一种距离相位编码距离模糊抑制技术

李健 孙光才 景国彬 邢孟道

摘 要： 提出一种距离相位编码距离模糊抑制技术，该技术通过发射距离相位编码多波形信号，造成距离模糊信号相对于目标信号在距离频域产生频谱偏移。再针对目标信号构造匹配滤波函数和对应其频谱支撑区间的滤波器，滤除部分距离模糊能量并造成距离模糊信号脉压后散焦，从而实现距离模糊的有效抑制，提高合成孔径雷达（SAR）图像质量。最后给出面仿真结果，证明该方法的可行性和有效性。

关键词： 合成孔径雷达； 距离模糊； 相位编码； 多波形； 频谱偏移； 图像质量

中图分类号： TN957?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）13?0001?04

Abstract： A range ambiguity suppression technology based on range phase coding for synthetic aperture radar （SAR） is presented in this paper. The range phase coded multi?waveform signal is transmitted by means of the technology， which leads to the spectral offset of the range ambiguity signal relative to target signal in range frequency domain. The matched filtering function and filter corresponding to spectrum support section are constructed for the target signal to filter out the segmental range ambiguous energy and defocus the range ambiguity signal after pulse pressure， so as to suppress the range ambiguity effectively and improve the SAR image quality. The planar simulation result is given in this paper， which proves that the method is feasible and effective.

Keywords： synthetic aperture radar； range ambiguity； phase coding； multi?waveform； spectral offset； image quality

0 引 言

传统合成孔径雷达（SAR）存在高分辨[1]和宽测绘带[2]不能同时实现的矛盾[3]。为了获取高分辨图像而选取较高脉冲重复频率（PRF）时，会造成严重的距离模糊[4]，降低SAR图像质量。

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，这些方法可以归纳为两类：

1） 星载SAR成像体制方法。例如，利用多通道SAR降低PRF实现降低距离模糊[5?7]，或者通过多通道波束形成抑制距离模糊[8]；

2） 信号处理方法。包括正负线性调频技术[9]、OFDM信号距离模糊抑制技术[10]、方位相位编码（APC）技术[11]等。APC方法通过方位相位编码和解码造成距离模糊信号与目标信号在多普勒域区别开来，然后采用滤波器滤除部分距离模糊能量，由于滤除的是多普勒带宽和PRF之间的模糊信号，因此，APC方法抑制距离模糊的效果严重依赖于方位过采样率[12]。

本文提出一种距离相位编码距离模糊抑制技术，该方法能够在距离频域实现模糊能量的部分滤除，且造成距离模糊信号散焦，对点目标及分布式目标都有着较好的距离模糊抑制效果。

1 信号模型分析

星载SAR工作几何示意图如图1所示，雷达平台以速度[v]沿[x]轴作匀速直线运动。

在星载SAR中，天线波束照射到的测绘带场景通常比较大，测绘带场景内不同距离且来自于不同发射脉冲的回波信号有可能会同时到达接收天线，造成距离模糊。如圖1中，成像区的回波信号会与负一次模糊区、一次模糊区、……、负[k]次模糊区、[k]次模糊区的不同次发射脉冲的回波信号同时到达接收天线，发生混叠，造成距离模糊，其中，[Rb]，[Rkam]分别表示天线相位中心到成像区、[k]次模糊区场景散射点的最短斜距。

成像区点目标的回波信号在距离频域可以表示为：

当散射点斜距满足式（3）时，[k]次模糊区散射点回波会与成像区散射点回波发生混叠，造成距离模糊。而随着星载SAR分辨率需求的不断提高，测绘带宽度逐渐增大，采用常规的单通道SAR系统实现高分辨宽测绘带成像面临更加严重的距离模糊问题。

2 距离相位编码多波形信号

针对上述问题，如果距离模糊信号相对于目标回波信号在距离频域产生频谱偏移，就能够在距离频域上对距离模糊信号进行滤波抑制。本文设计采用一种距离相位编码多波形信号，具体的多波形信号形式如下：

图2中，[B]是线性调频信号带宽。通常情况下，距离采样频率会有冗余，[Fs=1.2B]。信号[S1]通常采用线性调频信号，信号[S2]通过对信号[S1]进行距离相位编码得到，其频谱相比信号[S1]产生了[Fs2]的频率偏移。如果在发射端采用交替发射多波形信号[S1]，[S2]，那么目标回波信号与重叠在一起的距离模糊信号会是不同波形的信号。当对回波信号进行匹配滤波处理时，由于采用目标信号的匹配滤波函数进行脉压，则目标回波信号可以正常脉压至真实距离处，而距离模糊信号会脉压至真实距离位置两侧一定距离处。且距离模糊信号与目标回波信号的频谱支撑区间有所区别。在对回波信号匹配滤波时，可以针对目标回波信号构造对应其频谱支撑区的窗函数，则加窗滤波后目标信号频谱可以完好保留，而距离模糊信号位于窗函数之外的部分频谱会被滤除，即距离模糊信号的总能量得到抑制。具体的脉压结果示意图如图3所示。

根据图3分析可知，对于点目标产生的距离模糊，在脉压后会无法正常聚焦，从而降低了该目标的峰值能量，实现降低部分距离单元的距离模糊比。而通过加窗滤波处理，点目标和分布式目标产生的距离模糊总能量都会降低，整个测绘带内的距离模糊比都可以降低。所以，相比APC方法，本文所述方法不仅适用于点目标场景，也适用于分布式目标场景。

3 距离相位编码模糊抑制技术

根据距离相位编码多波形信号的脉压特性，本文提出一种新的距离模糊抑制方法。该方法通过对发射信号附加距离维相位调制就可以实现，不需要其他硬件支持，简单且便于工程应用。具体的两维相位编码发射信号为：

