基于方位向相位编码技术的方位向多通道SAR距离模糊抑制方法

郭 磊王 宇邓云凯王 伟②罗绣莲②

①(中国科学院电子学研究所 北京 100190)

②(中国科学院大学 北京 100190)

基于方位向相位编码技术的方位向多通道SAR距离模糊抑制方法

郭 磊*①②王 宇①邓云凯①王 伟①②罗绣莲①②

①(中国科学院电子学研究所 北京 100190)

②(中国科学院大学 北京 100190)

距离模糊一直是影响合成孔径雷达(SAR)成像质量的重要因素之一。方位向相位编码(APC)技术是一种有效抑制距离模糊的方法，但是由于APC技术高度依赖于高过采样率，对于多通道SAR系统，APC技术的距离模糊抑制效果很有限。该文提出一种新的基于APC技术的多通道系统距离模糊抑制方法。该方法首先通过APC技术将部分距离模糊信号产生方位平移，通过额外增加接收通道数提供的额外信号自由度，能够在方位向上通过合适的数字波束形成(DBF)技术同时滤去距离模糊和重建方位向信号，因此距离模糊信号可以被很好地抑制。该文最后给出仿真结果，证明该方法的有效性。

合成孔径雷达；方位向相位编码；多通道；距离模糊抑制

1 引言

由于最小天线面积的限制，传统星载合成孔径雷达(SAR)无法同时达到高方位分辨率和宽测绘幅宽[1,2]。方位向多通道技术能够利用空间采样来弥补时间采样上的不足，能够克服最小天线面积的约束，因此方位向多通道SAR系统能够同时实现高方位分辨率和宽测绘幅宽[3]。但是，由于方位向多通道SAR系统的测绘幅宽较宽，会导致严重的距离模糊问题，这些距离模糊信号会对成像结果造成严重的影响。

为了解决上述问题，学者们先后提出了许多方法来抑制距离模糊，包括正负调频率技术[4]、距离向数字波束形成(Digital BeamForming, DBF)技术[5]、方位向相位编码(Azimuth Phase Coding, APC)技术[6]等。APC技术能够通过合理的发射信号相位调制和接收信号的相位解调，改变距离模糊信号的方位多普勒频率位置，使之与有用信号的区别开来，然后通过滤波器将部分距离模糊信号滤去。由于滤波器只能滤去处理多普勒带宽和脉冲重复频率(Pulse Repetition Frequency, PRF)之间的信号，因此APC技术抑制距离模糊的效果严重依赖SAR系统的过采样率。方位向多通道SAR系统的PRF远远低于单通道系统，因此APC技术在用于多通道系统时效果较差[7,8]。

本文提出一种新的基于APC技术的方位向多通道SAR系统的距离模糊抑制方法。首先通过APC技术，将距离模糊信号和有用信号在方位向频率上分离，再利用额外的多个接收通道来使用方位向DBF技术滤去距离模糊并重建采集信号。这样，绝大部分分离出的距离模糊信号都能被抑制。

本文的余下部分结构如下：第2节简单介绍了APC方法；第3节给出了本文所示的距离模糊抑制方法；第4节给出了仿真结果来验证方法的有效性；第5节给出了本文的结论。

2 APC方法简介

传统的利用APC技术抑制距离模糊的方法需要3个步骤：对发射信号进行相位调制，对接收回波信号进行相位解调以及利用方位向处理滤去带外的距离模糊信号。通过合适的相位调制和解调，可以使距离模糊信号产生一个残余的相位，而对有用信号没有影响，这使得距离模糊信号与有用信号在方位多普勒域上分离开，因此能够通过选取合理的处理带宽来滤去部分距离模糊信号。

