兩發(fā)兩收SAR系統(tǒng)互相關(guān)噪聲消除方法研究

黃平平

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院 呼和浩特 010051)

1 引言

在常規(guī)星載SAR系統(tǒng)中，方位分辨率和測(cè)繪帶寬是一對(duì)矛盾[1,2]，而近年來(lái)出現(xiàn)的新體制合成孔徑雷達(dá)——多發(fā)多收合成孔徑雷達(dá)(Multi-Input and Multi-Output Synthetic Aperture Radar,MIMOSAR)[3,4]，可以在保持分辨率的同時(shí)獲得更寬的測(cè)繪帶。

對(duì)一種新體制的雷達(dá)系統(tǒng)，適用于該體制發(fā)射波形的研究是首要的，由此，國(guó)內(nèi)外的一些研究者基于對(duì)一些基本正交信號(hào)模糊函數(shù)的分析，展開了同載頻MIMO-SAR波形的研究。鮑坤超等[5]將大時(shí)寬帶寬積的空間相位編碼步進(jìn)頻率信號(hào)與m序列碼相結(jié)合，應(yīng)用于多發(fā)單收體制下的分布式小衛(wèi)星雷達(dá)系統(tǒng)，獲得良好的距離和多普勒分辨率，但是該方法沒有解決方位和距離模糊過(guò)大的問題；Jian Li在文獻(xiàn)[6]中提出了一種直接設(shè)計(jì)信號(hào)波形矩陣的方法，但直接基于信號(hào)波形矩陣進(jìn)行優(yōu)化是一個(gè)更加復(fù)雜和難以解決的問題。上述研究成果都對(duì)MIMO-SAR的波形設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入的研究，但是這些波形都由于旁瓣過(guò)高和去“耦合”等問題，還無(wú)法作為MIMO-SAR的實(shí)際發(fā)射波形。

目前關(guān)于同載頻 MIMO-SAR的研究，幾乎都毫無(wú)例外的假設(shè)波形為同載頻理想正交波形[7,8]，但在實(shí)際中幾乎不存在互相關(guān)為零的多信號(hào)集合，互相關(guān)噪聲是必然存在的。也有學(xué)者進(jìn)行了利用Chirp信號(hào)作為 MIMO-SAR發(fā)射信號(hào)的探索，文獻(xiàn)[9]論述了雙星同中心頻率多發(fā)多收原理，指出由于正調(diào)頻信號(hào)對(duì)負(fù)調(diào)頻信號(hào)的匹配函數(shù)失配，脈沖壓縮效果不理想。文獻(xiàn)[10]中也對(duì)此進(jìn)行了深入的研究，說(shuō)明了消除互相關(guān)噪聲的重要性。針對(duì)同載頻MIMO-SAR系統(tǒng)在信號(hào)分離時(shí)產(chǎn)生的互相關(guān)噪聲問題，本文通過(guò)分析提出一種基于限幅濾波器和逆濾波的抑制互相關(guān)噪聲的方法，通過(guò)限幅濾除了互相關(guān)噪聲的大部分能量，可以一定程度上改善成像效果，尤其是對(duì)強(qiáng)點(diǎn)目標(biāo)效果更好。

2 碼分法原理

同載頻雷達(dá)系統(tǒng)基本采用碼分法，即利用各發(fā)射信號(hào)自相關(guān)性好、互相關(guān)性差的特點(diǎn)來(lái)進(jìn)行回波分離[3]。對(duì)正、負(fù)調(diào)頻信號(hào)的自相關(guān)性及互相關(guān)性進(jìn)行了仿真，結(jié)果如圖1所示。

圖1 正、負(fù)調(diào)頻信號(hào)的自相關(guān)及互相關(guān)性仿真圖

從圖1中可以看到，正、負(fù)調(diào)頻信號(hào)具有較高的自相關(guān)峰值，其互相關(guān)峰值較低，基本符合自相關(guān)性好，互相關(guān)性差的要求，說(shuō)明同載頻MIMO-SAR系統(tǒng)具有碼分法的可能性。

3 常規(guī)的碼分法

假設(shè)子孔徑1發(fā)射的正調(diào)頻信號(hào)為S1(t)，子孔徑2發(fā)射的負(fù)調(diào)頻信號(hào)為S2(t)，以子孔徑1為例進(jìn)行說(shuō)明，子孔徑 1接收到的混合回波信號(hào)為(S1(t) +S2(t))，為將S1(t)和S2(t)分離開來(lái)，常規(guī)的碼分法的分離思路如下：

其中?表示卷積運(yùn)算。對(duì)式(1)中分離S1(t)式進(jìn)行展開，發(fā)射信號(hào)可以表示為

回波信號(hào)為

T0為時(shí)間延遲。對(duì)回波信號(hào)做上調(diào)頻信號(hào)的匹配濾波，匹配濾波函數(shù)表示為S1?(?t)，其頻域表示為，其中“?”表示取共軛操作。由駐定相位定理，信號(hào)匹配濾波器后的頻域表示為

變換到時(shí)域，得到經(jīng)過(guò)脈沖壓縮的輸出信號(hào)為

通過(guò)S1?(?t)的匹配濾波分離出S1(t)。但S2(t) ?S1?(?t)的結(jié)果不為零，成為了互相關(guān)噪聲，抬高了S1(t)匹配濾波結(jié)果的旁瓣電平，此時(shí)信號(hào)S2(t)相當(dāng)于信號(hào)S1(t)的干擾信號(hào)。當(dāng)用與S2?(?t)的匹配濾波分離混合信號(hào)中的S2(t)時(shí)結(jié)果類似。因此，用這種方法得到的信號(hào)分離效果并不理想。

