合成孔徑雷達(dá)成像Matlab仿真研究

宋星秀+曲毅+王炳和

摘 要： 計(jì)算機(jī)仿真是現(xiàn)代雷達(dá)研究中的重要技術(shù)之一，針對合成孔徑雷達(dá)（SAR）成像中影響仿真結(jié)果的因素，從分析SAR發(fā)射信號和回波信號模型出發(fā)，運(yùn)用Matlab軟件對SAR的發(fā)射波形以及點(diǎn)目標(biāo)成像進(jìn)行了仿真，直觀地反應(yīng)了距離多普勒成像算法原理。最終通過仿真分析，總結(jié)了SAR成像中影響仿真結(jié)果的5項(xiàng)因素，而這5項(xiàng)因素在運(yùn)用Matlab仿真過程中對成像質(zhì)量的優(yōu)劣有著至關(guān)重要的影響。

關(guān)鍵詞： 合成孔徑雷達(dá)； Matlab仿真； 距離多普勒算法； Chirp

中圖分類號： TN957?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）22?0017?03

Study on Matlab simulation of synthetic aperture radar imaging

SONG Xing?xiu， QU Yi， WANG Bing?he

（College of Information Engineering， Engineering University of Chinese Armed Police Force， Xi`an 710086， China）

Abstract： Computer simulation is one of the important technologies in the modern radar study. Aiming at the factor which affects simulation results in synthetic aperture radar （SAR） imaging， Matlab software is used to simulate SAR transmission waveform and point target imaging to realize the analysis of SAR transmitted signal and echo signal model. It reflected the principle of distance Doppler imaging algorithm intuitively. Based on the simulation analysis， the five factors that affect SAR imaging simulation results are summarized， which has a critical influence on imaging quality in the Matlab simulation process.

Keywords： synthetic aperture radar； Matlab simulation； range Doppler algorithm； Chirp

合成孔徑雷達(dá)（SAR）是成像領(lǐng)域中的一項(xiàng)核心技術(shù)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與信號處理技術(shù)的不斷進(jìn)步，合成孔徑雷達(dá)仿真技術(shù)也得以發(fā)展，由于仿真結(jié)果與實(shí)際結(jié)果的逼近，使得仿真成為現(xiàn)代雷達(dá)設(shè)計(jì)和研究的基礎(chǔ)之一。而在雷達(dá)仿真中，Matlab軟件是其他軟件所無法比擬的[1]。SAR是一種依靠雷達(dá)與目標(biāo)間相對運(yùn)動(dòng)來成像的高分辨率成像雷達(dá)。它與其他成像相比具有全天時(shí)、全天候的優(yōu)點(diǎn)，故在國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)中均具有廣泛的應(yīng)用。但由于其造價(jià)昂貴，對于SAR的研究階段而言成本過高，因此，必須在設(shè)計(jì)和研究測試階段，通過利用計(jì)算機(jī)仿真來分析與驗(yàn)證研究結(jié)果。本文從SAR成像的距離多普勒算法出發(fā)，運(yùn)用Matlab軟件對點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行成像，并最終分析了成像結(jié)果，總結(jié)出了SAR成像中影響仿真結(jié)果的主要因素。

1 SAR發(fā)射波形仿真

合成孔徑雷達(dá)是地球遙感上的一個(gè)重要工具。傳統(tǒng)的雷達(dá)系統(tǒng)中，圖像分辨率依賴于地面上照明足跡的大小，但是，SAR技術(shù)可以全天時(shí)全天候?qū)崿F(xiàn)高分辨率的成像。這是基于其一方面在距離上發(fā)射較大帶寬的線性調(diào)頻（LFM）信號，另一方面利用接收信號具有的多普勒頻移獲得方位向信息。

SAR發(fā)射線性調(diào)頻（LFM）信號，線性調(diào)頻信號又稱Chirp信號，其通過線性相位調(diào)制來獲得大時(shí)寬帶寬積，這是研究得最早而又應(yīng)用最廣發(fā)的一種脈沖壓縮信號。

LFM信號可表示為：

[si（t）=Arecttτcosωct+μt22] （1）

式中：

[recttτ=1， tτ≤120， tτ>12] （2）

線性調(diào)頻信號的包絡(luò)是寬度為[τ]的矩形脈沖，[μ]為調(diào)頻率，其信號的瞬時(shí)載頻是隨時(shí)間線性變化的。瞬時(shí)角頻率[ωi]為：

[ωi=d?dt=ωc+μt] （3）

圖1 LFM信號波形

圖2 LFM信號幅度譜與時(shí)頻關(guān)系

2 SAR成像仿真

SAR在載機(jī)飛行中發(fā)射LFM信號，遇到目標(biāo)物后反射回來的信號作為回波信號，回波信號的數(shù)學(xué)模型是SAR成像算法研究的基礎(chǔ)[2]?；夭ㄐ盘枮榘l(fā)射信號的時(shí)間延時(shí)，根據(jù)式（1）可將回波信號模型表示為：

[si（t）=Arectt-t0τcosωct-t0+μt-t022] （4）

式中：[t0]為時(shí)間延時(shí)；[μ=πBWT]為線性調(diào)頻率；[BW]為信號帶寬；[t]為快時(shí)間，2個(gè)點(diǎn)目標(biāo)的原始回波信號波形如圖3所示。對回波信號混頻后，得到基帶信號為[3]

