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        基于距離向多子帶拼接技術(shù)的誤差分析

        2017-03-29 05:37:48李德坤譚小敏史平彥
        電子科技 2017年1期
        關(guān)鍵詞:子帶旁瓣頻域

        李德坤,譚小敏,史平彥

        (中國空間技術(shù)研究院西安分院,陜西 西安710100)

        基于距離向多子帶拼接技術(shù)的誤差分析

        李德坤,譚小敏,史平彥

        (中國空間技術(shù)研究院西安分院,陜西 西安710100)

        合成孔徑雷達(dá)(SAR)系統(tǒng)采用多子帶拼接技術(shù)合成大寬帶信號,實(shí)現(xiàn)距離向高分辨成像,工程實(shí)際中各個(gè)子帶信號存在幅度不一致、時(shí)間不一致、相位不一致,而不一致會(huì)影響子帶拼接的性能。文中介紹了時(shí)域和頻域拼接方法,對幅度、時(shí)間、相位不一致進(jìn)行獨(dú)立分析。通過Matlab軟件對幅度、時(shí)間、相位不一致進(jìn)行仿真,分析了不同誤差對子帶拼接帶來的影響。仿真結(jié)果表明,幅度、時(shí)間、相位不一致時(shí),距離向峰值旁瓣比(PSLR)、積分旁瓣比(ISLR)均產(chǎn)生不同程度惡化。

        多子帶拼接;誤差分析;幅度不一致;時(shí)間不一致;相位不一致

        空間分辨率是SAR成像系統(tǒng)的關(guān)鍵性能指標(biāo),目前,國外星載SAR成像系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)0.3 m分辨率,機(jī)載SAR成像系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)0.1 m分辨率[1-4],國內(nèi)星載SAR成像系統(tǒng)還停留在米級,機(jī)載SAR成像系統(tǒng)正在向著0.1 m分辨率發(fā)展。距離向高分辨需要大帶寬信號,實(shí)際中,大帶寬信號的發(fā)射、接收均難以避免引入誤差,現(xiàn)有硬件也難以實(shí)現(xiàn)大帶寬的發(fā)射。利用子帶合成[5-6]技術(shù),來降低距離向高分辨對硬件的要求。合成帶寬方法的主要思想在于降低系統(tǒng)采樣率和瞬時(shí)帶寬。發(fā)射兩個(gè)或多個(gè)具有一定子帶寬的脈沖信號,中心頻率以一定的步長遞進(jìn),回波信號使用數(shù)字信號處理技術(shù)得到全帶寬合成信號。合成帶寬的實(shí)現(xiàn)方法大體有兩類:時(shí)域[7]方法和頻域[8-11]方法,處理思路的出發(fā)點(diǎn)分別是波形的合成和頻譜的合成。

        本文對子帶合成技術(shù)的原理進(jìn)行了分析,系統(tǒng)采用多子帶拼接進(jìn)行大帶寬信號合成,減輕了直接發(fā)射大帶寬信號帶來的技術(shù)和方法上的困難。由于系統(tǒng)硬件等因素的影響,各子帶信號間不可避免地存在幅度不一致、時(shí)間不一致、相位不一致,從而影響子帶合成的質(zhì)量。文中對子帶拼接技術(shù)進(jìn)行了分析,通過對幅度、時(shí)間、相位不一致進(jìn)行仿真,分析了不同誤差對子帶拼接性能的影響。

        1 多子帶拼接誤差分析

        實(shí)現(xiàn)0.1 m的地距分辨率時(shí),多個(gè)子脈沖信號拼接合成一個(gè)寬帶信號。子脈沖的中心頻率以一定的步長遞進(jìn),利用數(shù)字信號處理技術(shù)對子脈沖回波進(jìn)行相干處理得到超寬帶頻譜,實(shí)現(xiàn)距離高分辨率。

        時(shí)域合成帶寬處理主要處理步驟有:上采樣、頻移、相位校正、時(shí)移和相干疊加5個(gè)步驟。頻域合成帶寬方法主要包含相位和幅度校正、子帶信號傅立葉變換、有效頻譜截取、頻譜加窗處理及拼接、逆傅里葉變換5個(gè)步驟。

