基于元胞自動機的隨機噪聲SAR

洪 雨 王友林

(南京電子技術研究所 南京 210039)

0 引言

合成孔徑雷達(SAR-Synthetic Aperture Radar)采用脈沖壓縮和合成孔徑技術實現對目標的高分辨成像，由于其不受氣候等惡劣條件的限制，自上個世紀五十年代被提出以來，得到了長足發展。至今，它已成為各主要軍事國家的主要偵察手段之一。

SAR成像一般使用兩類信號，即線性調頻信號和離散頻率步進信號，這種SAR系統自身存在缺陷，即它易受到各種電磁波的干擾，尤其是在數字儲頻技術得到廣泛應用的情況下，這種形式的信號易被敵方截獲、分析、辨識、復制后對SAR的成像形成欺騙干擾；在軍事斗爭的條件下，SAR處于復雜的電磁環境中，必然要受到各種惡劣的電磁對抗和射頻干擾，這會使SAR的成像質量受到極大影響，從而達不到軍事偵察的目的。盡管人們想到了采取各種反對抗措施來提高SAR的自身生存能力，如跳頻、頻率捷變等改變系統參數方法，但這大大增加了系統設計的復雜性；因此，找到一種不易受到干擾的SAR成像技術是SAR發展的必然。

與傳統的雷達相比，隨機噪聲雷達由于其信號的隨機性，從而具有低截獲概率和強抗干擾性等特點。如果能將SAR和隨機噪聲結合起來，不但能夠提供更豐富的目標信息，而且能更好地滿足復雜的現代電磁環境對雷達系統的要求。

在國外這方面的研究受到了相當的重視并取得了可觀的進展。美國內布拉斯加林肯大學曾在1997年成功地研制了一個工作在1～2GHz頻段的寬帶隨機噪聲雷達[1]，成為寬帶技術和隨機噪聲雷達技術結合的典范。在國內這方面的研究起步較晚，結合理論與工程實際，研制我國自己的抗干擾隨機信號成像雷達是我們根據目前的實際情況和未來成像雷達的發展趨勢，滿足抗干擾等需要提出的一項新的開發項目。

1 可行性分析

研究表明，利用噪聲信號(如噪聲調頻、調相等)可以實現目標的距離測量，而目標相對雷達的速度變化提供了方位多普勒信息，因此利用噪聲信號用樣可以實現目標距離和方位的二維成像[2-3]。為了驗證隨機噪聲信號可用于成像雷達，將基于RD算法給出隨機噪聲成像雷達和線性調頻成像雷達的點目標仿真。仿真參數如表1所示，仿真結果如圖1～圖4所示，距離向和方位向處理都沒有加權。

表1 RD算法仿真參數

參數名稱參數值成像模式條帶中心頻率9.375 GHz帶寬60 MHz信號形式隨機噪聲信號/線性調頻信號方位分辨率3 m距離分辨率3 m雷達距測繪帶中心距離20 km目標數目1

圖1 隨機噪聲信號點目標仿真

圖2 隨機噪聲信號距離向剖面圖

圖3 線性調頻信號點目標仿真

圖4 線性調頻信號距離向剖面圖

仿真結果能夠得到：在傳統SAR模式下，隨機噪聲信號和線性調頻信號的點目標圖像性能相似，三維圖像很接近，而距離向剖面圖前者衰減較快。當然第一旁瓣沒有理論分析的低，主要是由于我們發射的噪聲序列較短，經過試驗表明隨著噪聲脈沖長度的增加，旁瓣會繼續降低。通過上述仿真試驗能夠清楚地看到，隨機噪聲信號作為發射信號是能夠代替傳統的線性調頻等信號實現成像功能的。

2 信號產生

傳統的模擬產生方法(二極管和模擬電路)尤其在帶內平坦度和頻率凹口噪聲動態方面的表現不盡人意，已漸漸難以滿足現代雷達發展的需要，數字化的設計具有頻率高、控制精確的優點，不僅可以提高噪聲信號源的帶內平坦度，同時也降低了系統本身的內噪聲干擾，最大的特點還在于可以靈活控制輸出信號的波形參數[4]。我們擬用數字電路產生隨機數，然后進行數模轉換，再進行頻率搬移，即直接發射高頻隨機信號。嚴格來說用數字的方法產生的是偽隨機信號，但是當信號周期超過脈沖重復周期時，可以作為隨機信號。

采用基于元胞自動機(Cellular Automata，CA)可以產生均勻分布的隨機數[5]。元胞自動機是定義在一個由具有離散、有限狀態的元胞組成的元胞空間上，并按照一定局部規則，在離散的時間維上演化的動力學系統。

利用元胞自動機作為隨機數產生，在實現上有著很大的優點，與利用線性同余方法產生均勻分布隨機數相比，CA只需要簡單的邏輯運算來完成，用硬件實現可以非常簡單、高效。在我們的實現中，采用FPGA 產生CA隨機數。

將每個周期產生的數據進行自相關分析和頻譜分析，圖5、圖6分別給出了2000個CA隨機數的時域波形、自相關圖。由結果可以看出，CA產生的隨機數有很好的自相關性，也有近似白噪聲的特性。

圖5 CA隨機數的時域波形

圖6 CA隨機數的自相關圖形

3 結束語

在傳統的SAR雷達系統中，發射確定的線性調頻信號，是在處理器構造參考信號。而噪聲雷達發射信號是不確定的，要隨時記錄發射的視頻信號用于相參處理。因而，噪聲雷達在實現上需要更多的資源。

十四所聯合南京理工大學研制了噪聲SAR雷達樣機，并在閻良試飛院進行了試飛，圖7為一幅噪聲SAR圖像。

從圖像能夠看出，噪聲SAR能實現目標的二維成像并能比較清楚地顯示目標細節特征，其清晰度能和線性調頻信號雷達相當。

圖7 渭河大橋