空间双基地雷达系统中的距离模糊性杂波抑制技术

《Digital Signal Processing》：Range Ambiguity Clutter Rejection in Spaceborne Bistatic Radar Systems

　　黄鹏辉|邹志浩|杨帆|夏向根|徐静伟|刘亚阳|廖贵生|马静涛
上海交通大学信息科学与电子工程学院集成电路学院，200240，上海，中国

**摘要**
在空间双站雷达系统中，发射机和接收机在物理上是分离的，背景杂波通常表现出严重的时空二维距离依赖性。这导致距离模糊杂波成分的抑制残余可能出现在主瓣杂波区域之外，并形成额外的滤波凹槽，最终减少移动目标检测的清晰区域。本文提出了一种针对该问题的方法，通过脉冲间随机相位编码来抑制距离模糊杂波。该方法可以通过沿多普勒维度的信号失配有效减轻距离模糊杂波的影响，从而提高杂波抑制的鲁棒性，尽管这会一定程度上降低目标信噪比（SNR）。模拟结果评估了该方法在不同空间双站雷达配置下的可行性和性能。

**引言**
随着飞机制造技术的不断发展，通过电磁隐身设计和飞机外形设计，雷达回波信号的强度变得越来越弱，使得传统单站雷达系统难以检测到微弱的空中目标[[1], [2], [3], [4]]。由于微弱空中目标的背散射特性极弱，需要较大的功率-孔径积来提高信噪比（SNR），因此雷达系统的成本可能会显著增加[[5], [6], [7], [8]]。与传统的单站雷达系统相比，空间双站雷达系统可以通过扩大双站观测角显著提高大目标雷达截面（RCS）的概率，从而从根本上改善目标输出SNR[[9], [10], [11], [12], [13]]。因此，空间双站雷达技术在检测微弱空中目标方面发挥着重要作用。

对于空间双站雷达系统，杂波信号幅度主要取决于发射锥角，而接收天线pattern由于天线通道分割而被压平。杂波的空域频率取决于接收锥角。此外，杂波的多普勒频率同时取决于发射和接收锥角，因为它与两个卫星平台的速度有关。因此，由于发射机-接收机的分离，杂波信号在时空方向上的距离依赖性会出现，因为信号谱的中心会沿距离维度发生变化，这需要在后续的杂波抑制处理之前进行精确补偿。

为了实现具有较高多普勒频率的空中移动目标检测，空间双站雷达系统通常需要较高的脉冲重复频率（PRF），以便提供足够多的多普勒解混叠区域。然而，由于空间双站雷达系统的远距离检测特性，当接收到的雷达脉冲信号满足与方位角采样时间相关的整数倍距离关系时，会出现信号混叠现象，即存在距离模糊[[14], [15], [16], [17], [18], [19], [20]]。由于多通道移动目标检测依赖于空域频率信息，对应于雷达波束中心空域频率的杂波成分的功率将会保留，从而导致杂波抑制残余。由于杂波在时空维度上的二维（2-D）距离依赖性，其时空分布特性通常与明确杂波不同，使得杂波抑制残余出现在主瓣区域之外，从而可能形成额外的空间滤波凹槽，迅速减小移动目标检测的清晰区域，进而影响目标检测能力。

为了解决杂波距离模糊问题，可以采用波形多样性技术，交替传输不同的波形[[21,22]]，例如上下啁啾调制波形[[23], [24], [25]]。该方法通过距离压缩过程中的信号失配实现模糊信号的解焦。然而，在空间双站雷达系统中，沿距离维度通常没有足够的低功率区域来有效扩散表面杂波的功率。在[26]和[27]中，使用了二次相位调制波形，通过对距离模糊杂波成分进行多普勒移位将其聚集在主瓣区域，以提供足够的清晰区域进行移动目标检测。然而，如图1（表II中的配置2）所示，不同距离模糊成分所需的多普勒移位对其序列号是非线性的，这意味着无法对所有距离模糊成分进行有效多普勒移位。在[28]中，利用频率多样性阵列提出了通过空域频率移位来分离模糊信号和明确信号的方法。但在空间双站雷达系统中，方位角接收通道间距通常大于半波长，这意味着在空间角域中没有足够的清晰区域来放置距离模糊信号。另一种方法是脉冲间随机相位编码，它通过沿多普勒维度对距离模糊成分进行解焦[[29]]。这种方法确保了由于沿多普勒维度有足够的低功率区域，距离模糊杂波的功率得到充分扩散。

受现有工作的启发，本文提出了一种基于脉冲间随机相位编码的空间双站雷达系统距离模糊杂波抑制方法。对于空间双站雷达系统，由于发射和接收天线pattern在距离模糊区域的峰值错开，距离模糊杂波的功率会减弱。这一特性提高了脉冲间随机相位编码方法的可行性。本文建立了基于脉冲间随机相位编码的空间双站观测配置下的杂波模型，并分析了其时空分布特性。然后引入了回波信号解调处理，以扩散来自不同模糊区域的杂波信号，从而有效减弱了杂波的距离模糊问题。最后，提供了模拟结果来评估该方法在不同杂波功率和不同空间双站系统配置下的性能。

本文的结构如下：第二节建立了空间双站雷达系统中的杂波模型；第三节描述了所提出的距离模糊杂波抑制方法；第四节展示了几个仿真处理结果及相应的分析，验证了所提算法的有效性，包括不同的杂波功率和双站雷达配置情况；第五节提出了结论并讨论了进一步研究的潜力方向。

**章节摘录**
**空间双站雷达杂波模型**
假设发射机发出线性频率调制信号，其表达式为：
$$s(t) = a \cdot \text{rect}(t_Tp) \exp(j2\pi f_c t + j\pi k r t^2)$$
其中，$a$、$f_c$、$t$、$k_r$、$T_p$和$\text{rect}(\cdot)$分别表示信号幅度、载波频率、快速时间、啁啾速率和矩形窗函数。

假设接收天线面板包含$N$个沿方位角均匀分布的通道，第$n$个通道和第$k$个脉冲的杂波回波表示为：
$$s_{n,k}(t) = \sum_{m = -M}^{B} \sum_{r = 1}^{N} \sum_{b = 1}^{N} c_{a,m,r} \cdot s_{m,r}$$

**提出的距离模糊杂波抑制方法**
本节提出了基于脉冲间随机相位编码的空间双站雷达系统的多通道杂波模型。发射脉冲被编码为随机变化的相位，其中第$k$个脉冲的调制相位表示为：
$$\varphi(k) = 2\pi \cdot \rand(0,1)$$
这里$\rand(0,1)$表示在区间[0,1]上均匀分布的随机变量。因此，第$k$个发射脉冲信号表示为：
$$s_k(t) = a \cdot \text{rect}(t_Tp) \exp(j2\pi f_c t + j\pi k r t^2) \exp(j\varphi(k))$$

**仿真分析**
本节对基于脉冲间随机相位编码的方法进行了分析。表I总结了雷达系统参数，大部分参数根据[35]设置。双站系统配置参数总结在表II中，包括图4所示的三种不同配置，其中$PT$、$PR$和$P_{\text{center}}$分别表示发射机、接收机和波束中心照明点。杂波散射系数的计算参考了[31]。

**结论**
本文研究了一种基于脉冲间随机相位编码的距离模糊杂波抑制方法。该方法可以通过扩散距离模糊杂波来提高目标输出信噪比（SCNR），尽管这会带来整体SCNR的损失。由于距离模糊残余的功率较大时，SCNR损失也会较大。因此，该方法更适合功率相对较低的情况。