        假設(shè)全帶寬LMF脈沖信號中心頻率fc,帶寬Bp,調(diào)頻率γ,脈沖長度Tp,子脈沖信號帶寬Bn,脈沖長度為Tpn,頻率步長fstep,步數(shù)N0。為了得到完整的全帶寬信號,頻率步長必須不大于子脈沖信號帶寬,fstep≤Bn。所以,子脈沖中心頻率為

        (1)

        所發(fā)射的線性調(diào)頻信號為

        (2)

        對于單點(diǎn)目標(biāo)的回波,和發(fā)射脈沖載頻相同的相參本振信號sref=exp(j2πfc(k)t)混頻后,接收的基頻信號為

        (3)

        基帶信號的時(shí)域、頻域合成帶寬處理框圖如圖1和圖2所示。

        圖1 時(shí)域帶寬合成處理框圖

        圖2 頻域帶寬合成處理框圖

        時(shí)域算法下,接收信號經(jīng)過參考信號處理,信號轉(zhuǎn)換成基帶信號,基帶的中心是各自的中心載頻fc(k),將信號轉(zhuǎn)換成中心為fc的基帶信號,需要移動(dòng)fc-fc(k),頻移因子為

        (4)

        為保持時(shí)間平移后的子信號拼接邊緣的相位連續(xù)性,補(bǔ)償相位πγ(Δt(k))2

        (5)

        子信號中心與合成信號中心的時(shí)間間隔Δt(k)從本質(zhì)上說就是子信號載頻與合成信號載頻的頻率間隔Δf(k)=fc-fc(k)所決定的,滿足Δt(k)=Δf(k)/γ,即

        (6)

        頻域算法下,對各子帶信號做傅里葉變換,得到n個(gè)子信號的頻譜S(f)。對n個(gè)子信號頻譜截取頻譜中心頻率附近的有效部分fstep,構(gòu)造聯(lián)合譜,當(dāng)頻譜有重疊時(shí),選擇合適的窗函數(shù)對頻譜進(jìn)行加窗處理,以保證頻譜拼接的連續(xù)性和平滑。最后設(shè)計(jì)有效匹配濾波函數(shù),進(jìn)行統(tǒng)一匹配濾波處理,獲得距離向高分辨率圖像。實(shí)際匹配濾波時(shí),最常用的處理方法是通過頻域匹配濾波[12-13]對各個(gè)子信號壓縮。其中,距離向壓縮函數(shù)為

        (7)

        子信號對應(yīng)不同載頻,會(huì)產(chǎn)生一個(gè)和載頻相關(guān)的相位,相位表示如下

        θ(k)=4πRfc(k)/C

        (8)

        該相位會(huì)影響聯(lián)合譜的合成,各子信號的邊緣處會(huì)產(chǎn)生相位不一致,導(dǎo)致成像質(zhì)量的下降。修正后的距離壓縮函數(shù)為

        H(fr)=H0(fr)·exp(-jθ(k))

        (9)

        Chirp信號會(huì)產(chǎn)生菲涅耳現(xiàn)象,菲涅耳現(xiàn)象并不限制在帶寬范圍。在聯(lián)合譜中,各子譜邊緣會(huì)產(chǎn)生周期性的微小波動(dòng),波動(dòng)會(huì)產(chǎn)生虛假目標(biāo)。對其進(jìn)行如下處理

        (10)

        其中,S(fr)為發(fā)射的基帶信號的傅里葉變換。

        2 仿真分析

        工程實(shí)現(xiàn)時(shí),各個(gè)子帶信號的幅度不一致、相位不一致、拼接過程中時(shí)間偏差會(huì)對合成出的信號質(zhì)量造成影響,產(chǎn)生相應(yīng)失真,影響子帶拼接。下面將從幅度不一致、時(shí)間偏差、相位不一致3個(gè)方面進(jìn)行拼接仿真[14-16]。

