基于相位增量法的合成孔徑雷達多普勒中心頻率估計

任圣君，陳少昌

(海軍工程大學 電子工程學院，湖北 武漢 430033)

基于相位增量法的合成孔徑雷達多普勒中心頻率估計

任圣君，陳少昌

(海軍工程大學 電子工程學院，湖北 武漢430033)

合成孔徑雷達(SAR)系統中，多普勒中心頻率的精度直接影響著成像的質量。針對合成孔徑雷達多普勒中心頻率估計問題，提出了基于相位增量的估計方法，并在MATLAB仿真軟件環境下進行數據仿真。該算法利用合成孔徑雷達回波在方位向上線性調頻信號的相頻曲線的分布特性，運用反正切定律非線性估計回波相位信息，并利用函數擬合的方法對頻率中心進行了有效的估計。該算法降低了運算復雜度，對噪聲的干擾具有魯棒性，并且與已有的符號估計算法具有相當的估計性能。該算法的估計結果可以用于補償載機運動誤差引入的相位誤差，從而實現高分辨率成像。

線性調頻信號；合成孔徑雷達；多普勒中心頻率估計

0 引言

合成孔徑雷達(SAR)已經廣泛用于軍事及國民經濟的許多領域，如軍事偵察、環境監測、土地資源管理等。SAR的距離分辨力通過發射大的時寬帶寬信號然后進行壓縮得到，方位分辨力通過對回波信號的多普勒歷程進行匹配處理得到。方位多普勒匹配濾波器的構成要求已知回波信號的多普勒歷程的多普勒參數(多普勒中心頻率和多普勒調頻率)[1]。實際上，目標回波具有無法預知的多普勒中心頻移，而濾波器只能匹配于具有零多普勒的信號。也就是說，雷達中的匹配濾波器通常是失配的。失配的結果是輸出峰值下降，主瓣展寬，距離分辨率下降[2]。因此要得到較為準確的多普勒中心頻率才能修正方位多普勒匹配濾波器，從而提高SAR成像的方位分辨力。

1 線性調頻信號簡介

1.1數學表達式

LFM信號有一個脈沖寬度為T的矩形幅度調制和一個在脈沖范圍內掃頻帶寬為B的線性頻率調制。所以它是大時寬頻信號。其突出特點是匹配濾波器對回波的多普勒頻移不敏感[3-5]，以及具有更好的低截獲概率特性。

如圖1所示為典型的LFM信號。LFM信號(也稱Chirp 信號)的數學表達式為：

(1)

(2)

將式(1)中的up-chirp信號重寫為：

s(t)=S(t)ej2πfct

(3)

幅度調制為：

(4)

相位調制為時間的二次函數：

φ(t)=πkt2

(5)

圖1 典型的LFM信號

1.2線性調頻信號的模糊函數

LFM模糊函數描述了目標的距離與速度的分辨力之間的相互關系，表征了信號的時頻關系[6]，當目標與雷達之間存在相互運動時，回波就會有多普勒頻移，模糊函數正展示了速度的變化對距離產生的影響。

LFM信號的模糊函數為：

(6)

其中，|τ|≤τ′。

在模糊圖的最大值降到0.707倍處的截面近似成橢圓形，因而也稱為信號的模糊橢圓或信號的模糊度圖。繪制出線性調頻信號的模糊度圖，如圖2。

圖2 LFM信號的模糊度圖

模糊度圖反映了線性調頻信號的速度分辨力與距離分辨力之間的關系：多普勒頻偏會導致目標的時延發生偏移，進而反映在距離的探測上，如果能獲得多頻率頻偏的大小，也就可以計算出相應產生的時移，從而準確解算出距離上的測量誤差，設計相應的濾波器加以矯正。

2 方位向SAR回波信號仿真

SAR回波信號經過處理之后的方位向上會形成一個中心頻率有偏移的線性調頻信號，在信號處理中，需要估計信號的中心頻率，以進行匹配濾波，進而提高方位上的分辨率[7-8]。

用MATLAB模擬產生SAR回波的方位向的具有適當頻偏的線性調頻信號，并加入理想的高斯白噪聲。 設信號的頻率為f，線性調頻信號的步進系數為k，則復信號：

S(t)=ejφ=ejπkt2

(7)

即：

S(t)=cos(kπt2)+jsin(kπt2)

(8)

在波束中心穿越時刻，平臺與目標的徑向運動速度產生的多普勒頻移就是多普勒中心頻率，實際過程中會不斷發生波動，因此需要不斷進行估計。利用MATLAB產生中心頻率為20 Hz，調頻帶寬B為2 MHz，采樣頻率為fs=20 MHz，脈沖寬度為t=100 μs的線性調頻信號并加入8 dB信噪比的噪聲，如圖3。

