一種距離相位編碼距離模糊抑制技術

李健 孫光才 景國彬 邢孟道

摘 要： 提出一種距離相位編碼距離模糊抑制技術，該技術通過發射距離相位編碼多波形信號，造成距離模糊信號相對于目標信號在距離頻域產生頻譜偏移。再針對目標信號構造匹配濾波函數和對應其頻譜支撐區間的濾波器，濾除部分距離模糊能量并造成距離模糊信號脈壓后散焦，從而實現距離模糊的有效抑制，提高合成孔徑雷達（SAR）圖像質量。最后給出面仿真結果，證明該方法的可行性和有效性。

關鍵詞： 合成孔徑雷達； 距離模糊； 相位編碼； 多波形； 頻譜偏移； 圖像質量

中圖分類號： TN957?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）13?0001?04

Abstract： A range ambiguity suppression technology based on range phase coding for synthetic aperture radar （SAR） is presented in this paper. The range phase coded multi?waveform signal is transmitted by means of the technology， which leads to the spectral offset of the range ambiguity signal relative to target signal in range frequency domain. The matched filtering function and filter corresponding to spectrum support section are constructed for the target signal to filter out the segmental range ambiguous energy and defocus the range ambiguity signal after pulse pressure， so as to suppress the range ambiguity effectively and improve the SAR image quality. The planar simulation result is given in this paper， which proves that the method is feasible and effective.

Keywords： synthetic aperture radar； range ambiguity； phase coding； multi?waveform； spectral offset； image quality

0 引 言

傳統合成孔徑雷達（SAR）存在高分辨[1]和寬測繪帶[2]不能同時實現的矛盾[3]。為了獲取高分辨圖像而選取較高脈沖重復頻率（PRF）時，會造成嚴重的距離模糊[4]，降低SAR圖像質量。

為了解決上述問題，學者們先后提出了許多方法來抑制距離模糊，這些方法可以歸納為兩類：

1） 星載SAR成像體制方法。例如，利用多通道SAR降低PRF實現降低距離模糊[5?7]，或者通過多通道波束形成抑制距離模糊[8]；

2） 信號處理方法。包括正負線性調頻技術[9]、OFDM信號距離模糊抑制技術[10]、方位相位編碼（APC）技術[11]等。APC方法通過方位相位編碼和解碼造成距離模糊信號與目標信號在多普勒域區別開來，然后采用濾波器濾除部分距離模糊能量，由于濾除的是多普勒帶寬和PRF之間的模糊信號，因此，APC方法抑制距離模糊的效果嚴重依賴于方位過采樣率[12]。

本文提出一種距離相位編碼距離模糊抑制技術，該方法能夠在距離頻域實現模糊能量的部分濾除，且造成距離模糊信號散焦，對點目標及分布式目標都有著較好的距離模糊抑制效果。

1 信號模型分析

星載SAR工作幾何示意圖如圖1所示，雷達平臺以速度[v]沿[x]軸作勻速直線運動。

在星載SAR中，天線波束照射到的測繪帶場景通常比較大，測繪帶場景內不同距離且來自于不同發射脈沖的回波信號有可能會同時到達接收天線，造成距離模糊。如圖1中，成像區的回波信號會與負一次模糊區、一次模糊區、……、負[k]次模糊區、[k]次模糊區的不同次發射脈沖的回波信號同時到達接收天線，發生混疊，造成距離模糊，其中，[Rb]，[Rkam]分別表示天線相位中心到成像區、[k]次模糊區場景散射點的最短斜距。

成像區點目標的回波信號在距離頻域可以表示為：

當散射點斜距滿足式（3）時，[k]次模糊區散射點回波會與成像區散射點回波發生混疊，造成距離模糊。而隨著星載SAR分辨率需求的不斷提高，測繪帶寬度逐漸增大，采用常規的單通道SAR系統實現高分辨寬測繪帶成像面臨更加嚴重的距離模糊問題。

2 距離相位編碼多波形信號

針對上述問題，如果距離模糊信號相對于目標回波信號在距離頻域產生頻譜偏移，就能夠在距離頻域上對距離模糊信號進行濾波抑制。本文設計采用一種距離相位編碼多波形信號，具體的多波形信號形式如下：