4 改進(jìn)的碼分法

為了解決上述常規(guī)分離方法導(dǎo)致的旁瓣過(guò)高問題，本文提出一種基于限幅濾波器的改進(jìn)的碼分法。仍以從混合信號(hào) (S1(t) +S2(t))中將信號(hào)S1(t)分離出來(lái)為例，常規(guī)分離方法如上所述是直接用信號(hào)S1?(?t)與混合信號(hào)匹配濾波，從而得到S1(t)，雖然分離過(guò)程簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，但是代價(jià)是保留了大量的互相關(guān)噪聲。改進(jìn)方法是首先對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行匹配濾波，并對(duì)匹配濾波結(jié)果進(jìn)行限幅和逆匹配濾波操作，再對(duì)目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行匹配濾波，即可得到更好的脈壓效果，其詳細(xì)流程如下：

(1)匹配干擾信號(hào)：為從 (S1(t) +S2(t))中分離目標(biāo)信號(hào)S1(t)，先將 (S1(t)+S2(t))與S2?(?t)進(jìn)行匹配濾波，即先對(duì)干擾信號(hào)S2(t)進(jìn)行距離向壓縮，獲得了較高幅度。而目標(biāo)信號(hào)沒有被匹配濾波，幅度仍然較低。

(2)限幅：匹配濾波以后，經(jīng)過(guò)限幅濾波器[11]，將S2(t)壓縮后的峰值能量濾除掉，得到結(jié)果為，其中經(jīng)限幅濾波器后的殘余能量，相對(duì)于整體，殘余能量很小。實(shí)際應(yīng)用中限幅門限可以根據(jù)成像區(qū)域目標(biāo)特性進(jìn)行設(shè)定，仿真中則可以根據(jù)所設(shè)置的信號(hào)匹配壓縮的結(jié)果計(jì)算出來(lái)。

(5)成像處理：用常規(guī)成像算法進(jìn)行成像處理。

上述處理過(guò)程如圖2所示。

圖2 兩發(fā)兩收SAR回波信號(hào)分離流程

圖2 表示了整個(gè)分離過(guò)程，先對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行匹配濾波，在限幅和逆濾波處理后才對(duì)目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行匹配濾波，這樣，信號(hào)S1(t),S2(t)就被較好的分別從子孔徑1的混合回波信號(hào) (S1(t) +S2(t))中分離出來(lái)。

5 仿真分析

對(duì)星載兩發(fā)兩收SAR信號(hào)分離進(jìn)行了仿真，仿真參數(shù)設(shè)置為：兩子孔徑分別發(fā)射正調(diào)頻信號(hào)和負(fù)調(diào)頻信號(hào)。平臺(tái)高度為 600km，載波頻率為9.5GHz，中心視角為30.4°，信號(hào)脈寬為10 μs，帶寬為80MHz，過(guò)采樣率為1.4。用上述參數(shù)對(duì)常規(guī)的碼分法和無(wú)干擾信號(hào)即理想狀態(tài)下的匹配濾波結(jié)果進(jìn)行了仿真，得到圖3所示結(jié)果。

再經(jīng)過(guò)逆匹配濾波運(yùn)算，對(duì)運(yùn)算結(jié)果重新匹配濾波后，可以得到對(duì)目標(biāo)信號(hào)的匹配濾波結(jié)果，將其同常規(guī)匹配濾波仿真結(jié)果比較，如圖6、圖7所示。

從圖中可以看到使用改進(jìn)的分離方法進(jìn)行匹配濾波后的旁瓣高度，明顯低于常規(guī)分離方法的匹配濾波結(jié)果。表1列出了對(duì)常規(guī)的分離方法、改進(jìn)的分離方法和理想的匹配濾波的峰值旁瓣比(PSLR)、積分旁瓣比(ISLR)的計(jì)算結(jié)果。

圖3 常規(guī)分離方法與理想匹配濾波結(jié)果比較

圖4 混合回波匹配濾波結(jié)果

圖5 混合回波匹配濾波經(jīng)限幅后的結(jié)果

表1 3種情況的匹配濾波結(jié)果參數(shù)比較

比較表1的數(shù)據(jù)可知，改進(jìn)的分離方法的匹配濾波結(jié)果積分旁瓣比有了很大提高，已經(jīng)接近理想的信號(hào)匹配濾波結(jié)果，說(shuō)明相對(duì)于常規(guī)的碼分法，自相關(guān)噪聲得到了很好的抑制，可以得到較好的成像效果。但是，在限幅操作的過(guò)程中，不可避免地會(huì)消除部分目標(biāo)信號(hào)的能量，這也是該方法的最大缺陷。

6 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)雙通道發(fā)射正、負(fù)調(diào)頻信號(hào)的情況，本文對(duì)互相關(guān)噪聲的抑制方法進(jìn)行了一定的探索，該方法對(duì)強(qiáng)點(diǎn)目標(biāo)效果較好，如海洋艦船等，而對(duì)于一般的地面目標(biāo)，還需要進(jìn)一步研究一種自適應(yīng)的限幅門限設(shè)置方法。對(duì)于子孔徑數(shù)為 3個(gè)及以上的MIMO-SAR系統(tǒng)，信號(hào)分離過(guò)程應(yīng)對(duì)上述流程中的限幅和逆匹配濾波進(jìn)行重復(fù)操作，隨著孔徑數(shù)的增多，限幅過(guò)程中損失的有用信號(hào)能量將增大，方法的有效性必然會(huì)降低。