俯仰向數字波束形成技術對SAR系統性能的影響分析

王 偉 王 宇 侯麗麗

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俯仰向數字波束形成技術對SAR系統性能的影響分析

王 偉*①②王 宇①侯麗麗①②

①(中國科學院電子學研究所 北京 100190)②(中國科學院大學 北京 100049)

俯仰向數字波束形成(DBF)是實現高分辨率寬測繪帶星載SAR系統的關鍵技術。該技術可以生成能夠靈活控制的高增益窄波束用于回波信號的接收，從而提升SAR系統性能。該文在研究俯仰向DBF技術應用于寬測繪帶SAR系統的基礎上，重點分析了俯仰向DBF技術對系統性能指標的影響，推導了基于俯仰向DBF技術的系統等效后向散射系數(NESZ)和距離模糊比(RASR)的表達式，并且將陣列信號處理中的零點指向技術應用于SAR，使得系統在接收目標信號的同時抑制模糊區方向的回波，顯著地提高了系統的距離模糊指標。仿真結果表明，俯仰向DBF-SAR系統的性能相對于傳統單通道系統具有明顯的優勢。

合成孔徑雷達；數字波束形成；零點指向；等效后向散射系數；距離模糊比

1 引言

本文基于平面相控陣天線系統，在研究使用俯仰向DBF技術實現高分辨率寬測繪帶的基礎上，詳細分析了俯仰向DBF技術對于系統等效后向散射系數(NESZ)和距離模糊比(RASR)的影響，并且運用零點指向技術抑制距離模糊能量，仿真部分驗證了DBF技術對系統性能的提升效果。

2 俯仰向DBF接收的信號模型

傳統SAR采用單孔徑收發天線，當天線調整指向至某波位時，俯仰向收發天線方向圖主瓣均覆蓋整個測繪帶。而俯仰向DBF采用單發多收的工作方式，如圖1所示。

圖1 俯仰向DBF示意圖

俯仰向有個獨立的子接收孔徑，每個接收子孔徑方向圖均覆蓋整個照射區域。各通道的接收回波信號如式(1)所示。

圖2 DBF接收的一般模型

3 基于俯仰向DBF技術的SAR系統性能分析

3.1 俯仰向DBF天線方向圖

即

圖3 單孔徑方向圖與DBF方向圖對比

3.2 等效后向散射系數

等效后向散射系數(NESZ)是一個表征系統靈敏度的量值，其物理意義為雷達輸出信噪比為0 dB時對應的后向散射系數。對于單通道SAR來說，其表達式[15]為

由俯仰向DBF方向圖可知，運用俯仰向DBF接收技術可以使得雷達對同一目標點處信號的接收增益提高為單通道的倍。所以對于俯仰向DBF- SAR系統來說，其等效后向散射系數為

3.3 距離模糊

系統 PRF 的選取原則是使得測繪帶內的信號能夠在同一個PRF內被接收，但由于 SAR 天線距離向方向圖形狀寬于測繪帶，這使得測繪帶外部的信號也能夠被雷達接收，這些測繪帶外部的回波與測繪帶內的有用回波混合在一起，形成距離模糊(RASR)[16]，經信號處理后會引起雷達圖像質量下降。

PRI為脈沖重復間隔，(整數)代表模糊階數。

根據式(10)-式(14)和文獻[16]中距離模糊的定義式可以得到DBF-SAR距離模糊比解析式為

3.4 零點指向技術

零點指向技術是應用數字信號處理技術使得DBF合成的波束在特定的方向上置零，從而有效地抑制干擾信號。由于模糊干擾信號與有用回波信號的波達方向角不同，DBF零點指向技術可以在使有用信號方向增益最大化的同時，使得模糊信號方向的增益置零，從而抑制模糊信號。

由線性約束最小方差LCMV[17]波束形成器算法可得權值矢量的解為

利用求得的權值可以在接收有用信號的同時抑制干擾方向的信號。將該技術應用于SAR系統可以在接收目標信號的同時抑制模糊區方向的模糊信號，從而有效地抑制距離模糊。由于在回波接收的過程中，波達方向和模糊信號方向隨著時間是變化的，所以零陷的加權矢量也是一個隨時間變化的量。圖4為零點指向抑制距離模糊的示意圖。