对发射信号的调制相位如式(1)所示：

其中，l表示第几个发射脉冲，M表示频率转移因子。当1M=时等于未使用APC方法，因此式(1)中2M≥。

接收信号的解调相位如式(2)所示：

其中n表示第几个回波脉冲，d表示有用信号从发射到接收这段时间内共发射了多少个脉冲信号。相比于有用信号，第k阶距离模糊信号延迟了PRIk⋅时间到达接收机，PRI表示脉冲重复周期。因此通过式(1)和式(2)调制和解调，第k阶距离模糊信号将会有一个额外的残余相位，如式(3)所示：

其中PRF表示脉冲重复频率，tm=n/PRF 代表方位向时间。从式(3)可以看出，第k阶距离模糊信号在方位多普勒频率域平移了k⋅PRF/M。图1显示了当M=3时使用APC调制和解调后的多普勒频域。对于任意整数I来说，第k阶距离模糊信号与第k+M⋅I阶距离模糊信号有相同的频率偏移，图中实线表示有用信号和第M⋅I阶距离模糊信号的频谱(没有频率偏移)，点划线表示第1MI+⋅阶距离模糊信号的频谱，虚线表示第2MI+⋅阶距离模糊信号的频谱，aB表示多普勒带宽，pB表示处理的多普勒带宽，af表示多普勒频率，阴影部分表示能够滤去的距离模糊部分。

由图1可以看出，由于能够滤去的距离模糊信号部分是在PRF与pB之间，因此要实现高的距离模糊抑制的效果，SAR系统需要高的过采样率。由于方位向多通道SAR系统的系统PRF远远小于处理带宽pB，因此传统的APC方法对多通道SAR系统的距离模糊抑制效果很差。文献[7]给出一种基于APC方法和距离向DBF技术的距离模糊抑制方法，但这种方法也受制于通道个数，当方位向通道数较多的时候该方法抑制模糊的能力有限。

3 基于APC技术的多通道SAR距离模糊抑制方法

对于传统的多通道SAR系统，通过APC技术将距离模糊信号和有用信号分离的时频关系图如图2(a)所示(图中以方位向3通道为例，频率转移因子M=2)。由于APC频率转移因子为2，因此奇数阶距离模糊信号与有用信号产生了PRF/2频移，而偶数阶距离模糊信号与有用信号没有分离。

当图2(a)所示的方位频谱通过PRF采样后，时频关系如图2(b)所示。由于PRF只有合成PRF的三分之一，有用信号和模糊信号被分为3部分混叠在一起。再通过多通道重建滤波器对有用信号进行重建后，得到的时频关系如图2(c)所示。可以看到，距离模糊信号非但没有被抑制，反而更加严重(这与多通道系统的方位模糊更加严重的原理相同)。传统的APC技术只能将阴影区域的距离模糊信号滤去，相比于单通道系统使用APC技术抑制距离模糊，多通道系统抑制距离模糊的程度很有限。

图1 使用APC方法后的方位多普勒频率示意图

图2 多通道系统使用APC技术的时频关系图

对于图2所示的3通道系统，信号处理时需要3个通道的数据即3个自由度来对有用信号做无损恢复。若该系统参数不变，但使用5个接收通道接收数据，则除了利用3个自由度来重建信号外，还可以有2个自由度来对距离模糊信号的位置做重建处理，如图3所示。图3(a)中，重建中间部分有用信号时对left,2θ,left,1θ,right,1θ,right,2θ4个位置做方位向DBF零陷处理，即可得到重建处理和距离模糊抑制后的结果，如图3(b)所示。可以看出，奇数阶距离模糊信号被大大抑制。

对于图3所示的多通道系统，要同时实现多通道重建处理和距离模糊抑制，则方位向DBF的加权向量mp需要满足式(4)：

图3 利用额外的自由度对使用APC技术的多通道系统做距离模糊抑制处理

其中为方位向接收矩阵，如式(5)～式(7)所示。da表示子通道间间距，λ表示波长，θ1,θ2,θ3表示3部分有用信号的位置。根据式(4)得到DBF加权矢量pm，将各个通道采集数据通过该加权矢量，得到多通道重建处理和距离模糊抑制后的频谱信号，再通过普通成像算法即可得到距离模糊抑制后的图像[9-11]。

