陳向東，鄧江洪，安國(guó)成

(1.黃淮學(xué)院動(dòng)畫(huà)學(xué)院，河南 駐馬店 463000； 2.北京國(guó)鐵華晨通信技術(shù)有限公司，北京 100070)

多給入、給出雷達(dá)系統(tǒng)(Multi-Input Multi-Output MIMO)[1]能夠延展陣列孔洞，提升雷達(dá)裝置的自由程度，受到國(guó)內(nèi)外的研究人員的重視.將MIMO雷達(dá)體系和SAR成像策略綜合，不僅能夠沖破現(xiàn)有的SAR體系的局限性，而且拓展了新的和雷達(dá)裝置相適應(yīng)的MIMO-SAR成像體系.

文獻(xiàn)[2]采用旋轉(zhuǎn)目的方向分辨策略構(gòu)建MIMO分布模式的MIMO-SAR成像體系，提升了SAR成像裝置的分辨效率；文獻(xiàn)[3]把MIMO雷達(dá)策略和SAR成像體系從相同方向分辨率的角度處理現(xiàn)有SAR成像體系的發(fā)送和接受天線數(shù)量，提升了MIMO雷達(dá)裝置對(duì)于非理想運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的適應(yīng)特性；文獻(xiàn)[4]采用分布化多級(jí)快拍策略完成目標(biāo)的SAR成像，能夠得到多方向的單路快拍觀測(cè)信息，和MIMO雷達(dá)體系結(jié)合后有效提升雷達(dá)裝置的目標(biāo)定位效能；文獻(xiàn)[5]把MIMO雷達(dá)體系和三維SAR成像系統(tǒng)結(jié)合，能夠提升目標(biāo)的識(shí)別度和成像距離的分辨效率.

正交旁瓣技術(shù)在雷達(dá)技術(shù)研究領(lǐng)域通常是在合成孔徑雷達(dá)裝置的基礎(chǔ)上搭建的.由于SAR策略的距離和方向之間的二維頻域區(qū)間存在局限性，因而在兩個(gè)方向上都可以響應(yīng)Sinc解析式，該狀況目標(biāo)部分的旁瓣作用易使目標(biāo)部分發(fā)生轉(zhuǎn)變，進(jìn)而影響SAR體系中弱目標(biāo)部分的校驗(yàn)?zāi)芰?，使SAR圖像的質(zhì)量下降，因而旁瓣抑制策略[6]對(duì)于提升MIMO-SAR成像體系的效能具有較好的作用.本文結(jié)合現(xiàn)有的MIMO-SAR成像體系有效抑制正交旁瓣作用的方法，綜合空間變軌跡濾波模式和多級(jí)濾波方式的適應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析，并且給出兩類(lèi)能夠完成變軌跡濾波的方法.

1　MIMO-SAR成像機(jī)理

圖1　MIMO-SAR成像信息獲取的幾何結(jié)構(gòu)

假定MIMO-SAR雷達(dá)的機(jī)載模塊以速率vs做勻速運(yùn)動(dòng)，P為雷達(dá)輻射波涵蓋區(qū)間的目標(biāo)點(diǎn)，R(η)為η時(shí)刻雷達(dá)裝置在P1方位下的P(x0，y0)的瞬時(shí)距離，多普勒平面為一個(gè)和機(jī)載部分垂直的水平面，P2為MIMO-SAR雷達(dá)裝置和目標(biāo)最近的點(diǎn)，并且將該時(shí)間設(shè)定為參照時(shí)間，該值為零也叫做零多普勒時(shí)段[7].MIMO-SAR雷達(dá)的回波信息的數(shù)學(xué)解析模式見(jiàn)圖1.按照?qǐng)D1的數(shù)學(xué)模型，R(η)表述為

(1)

MIMO-SAR雷達(dá)的線性調(diào)制脈沖[8]為

s(τ)=A0rect(τ/Tp)cos(2πf0τ+πKττ2).

(2)

其中：τ為間距時(shí)間；A0為信號(hào)的幅度；f0為載波的頻率；Kr為距離向脈沖的調(diào)制頻率；Tp為脈沖的寬度.

2　MIMO-SAR圖像旁瓣原理解析

MIMO-SAR雷達(dá)對(duì)應(yīng)的自相關(guān)解析式峰值降低到3 dB時(shí)將τw作為主旁瓣的寬度，其旁瓣相應(yīng)的時(shí)間延遲參量為Γ=[-τw/2，τw/2]，其中第i個(gè)數(shù)據(jù)自相關(guān)解析式的峰值旁瓣比例和積分旁瓣[9]比例公式為：

Pp(si)=max{A0(τ/Tp)}；

(3)

(4)

現(xiàn)有的MIMO雷達(dá)裝置常采用點(diǎn)目標(biāo)處理.為了避免產(chǎn)生強(qiáng)散射模式下的旁瓣抑制相鄰弱目標(biāo)的狀況，需要得到較小的Pp(si)，此外，由于MIMO-SAR的成像包含在對(duì)地測(cè)試的范圍之內(nèi)，因而回波參量為地面中的散射部分的回波數(shù)據(jù)的疊加值，若整個(gè)PI(si)較高，則散射區(qū)間的帶寬較好.MIMO-SAR陣列的空間模糊解析式的旁瓣參量見(jiàn)圖2.

