基于元胞自動(dòng)機(jī)的隨機(jī)噪聲SAR

洪 雨 王友林

(南京電子技術(shù)研究所 南京 210039)

0 引言

合成孔徑雷達(dá)(SAR-Synthetic Aperture Radar)采用脈沖壓縮和合成孔徑技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的高分辨成像，由于其不受氣候等惡劣條件的限制，自上個(gè)世紀(jì)五十年代被提出以來(lái)，得到了長(zhǎng)足發(fā)展。至今，它已成為各主要軍事國(guó)家的主要偵察手段之一。

SAR成像一般使用兩類(lèi)信號(hào)，即線性調(diào)頻信號(hào)和離散頻率步進(jìn)信號(hào)，這種SAR系統(tǒng)自身存在缺陷，即它易受到各種電磁波的干擾，尤其是在數(shù)字儲(chǔ)頻技術(shù)得到廣泛應(yīng)用的情況下，這種形式的信號(hào)易被敵方截獲、分析、辨識(shí)、復(fù)制后對(duì)SAR的成像形成欺騙干擾；在軍事斗爭(zhēng)的條件下，SAR處于復(fù)雜的電磁環(huán)境中，必然要受到各種惡劣的電磁對(duì)抗和射頻干擾，這會(huì)使SAR的成像質(zhì)量受到極大影響，從而達(dá)不到軍事偵察的目的。盡管人們想到了采取各種反對(duì)抗措施來(lái)提高SAR的自身生存能力，如跳頻、頻率捷變等改變系統(tǒng)參數(shù)方法，但這大大增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性；因此，找到一種不易受到干擾的SAR成像技術(shù)是SAR發(fā)展的必然。

與傳統(tǒng)的雷達(dá)相比，隨機(jī)噪聲雷達(dá)由于其信號(hào)的隨機(jī)性，從而具有低截獲概率和強(qiáng)抗干擾性等特點(diǎn)。如果能將SAR和隨機(jī)噪聲結(jié)合起來(lái)，不但能夠提供更豐富的目標(biāo)信息，而且能更好地滿足復(fù)雜的現(xiàn)代電磁環(huán)境對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)的要求。

在國(guó)外這方面的研究受到了相當(dāng)?shù)闹匾暡⑷〉昧丝捎^的進(jìn)展。美國(guó)內(nèi)布拉斯加林肯大學(xué)曾在1997年成功地研制了一個(gè)工作在1～2GHz頻段的寬帶隨機(jī)噪聲雷達(dá)[1]，成為寬帶技術(shù)和隨機(jī)噪聲雷達(dá)技術(shù)結(jié)合的典范。在國(guó)內(nèi)這方面的研究起步較晚，結(jié)合理論與工程實(shí)際，研制我國(guó)自己的抗干擾隨機(jī)信號(hào)成像雷達(dá)是我們根據(jù)目前的實(shí)際情況和未來(lái)成像雷達(dá)的發(fā)展趨勢(shì)，滿足抗干擾等需要提出的一項(xiàng)新的開(kāi)發(fā)項(xiàng)目。

1 可行性分析

研究表明，利用噪聲信號(hào)(如噪聲調(diào)頻、調(diào)相等)可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的距離測(cè)量，而目標(biāo)相對(duì)雷達(dá)的速度變化提供了方位多普勒信息，因此利用噪聲信號(hào)用樣可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)距離和方位的二維成像[2-3]。為了驗(yàn)證隨機(jī)噪聲信號(hào)可用于成像雷達(dá)，將基于RD算法給出隨機(jī)噪聲成像雷達(dá)和線性調(diào)頻成像雷達(dá)的點(diǎn)目標(biāo)仿真。仿真參數(shù)如表1所示，仿真結(jié)果如圖1～圖4所示，距離向和方位向處理都沒(méi)有加權(quán)。

表1 RD算法仿真參數(shù)

參數(shù)名稱參數(shù)值成像模式條帶中心頻率9.375 GHz帶寬60 MHz信號(hào)形式隨機(jī)噪聲信號(hào)/線性調(diào)頻信號(hào)方位分辨率3 m距離分辨率3 m雷達(dá)距測(cè)繪帶中心距離20 km目標(biāo)數(shù)目1

