基于距离向多子带拼接技术的误差分析

李德坤，谭小敏，史平彦

(中国空间技术研究院西安分院，陕西 西安710100)

基于距离向多子带拼接技术的误差分析

李德坤，谭小敏，史平彦

(中国空间技术研究院西安分院，陕西 西安710100)

合成孔径雷达(SAR)系统采用多子带拼接技术合成大宽带信号，实现距离向高分辨成像，工程实际中各个子带信号存在幅度不一致、时间不一致、相位不一致，而不一致会影响子带拼接的性能。文中介绍了时域和频域拼接方法，对幅度、时间、相位不一致进行独立分析。通过Matlab软件对幅度、时间、相位不一致进行仿真，分析了不同误差对子带拼接带来的影响。仿真结果表明，幅度、时间、相位不一致时，距离向峰值旁瓣比(PSLR)、积分旁瓣比(ISLR)均产生不同程度恶化。

多子带拼接；误差分析；幅度不一致；时间不一致；相位不一致

空间分辨率是SAR成像系统的关键性能指标，目前，国外星载SAR成像系统已实现0.3 m分辨率，机载SAR成像系统已实现0.1 m分辨率[1-4]，国内星载SAR成像系统还停留在米级，机载SAR成像系统正在向着0.1 m分辨率发展。距离向高分辨需要大带宽信号，实际中，大带宽信号的发射、接收均难以避免引入误差，现有硬件也难以实现大带宽的发射。利用子带合成[5-6]技术，来降低距离向高分辨对硬件的要求。合成带宽方法的主要思想在于降低系统采样率和瞬时带宽。发射两个或多个具有一定子带宽的脉冲信号，中心频率以一定的步长递进，回波信号使用数字信号处理技术得到全带宽合成信号。合成带宽的实现方法大体有两类：时域[7]方法和频域[8-11]方法，处理思路的出发点分别是波形的合成和频谱的合成。

本文对子带合成技术的原理进行了分析，系统采用多子带拼接进行大带宽信号合成，减轻了直接发射大带宽信号带来的技术和方法上的困难。由于系统硬件等因素的影响，各子带信号间不可避免地存在幅度不一致、时间不一致、相位不一致，从而影响子带合成的质量。文中对子带拼接技术进行了分析，通过对幅度、时间、相位不一致进行仿真，分析了不同误差对子带拼接性能的影响。

1 多子带拼接误差分析

实现0.1 m的地距分辨率时，多个子脉冲信号拼接合成一个宽带信号。子脉冲的中心频率以一定的步长递进，利用数字信号处理技术对子脉冲回波进行相干处理得到超宽带频谱，实现距离高分辨率。

时域合成带宽处理主要处理步骤有：上采样、频移、相位校正、时移和相干叠加5个步骤。频域合成带宽方法主要包含相位和幅度校正、子带信号傅立叶变换、有效频谱截取、频谱加窗处理及拼接、逆傅里叶变换5个步骤。

假设全带宽LMF脉冲信号中心频率fc，带宽Bp，调频率γ，脉冲长度Tp，子脉冲信号带宽Bn，脉冲长度为Tpn，频率步长fstep，步数N0。为了得到完整的全带宽信号，频率步长必须不大于子脉冲信号带宽，fstep≤Bn。所以，子脉冲中心频率为

(1)

所发射的线性调频信号为

(2)

对于单点目标的回波，和发射脉冲载频相同的相参本振信号sref=exp(j2πfc(k)t)混频后，接收的基频信号为

(3)

基带信号的时域、频域合成带宽处理框图如图1和图2所示。

图1 时域带宽合成处理框图

图2 频域带宽合成处理框图

时域算法下，接收信号经过参考信号处理，信号转换成基带信号，基带的中心是各自的中心载频fc(k)，将信号转换成中心为fc的基带信号，需要移动fc-fc(k)，频移因子为

(4)

为保持时间平移后的子信号拼接边缘的相位连续性，补偿相位πγ(Δt(k))2

(5)

子信号中心与合成信号中心的时间间隔Δt(k)从本质上说就是子信号载频与合成信号载频的频率间隔Δf(k)=fc-fc(k)所决定的，满足Δt(k)=Δf(k)/γ，即

(6)

频域算法下，对各子带信号做傅里叶变换，得到n个子信号的频谱S(f)。对n个子信号频谱截取频谱中心频率附近的有效部分fstep，构造联合谱，当频谱有重叠时，选择合适的窗函数对频谱进行加窗处理，以保证频谱拼接的连续性和平滑。最后设计有效匹配滤波函数，进行统一匹配滤波处理，获得距离向高分辨率图像。实际匹配滤波时，最常用的处理方法是通过频域匹配滤波[12-13]对各个子信号压缩。其中，距离向压缩函数为