        假設(shè)子帶間的幅度誤差為固定誤差,子帶1和子帶3信號幅度為1 V,以子帶2存在幅度誤差進(jìn)行分析,發(fā)射波形變成如圖3(a)所示。時(shí)間不一致表現(xiàn)為延遲與超前,不同子帶的延遲與超前對間隔的影響不一樣,下面以子帶2發(fā)生延遲進(jìn)行分析,發(fā)射波形變成如圖3(b)所示。相位誤差使子脈沖在拼接時(shí)邊沿處的相位出現(xiàn)不連續(xù),以子帶1、2信號相位差進(jìn)行分析,發(fā)射波形相位差如圖3(c)所示。

        幅度不一致的對比如表1所示,時(shí)間不一致的對比如表2所示,相位不一致的對比如表3所示。

        表1 幅度不一致對脈壓結(jié)果的影響

        如表1所示,隨著幅度不一致的加大,峰值旁瓣比進(jìn)一步下降,積分旁瓣比升高。原因在于壓縮結(jié)果中出現(xiàn)了成對回波,由于主瓣的能量有很大一部分漏到了旁瓣區(qū)域,惡化積分旁瓣比,主瓣被展寬,旁瓣發(fā)生下降。

        圖3 幅度、時(shí)間、相位不一致的示意圖

        子帶2延遲峰值旁瓣比積分旁瓣比主瓣展寬比0μs-13.3-9.710.2μs-3.87.20.71μs-3.87.30.73μs-3.87.10.7

        從表2看出,加入子帶2延遲后,隨著延遲誤差的增大,峰值旁瓣比與積分旁瓣比均惡化。原因在于脈沖壓縮后的峰值像點(diǎn)周圍出現(xiàn)成對回波,脈沖壓縮后的旁瓣上升嚴(yán)重,主瓣能量分散到旁瓣上。

        表3 相位誤差對脈壓結(jié)果的影響

        從表3可以看出,隨著相位誤差的增大,峰值旁瓣比與積分旁瓣比均惡化。原因在于脈沖壓縮以后在信號周圍出現(xiàn)很多成對回波。脈沖壓縮后的旁瓣上升嚴(yán)重,主瓣能量分散到旁瓣上。

        3 結(jié)束語

        系統(tǒng)采用多子帶拼接進(jìn)行大帶寬信號合成,減輕了直接發(fā)射大帶寬信號帶來的技術(shù)和方法上的困難。各子帶信號間不可避免地存在幅度不一致、時(shí)間不一致、相位不一致,而影響子帶合成的質(zhì)量。本文通過對幅度、時(shí)間、相位不一致進(jìn)行仿真,分析不同誤差對子帶拼接性能的影響。仿真結(jié)果表明,幅度不一致脈壓積分旁瓣比惡化,時(shí)間不一致、相位不一致脈壓峰值旁瓣比與積分旁瓣比均惡化,仿真為實(shí)際工程中產(chǎn)生的性能惡化分析提供了理論基礎(chǔ),在工程實(shí)踐中需要對不同誤差加以分析,以達(dá)到系統(tǒng)對距離向高分辨的要求。

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        Error Analysis Based on the Technology of Multiple Sub-band Signal Splicing in Range Direction

        LI Dekun,TAN Xiaomin,SHI Pingyan

        (Xi’an Institute of Space Radio Technology, Xi’an 710100, China)

        Larger transmitting bandwidth is needed to get range direction high-resolution imaging in Synthetic Aperture Radar (SAR) system. Though, large bandwidth signal faces many problems on techniques and methods. Multiple sub-band signal splicing technique is used to produce large bandwidth signal to gain high-resolution images. Influenced by hardware in engineering, the amplitude, time and phase of each sub-band are different. The performance of sub-band splicing is affected by those differences. Error analysis on sub-band splicing is brought by different simulation with different amplitude, time and phase. The simulation results demonstrate varying degrees of deterioration in range direction PSLR and ISLR when the different amplitude, time and phase are used.

        smultiple sub-band signal splicing; error analysis; difference on amplitude; difference on time; difference on phase

        2016- 03- 18

        李德坤(1991-),男,碩士研究生。研究方向:SAR成像處理技術(shù)等。史平彥(1965-),男,研究員,碩士生導(dǎo)師。研究方向:空間遙感等。譚小敏(1980-),男,高級工程師。研究方向:SAR成像處理技術(shù)等。

        10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.01.015

        TN957.52

        A

        1007-7820(2017)01-054-04

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