从式（7），式（8）可以看出，一次及负一次距离模糊信号与目标回波信号是不同的距离相位编码多波形信号，其距离频谱相对于目标回波信号频谱存在一定的频率偏移，这样会导致距离模糊信号与目标回波信号的距离频谱支撑区有所区别。在脉压加窗滤波处理时，可以构造对应目标回波信号频谱支撑区的窗函数，则加窗滤波后目標信号频谱可以较好地保留下来，而距离模糊信号位于窗函数之外的部分频谱会被滤除，即模糊信号的总能量会得到抑制。

通过上述处理后，能够得到距离模糊抑制后的信号频谱，再利用RD，CS，RMA等算法均可完成后续成像处理。

4 仿真实验验证

为了验证本文提出的距离相位编码距离模糊抑制方法，本节给出了面仿真实验结果。仿真实验假设距离信号带宽为100 MHz，距离采样频率为120 MHz，其他参数取值借鉴表1。为了更好地说明本文方法的距离模糊抑制性能，给出了整个测绘带内的距离模糊比（RASR）曲线，如图4所示。

从图4整个测绘带的RASR示意图能够看出，本文方法在测绘带内不同角度下都可以对距离模糊进行抑制，有效降低RASR值，提高SAR图像质量。

为了验证本文方法对距离模糊具有良好的抑制性能，图5分别给出了采用APC方法及本文方法对距离模糊抑制后的SAR图像。图5a）为成像场景原始SAR图像。图5b）为受到距离模糊干扰后的成像场景SAR图像；图5c）为采用APC方法进行距离模糊抑制后的SAR图像；图5d）为采用本文方法进行距离模糊抑制后的SAR图像。从图5能够看出，APC方法和本文方法都不影响成像场景的图像质量，都能实现成像场景目标的良好聚焦。为了更好地说明本文方法的有效性，这里从信号能量的角度对SAR图像进行量化。图6为成像场景SAR图像及距离模糊图像在每个方位采样单元上的归一化能量。从图中可以看出，原始距离模糊能量在-26.5 dB左右，采用APC方法对距离模糊抑制后，模糊能量降到-29 dB左右，采用本文方法抑制距离模糊后，模糊能量降低到-29 dB左右。至此能够得出结论：本文方法能够通过降低距离模糊能量实现对距离模糊的良好抑制，降低RASR并提高SAR图像质量。

5 结 语

本文提出一种距离相位编码距离模糊抑制技术，该方法通过发射距离相位编码多波形信号，导致距离模糊信号相对于目标信号在距离频域产生频谱偏移。再针对目标信号构造匹配滤波函数和对应其频谱支撑区间的滤波器，滤除部分距离模糊能量并造成距离模糊信号脉压后散焦，从而实现距离模糊的有效抑制，降低测绘带内的距离模糊比，提高SAR图像质量。

参考文献

[1] LI Xueshi， XING Mengdao， XIA Xianggen， et al. Simultaneous stationary scene imaging and ground moving target indication for high?resolution wide?swath SAR system [J]. IEEE transactions on geoscience and remote sensing， 2016， 54（7）： 4224?4239.

[2] WU Yuan， SUN Gguangcai， YANG Chun， et al. Processing of very high resolution spaceborne sliding spotlight SAR data using velocity scaling [J]. IEEE transactions on geoscience and remote sensing， 2016， 54（3）： 1505?1518.

[3] GEBERT N， KRIEGER G， 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.

[4] CALLAGHAN G D， LONGSTAFF I D. Wide?swath space?borne SAR and range ambiguity [C]// Proceedings of 1997 Radar Conference. Edinburgh： IET， 1997： 248?252.

[5] KRIEGER G， GEBERT N， MOREIRA A. Unambiguous SAR signal reconstruction from nonuniform displaced phase center sampling [J]. IEEE geoscience and remote sensing letters， 2004， 1（4）： 260?264.

[6] TANG Jiangwen， DENG Yunkai， WANG Robert， et al. A weighted backprojection algorithm for azimuth multichannel SAR imaging [J]. IEEE geoscience and remote sensing letters， 2016， 13（9）： 1265?1269.

[7] ZUO Shaoshan， XING Mengdao， XIA Xianggen， et al. Improved signal reconstruction algorithm for multichannel SAR based on the Doppler spectrum estimation [J]. IEEE journal of selected topics in applied earth observations and remote sensing， 2017， 10（4）： 1425?1442.

[8] LIU Baochang， HE Yijun. Improved DBF algorithm for multichan?nel high?resolution wide?swath SAR [J]. IEEE transactions on geoscience and remote sensing， 2016， 54（2）： 1209?1225.

[9] MITTERMAYER J， MARTINEZ J M. Analysis of range ambiguity suppression in SAR by up and down chirp modulation for point and distributed targets [C]// 2003 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium. [S.l.]： IEEE， 2003： 4077?4079.

[10] XIA Xianggen， ZHANG Tianxian， KONG Lingjiang. MIMO OFDM radar IRCI free range reconstruction with sufficient cyclic prefix [J]. IEEE transactions on aerospace and electronic systems， 2015， 51（3）： 2276?2293.

[11] DALL J， KUSK A. Azimuth phase coding for range ambiguity suppression in SAR [C]// 2004 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium. Anchorage： IEEE， 2004： 1734?1737.

[12] 郭磊，王宇，邓云凯，等.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[J].电子与信息学报，2015（3）：601?606.

GUO Lei， WANG Yu， DENG Yunkai， et al. Range ambiguity suppression for multi?channel SAR system using azimuth phase coding technique [J]. Journal of electronics & information technology， 2015（3）： 601?606.