4 仿真结果

为了验证第3节所示的抑制距离模糊的方法，本节设计了一个5通道星载SAR系统进行仿真，该系统的主要参数如表1所示。

表1 多通道星载SAR系统参数

该系统能够实现1.00 m分辨率和50 km的测绘幅宽，5个通道可以产生5个接收相位中心，即5个方位向DBF自由度。其中3个自由度用来进行多通道非均匀重建，剩下两个用来抑制奇数阶距离模糊。系统PRF为3160 Hz，计算得到系统的方位模糊比(Azimuth Ambiguity-to-Signal Ratio, AASR)为-23.52 dB，满足X波段星载SAR系统一般的方位模糊要求。该波位的时序关系图如图4所示。

图4 系统的时序关系图

为了验证该方法对距离模糊的抑制情况，仿真中在成像场景中心和所有的距离模糊区中心都放置一个点目标，该星载SAR系统的成像场景区域和距离模糊区如图5所示，模糊区内的雷达信号会通过天线旁瓣进入雷达接收机，同成像区回波信号混叠，造成距离模糊，降低成像质量。由文献[12](P190的式(5～79))的雷达方程知，每个点目标的回波能量功率如式(8)所示。σ0为每个点目标的后向散射系数，为了方便起见，所有的点目标的后向散射系数都设置为1, G为单程天线方向图(本仿真中天线方向图使用sinc函数)，R为天线到每个点目标的斜距，θInc为每个点目标的入射角，Pt为发射峰值功率，τP为发射脉冲脉宽，c为光速，vs为卫星飞行速度。

对于有用信号能量和模糊信号来说，除了入射角θInc不同，式(8)中的参数都相同。因此消去相同项后距离模糊比(Range Ambiguity-to-Signal Ratio, RASR)的计算公式如式(9)所示[12]，θInc-signal为成像区内每个距离位置的入射角，θInc-amb,i为第i个模糊区内每个距离位置的入射角。

图5 成像区和模糊区示意图

图6给出未做距离模糊抑制的点目标成像结果，图6(a)为场景中心的点目标成像结果，方位向分辨率为0.91 m(较指标的1.00 m分辨率更好一些，主要是为后期的加窗处理等留出余量)，峰值旁瓣比为-13.25 dB，积分旁瓣比为-9.81 dB。图6(b)为所有模糊能量成像后的结果(该成像结果最终会叠加到场景中心的点目标成像结果上)，模糊能量的峰值在-39 dB左右。

图7给出了使用本文提出的距离模糊抑制方法后的点目标成像结果，图7(a)为场景中心的点目标成像结果，方位向分辨率为0.91 m，峰值旁瓣比为-13.25 dB，积分旁瓣比为-9.81 dB。图7(b)为距离模糊抑制后的所有模糊能量成像结果，模糊能量的峰值在-52 dB左右。由图6(a)，图7(a)可以看出，使用本文的方法得到的成像结果同未使用本方法的成像结果性能相同，因此本文方法不会对有用信号产生影响，不会恶化成像结果。由图6(b)，图7(b)相比，使用本文方法距离模糊被有效抑制，峰值从-39 dB降低到-52 dB。

图8给出了整个50 km测绘带内的距离模糊比(RASR)，可以看出使用本文方法后，整个测绘带内的最差距离模糊度从-21.34 dB提升到了-32.21 dB，验证了本方法的有效性。

图6 未做距离模糊抑制的点目标成像结果

图7 使用了本文提出的距离模糊抑制方法后的点目标成像结果

图8 整个测绘带内的距离模糊度

5 结束语

本文给出了一种新的对于多通道系统的距离模糊抑制方法。通过增加接收通道个数并使用APC技术，该方法能够有效地降低多通道系统的距离模糊。由于距离模糊严重的制约了宽幅SAR系统的发展，因此本方法在未来将会有良好的应用前景。在未来的SAR系统设计，可以采用多发多收MIMO-SAR的设计方法，显著增加方位向天线相位中心个数，并结合本文的方法，实现多通道距离模糊的抑制[13-17]。

[1] Curlander J C and McDonouth R N. Synthetic Aperture Radar: Systems and Signal Processing[M]. New York: Wiley, 1991: 47-66.