圖3 加入噪聲后的信號線性調頻時域信號

中心頻率的確發生了一定的偏移，這樣就模擬了多普勒回波的基帶信號。基帶信號就是指大部分的頻率分量都在零頻附近，并且攜帶有所有的時域信號的信息[9]。

3 相位增量法對多普勒中心頻率的估計

對回波信號進行正交雙通道處理和低通濾波、零中頻處理之后可以獲得I路和Q路兩路信號，它們是正交的雙通道信號，共同組成了所需要的復信號，同時也包含了所需要的相位信息。為了方便討論，本文在前面的仿真中直接生成了處理后的具有多普勒頻偏的線性調頻信號，下面利用提取相位的辦法對模擬信號回波的中心頻率進行估計。

3.1獲取相位信息

由式(8)可知，信號的瞬時相位：

(9)

對于解析信號：

(10)

下面對正切函數和反正切函數的性質做簡要分析：

用MATLAB做出正切與反正切函數的圖像，如圖4。

圖4 正切與反正切函數圖像

而反正切函數對應的一個周期范圍在整個橫軸上都連續。下面做出反正切的完整圖像，包含不同周期的圖像，對一個周期之外的圖像進行觀察，如圖5。

圖5 反正切函數的多周期圖像

從圖5不難發現，在相同的tan(x)的值上對應了多個角度的值，這些相角之間都相差π的整數倍。當用式(10)計算復信號的相位時，得到的結果只存在于(-π/2，π/2)之間，圖像上會產生很多間斷的、不連續的地方，這種現象稱為相位的纏繞，如圖6所示。

圖6 線性調頻信號的相頻特性

它與真實相位的關系是相差π的整數倍，即有下式的關系：

φ=φ+kπk=0,±1,±2…

(11)

這不能反映相位在不同周期上的差別，在空間上造成混疊。

3.2相位解纏

圖7 相頻特性放大圖

由于處理的是離散的點，兩個點之間會有一定的差別，而不是連續的。逐個判斷相鄰兩個點的相位之間的差距，設定一個合理的門限，超過這一門限就認為圖像是不連續的。經過對比分析和實際的實驗，確定門限為0.5π最合適，連接效果最好。

設m是設定的相位矯正值，逐個判斷比較相鄰兩個點之間的相位差，如果大于0.5π，就使m自加1，反之m自減1，都不滿足的話，m的值保持不變。因為是從頭開始遍歷，m的值應先減后增，會出現負值的情況，理論上，m的值應在相頻曲線的最低點為零，即此時不加入相位補償，所以將m的值整體減去了m的最小值。

利用在原有的相頻曲線上對應點加mπ的相位矯正后，可將相位信息連在一起，形成完整的拋物線，如圖8。

圖8 矯正后線性調頻信號的相頻曲線

3.3二次函數曲線的擬合

利用MATLAB的內部函數文件可以很方便地對有理多項式形式的函數進行曲線擬合。用到的語句是：

p=polyfit(x，y，n)

(12)

“polyfit”是一個曲線擬合的函數語句，x、y是兩個一維矩陣，表示被擬合的離散點的橫坐標和縱坐標，n表示要擬合的曲線的次數。輸出的p是一個n+1 維數組，它包含了n次函數的n+1個參數，如y=axn+bxn-1+…+c，它確定函數的參數有n+1個，p正是這n個參數或者說是系數組成的數組。

在這里需要對數據進行二次擬合，所以n取2。因此p中包含3個參數：

p=(a，b，c)

(13)

由它得到的二次函數的表達式為：

y=ax2+bx+c

(14)

選取了曲線的下半部分進行擬合，這樣可以提高曲線擬合的相近程度，減少曲線擬合的誤差，使最后得到的結果更為精確。圖9和圖10是擬合前后的對比。

圖9 曲線擬合前后的圖像對比圖

圖10 放大后的擬合圖像

由圖9、圖10可以看到，對曲線進行擬合之后，明顯看出近似二次曲線的圖像擬合得比較接近，幾乎重合在一起，把圖像進行放大后，可以清晰地看到擬合前后的對比變化，擬合前的曲線比較雜亂，有很多的毛刺，擬合后的圖像變得非常光滑，這樣就使得在檢測時誤差會大大減小，并且擬合圖像對噪聲的適應性也大大增強[10]。利用二次函數的性質就能得到曲線的中心，從而計算得到多普勒中心頻率。

4 估計精度討論

在MATLAB中，可以使用循環語句，在循環中改變每次運行的信噪比條件，對這種估計方法的誤差進行分析，結果如圖11。

圖11 不同信噪比下的估計結果波動圖

由圖11可以看到，估計結果的絕對誤差隨信噪比的增大越來越小，估計的結果越來越接近實際產生的頻率20 Hz，信噪比在8 dB以上時，誤差基本控制在0.1 Hz以內，可以說此時已經十分準確了，完全可以滿足估計的精度要求。