圖1 隨機(jī)噪聲信號(hào)點(diǎn)目標(biāo)仿真

圖2 隨機(jī)噪聲信號(hào)距離向剖面圖

圖3 線性調(diào)頻信號(hào)點(diǎn)目標(biāo)仿真

圖4 線性調(diào)頻信號(hào)距離向剖面圖

仿真結(jié)果能夠得到：在傳統(tǒng)SAR模式下，隨機(jī)噪聲信號(hào)和線性調(diào)頻信號(hào)的點(diǎn)目標(biāo)圖像性能相似，三維圖像很接近，而距離向剖面圖前者衰減較快。當(dāng)然第一旁瓣沒(méi)有理論分析的低，主要是由于我們發(fā)射的噪聲序列較短，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)表明隨著噪聲脈沖長(zhǎng)度的增加，旁瓣會(huì)繼續(xù)降低。通過(guò)上述仿真試驗(yàn)?zāi)軌蚯宄乜吹?，隨機(jī)噪聲信號(hào)作為發(fā)射信號(hào)是能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)的線性調(diào)頻等信號(hào)實(shí)現(xiàn)成像功能的。

2 信號(hào)產(chǎn)生

傳統(tǒng)的模擬產(chǎn)生方法(二極管和模擬電路)尤其在帶內(nèi)平坦度和頻率凹口噪聲動(dòng)態(tài)方面的表現(xiàn)不盡人意，已漸漸難以滿足現(xiàn)代雷達(dá)發(fā)展的需要，數(shù)字化的設(shè)計(jì)具有頻率高、控制精確的優(yōu)點(diǎn)，不僅可以提高噪聲信號(hào)源的帶內(nèi)平坦度，同時(shí)也降低了系統(tǒng)本身的內(nèi)噪聲干擾，最大的特點(diǎn)還在于可以靈活控制輸出信號(hào)的波形參數(shù)[4]。我們擬用數(shù)字電路產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)，然后進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，再進(jìn)行頻率搬移，即直接發(fā)射高頻隨機(jī)信號(hào)。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)用數(shù)字的方法產(chǎn)生的是偽隨機(jī)信號(hào)，但是當(dāng)信號(hào)周期超過(guò)脈沖重復(fù)周期時(shí)，可以作為隨機(jī)信號(hào)。

采用基于元胞自動(dòng)機(jī)(Cellular Automata，CA)可以產(chǎn)生均勻分布的隨機(jī)數(shù)[5]。元胞自動(dòng)機(jī)是定義在一個(gè)由具有離散、有限狀態(tài)的元胞組成的元胞空間上，并按照一定局部規(guī)則，在離散的時(shí)間維上演化的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)。

利用元胞自動(dòng)機(jī)作為隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生，在實(shí)現(xiàn)上有著很大的優(yōu)點(diǎn)，與利用線性同余方法產(chǎn)生均勻分布隨機(jī)數(shù)相比，CA只需要簡(jiǎn)單的邏輯運(yùn)算來(lái)完成，用硬件實(shí)現(xiàn)可以非常簡(jiǎn)單、高效。在我們的實(shí)現(xiàn)中，采用FPGA 產(chǎn)生CA隨機(jī)數(shù)。

將每個(gè)周期產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行自相關(guān)分析和頻譜分析，圖5、圖6分別給出了2000個(gè)CA隨機(jī)數(shù)的時(shí)域波形、自相關(guān)圖。由結(jié)果可以看出，CA產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)有很好的自相關(guān)性，也有近似白噪聲的特性。

圖5 CA隨機(jī)數(shù)的時(shí)域波形

圖6 CA隨機(jī)數(shù)的自相關(guān)圖形

3 結(jié)束語(yǔ)

在傳統(tǒng)的SAR雷達(dá)系統(tǒng)中，發(fā)射確定的線性調(diào)頻信號(hào)，是在處理器構(gòu)造參考信號(hào)。而噪聲雷達(dá)發(fā)射信號(hào)是不確定的，要隨時(shí)記錄發(fā)射的視頻信號(hào)用于相參處理。因而，噪聲雷達(dá)在實(shí)現(xiàn)上需要更多的資源。

十四所聯(lián)合南京理工大學(xué)研制了噪聲SAR雷達(dá)樣機(jī)，并在閻良試飛院進(jìn)行了試飛，圖7為一幅噪聲SAR圖像。

從圖像能夠看出，噪聲SAR能實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的二維成像并能比較清楚地顯示目標(biāo)細(xì)節(jié)特征，其清晰度能和線性調(diào)頻信號(hào)雷達(dá)相當(dāng)。

圖7 渭河大橋