俯仰向數(shù)字波束形成技術(shù)對SAR系統(tǒng)性能的影響分析

王 偉 王 宇 侯麗麗

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俯仰向數(shù)字波束形成技術(shù)對SAR系統(tǒng)性能的影響分析

王 偉*①②王 宇①侯麗麗①②

①(中國科學(xué)院電子學(xué)研究所 北京 100190)②(中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

俯仰向數(shù)字波束形成(DBF)是實現(xiàn)高分辨率寬測繪帶星載SAR系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。該技術(shù)可以生成能夠靈活控制的高增益窄波束用于回波信號的接收，從而提升SAR系統(tǒng)性能。該文在研究俯仰向DBF技術(shù)應(yīng)用于寬測繪帶SAR系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，重點分析了俯仰向DBF技術(shù)對系統(tǒng)性能指標(biāo)的影響，推導(dǎo)了基于俯仰向DBF技術(shù)的系統(tǒng)等效后向散射系數(shù)(NESZ)和距離模糊比(RASR)的表達式，并且將陣列信號處理中的零點指向技術(shù)應(yīng)用于SAR，使得系統(tǒng)在接收目標(biāo)信號的同時抑制模糊區(qū)方向的回波，顯著地提高了系統(tǒng)的距離模糊指標(biāo)。仿真結(jié)果表明，俯仰向DBF-SAR系統(tǒng)的性能相對于傳統(tǒng)單通道系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢。

合成孔徑雷達；數(shù)字波束形成；零點指向；等效后向散射系數(shù)；距離模糊比

1 引言

本文基于平面相控陣天線系統(tǒng)，在研究使用俯仰向DBF技術(shù)實現(xiàn)高分辨率寬測繪帶的基礎(chǔ)上，詳細分析了俯仰向DBF技術(shù)對于系統(tǒng)等效后向散射系數(shù)(NESZ)和距離模糊比(RASR)的影響，并且運用零點指向技術(shù)抑制距離模糊能量，仿真部分驗證了DBF技術(shù)對系統(tǒng)性能的提升效果。

2 俯仰向DBF接收的信號模型

傳統(tǒng)SAR采用單孔徑收發(fā)天線，當(dāng)天線調(diào)整指向至某波位時，俯仰向收發(fā)天線方向圖主瓣均覆蓋整個測繪帶。而俯仰向DBF采用單發(fā)多收的工作方式，如圖1所示。

圖1 俯仰向DBF示意圖

俯仰向有個獨立的子接收孔徑，每個接收子孔徑方向圖均覆蓋整個照射區(qū)域。各通道的接收回波信號如式(1)所示。

圖2 DBF接收的一般模型

3 基于俯仰向DBF技術(shù)的SAR系統(tǒng)性能分析

3.1 俯仰向DBF天線方向圖

即

圖3 單孔徑方向圖與DBF方向圖對比

3.2 等效后向散射系數(shù)

等效后向散射系數(shù)(NESZ)是一個表征系統(tǒng)靈敏度的量值，其物理意義為雷達輸出信噪比為0 dB時對應(yīng)的后向散射系數(shù)。對于單通道SAR來說，其表達式[15]為

由俯仰向DBF方向圖可知，運用俯仰向DBF接收技術(shù)可以使得雷達對同一目標(biāo)點處信號的接收增益提高為單通道的倍。所以對于俯仰向DBF- SAR系統(tǒng)來說，其等效后向散射系數(shù)為

3.3 距離模糊

系統(tǒng) PRF 的選取原則是使得測繪帶內(nèi)的信號能夠在同一個PRF內(nèi)被接收，但由于 SAR 天線距離向方向圖形狀寬于測繪帶，這使得測繪帶外部的信號也能夠被雷達接收，這些測繪帶外部的回波與測繪帶內(nèi)的有用回波混合在一起，形成距離模糊(RASR)[16]，經(jīng)信號處理后會引起雷達圖像質(zhì)量下降。

PRI為脈沖重復(fù)間隔，(整數(shù))代表模糊階數(shù)。

根據(jù)式(10)-式(14)和文獻[16]中距離模糊的定義式可以得到DBF-SAR距離模糊比解析式為

3.4 零點指向技術(shù)

零點指向技術(shù)是應(yīng)用數(shù)字信號處理技術(shù)使得DBF合成的波束在特定的方向上置零，從而有效地抑制干擾信號。由于模糊干擾信號與有用回波信號的波達方向角不同，DBF零點指向技術(shù)可以在使有用信號方向增益最大化的同時，使得模糊信號方向的增益置零，從而抑制模糊信號。

