蘭 嵐，廖桂生，王寒冰，許京偉

(1.西安電子科技大學(xué) 雷達(dá)信號(hào)處理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710071;2.中國航天科工集團(tuán)八五一一研究所，江蘇 南京 211100)

0 引言

合成孔徑雷達(dá)(SAR)因其全天時(shí)、全天候的工作能力，可得到具有高分辨寬測繪帶的微波圖像，廣泛應(yīng)用于軍事和民用領(lǐng)域[1-3]。然而，受限于“最小天線面積約束”條件，傳統(tǒng)SAR在同時(shí)提升方位分辨率和測繪帶寬時(shí)，無法通過選擇適當(dāng)?shù)拿}沖重復(fù)頻率(PRF)來避免主瓣內(nèi)發(fā)生方位模糊或(和)距離模糊，所以無法實(shí)現(xiàn)高分辨寬測繪帶(HRWS)成像[4-6]。因此，需要解決寬測繪帶與高方位分辨率之間的矛盾，即需要克服SAR系統(tǒng)中主瓣距離模糊或(和)主瓣方位模糊問題。由于方位模糊問題比距離模糊問題更容易解決[7-8]，故在方位多通道SAR系統(tǒng)中，為避免整個(gè)測繪帶寬內(nèi)的距離模糊現(xiàn)象，通常采用較低的PRF，盡管會(huì)導(dǎo)致多普勒模糊(方位模糊)。

針對SAR中的距離模糊抑制問題，學(xué)者們開展了大量研究，主要包括以下幾個(gè)方面：① 波形編碼技術(shù)利用發(fā)射波形的脈沖間變化，通過發(fā)射波形的多樣性來抑制距離模糊[9-12]；② 利用俯仰維DBF技術(shù)來解距離模糊，從而得到HRWS圖像[13-15]；③ 借助多輸入多輸出(MIMO)-SAR更高的系統(tǒng)自由度來解決距離模糊和方位模糊問題[16-17]。然而，對于傳統(tǒng)的MIMO-SAR系統(tǒng)，由于傳統(tǒng)的MIMO雷達(dá)的空間頻率僅與方位角有關(guān)，而與斜距無關(guān)，因此在發(fā)射空間頻率域無法區(qū)分來自不同距離模糊區(qū)域的雜波。因此，在其基礎(chǔ)上利用新體制頻率分集陣(FDA)-SAR[18]。FDA是一種波形分集新體制雷達(dá)，由其陣元間頻率步進(jìn)量所引入的距離維自由度為解決SAR成像中的距離模糊問題帶來了更多可能性。然而實(shí)際中不同發(fā)射波形所對應(yīng)的回波在接收端的分離是一個(gè)值得深入研究的問題。

本文基于波形分集技術(shù)，研究解SAR距離模糊回波從而實(shí)現(xiàn)HRWS成像的方法。由于期望回波與距離模糊回波對應(yīng)于不同的發(fā)射脈沖，若其主瓣指向隨慢時(shí)間而變化，則可等效在方位空域上對來自不同距離模糊區(qū)間的回波進(jìn)行分辨。由于發(fā)射波束的主瓣指向受各發(fā)射陣元的相位控制，因此可以在發(fā)射通道和脈沖之間進(jìn)行同時(shí)的相位編碼(EPC)。在此基礎(chǔ)上，本文建立了EPC體制下的回波信號(hào)模型；對EPC體制下的距離模糊回波在方位空域的分離原理進(jìn)行了分析，進(jìn)一步對發(fā)射端各陣元和脈沖間的編碼系數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)；最后，通過仿真實(shí)驗(yàn)分析了所提方法的距離模糊抑制性能，并基于點(diǎn)目標(biāo)和擴(kuò)展目標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證。

