基于方位向相位編碼技術的方位向多通道SAR距離模糊抑制方法

郭 磊王 宇鄧云凱王 偉②羅繡蓮②

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 100190)

基于方位向相位編碼技術的方位向多通道SAR距離模糊抑制方法

郭 磊*①②王 宇①鄧云凱①王 偉①②羅繡蓮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 100190)

距離模糊一直是影響合成孔徑雷達(SAR)成像質量的重要因素之一。方位向相位編碼(APC)技術是一種有效抑制距離模糊的方法，但是由于APC技術高度依賴于高過采樣率，對于多通道SAR系統，APC技術的距離模糊抑制效果很有限。該文提出一種新的基于APC技術的多通道系統距離模糊抑制方法。該方法首先通過APC技術將部分距離模糊信號產生方位平移，通過額外增加接收通道數提供的額外信號自由度，能夠在方位向上通過合適的數字波束形成(DBF)技術同時濾去距離模糊和重建方位向信號，因此距離模糊信號可以被很好地抑制。該文最后給出仿真結果，證明該方法的有效性。

合成孔徑雷達；方位向相位編碼；多通道；距離模糊抑制

1 引言

由于最小天線面積的限制，傳統星載合成孔徑雷達(SAR)無法同時達到高方位分辨率和寬測繪幅寬[1,2]。方位向多通道技術能夠利用空間采樣來彌補時間采樣上的不足，能夠克服最小天線面積的約束，因此方位向多通道SAR系統能夠同時實現高方位分辨率和寬測繪幅寬[3]。但是，由于方位向多通道SAR系統的測繪幅寬較寬，會導致嚴重的距離模糊問題，這些距離模糊信號會對成像結果造成嚴重的影響。

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，包括正負調頻率技術[4]、距離向數字波束形成(Digital BeamForming, DBF)技術[5]、方位向相位編碼(Azimuth Phase Coding, APC)技術[6]等。APC技術能夠通過合理的發射信號相位調制和接收信號的相位解調，改變距離模糊信號的方位多普勒頻率位置，使之與有用信號的區別開來，然后通過濾波器將部分距離模糊信號濾去。由于濾波器只能濾去處理多普勒帶寬和脈沖重復頻率(Pulse Repetition Frequency, PRF)之間的信號，因此APC技術抑制距離模糊的效果嚴重依賴SAR系統的過采樣率。方位向多通道SAR系統的PRF遠遠低于單通道系統，因此APC技術在用于多通道系統時效果較差[7,8]。

本文提出一種新的基于APC技術的方位向多通道SAR系統的距離模糊抑制方法。首先通過APC技術，將距離模糊信號和有用信號在方位向頻率上分離，再利用額外的多個接收通道來使用方位向DBF技術濾去距離模糊并重建采集信號。這樣，絕大部分分離出的距離模糊信號都能被抑制。

本文的余下部分結構如下：第2節簡單介紹了APC方法；第3節給出了本文所示的距離模糊抑制方法；第4節給出了仿真結果來驗證方法的有效性；第5節給出了本文的結論。

2 APC方法簡介

傳統的利用APC技術抑制距離模糊的方法需要3個步驟：對發射信號進行相位調制，對接收回波信號進行相位解調以及利用方位向處理濾去帶外的距離模糊信號。通過合適的相位調制和解調，可以使距離模糊信號產生一個殘余的相位，而對有用信號沒有影響，這使得距離模糊信號與有用信號在方位多普勒域上分離開，因此能夠通過選取合理的處理帶寬來濾去部分距離模糊信號。

對發射信號的調制相位如式(1)所示：

其中，l表示第幾個發射脈沖，M表示頻率轉移因子。當1M=時等于未使用APC方法，因此式(1)中2M≥。

接收信號的解調相位如式(2)所示：

其中n表示第幾個回波脈沖，d表示有用信號從發射到接收這段時間內共發射了多少個脈沖信號。相比于有用信號，第k階距離模糊信號延遲了PRIk?時間到達接收機，PRI表示脈沖重復周期。因此通過式(1)和式(2)調制和解調，第k階距離模糊信號將會有一個額外的殘余相位，如式(3)所示：

其中PRF表示脈沖重復頻率，tm=n/PRF 代表方位向時間。從式(3)可以看出，第k階距離模糊信號在方位多普勒頻率域平移了k?PRF/M。圖1顯示了當M=3時使用APC調制和解調后的多普勒頻域。對于任意整數I來說，第k階距離模糊信號與第k+M?I階距離模糊信號有相同的頻率偏移，圖中實線表示有用信號和第M?I階距離模糊信號的頻譜(沒有頻率偏移)，點劃線表示第1MI+?階距離模糊信號的頻譜，虛線表示第2MI+?階距離模糊信號的頻譜，aB表示多普勒帶寬，pB表示處理的多普勒帶寬，af表示多普勒頻率，陰影部分表示能夠濾去的距離模糊部分。