4 仿真分析

在本節中，本文將通過一個星載DBF-SAR系統實例的仿真來驗證DBF技術對SAR系統性能的提升效果。該系統的波位選擇如圖5所示。各項系統參數如表1所示。

為了評估DBF技術對SAR系統性能的提升，將DBF-SAR系統的仿真結果與將俯仰向天線作為單孔徑工作時的仿真結果做對比。

圖5 系統波位圖

表1系統參數

軌高700 km 載頻9.6 GHz 峰值功率10000 W 天線總高2 m 俯仰向孔徑數目15 天線長12 m 測繪帶幅寬100 km 發射信號帶寬100 MHz 發射信號脈寬 天線法線下視角 天線效率78% 等效噪聲溫度290 K

4.1 NESZ 和 RASR

通過仿真得到NESZ結果如圖6所示。 DBF- SAR與傳統單通道SAR的NESZ曲線對比其中虛線表示俯仰向天線作為單孔徑工作時的NESZ曲線，實線為使用DBF技術得到的NESZ曲線。從圖中可以看出使用DBF技術可以使系統的靈敏度得到顯著的提升。圖7為系統距離模糊比曲線圖。其中虛線表示俯仰向天線作為單孔徑工作時的RASR曲線，實線為使用DBF技術得到的RASR曲線。從圖7可以看出使用DBF技術可以使得系統的距離模糊得到明顯的改善。

4.2 零點指向抑制距離模糊

采用零點指向技術，在接收目標回波的同時抑制正負一階模糊區的回波能量，可以得到仿真結果如圖8所示。

圖8中虛線為不采用零點指向技術直接用DBF合成的距離模糊結果，實線為采用距離向零點指向技術抑制距離模糊的結果。從圖8中可以看出有少部分區域，其改善后的值與改善前相比沒有變化，這是由于柵瓣指向模糊區造成。整體而言，大部分區域在采用零點指向技術后，系統的距離模糊性能進一步得到了改善。

從上述仿真結果可以看出，俯仰向DBF在SAR系統中具有非常大的應用價值，可以顯著提升SAR在進行寬幅測繪時的系統性能。

5 結束語

本文詳細推導了DBF技術對SAR系統等效后向散射系數和距離模糊比的影響，通過分析得到了DBF-SAR系統的性能參數表達式。本文還將零點指向技術應用于DBF-SAR系統，將正負一階模糊區的能量用零點指向抑制掉，從而顯著地提高了SAR系統的距離模糊指標。仿真結果證明了DBF- SAR系統相對于單通道SAR的性能優勢。

雖然DBF-SAR系統的性能優勢明顯，但是該系統復雜度高，并且容易受到地形和通道間幅相誤差的影響。因此，如何將DBF技術更好地應用于SAR系統是一個需要深入研究的問題。

圖6 NESZ曲線

圖7 DBF-SAR與傳統單通道SAR的RASR曲線對比

圖8 DBF-SAR使用零點指向前后的RASR曲線對比

[1] Keydel W. Perspective and visions for future SAR system[J]., 2003, 150(3): 97-103.

[2] Moreira A and Krieger G. Spaceborne Synthetic Aperture Radar: state of the art and future developments[C]. Euro Microwave Conference, Munich, Germany, 2003: 104-111.

[3] 鄧云凱, 趙鳳軍, 王宇. 星載SAR技術的發展趨勢及應用淺析[J]. 雷達學報, 2012, 1(1): 1-10.

Deng Yun-kai, Zhao Feng-jun, and Wang Yu. Brief analysis on the development and application of spaceborne SAR[J]., 2012, 1(1): 1-10.

[4] Steydkal H and Rose J F. Digital beamforming for radar systems[J]., 1989, 32(1): 121-136.

[5] Krieger G, Younis M, Gebert N,.. Advanced concepts for high-resolution wide-swath SAR imaging[C]. European Conference on Synthetic Aperture Radar, Aachen, Germ any, 2010: 524-527.

[6] Younis M, Huber S, Patyuchenko A,.. Digital beam-forming for spaceborne reflector and planar antenna SAR-a system performance comparison[C]. IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS), Cape Town, South Africa, 2009, 3: 733-736.