1 信號(hào)模型

EPC-MIMO-SAR系統(tǒng)模型如圖1所示。

圖1 EPC-MIMO-SAR 系統(tǒng)模型Fig.1 System Model of EPC-MIMO-SAR

考慮一個(gè)沿航跡布置著M發(fā)射通道、N接收通道的共置MIMO-SAR系統(tǒng)，其中不同通道之間以d等間距放置?？紤]SAR系統(tǒng)工作在正側(cè)條帶模式下，天線俯仰維的主瓣覆蓋了P個(gè)距離模糊區(qū)，其距離模糊區(qū)幅寬由最大無模糊距離Ru及其各自對應(yīng)的俯仰角范圍決定，平臺(tái)速度為v。以第一個(gè)發(fā)射通道為參考點(diǎn)，其中來自第k(k=1,2,…,K)個(gè)脈沖的第m(m=1,2,…,M)個(gè)發(fā)射通道的編碼構(gòu)建為：

Φm,k=2πγ(m-1)(k-1)，

(1)

則不同通道、脈沖間的發(fā)射編碼矩陣可以表示為：

(2)

則發(fā)射脈沖信號(hào)可以表示為：

(3)

對于第一距離區(qū)域靜態(tài)點(diǎn)目標(biāo)，則第k個(gè)發(fā)射脈沖后，其第k個(gè)接收窗內(nèi)到達(dá)第n個(gè)接收通道的回波可表示為[11]：

(4)

(5)

由于發(fā)射陣元編碼在每個(gè)脈沖都變化，因此，等效的發(fā)射角度在不同脈沖間是變化的，EPC接收處理如圖2所示。

圖2 EPC接收處理Fig.2 Receiving and Processing of EPC

對該發(fā)射編碼進(jìn)行匹配，將來自第k個(gè)脈沖的各個(gè)接收陣元信號(hào)經(jīng)匹配濾波器后可以表示為一個(gè)矢量y(τ,tk)∈MN×1：

y(τ,tk)=ξs(tk)e(τ,tk)⊙a(bǔ)(θ(tk))，

(6)

(7)

進(jìn)而，在第k個(gè)接收窗內(nèi)(距離壓縮后)混疊回波的第l個(gè)距離快拍可寫成：

aRe(?(tk))d?(tk),l=1,…,L,k=1,…,K，

(8)

2 距離解模糊原理

2.1 EPC技術(shù)脈沖等效分離原理

對于傳統(tǒng)的MIMO-SAR系統(tǒng)，來自不同距離區(qū)域的回波所對應(yīng)的發(fā)射方向圖均指向相同方位，則來自不同距離區(qū)域回波的頻譜在多普勒域相互重疊，從而無法對不同距離模糊回波進(jìn)行區(qū)分。

(9)

可見，固定編碼系數(shù)和角度，發(fā)射空間頻率僅與延遲脈沖數(shù)有關(guān)。因此不同發(fā)射脈沖數(shù)對應(yīng)的發(fā)射空間頻率不同。實(shí)際上，來自不同發(fā)射脈沖的回波信號(hào)對應(yīng)不同的距離模糊區(qū)間。EPC 相當(dāng)于給不同的距離模糊區(qū)做了特殊的“標(biāo)記”，在發(fā)射端經(jīng)過發(fā)射波形分離和解碼后，來自不同距離模糊區(qū)間的回波等效具有不同的波束指向，因此，利用EPC技術(shù)，來自不同距離模糊區(qū)的回波對應(yīng)于不同的發(fā)射脈沖，可以通過對發(fā)射通道的發(fā)射脈沖進(jìn)行相位編碼，使其對應(yīng)的發(fā)射波束主瓣指向在不同方位角。

2.2 編碼系數(shù)設(shè)計(jì)方案

對于延遲了k0個(gè)脈沖的回波，發(fā)射空間頻域的歸一化等效發(fā)射方向圖可以表示為：

(10)

(11)