由圖1可以看出，由于能夠濾去的距離模糊信號部分是在PRF與pB之間，因此要實現高的距離模糊抑制的效果，SAR系統需要高的過采樣率。由于方位向多通道SAR系統的系統PRF遠遠小于處理帶寬pB，因此傳統的APC方法對多通道SAR系統的距離模糊抑制效果很差。文獻[7]給出一種基于APC方法和距離向DBF技術的距離模糊抑制方法，但這種方法也受制于通道個數，當方位向通道數較多的時候該方法抑制模糊的能力有限。

3 基于APC技術的多通道SAR距離模糊抑制方法

對于傳統的多通道SAR系統，通過APC技術將距離模糊信號和有用信號分離的時頻關系圖如圖2(a)所示(圖中以方位向3通道為例，頻率轉移因子M=2)。由于APC頻率轉移因子為2，因此奇數階距離模糊信號與有用信號產生了PRF/2頻移，而偶數階距離模糊信號與有用信號沒有分離。

當圖2(a)所示的方位頻譜通過PRF采樣后，時頻關系如圖2(b)所示。由于PRF只有合成PRF的三分之一，有用信號和模糊信號被分為3部分混疊在一起。再通過多通道重建濾波器對有用信號進行重建后，得到的時頻關系如圖2(c)所示?？梢钥吹?，距離模糊信號非但沒有被抑制，反而更加嚴重(這與多通道系統的方位模糊更加嚴重的原理相同)。傳統的APC技術只能將陰影區域的距離模糊信號濾去，相比于單通道系統使用APC技術抑制距離模糊，多通道系統抑制距離模糊的程度很有限。

圖1 使用APC方法后的方位多普勒頻率示意圖

圖2 多通道系統使用APC技術的時頻關系圖

對于圖2所示的3通道系統，信號處理時需要3個通道的數據即3個自由度來對有用信號做無損恢復。若該系統參數不變，但使用5個接收通道接收數據，則除了利用3個自由度來重建信號外，還可以有2個自由度來對距離模糊信號的位置做重建處理，如圖3所示。圖3(a)中，重建中間部分有用信號時對left,2θ,left,1θ,right,1θ,right,2θ4個位置做方位向DBF零陷處理，即可得到重建處理和距離模糊抑制后的結果，如圖3(b)所示?？梢钥闯?，奇數階距離模糊信號被大大抑制。

對于圖3所示的多通道系統，要同時實現多通道重建處理和距離模糊抑制，則方位向DBF的加權向量mp需要滿足式(4)：

圖3 利用額外的自由度對使用APC技術的多通道系統做距離模糊抑制處理

其中為方位向接收矩陣，如式(5)～式(7)所示。da表示子通道間間距，λ表示波長，θ1,θ2,θ3表示3部分有用信號的位置。根據式(4)得到DBF加權矢量pm，將各個通道采集數據通過該加權矢量，得到多通道重建處理和距離模糊抑制后的頻譜信號，再通過普通成像算法即可得到距離模糊抑制后的圖像[9-11]。

4 仿真結果

為了驗證第3節所示的抑制距離模糊的方法，本節設計了一個5通道星載SAR系統進行仿真，該系統的主要參數如表1所示。

表1 多通道星載SAR系統參數

該系統能夠實現1.00 m分辨率和50 km的測繪幅寬，5個通道可以產生5個接收相位中心，即5個方位向DBF自由度。其中3個自由度用來進行多通道非均勻重建，剩下兩個用來抑制奇數階距離模糊。系統PRF為3160 Hz，計算得到系統的方位模糊比(Azimuth Ambiguity-to-Signal Ratio, AASR)為-23.52 dB，滿足X波段星載SAR系統一般的方位模糊要求。該波位的時序關系圖如圖4所示。

圖4 系統的時序關系圖

為了驗證該方法對距離模糊的抑制情況，仿真中在成像場景中心和所有的距離模糊區中心都放置一個點目標，該星載SAR系統的成像場景區域和距離模糊區如圖5所示，模糊區內的雷達信號會通過天線旁瓣進入雷達接收機，同成像區回波信號混疊，造成距離模糊，降低成像質量。由文獻[12](P190的式(5～79))的雷達方程知，每個點目標的回波能量功率如式(8)所示。σ0為每個點目標的后向散射系數，為了方便起見，所有的點目標的后向散射系數都設置為1, G為單程天線方向圖(本仿真中天線方向圖使用sinc函數)，R為天線到每個點目標的斜距，θInc為每個點目標的入射角，Pt為發射峰值功率，τP為發射脈沖脈寬，c為光速，vs為衛星飛行速度。