[7] Younis M, Patyuchenko A, Huber S,.. A concept for a high performance reflector-based X-band SAR[C]. European Conference on Synthetic Aperture Radar, Aachen, Germany, 2010: 974-977.

[8] 王峰, 李婧, 劉俊, 等. 寬帶數字陣雷達數字波束形成系統研究[J]. 雷達學報, 2013, 2(3): 314-318.

Wang Feng, Li Jing, Liu Jun,.. System realization of broadband digital beam forming for digital array radar[J]., 2013, 2(3): 314-318.

[9] Feng Fan, Li Shi-qiang, and Yu Wei-dong,.. Echo separation in multi-dimensional waveform encoding SAR remote sensing using an advanced null-steering beamformer[J]., 2012, 50(10): 4157-4172.

[10] Krieger G, Younis M, Huber S,.. Digital beamforming and MIMO SAR: review and new concepts[C]. 9th European Conference on SAR, Nuremberg, Germany, 2012: 11-14.

[11] Patyuchenko A, Rommel T, Laskowski P,.. Digital beam-forming reconfigurable Radar System demonstrator [C]. IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS), Munich, 2012: 1541-1544.

[12] 李楊, 黃杰文, 禹衛東. 高分辨率寬測繪帶星載SAR 距離向DBF處理[J]. 電子與信息學報, 2011, 33(6): 1510-1514.

Li Yang, Huang Jie-wen, and Yu Wei-dong. Range DBF processing for high-resolution wide-swath spaceborne SAR[J]., 2011, 33(6): 1510-1514.

[13] 馮帆, 李世強, 禹衛東. 一種改進的星載SAR 俯仰向DBF處理技術[J]. 電子與信息學報, 2011, 33(6): 1465-1470.

Feng Fan, Li Shi-qiang, and Yu Wei-dong. An improved scheme of digital beam-forming on elevation for spaceborne SAR[J]., 2011, 33(6): 1465-1470.

[14] Feng Fan, Dang Hong-xing, Tan Xiao-min,.. An improved scheme of digital beam-forming in elevation for spaceborne SAR[C]. Radar Conference 2013, IET International, Xi,an, China, 2013: 1-6.

[15] Younis M. General formulation of NESZ[R]. Technical Note TN-SAR-Tech-001. German Aerospace Center, Microwaves and Radar Institute, Wessling, Germany, 2008.

[16] Jin Lin-jiao. Range ambiguity distribution characteristic of spaceborne SAR and its design consideration[J]., 1995, 12(2): 160-167.

[17] Van Trees H L. Optimum Array Processing: Detection, Estimation, and Modulastion Theory, Part IV[M]. New York: John Wiley & Sons, 2002.

王 偉： 男，1985 年生，博士生，研究方向為新體制星載 SAR系統設計和信號處理.

王 宇： 男，1980 年生，研究員，博士生導師，研究方向為雷達系統及信號處理方法與多維陣列雷達信號處理.

侯麗麗： 女，1989年生，博士生，研究方向為多通道SAR動目標檢測和參數估計方法.

Analysis on Performance of SAR System Affected by Digital Beam Forming in Elevation

Wang Wei①②Wang Yu①Hou Li-li①②

①(,,100190,)②(,100049,)

Digital Beam Forming (DBF) in elevation is regarded as an important candidate for high resolution and wide coverage imaging SAR system, since it can enhance the performance of SAR system by forming a high gain and sharp beam pattern to receive the pulse echoes. This paper is based on range DBF for wide-swath SAR system, and analyzes particularly on performance of SAR system affected by DBF in elevation. The expressions of Noise Equivalent Sigma Zero (NESZ) and Range Ambiguity to Signal Ratio (RASR) for the range DBF-SAR system are derived in detail. In order to suppress the range ambiguity energy, the null-steering technology is introduced. All the simulation results validate the advantages of range DBF-SAR system compared with the conventional single channel system.

SAR; Digital Beam-Forming (DBF); Null steering; Noise Equivalent Sigma Zero (NESZ); Range Ambiguity to Signal Ratio (RASR)

TN959.74

A

1009-5896(2014)11-2711-06

10.3724/SP.J.1146.2013.02002

王偉 ww_nudt@sina.com

2013-12-23收到，2014-04-09改回