 dB。圖6(b)為所有模糊能量成像后的結(jié)果(該成像結(jié)果最終會(huì)疊加到場(chǎng)景中心的點(diǎn)目標(biāo)成像結(jié)果上)，模糊能量的峰值在-39 dB左右。

圖7給出了使用本文提出的距離模糊抑制方法后的點(diǎn)目標(biāo)成像結(jié)果，圖7(a)為場(chǎng)景中心的點(diǎn)目標(biāo)成像結(jié)果，方位向分辨率為0.91 m，峰值旁瓣比為-13.25 dB，積分旁瓣比為-9.81 dB。圖7(b)為距離模糊抑制后的所有模糊能量成像結(jié)果，模糊能量的峰值在-52 dB左右。由圖6(a)，圖7(a)可以看出，使用本文的方法得到的成像結(jié)果同未使用本方法的成像結(jié)果性能相同，因此本文方法不會(huì)對(duì)有用信號(hào)產(chǎn)生影響，不會(huì)惡化成像結(jié)果。由圖6(b)，圖7(b)相比，使用本文方法距離模糊被有效抑制，峰值從-39 dB降低到-52 dB。

圖8給出了整個(gè)50 km測(cè)繪帶內(nèi)的距離模糊比(RASR)，可以看出使用本文方法后，整個(gè)測(cè)繪帶內(nèi)的最差距離模糊度從-21.34 dB提升到了-32.21 dB，驗(yàn)證了本方法的有效性。

圖6 未做距離模糊抑制的點(diǎn)目標(biāo)成像結(jié)果

圖7 使用了本文提出的距離模糊抑制方法后的點(diǎn)目標(biāo)成像結(jié)果

圖8 整個(gè)測(cè)繪帶內(nèi)的距離模糊度

5 結(jié)束語

本文給出了一種新的對(duì)于多通道系統(tǒng)的距離模糊抑制方法。通過增加接收通道個(gè)數(shù)并使用APC技術(shù)，該方法能夠有效地降低多通道系統(tǒng)的距離模糊。由于距離模糊嚴(yán)重的制約了寬幅SAR系統(tǒng)的發(fā)展，因此本方法在未來將會(huì)有良好的應(yīng)用前景。在未來的SAR系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以采用多發(fā)多收MIMO-SAR的設(shè)計(jì)方法，顯著增加方位向天線相位中心個(gè)數(shù)，并結(jié)合本文的方法，實(shí)現(xiàn)多通道距離模糊的抑制[13-17]。

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郭 磊： 男，1988年生，博士生，研究方向?yàn)楹铣煽讖嚼走_(dá)系統(tǒng)仿真.

王 宇： 男，1979年生，研究員，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樾禽d合成孔徑雷達(dá).

鄧云凱： 男，1962年生，研究員，博士生導(dǎo)師，長(zhǎng)期從事合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和微波技術(shù)的研究.

Range Ambiguity Suppression for Multi-channel SAR System Using Azimuth Phase Coding Technique

Guo Lei①②Wang Yu①Deng Yun-kai①Wang Wei①②Luo Xiu-lian①②①(Institute of Electronics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)
②(University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)

For Synthetic Aperture Radar (SAR), the range ambiguity is one of the important factors causing significant deterioration of the imaging performance. Azimuth Phase Coding (APC) technique is an effective method to suppress the range ambiguity. However, since the suppression performance heavily depends on the system over-sampling rate, the APC technique could not have the same suppression performance for a multi-channel SAR system compared with a single-channel SAR system. This paper presents a novel method to suppress the range ambiguity for multi-channel SAR system based on the APC technique. First, the range ambiguity can be shifted in the azimuth frequency domain by using the APC technique, then by taking advantages of more phase centers of multiple channels, the Digital BeamForming (DBF) method can be used to filter out the range ambiguity and reconstruct the useful signal, thus most of the ambiguity components can be suppressed significantly. Finally, the simulation results validate the effectiveness of the proposed method.

SAR; Azimuth Phase Coding (APC); Multiple channel; Range ambiguity suppression

TN957.51

A

1009-5896(2015)03-0601-06

10.11999/JEIT140707

2014-05-27收到，2014-09-05改回

*通信作者：郭磊 guoleiwk@mail.ustc.edu.cn