圖2中，[B]是線性調頻信號帶寬。通常情況下，距離采樣頻率會有冗余，[Fs=1.2B]。信號[S1]通常采用線性調頻信號，信號[S2]通過對信號[S1]進行距離相位編碼得到，其頻譜相比信號[S1]產生了[Fs2]的頻率偏移。如果在發射端采用交替發射多波形信號[S1]，[S2]，那么目標回波信號與重疊在一起的距離模糊信號會是不同波形的信號。當對回波信號進行匹配濾波處理時，由于采用目標信號的匹配濾波函數進行脈壓，則目標回波信號可以正常脈壓至真實距離處，而距離模糊信號會脈壓至真實距離位置兩側一定距離處。且距離模糊信號與目標回波信號的頻譜支撐區間有所區別。在對回波信號匹配濾波時，可以針對目標回波信號構造對應其頻譜支撐區的窗函數，則加窗濾波后目標信號頻譜可以完好保留，而距離模糊信號位于窗函數之外的部分頻譜會被濾除，即距離模糊信號的總能量得到抑制。具體的脈壓結果示意圖如圖3所示。

根據圖3分析可知，對于點目標產生的距離模糊，在脈壓后會無法正常聚焦，從而降低了該目標的峰值能量，實現降低部分距離單元的距離模糊比。而通過加窗濾波處理，點目標和分布式目標產生的距離模糊總能量都會降低，整個測繪帶內的距離模糊比都可以降低。所以，相比APC方法，本文所述方法不僅適用于點目標場景，也適用于分布式目標場景。

3 距離相位編碼模糊抑制技術

根據距離相位編碼多波形信號的脈壓特性，本文提出一種新的距離模糊抑制方法。該方法通過對發射信號附加距離維相位調制就可以實現，不需要其他硬件支持，簡單且便于工程應用。具體的兩維相位編碼發射信號為：

從式（7），式（8）可以看出，一次及負一次距離模糊信號與目標回波信號是不同的距離相位編碼多波形信號，其距離頻譜相對于目標回波信號頻譜存在一定的頻率偏移，這樣會導致距離模糊信號與目標回波信號的距離頻譜支撐區有所區別。在脈壓加窗濾波處理時，可以構造對應目標回波信號頻譜支撐區的窗函數，則加窗濾波后目標信號頻譜可以較好地保留下來，而距離模糊信號位于窗函數之外的部分頻譜會被濾除，即模糊信號的總能量會得到抑制。

通過上述處理后，能夠得到距離模糊抑制后的信號頻譜，再利用RD，CS，RMA等算法均可完成后續成像處理。

4 仿真實驗驗證

為了驗證本文提出的距離相位編碼距離模糊抑制方法，本節給出了面仿真實驗結果。仿真實驗假設距離信號帶寬為100 MHz，距離采樣頻率為120 MHz，其他參數取值借鑒表1。為了更好地說明本文方法的距離模糊抑制性能，給出了整個測繪帶內的距離模糊比（RASR）曲線，如圖4所示。

從圖4整個測繪帶的RASR示意圖能夠看出，本文方法在測繪帶內不同角度下都可以對距離模糊進行抑制，有效降低RASR值，提高SAR圖像質量。

為了驗證本文方法對距離模糊具有良好的抑制性能，圖5分別給出了采用APC方法及本文方法對距離模糊抑制后的SAR圖像。圖5a）為成像場景原始SAR圖像。圖5b）為受到距離模糊干擾后的成像場景SAR圖像；圖5c）為采用APC方法進行距離模糊抑制后的SAR圖像；圖5d）為采用本文方法進行距離模糊抑制后的SAR圖像。從圖5能夠看出，APC方法和本文方法都不影響成像場景的圖像質量，都能實現成像場景目標的良好聚焦。為了更好地說明本文方法的有效性，這里從信號能量的角度對SAR圖像進行量化。圖6為成像場景SAR圖像及距離模糊圖像在每個方位采樣單元上的歸一化能量。從圖中可以看出，原始距離模糊能量在-26.5 dB左右，采用APC方法對距離模糊抑制后，模糊能量降到-29 dB左右，采用本文方法抑制距離模糊后，模糊能量降低到-29 dB左右。至此能夠得出結論：本文方法能夠通過降低距離模糊能量實現對距離模糊的良好抑制，降低RASR并提高SAR圖像質量。

5 結 語

本文提出一種距離相位編碼距離模糊抑制技術，該方法通過發射距離相位編碼多波形信號，導致距離模糊信號相對于目標信號在距離頻域產生頻譜偏移。再針對目標信號構造匹配濾波函數和對應其頻譜支撐區間的濾波器，濾除部分距離模糊能量并造成距離模糊信號脈壓后散焦，從而實現距離模糊的有效抑制，降低測繪帶內的距離模糊比，提高SAR圖像質量。

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