兩發兩收SAR系統互相關噪聲消除方法研究

黃平平

(內蒙古工業大學信息工程學院 呼和浩特 010051)

1 引言

在常規星載SAR系統中，方位分辨率和測繪帶寬是一對矛盾[1,2]，而近年來出現的新體制合成孔徑雷達——多發多收合成孔徑雷達(Multi-Input and Multi-Output Synthetic Aperture Radar,MIMOSAR)[3,4]，可以在保持分辨率的同時獲得更寬的測繪帶。

對一種新體制的雷達系統，適用于該體制發射波形的研究是首要的，由此，國內外的一些研究者基于對一些基本正交信號模糊函數的分析，展開了同載頻MIMO-SAR波形的研究。鮑坤超等[5]將大時寬帶寬積的空間相位編碼步進頻率信號與m序列碼相結合，應用于多發單收體制下的分布式小衛星雷達系統，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大的問題；Jian Li在文獻[6]中提出了一種直接設計信號波形矩陣的方法，但直接基于信號波形矩陣進行優化是一個更加復雜和難以解決的問題。上述研究成果都對MIMO-SAR的波形設計進行了深入的研究，但是這些波形都由于旁瓣過高和去“耦合”等問題，還無法作為MIMO-SAR的實際發射波形。

目前關于同載頻 MIMO-SAR的研究，幾乎都毫無例外的假設波形為同載頻理想正交波形[7,8]，但在實際中幾乎不存在互相關為零的多信號集合，互相關噪聲是必然存在的。也有學者進行了利用Chirp信號作為 MIMO-SAR發射信號的探索，文獻[9]論述了雙星同中心頻率多發多收原理，指出由于正調頻信號對負調頻信號的匹配函數失配，脈沖壓縮效果不理想。文獻[10]中也對此進行了深入的研究，說明了消除互相關噪聲的重要性。針對同載頻MIMO-SAR系統在信號分離時產生的互相關噪聲問題，本文通過分析提出一種基于限幅濾波器和逆濾波的抑制互相關噪聲的方法，通過限幅濾除了互相關噪聲的大部分能量，可以一定程度上改善成像效果，尤其是對強點目標效果更好。

2 碼分法原理

同載頻雷達系統基本采用碼分法，即利用各發射信號自相關性好、互相關性差的特點來進行回波分離[3]。對正、負調頻信號的自相關性及互相關性進行了仿真，結果如圖1所示。

圖1 正、負調頻信號的自相關及互相關性仿真圖

從圖1中可以看到，正、負調頻信號具有較高的自相關峰值，其互相關峰值較低，基本符合自相關性好，互相關性差的要求，說明同載頻MIMO-SAR系統具有碼分法的可能性。

3 常規的碼分法

假設子孔徑1發射的正調頻信號為S1(t)，子孔徑2發射的負調頻信號為S2(t)，以子孔徑1為例進行說明，子孔徑 1接收到的混合回波信號為(S1(t) +S2(t))，為將S1(t)和S2(t)分離開來，常規的碼分法的分離思路如下：

其中?表示卷積運算。對式(1)中分離S1(t)式進行展開，發射信號可以表示為

回波信號為

T0為時間延遲。對回波信號做上調頻信號的匹配濾波，匹配濾波函數表示為S1?(?t)，其頻域表示為，其中“?”表示取共軛操作。由駐定相位定理，信號匹配濾波器后的頻域表示為

變換到時域，得到經過脈沖壓縮的輸出信號為

通過S1?(?t)的匹配濾波分離出S1(t)。但S2(t) ?S1?(?t)的結果不為零，成為了互相關噪聲，抬高了S1(t)匹配濾波結果的旁瓣電平，此時信號S2(t)相當于信號S1(t)的干擾信號。當用與S2?(?t)的匹配濾波分離混合信號中的S2(t)時結果類似。因此，用這種方法得到的信號分離效果并不理想。

4 改進的碼分法

為了解決上述常規分離方法導致的旁瓣過高問題，本文提出一種基于限幅濾波器的改進的碼分法。仍以從混合信號 (S1(t) +S2(t))中將信號S1(t)分離出來為例，常規分離方法如上所述是直接用信號S1?(?t)與混合信號匹配濾波，從而得到S1(t)，雖然分離過程簡單、易于實現，但是代價是保留了大量的互相關噪聲。改進方法是首先對干擾信號進行匹配濾波，并對匹配濾波結果進行限幅和逆匹配濾波操作，再對目標信號進行匹配濾波，即可得到更好的脈壓效果，其詳細流程如下：

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

(2)限幅：匹配濾波以后，經過限幅濾波器[11]，將S2(t)壓縮后的峰值能量濾除掉，得到結果為，其中經限幅濾波器后的殘余能量，相對于整體，殘余能量很小。實際應用中限幅門限可以根據成像區域目標特性進行設定，仿真中則可以根據所設置的信號匹配壓縮的結果計算出來。

(5)成像處理：用常規成像算法進行成像處理。

上述處理過程如圖2所示。

圖2 兩發兩收SAR回波信號分離流程

圖2 表示了整個分離過程，先對干擾信號進行匹配濾波，在限幅和逆濾波處理后才對目標信號進行匹配濾波，這樣，信號S1(t),S2(t)就被較好的分別從子孔徑1的混合回波信號 (S1(t) +S2(t))中分離出來。

5 仿真分析

對星載兩發兩收SAR信號分離進行了仿真，仿真參數設置為：兩子孔徑分別發射正調頻信號和負調頻信號。平臺高度為 600km，載波頻率為9.5GHz，中心視角為30.4°，信號脈寬為10 μs，帶寬為80MHz，過采樣率為1.4。用上述參數對常規的碼分法和無干擾信號即理想狀態下的匹配濾波結果進行了仿真，得到圖3所示結果。

再經過逆匹配濾波運算，對運算結果重新匹配濾波后，可以得到對目標信號的匹配濾波結果，將其同常規匹配濾波仿真結果比較，如圖6、圖7所示。

從圖中可以看到使用改進的分離方法進行匹配濾波后的旁瓣高度，明顯低于常規分離方法的匹配濾波結果。表1列出了對常規的分離方法、改進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)的計算結果。

圖3 常規分離方法與理想匹配濾波結果比較

圖4 混合回波匹配濾波結果

圖5 混合回波匹配濾波經限幅后的結果

表1 3種情況的匹配濾波結果參數比較

比較表1的數據可知，改進的分離方法的匹配濾波結果積分旁瓣比有了很大提高，已經接近理想的信號匹配濾波結果，說明相對于常規的碼分法，自相關噪聲得到了很好的抑制，可以得到較好的成像效果。但是，在限幅操作的過程中，不可避免地會消除部分目標信號的能量，這也是該方法的最大缺陷。

6 結束語

針對雙通道發射正、負調頻信號的情況，本文對互相關噪聲的抑制方法進行了一定的探索，該方法對強點目標效果較好，如海洋艦船等，而對于一般的地面目標，還需要進一步研究一種自適應的限幅門限設置方法。對于子孔徑數為 3個及以上的MIMO-SAR系統，信號分離過程應對上述流程中的限幅和逆匹配濾波進行重復操作，隨著孔徑數的增多，限幅過程中損失的有用信號能量將增大，方法的有效性必然會降低。