因此，通過合適地設(shè)計(jì)編碼系數(shù)，可以提取出位于特定距離模糊區(qū)間的信號(hào)，同時(shí)抑制來自其他距離模糊區(qū)間的回波。圖 3給出了16元陣對應(yīng)的某一時(shí)刻不同距離區(qū)域的回波對應(yīng)的方位發(fā)射方向圖，選擇不同的編碼系數(shù)，不同回波對應(yīng)的方向圖主瓣指向?qū)?zhǔn)不同的零點(diǎn)。

3 仿真分析

本節(jié)通過仿真實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證所提EP技術(shù)的解模糊效果和HRWS-SAR成像結(jié)果。表 1給出了系統(tǒng)仿真參數(shù)。

表1 仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)Tab.1 Simulation experiment parameters

圖 4 給出了當(dāng)發(fā)射和接收權(quán)矢量均為全1矢量時(shí)，相鄰的3個(gè)距離模糊區(qū)所對應(yīng)的收發(fā)雙程方向圖。若接收與發(fā)射通道數(shù)相同，即N=M，則接收方向圖與解碼后期望距離區(qū)域回波所對應(yīng)的發(fā)射方向圖完全一致[11]。

圖4 發(fā)射和接收權(quán)矢量均為全1矢量時(shí)3個(gè)距離模糊區(qū)域回波對應(yīng)的雙程方向圖，M=16Fig.4 Azimuth round-trip patterns corresponding to echoes of three adjacent range regions with the transmitting and receiving weight vectors all 1 vector,M=16

進(jìn)一步，考慮3個(gè)距離區(qū)域內(nèi)的多個(gè)散射點(diǎn)，其斜距和方位位置如圖 5 所示。圖 5 (a)給出了存在距離模糊時(shí)傳統(tǒng)無編碼的SAR成像結(jié)果，其中3個(gè)距離區(qū)域的成像結(jié)果相互混疊。相比之下，以圖 5 (b)以第1個(gè)距離模糊區(qū)為例，若采用所提EPC編碼技術(shù)解距離模糊，不同距離區(qū)域的RAR圖像可被分開，可以得到期望的第1個(gè)距離區(qū)域的圖像，而其他非期望距離區(qū)域圖像已被降低，即成功地將第1個(gè)距離區(qū)域的主瓣回波從混疊的回波中“提取”了出來[11]。

(a)傳統(tǒng)無編碼

最后，在包含擴(kuò)展目標(biāo)的復(fù)雜場景中。首先將實(shí)測所得的SAR圖像中4個(gè)不同區(qū)域塊的幅度信息來仿真生成場景回波數(shù)據(jù)，其中，不同區(qū)域塊具有相同方位。如圖 6 (a)，原始圖像中由于距離模糊的存在，不同距離區(qū)域的回波在接收端造成混疊，如圖 6 (b)所示利用所提EPC解模糊技術(shù)對不同距離區(qū)域進(jìn)行成像后，距離模糊回波能夠被有效抑制，最終得到了HRWS-SAR圖像。

(a)傳統(tǒng)無編碼

4 結(jié)束語

本文提出了一種新型多通道發(fā)射分集SAR體制來實(shí)現(xiàn)HRWS-SAR成像，通過在發(fā)射通道和慢時(shí)間同時(shí)踐行相位編碼解決了SAR系統(tǒng)中所面臨的距離模糊問題。通過設(shè)計(jì)編碼系數(shù)，可在方位空域?qū)Σ煌：嚯x區(qū)域的主瓣回波進(jìn)行分離，即可從混疊回波中提取將所期望的距離區(qū)域的主瓣回波，然后對每個(gè)距離區(qū)域分別進(jìn)行成像后，將每個(gè)距離區(qū)域的高分辨SAR圖像進(jìn)行組合，最終可獲得HRWS-SAR圖像。未來的研究中，將進(jìn)一步對適用于MIMO-SAR系統(tǒng)的正交波形進(jìn)行設(shè)計(jì)，并研究通道誤差對解距離模糊性能以及SAR圖像質(zhì)量的影響。