圖2　MIMO-SAR帶寬以及合成的孔徑

3　變跡濾波模式下的旁瓣抑制策略

3.1　間距從SVA和方位向三變跡濾波操作

MIMO-SAR雷達(dá)在升余弦窗體[10]的基礎(chǔ)下，選取汗寧窗體、海默窗體及頻域窗體構(gòu)建加權(quán)配準(zhǔn)方法，測(cè)算汗寧窗體、海默窗體和頻域窗體加權(quán)后的序列.[11]

汗寧窗體的解析模型為

(5)

通過(guò)汗寧窗體的加權(quán)操作之后，脈沖響應(yīng)的主旁瓣和副旁瓣的比值是28 dB.此外，該方法所得主瓣的寬度值是現(xiàn)有Sinc脈沖寬度[12]的2倍.

海默窗體模型為

(6)

通過(guò)海默窗體操作之后，首個(gè)旁瓣得到抑制，主副旁瓣的比例高達(dá)45 dB，其寬度結(jié)果遠(yuǎn)小于海寧窗體.

頻域窗體的模型為

A(k)=?k，0+w(?k，-1+?k，1).

(7)

本文將SAR圖像的現(xiàn)有像素和鄰接像素進(jìn)行對(duì)比，設(shè)定加權(quán)參量，該方法盡可能保存主瓣，并在一定程度上抑制旁瓣.和文獻(xiàn)[7]方法對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖3.

3.2　二維分離模式的SVA處理方法

設(shè)定M(n)為SAR圖像的實(shí)數(shù)部分圖像，采用頻域窗體完成M(n)的濾波操作，并給定參量w(n)處理濾波之后的圖像|M*(n)|，其值為

|M*(n)|=M(n)+w(n)[M(n-1)+M(n+1)].

(8)

通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)得到w(n)的最優(yōu)取值為0.5，使得該部分的采樣點(diǎn)得到抑制，并且減弱了旁瓣部分對(duì)主瓣部分的擾動(dòng).對(duì)二維分離模式的SVA結(jié)果完成傅氏變換，使得初始相位的像素進(jìn)行正負(fù)轉(zhuǎn)換，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4.

圖3　本文方法和文獻(xiàn)[7]方法響應(yīng)對(duì)比結(jié)果

圖4　初始幅值和相位以及二維分離模式SVA處理得到的圖像幅值和相位

4　結(jié)果測(cè)試和解析

4.1　仿真結(jié)果測(cè)試

為驗(yàn)證本文方法的可行性，選取實(shí)驗(yàn)室搭建的方形目標(biāo)信息分析塊，設(shè)定的頻率范圍為10～15 Hz，給定的帶寬為10 MHz，并給出850個(gè)頻率點(diǎn).給出原始圖像、汗寧加窗圖像、海默加窗圖像、頻域加窗圖像、三變跡濾波圖像和二維分離模式的SVA處理圖像(見(jiàn)圖5).幅值結(jié)果和相位結(jié)果的數(shù)學(xué)模型見(jiàn)圖6.

a：原始圖像；b：汗寧加窗圖像；c：海默加窗圖像；d：頻域加窗圖像；e：三變跡濾波圖像；f：二維分離模式的SVA處理圖像

a：主瓣幅值結(jié)果；b：相位結(jié)果

圖6和表1給出方法1的幅值結(jié)果主瓣帶寬比文獻(xiàn)[7]方法小10 dB左右，方法2的幅值結(jié)果主瓣帶寬比文獻(xiàn)[7]方法小20 dB左右.表2給出文獻(xiàn)[7]方法的相位結(jié)果則介于方法1和方法2之間.文獻(xiàn)[7]方法雖能夠有效抑制旁瓣，但在幅值一側(cè)上的主瓣頻率變化較大，而本文2種方法主瓣頻率變化較小，且旁瓣得到有效抑制.

表1　方形目標(biāo)信息分析塊處理的主瓣幅值　dB

表2　方形目標(biāo)信息分析塊處理的相位結(jié)果　dB

4.2　仿真結(jié)果解析

從圖6中能夠得到文獻(xiàn)[7]方法的幅值和相位結(jié)果分布不規(guī)則，呈現(xiàn)散雜排布的條紋狀特點(diǎn)，本文方法的幅值和相位結(jié)果分布均勻，表明本文方法的加權(quán)參量伴隨主副瓣部分的改變而改變，因而能夠保留主瓣的寬度結(jié)果，并且起到抑制旁瓣作用.

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