[2] Currie A and Brown M A. Wide-swath SAR[J]. IEE Proceedings - Radar Sonar and Navigation, 1992, 139(2): 122-135.

[3] Krieger G, Gebert N, and Moreira A. SAR signal reconstruction from non-uniform displaced phase centresampling[C]. Proceedings of the 2004 IEEE Geoscience and Remote Sensing Symposium, Anchorage, USA, 2004: 1763-1766.

[4] Mittermayer J and Martínez J M. Analysis of range ambiguity suppression in SAR by up and down chirp modulation for point and distributed targets[C]. Proceedings of the 2003 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium, Toulouse, France, 2003: 4077-4079.

[5] Gebert N, Krieger G, and Moreira A. Digital beamforming on receive: techniques and optimization strategies for high-resolution wide-swath SAR imaging[J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 2009, 45(2): 564-592.

[6] Dall J and Kusk A. Azimuth phase coding for range ambiguity suppression in SAR[C]. Proceedings of the 2004 IEEE Geoscience and Remote Sensing Symposium, Anchorage, USA, 2004: 1734-1737.

[7] Bordoni F, Younis M, and Krieger G. Ambiguity suppression by azimuth phase coding in multichannel SAR systems[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2012, 50(2): 617-629.

[8] Yang J, Sun G, Wu Y, et al.. Range ambiguity suppression by azimuth phase coding in multichannel SAR system[C]. 2013 IET International Radar Conference, Xi’an, China, 2013: 1-5.

[9] Feng F, Li S, Yu W, et al.. Study on the processing scheme for space-time waveform encoding SAR system based on two dimensional digital beamforming[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2012, 50(3): 910-932.

[10] Huang P, Xu W, and Qi W. Two dimension digital beamforming preprocessing in multibeam scanSAR[J]. Progress in Electromagnetics Research, 2013, 136: 495-508.

[11] Qi W and Yu W. A novel operation mode for spaceborne polarimetric SAR[J]. SCIENCE CHINA Information Sciences, 2011, 54(4): 884-897.

[12] 刘永坦. 雷达成像技术[M]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学出版社, 1999: 170-190.

Liu Yong-tan. Radar Imaging Technology[M]. Harbin: Harbin Institute of Technology Press, 1999: 170-190.

[13] Wang W. Space-time coding MIMO-OFDM SAR for high-resolution imaging[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2011, 49(8): 3094-3104.

[14] 李晓辉, 王维猛, 黑永强. 基于空频相关性的大规模MIMO-OFDM信道压缩反馈算法[J]. 电子与信息学报, 2014, 36(5): 1178-1183.

Li Xiao-hui, Wang Wei-meng, and Hei Yong-qiang. Compressed channel feedback based on spatial-frequency correlation for massive MIMO-OFDM systems[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2014, 36(5): 1178-1183.

[15] Wang W and Cai J. MIMO SAR using chirp diverse waveform for wide-swath remote sensing[J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 2012, 48(4): 3171-3185.

[16] Krieger G. MIMO-SAR: opportunities and pitfalls[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2013, 52(5): 2628-2645.

[17] Wang W. MIMO SAR imaging: potential and challenges[J]. IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine, 2013, 28(8): 18-23.

郭 磊： 男，1988年生，博士生，研究方向为合成孔径雷达系统仿真.

王 宇： 男，1979年生，研究员，博士生导师，研究方向为星载合成孔径雷达.

邓云凯： 男，1962年生，研究员，博士生导师，长期从事合成孔径雷达系统设计和微波技术的研究.

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