由線性約束最小方差LCMV[17]波束形成器算法可得權(quán)值矢量的解為

利用求得的權(quán)值可以在接收有用信號的同時抑制干擾方向的信號。將該技術(shù)應(yīng)用于SAR系統(tǒng)可以在接收目標(biāo)信號的同時抑制模糊區(qū)方向的模糊信號，從而有效地抑制距離模糊。由于在回波接收的過程中，波達方向和模糊信號方向隨著時間是變化的，所以零陷的加權(quán)矢量也是一個隨時間變化的量。圖4為零點指向抑制距離模糊的示意圖。

4 仿真分析

在本節(jié)中，本文將通過一個星載DBF-SAR系統(tǒng)實例的仿真來驗證DBF技術(shù)對SAR系統(tǒng)性能的提升效果。該系統(tǒng)的波位選擇如圖5所示。各項系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

為了評估DBF技術(shù)對SAR系統(tǒng)性能的提升，將DBF-SAR系統(tǒng)的仿真結(jié)果與將俯仰向天線作為單孔徑工作時的仿真結(jié)果做對比。

圖5 系統(tǒng)波位圖

表1系統(tǒng)參數(shù)

軌高700 km 載頻9.6 GHz 峰值功率10000 W 天線總高2 m 俯仰向孔徑數(shù)目15 天線長12 m 測繪帶幅寬100 km 發(fā)射信號帶寬100 MHz 發(fā)射信號脈寬 天線法線下視角 天線效率78% 等效噪聲溫度290 K

4.1 NESZ 和 RASR

通過仿真得到NESZ結(jié)果如圖6所示。 DBF- SAR與傳統(tǒng)單通道SAR的NESZ曲線對比其中虛線表示俯仰向天線作為單孔徑工作時的NESZ曲線，實線為使用DBF技術(shù)得到的NESZ曲線。從圖中可以看出使用DBF技術(shù)可以使系統(tǒng)的靈敏度得到顯著的提升。圖7為系統(tǒng)距離模糊比曲線圖。其中虛線表示俯仰向天線作為單孔徑工作時的RASR曲線，實線為使用DBF技術(shù)得到的RASR曲線。從圖7可以看出使用DBF技術(shù)可以使得系統(tǒng)的距離模糊得到明顯的改善。

4.2 零點指向抑制距離模糊

采用零點指向技術(shù)，在接收目標(biāo)回波的同時抑制正負一階模糊區(qū)的回波能量，可以得到仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8中虛線為不采用零點指向技術(shù)直接用DBF合成的距離模糊結(jié)果，實線為采用距離向零點指向技術(shù)抑制距離模糊的結(jié)果。從圖8中可以看出有少部分區(qū)域，其改善后的值與改善前相比沒有變化，這是由于柵瓣指向模糊區(qū)造成。整體而言，大部分區(qū)域在采用零點指向技術(shù)后，系統(tǒng)的距離模糊性能進一步得到了改善。

從上述仿真結(jié)果可以看出，俯仰向DBF在SAR系統(tǒng)中具有非常大的應(yīng)用價值，可以顯著提升SAR在進行寬幅測繪時的系統(tǒng)性能。

5 結(jié)束語

本文詳細推導(dǎo)了DBF技術(shù)對SAR系統(tǒng)等效后向散射系數(shù)和距離模糊比的影響，通過分析得到了DBF-SAR系統(tǒng)的性能參數(shù)表達式。本文還將零點指向技術(shù)應(yīng)用于DBF-SAR系統(tǒng)，將正負一階模糊區(qū)的能量用零點指向抑制掉，從而顯著地提高了SAR系統(tǒng)的距離模糊指標(biāo)。仿真結(jié)果證明了DBF- SAR系統(tǒng)相對于單通道SAR的性能優(yōu)勢。

雖然DBF-SAR系統(tǒng)的性能優(yōu)勢明顯，但是該系統(tǒng)復(fù)雜度高，并且容易受到地形和通道間幅相誤差的影響。因此，如何將DBF技術(shù)更好地應(yīng)用于SAR系統(tǒng)是一個需要深入研究的問題。

圖6 NESZ曲線

圖7 DBF-SAR與傳統(tǒng)單通道SAR的RASR曲線對比

圖8 DBF-SAR使用零點指向前后的RASR曲線對比

[1] Keydel W. Perspective and visions for future SAR system[J]., 2003, 150(3): 97-103.

[2] Moreira A and Krieger G. Spaceborne Synthetic Aperture Radar: state of the art and future developments[C]. Euro Microwave Conference, Munich, Germany, 2003: 104-111.

[3] 鄧云凱, 趙鳳軍, 王宇. 星載SAR技術(shù)的發(fā)展趨勢及應(yīng)用淺析[J]. 雷達學(xué)報, 2012, 1(1): 1-10.

Deng Yun-kai, Zhao Feng-jun, and Wang Yu. Brief analysis on the development and application of spaceborne SAR[J]., 2012, 1(1): 1-10.

[4] Steydkal H and Rose J F. Digital beamforming for radar systems[J]., 1989, 32(1): 121-136.