下面著重分析信噪比在8 dB以下的情況。當信噪比小于6 dB時，信噪比降低時，誤差迅速增大，到3 dB時誤差已經有2～3 Hz，再小的話就已經超出我們想要獲得的精度。6 dB以后，估計的結果明顯已經非常可靠，誤差在0.1 Hz以內。

不同信噪比下的估計結果的誤差如表1。

表1 不同信噪比下估計結果的統計表

由以上的討論不難發現，估計的誤差隨信噪比的減小不斷增大，并且利用多次估計得到的均值反映了這種估計方法的可靠性。所以，在進行估計時，可以利用多次回波得到的中心頻率的估計結果的均值衡量這種估計方法的有效性。均值體現了這種估計方法的有效性，能夠在統計的層面反應多普勒中心頻率的估計結果在哪一個范圍上上下波動。

5 結束語

多普勒中心頻率的精確估計在合成孔徑成像中具有很重大的意義，對線性調頻信號的處理中，特別是匹配濾波的過程，要提取出線性調頻信號的中心頻率，才能獲得比較高的分辨率。本文著重討論了如何對線性調頻信號的中心頻率進行比較精確的估計。首先簡要介紹了線性調頻信號的信號形式、主要用途以及用MATLAB軟件產生線性調頻信號的方法，然后對雷達回波信號進行MATLAB仿真，并利用MATLAB軟件對仿真的雷達回波數據進行處理，研究了一種可行的線性調頻信號中心頻率的估計方法，最后在不同信噪比下，對這種估計方法進行了誤差分析。實驗顯示，這種基于相位增量的方法能夠減小多普勒中心頻率的估計誤差。

[1] 程玉平，保錚.一種改進的多普勒中心頻率估計方法[J].西安電子科技大學學報，1999，26(1): 44-48.

[2] 劉洋濤，張弓，胡慶榮.基于平均相位增量法的多普勒中心估計方法研究[J].航天電子對抗，2009，25(6): 37-39.

[3] 汪俊成，何嬙君，熊繼平.基于MATLAB的LTE系統仿真研究[J].微型機與應用，2015，34(17):57-59.

[4] 陳晶.線性調頻信號與正弦調頻信號參數估計方法[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2012.

[5] 楊平，耿富錄.正交采樣的理論和技術實現[J].火控雷達技術，1992(1): 25-30.

[6] 尹方始,朱力.基于雷達多通道接收機的合成方法研究[J].微型機與應用，2010，29(11):70-73.

[7] CUMING L G，WONG F H.合成孔徑雷達成像——算法仿真[M].洪文，等譯.北京：電子工業出版社，2007.

[8] 竇林濤，程健慶，李素民.基于 Matlab 的雷達信號處理系統仿真[J].指揮控制與仿真，2006，28(2): 78-82.

[9] MADSEN S N.Estimating the doppler centroid of SAR data[J].IEEE Transactions on Aero-space and Electronic Systems，1989，25(2):135-138.

[10] 王夢云.合成孔徑雷達多普勒參數研究與設計實現[D].北京：北京理工大學，2014.

Doppler center frequency estimation of synthetic aperture radar based on phase increment method

Ren Shengjun，Chen Shaochang

(Electronic Engineering Institute，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China)

In synthetic aperture radar (SAR) system，the accuracy of Doppler center frequency affects the quality of imaging directly.As to the estimation of Doppler center frequency of synthetic aperture radar，an estimation method based on phase increment is proposed.And the MATLAB software is used for data simulation.In this algorithm，azimuth phase frequency curve of LFM signal of synthetic aperture radar echo is used to estimate the center frequency.The nonlinear estimation of the echo phase information is carried out by using the method of arctangent law，and the frequency center is effectively estimated by the method of function fitting.The algorithm reduces the computational complexity，and the algorithm is robust to noise.And the estimated performance is comparable with that of the existing symbol estimation algorithm.The estimation results can be used to compensate the phase error introduced by the motion error of the carrier，so as to achieve high resolution imaging.

linear FM signal; synthetic aperture radar; Doppler center frequency estimation

TP306

A

10.19358/j.issn.1674-7720.2017.21.024

任圣君，陳少昌.基于相位增量法的合成孔徑雷達多普勒中心頻率估計J.微型機與應用，2017,36(21)：81-84,89.

2017-04-04)

任圣君(1995-)，男，碩士研究生，主要研究方向：電路與系統的電磁兼容性研究。

陳少昌(1962-)，男，教授 ，主要研究方向：電路與系統的電磁兼容性研究。