[mift=14expjω0+μt-t02-ωct0] （5）

式中：[ω0=ωc-ωd]，[ωd]為中頻。

SAR點(diǎn)目標(biāo)成像仿真是建立在回波模型基礎(chǔ)上的，然后利用距離?多普勒（R?D）算法對此模擬點(diǎn)目標(biāo)的回波數(shù)據(jù)進(jìn)行距離向和方位向的壓縮，使之成為一個(gè)像點(diǎn)，并最后顯示此點(diǎn)目標(biāo)成像后的效果圖?；镜腟AR成像距離?多普勒算法在文獻(xiàn)[4?5]中均已得到論述，故不再贅述。SAR點(diǎn)目標(biāo)成像的Matlab仿真結(jié)果，分別如圖4～圖6所示，其直觀地反應(yīng)了R?D算法原理，具有一定的代表性。

3 仿真影響分析

在對SAR成像進(jìn)行仿真處理的過程中，分析出以下影響仿真結(jié)果的主要因素：

（1） 距離分辨率與方位分辨率。SAR是通過匹配濾波實(shí)現(xiàn)脈沖壓縮的，匹配濾波器的輸出信號是波形的自相關(guān)函數(shù)，其是信號功率譜的傅里葉變換值，因此距離分辨力取決于所用信號的帶寬[BW]。[BW]越大，距離分辨力越好。對于給定的天線尺寸，分辨率是由雷達(dá)單個(gè)目標(biāo)的可分解性來度量的。SAR技術(shù)比傳統(tǒng)的真實(shí)孔徑系統(tǒng)帶來更高的分辨率，從而使它們在雷達(dá)成像是可行的。方位分辨率是通過使用一個(gè)合成孔徑而并非一個(gè)真正的孔來實(shí)現(xiàn)。在實(shí)際合成孔徑雷達(dá)時(shí)，方位分辨率正比于天線的方位波束寬度，而合成孔徑分辨率則是與方位波束寬度成反比的。

圖3 兩個(gè)點(diǎn)目標(biāo)的SAR原始回波信號

圖4 未校正距離徙動(dòng)的2點(diǎn)目標(biāo)成像

圖5 校正距離徙動(dòng)后的2點(diǎn)目標(biāo)成像

圖6 成像仿真對比

（2） SAR系統(tǒng)參數(shù)的選擇。SAR系統(tǒng)的重要參數(shù)有發(fā)射信號帶寬、脈沖重復(fù)頻率（PRF）、平臺(tái)速度、場景中心距離、天線方位波束寬度、場景寬度及系統(tǒng)采樣頻率等，為了能有效地運(yùn)用成像算法對目標(biāo)進(jìn)行成像，在仿真中必須掌握系統(tǒng)參數(shù)之間的關(guān)系，設(shè)置出合理的系統(tǒng)參數(shù)。其中，最重要的參數(shù)為脈沖重復(fù)頻率的選擇，PRF不能過低，否則會(huì)引起方位模糊。同時(shí)，PRF也不能過大，否則會(huì)產(chǎn)生距離模糊。因此，需考慮方位分辨率與最小PRF之間的此消彼長。

（3） 距離徙動(dòng)。由于SAR存在距離與多普勒頻移的耦合，會(huì)使瞬時(shí)斜距發(fā)生變化，這種變化稱為距離徙動(dòng)（RCM）。RCM使信號處理變得復(fù)雜，但卻是SAR的一個(gè)固有特征[6]。正是這種隨時(shí)間的斜距變化使方位向信號具有了調(diào)頻特性，但若不對距離徙動(dòng)進(jìn)行校正，則將會(huì)導(dǎo)致成像中分辨率降低，尤其是距離分辨率的惡化。

（4） 補(bǔ)零。在仿真時(shí)，為了解信號在頻域中的精細(xì)結(jié)構(gòu)，需要在頻域內(nèi)對信號進(jìn)行升采樣。對此，最簡單的方法就是時(shí)域補(bǔ)零[7]。若時(shí)域信號長度從[N]補(bǔ)零至[N+M]，則頻域信號的長度也變?yōu)閇N+M]，但頻率總間隔[1T]和信號額基本輪廓并不改變，因此信息量不會(huì)增加，信號卻會(huì)變得更為光滑。

（5） 距離向加窗以及方位向天線波束。距離頻域中降低峰值旁瓣比的一種方法是對頻域匹配濾波器引入窗。窗能平滑頻譜，即弱化頻譜邊緣處的不連續(xù)性。但雖然加窗可降低壓縮脈沖中的主瓣能量泄露，但分辨率也將會(huì)因此而下降；天線波束可實(shí)現(xiàn)空域?yàn)V波，對方向圖的仿真可體現(xiàn)雷達(dá)的空域?yàn)V波能力，但天線仿真較為復(fù)雜，目前的天線設(shè)計(jì)和分析軟件并不能完全體現(xiàn)SAR的特性，因此必然會(huì)影響到SAR的成像仿真。

4 結(jié) 語

計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)具有極其廣闊的發(fā)展前景，但影響SAR成像仿真結(jié)果的因素有眾多，為了更好地運(yùn)用仿真軟件分析SAR技術(shù)，本文通過運(yùn)用Matlab軟件對點(diǎn)目標(biāo)的成像過程進(jìn)行了仿真。此外，通過仿真分析總結(jié)出了影響仿真結(jié)果的5項(xiàng)主要因素，而這5項(xiàng)因素在運(yùn)用Matlab仿真過程中對成像質(zhì)量的優(yōu)劣起著至關(guān)重要的影響。

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