[5] Krieger G, Younis M, Gebert N,.. Advanced concepts for high-resolution wide-swath SAR imaging[C]. European Conference on Synthetic Aperture Radar, Aachen, Germ any, 2010: 524-527.

[6] Younis M, Huber S, Patyuchenko A,.. Digital beam-forming for spaceborne reflector and planar antenna SAR-a system performance comparison[C]. IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS), Cape Town, South Africa, 2009, 3: 733-736.

[7] Younis M, Patyuchenko A, Huber S,.. A concept for a high performance reflector-based X-band SAR[C]. European Conference on Synthetic Aperture Radar, Aachen, Germany, 2010: 974-977.

[8] 王峰, 李婧, 劉俊, 等. 寬帶數(shù)字陣雷達數(shù)字波束形成系統(tǒng)研究[J]. 雷達學(xué)報, 2013, 2(3): 314-318.

Wang Feng, Li Jing, Liu Jun,.. System realization of broadband digital beam forming for digital array radar[J]., 2013, 2(3): 314-318.

[9] Feng Fan, Li Shi-qiang, and Yu Wei-dong,.. Echo separation in multi-dimensional waveform encoding SAR remote sensing using an advanced null-steering beamformer[J]., 2012, 50(10): 4157-4172.

[10] Krieger G, Younis M, Huber S,.. Digital beamforming and MIMO SAR: review and new concepts[C]. 9th European Conference on SAR, Nuremberg, Germany, 2012: 11-14.

[11] Patyuchenko A, Rommel T, Laskowski P,.. Digital beam-forming reconfigurable Radar System demonstrator [C]. IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS), Munich, 2012: 1541-1544.

[12] 李楊, 黃杰文, 禹衛(wèi)東. 高分辨率寬測繪帶星載SAR 距離向DBF處理[J]. 電子與信息學(xué)報, 2011, 33(6): 1510-1514.

Li Yang, Huang Jie-wen, and Yu Wei-dong. Range DBF processing for high-resolution wide-swath spaceborne SAR[J]., 2011, 33(6): 1510-1514.

[13] 馮帆, 李世強, 禹衛(wèi)東. 一種改進的星載SAR 俯仰向DBF處理技術(shù)[J]. 電子與信息學(xué)報, 2011, 33(6): 1465-1470.

Feng Fan, Li Shi-qiang, and Yu Wei-dong. An improved scheme of digital beam-forming on elevation for spaceborne SAR[J]., 2011, 33(6): 1465-1470.

[14] Feng Fan, Dang Hong-xing, Tan Xiao-min,.. An improved scheme of digital beam-forming in elevation for spaceborne SAR[C]. Radar Conference 2013, IET International, Xi,an, China, 2013: 1-6.

[15] Younis M. General formulation of NESZ[R]. Technical Note TN-SAR-Tech-001. German Aerospace Center, Microwaves and Radar Institute, Wessling, Germany, 2008.

[16] Jin Lin-jiao. Range ambiguity distribution characteristic of spaceborne SAR and its design consideration[J]., 1995, 12(2): 160-167.

[17] Van Trees H L. Optimum Array Processing: Detection, Estimation, and Modulastion Theory, Part IV[M]. New York: John Wiley & Sons, 2002.

王 偉： 男，1985 年生，博士生，研究方向為新體制星載 SAR系統(tǒng)設(shè)計和信號處理.

王 宇： 男，1980 年生，研究員，博士生導(dǎo)師，研究方向為雷達系統(tǒng)及信號處理方法與多維陣列雷達信號處理.

侯麗麗： 女，1989年生，博士生，研究方向為多通道SAR動目標(biāo)檢測和參數(shù)估計方法.

Analysis on Performance of SAR System Affected by Digital Beam Forming in Elevation

Wang Wei①②Wang Yu①Hou Li-li①②

①(,,100190,)②(,100049,)

Digital Beam Forming (DBF) in elevation is regarded as an important candidate for high resolution and wide coverage imaging SAR system, since it can enhance the performance of SAR system by forming a high gain and sharp beam pattern to receive the pulse echoes. This paper is based on range DBF for wide-swath SAR system, and analyzes particularly on performance of SAR system affected by DBF in elevation. The expressions of Noise Equivalent Sigma Zero (NESZ) and Range Ambiguity to Signal Ratio (RASR) for the range DBF-SAR system are derived in detail. In order to suppress the range ambiguity energy, the null-steering technology is introduced. All the simulation results validate the advantages of range DBF-SAR system compared with the conventional single channel system.

SAR; Digital Beam-Forming (DBF); Null steering; Noise Equivalent Sigma Zero (NESZ); Range Ambiguity to Signal Ratio (RASR)

TN959.74

A

1009-5896(2014)11-2711-06

10.3724/SP.J.1146.2013.02002

王偉 ww_nudt@sina.com

2013-12-23收到，2014-04-09改回