合成孔径雷达成像Matlab仿真研究

合成孔径雷达成像Matlab仿真研究 摘要：计算机仿真是现代雷达研究中的重要技术之一，针对合成孔径雷达SAR成像中影响仿真结果的因素，从分析SAR发射信号和回波信号模型出发，运用Matlab软件对SAR的发射波形以及点目标成像进行了仿真，直观地反应了距离多普勒成像算法原理。最终通过仿真分析，总结了SAR成像中影响仿真结果的5项因素，而这5项因素在运用Matlab仿真过程中对成像质量的优劣有着至关重要的影响。关键词：合成孔径雷达；Matlab仿真；距离多普勒算法；Chirp中图分类号：TN957?34文献标识码：A文章编号：1004?373X202122?0017?03StudyonMatlabsimulationofsyntheticapertureradarimagingSONGXing?xiu，QUYi，WANGBing?heCollegeofInformationEngineering，EngineeringUniversityofChineseArmedPoliceForce，Xian710086，ChinaAbstract：Computersimulationisoneoftheimportanttechnologiesinthemodernradarstudy.AimingatthefactorwhichaffectssimulationresultsinsyntheticapertureradarSARimaging，MatlabsoftwareisusedtosimulateSARtransmissionwaveformandpointtargetimagingtorealizetheanalysisofSARtransmittedsignalandechosignalmodel.ItreflectedtheprincipleofdistanceDopplerimagingalgorithmintuitively.Basedonthesimulationanalysis，thefivefactorsthataffectSARimagingsimulationresultsaresummarized，whichhasacriticalinfluenceonimagingqualityintheMatlabsimulationprocess.Keywords：syntheticapertureradar；Matlabsimulation；rangeDoppleralgorithm；Chirp合成孔径雷达SAR是成像领域中的一项核心技术，随着计算机技术与信号处理技术的不断进步，合成孔径雷达仿真技术也得以开展，由于仿真结果与实际结果的逼近，使得仿真成为现代雷达设计和研究的根底之一。而在雷达仿真中，Matlab软件是其他软件所无法比拟的【1】。SAR是一种依靠雷达与目标间相对运动来成像的高分辨率成像雷达。它与其他成像相比具有全天时、全天候的优点，故在国民经济和国防建设中均具有广泛的应用。但由于其造价昂贵，对于SAR的研究阶段而言本钱过高，因此，必须在设计和研究测试阶段，通过利用计算机仿真来分析与验证研究结果。本文从SAR成像的距离多普勒算法出发，运用Matlab软件对点目标进行成像，并最终分析了成像结果，总结出了SAR成像中影响仿真结果的主要因素。1SAR发射波形仿真合成孔径雷达是地球遥感上的一个重要工具。传统的雷达系统中，图像分辨率依赖于地面上照明足迹的大小，但是，SAR技术可以全天时全天候实现高分辨率的成像。这是基于其一方面在距离上发射较大带宽的线性调频LFM信号，另一方面利用接收信号具有的多普勒频移获得方位向信息。SAR发射线性调频LFM信号，线性调频信号又称Chirp信号，其通过线性相位调制来获得大时宽带宽积，这是研究得最早而又应用最广发的一种脉冲压缩信号。LFM信号可表示为：sit=Arecttcosct+t221式中：rectt=1，t120，t122线性调频信号的包络是宽度为的矩形脉冲，为调频率，其信号的瞬时载频是随时间线性变化的。瞬时角频率i为：i=d?dt=c+t3图1LFM信号波形图2LFM信号幅度谱与时频关系2SAR成像仿真SAR在载机飞行中发射LFM信号，遇到目标物后反射回来的信号作为回波信号，回波信号的数学模型是SAR成像算法研究的根底【2】。回波信号为发射信号的时间延时，根据式1可将回波信号模型表示为：sit=Arectt-t0cosct-t0+t-t0224式中：t0为时间延时；=BWT为线性调频率；BW为信号带宽；t为快时间，2个点目标的原始回波信号波形如图3所示。