對于有用信號能量和模糊信號來說，除了入射角θInc不同，式(8)中的參數都相同。因此消去相同項后距離模糊比(Range Ambiguity-to-Signal Ratio, RASR)的計算公式如式(9)所示[12]，θInc-signal為成像區內每個距離位置的入射角，θInc-amb,i為第i個模糊區內每個距離位置的入射角。

圖5 成像區和模糊區示意圖

圖6給出未做距離模糊抑制的點目標成像結果，圖6(a)為場景中心的點目標成像結果，方位向分辨率為0.91 m(較指標的1.00 m分辨率更好一些，主要是為后期的加窗處理等留出余量)，峰值旁瓣比為-13.25 dB，積分旁瓣比為-9.81 dB。圖6(b)為所有模糊能量成像后的結果(該成像結果最終會疊加到場景中心的點目標成像結果上)，模糊能量的峰值在-39 dB左右。

圖7給出了使用本文提出的距離模糊抑制方法后的點目標成像結果，圖7(a)為場景中心的點目標成像結果，方位向分辨率為0.91 m，峰值旁瓣比為-13.25 dB，積分旁瓣比為-9.81 dB。圖7(b)為距離模糊抑制后的所有模糊能量成像結果，模糊能量的峰值在-52 dB左右。由圖6(a)，圖7(a)可以看出，使用本文的方法得到的成像結果同未使用本方法的成像結果性能相同，因此本文方法不會對有用信號產生影響，不會惡化成像結果。由圖6(b)，圖7(b)相比，使用本文方法距離模糊被有效抑制，峰值從-39 dB降低到-52 dB。

圖8給出了整個50 km測繪帶內的距離模糊比(RASR)，可以看出使用本文方法后，整個測繪帶內的最差距離模糊度從-21.34 dB提升到了-32.21 dB，驗證了本方法的有效性。

圖6 未做距離模糊抑制的點目標成像結果

圖7 使用了本文提出的距離模糊抑制方法后的點目標成像結果

圖8 整個測繪帶內的距離模糊度

5 結束語

本文給出了一種新的對于多通道系統的距離模糊抑制方法。通過增加接收通道個數并使用APC技術，該方法能夠有效地降低多通道系統的距離模糊。由于距離模糊嚴重的制約了寬幅SAR系統的發展，因此本方法在未來將會有良好的應用前景。在未來的SAR系統設計，可以采用多發多收MIMO-SAR的設計方法，顯著增加方位向天線相位中心個數，并結合本文的方法，實現多通道距離模糊的抑制[13-17]。

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郭 磊： 男，1988年生，博士生，研究方向為合成孔徑雷達系統仿真.

王 宇： 男，1979年生，研究員，博士生導師，研究方向為星載合成孔徑雷達.

鄧云凱： 男，1962年生，研究員，博士生導師，長期從事合成孔徑雷達系統設計和微波技術的研究.

Range Ambiguity Suppression for Multi-channel SAR System Using Azimuth Phase Coding Technique

Guo Lei①②Wang Yu①Deng Yun-kai①Wang Wei①②Luo Xiu-lian①②①(Institute of Electronics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)
②(University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)

For Synthetic Aperture Radar (SAR), the range ambiguity is one of the important factors causing significant deterioration of the imaging performance. Azimuth Phase Coding (APC) technique is an effective method to suppress the range ambiguity. However, since the suppression performance heavily depends on the system over-sampling rate, the APC technique could not have the same suppression performance for a multi-channel SAR system compared with a single-channel SAR system. This paper presents a novel method to suppress the range ambiguity for multi-channel SAR system based on the APC technique. First, the range ambiguity can be shifted in the azimuth frequency domain by using the APC technique, then by taking advantages of more phase centers of multiple channels, the Digital BeamForming (DBF) method can be used to filter out the range ambiguity and reconstruct the useful signal, thus most of the ambiguity components can be suppressed significantly. Finally, the simulation results validate the effectiveness of the proposed method.

SAR; Azimuth Phase Coding (APC); Multiple channel; Range ambiguity suppression

TN957.51

A

1009-5896(2015)03-0601-06

10.11999/JEIT140707

2014-05-27收到，2014-09-05改回

*通信作者：郭磊 guoleiwk@mail.ustc.edu.cn