(7)

子信号对应不同载频，会产生一个和载频相关的相位，相位表示如下

θ(k)=4πRfc(k)/C

(8)

该相位会影响联合谱的合成，各子信号的边缘处会产生相位不一致，导致成像质量的下降。修正后的距离压缩函数为

H(fr)=H0(fr)·exp(-jθ(k))

(9)

Chirp信号会产生菲涅耳现象，菲涅耳现象并不限制在带宽范围。在联合谱中，各子谱边缘会产生周期性的微小波动，波动会产生虚假目标。对其进行如下处理

(10)

其中，S(fr)为发射的基带信号的傅里叶变换。

2 仿真分析

工程实现时，各个子带信号的幅度不一致、相位不一致、拼接过程中时间偏差会对合成出的信号质量造成影响，产生相应失真，影响子带拼接。下面将从幅度不一致、时间偏差、相位不一致3个方面进行拼接仿真[14-16]。

假设子带间的幅度误差为固定误差，子带1和子带3信号幅度为1 V，以子带2存在幅度误差进行分析，发射波形变成如图3(a)所示。时间不一致表现为延迟与超前，不同子带的延迟与超前对间隔的影响不一样，下面以子带2发生延迟进行分析，发射波形变成如图3(b)所示。相位误差使子脉冲在拼接时边沿处的相位出现不连续，以子带1、2信号相位差进行分析，发射波形相位差如图3(c)所示。

幅度不一致的对比如表1所示，时间不一致的对比如表2所示，相位不一致的对比如表3所示。

表1 幅度不一致对脉压结果的影响

如表1所示，随着幅度不一致的加大，峰值旁瓣比进一步下降，积分旁瓣比升高。原因在于压缩结果中出现了成对回波，由于主瓣的能量有很大一部分漏到了旁瓣区域，恶化积分旁瓣比，主瓣被展宽，旁瓣发生下降。

图3 幅度、时间、相位不一致的示意图

子带2延迟峰值旁瓣比积分旁瓣比主瓣展宽比0μs-13.3-9.710.2μs-3.87.20.71μs-3.87.30.73μs-3.87.10.7

从表2看出，加入子带2延迟后，随着延迟误差的增大，峰值旁瓣比与积分旁瓣比均恶化。原因在于脉冲压缩后的峰值像点周围出现成对回波，脉冲压缩后的旁瓣上升严重，主瓣能量分散到旁瓣上。

表3 相位误差对脉压结果的影响

从表3可以看出，随着相位误差的增大，峰值旁瓣比与积分旁瓣比均恶化。原因在于脉冲压缩以后在信号周围出现很多成对回波。脉冲压缩后的旁瓣上升严重，主瓣能量分散到旁瓣上。

3 结束语

系统采用多子带拼接进行大带宽信号合成，减轻了直接发射大带宽信号带来的技术和方法上的困难。各子带信号间不可避免地存在幅度不一致、时间不一致、相位不一致，而影响子带合成的质量。本文通过对幅度、时间、相位不一致进行仿真，分析不同误差对子带拼接性能的影响。仿真结果表明，幅度不一致脉压积分旁瓣比恶化，时间不一致、相位不一致脉压峰值旁瓣比与积分旁瓣比均恶化，仿真为实际工程中产生的性能恶化分析提供了理论基础，在工程实践中需要对不同误差加以分析，以达到系统对距离向高分辨的要求。

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Error Analysis Based on the Technology of Multiple Sub-band Signal Splicing in Range Direction

LI Dekun，TAN Xiaomin，SHI Pingyan

(Xi’an Institute of Space Radio Technology, Xi’an 710100, China)

Larger transmitting bandwidth is needed to get range direction high-resolution imaging in Synthetic Aperture Radar (SAR) system. Though, large bandwidth signal faces many problems on techniques and methods. Multiple sub-band signal splicing technique is used to produce large bandwidth signal to gain high-resolution images. Influenced by hardware in engineering, the amplitude, time and phase of each sub-band are different. The performance of sub-band splicing is affected by those differences. Error analysis on sub-band splicing is brought by different simulation with different amplitude, time and phase. The simulation results demonstrate varying degrees of deterioration in range direction PSLR and ISLR when the different amplitude, time and phase are used.

smultiple sub-band signal splicing; error analysis; difference on amplitude; difference on time; difference on phase

2016- 03- 18

李德坤(1991-)，男，硕士研究生。研究方向：SAR成像处理技术等。史平彦(1965-)，男，研究员，硕士生导师。研究方向：空间遥感等。谭小敏(1980-)，男，高级工程师。研究方向：SAR成像处理技术等。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.01.015

TN957.52

A

1007-7820(2017)01-054-04