对回波信号混频后，得到基带信号为【3】mift=14expj0+t-t02-ct05式中：0=c-d，d为中频。SAR点目标成像仿真是建立在回波模型根底上的，然后利用距离?多普勒R?D算法对此模拟点目标的回波数据进行距离向和方位向的压缩，使之成为一个像点，并最后显示此点目标成像后的效果图。根本的SAR成像距离?多普勒算法在文献4?5中均已得到论述，故不再赘述。SAR点目标成像的Matlab仿真结果，分别如图4图6所示，其直观地反应了R?D算法原理，具有一定的代表性。3仿真影响分析在对SAR成像进行仿真处理的过程中，分析出以下影响仿真结果的主要因素：1距离分辨率与方位分辨率。SAR是通过匹配滤波实现脉冲压缩的，匹配滤波器的输出信号是波形的自相关函数，其是信号功率谱的傅里叶变换值，因此距离分辨力取决于所用信号的带宽BW。BW越大，距离分辨力越好。对于给定的天线尺寸，分辨率是由雷达单个目标的可分解性来度量的。SAR技术比传统的真实孔径系统带来更高的分辨率，从而使它们在雷达成像是可行的。方位分辨率是通过使用一个合成孔径而并非一个真正的孔来实现。在实际合成孔径雷达时，方位分辨率正比于天线的方位波束宽度，而合成孔径分辨率那么是与方位波束宽度成反比的。图3两个点目标的SAR原始回波信号图4未校正距离徙动的2点目标成像图5校正距离徙动后的2点目标成像图6成像仿真比照2SAR系统参数的选择。SAR系统的重要参数有发射信号带宽、脉冲重复频率PRF、平台速度、场景中心距离、天线方位波束宽度、场景宽度及系统采样频率等，为了能有效地运用成像算法对目标进行成像，在仿真中必须掌握系统参数之间的关系，设置出合理的系统参数。其中，最重要的参数为脉冲重复频率的选择，PRF不能过低，否那么会引起方位模糊。同时，PRF也不能过大，否那么会产生距离模糊。因此，需考虑方位分辨率与最小PRF之间的此消彼长。3距离徙动。由于SAR存在距离与多普勒频移的耦合，会使瞬时斜距发生变化，这种变化称为距离徙动RCM。RCM使信号处理变得复杂，但却是SAR的一个固有特征【6】。正是这种随时间的斜距变化使方位向信号具有了调频特性，但假设不对距离徙动进行校正，那么将会导致成像中分辨率降低，尤其是距离分辨率的恶化。4补零。在仿真时，为了解信号在频域中的精细结构，需要在频域内对信号进行升采样。对此，最简单的方法就是时域补零【7】。假设时域信号长度从N补零至N+M，那么频域信号的长度也变为N+M，但频率总间隔1T和信号额根本轮廓并不改变，因此信息量不会增加，信号却会变得更为光滑。5距离向加窗以及方位向天线波束。距离频域中降低峰值旁瓣比的一种方法是对频域匹配滤波器引入窗。窗能平滑频谱，即弱化频谱边缘处的不连续性。但虽然加窗可降低压缩脉冲中的主瓣能量泄露，但分辨率也将会因此而下降；天线波束可实现空域滤波，对方向图的仿真可表达雷达的空域滤波能力，但天线仿真较为复杂，目前的天线设计和分析软件并不能完全表达SAR的特性，因此必然会影响到SAR的成像仿真。4结语计算机仿真技术具有极其广阔的开展前景，但影响SAR成像仿真结果的因素有众多，为了更好地运用仿真软件分析SAR技术，本文通过运用Matlab软件对点目标的成像过程进行了仿真。此外，通过仿真分析总结出了影响仿真结果的5项主要因素，而这5项因素在运用Matlab仿真过程中对成像质量的优劣起着至关重要的影响。参考文献【1】MAHAFZABR，ELSHERBENIAZ.雷达系统设计Matlab仿真M.北京：电子工业出版社，2021.【2】孟庆鼐，缪建峰.合成孔径雷达的计算机仿真技术J.合肥工业大学学报：自然科学版，2021，262：203?207.【3】DUERSCHMI.Averysmall，low?powerLFM?CWsyntheticapertureradarD.USA：BrighamYoungUniversity，2021.【4】孙泓波，顾红，苏卫民，等.机载合成孔径雷达成像算法研究J.系统工程与电子技术，2021，229：90?方法与对合成孔径雷达干扰方法的研究D.西安：西安电子科技大学，2021.【6】CUMMINGLG，WONGFH.合成孔径雷达成像：算法与实现M.北京：电子工业出版社，2021.【7】张跃，万昳.干预合成孔径雷达成像技术J.电子科技，2021，253：107?109.8刘钰英，尚朝轩，何强，等.基于SPW平台的逆合成孔径雷达成像J.现代电子技术，2021，295：1?3.9姜玮华，刘波，邢孟道.基于FPGA雷达成像方位脉冲压缩系统的设计J.电子科技，2021，2210：36?39.