法的性能分析
第23卷第1期
2007年2月
sIGNALPR0CESSING
V01.23.No.1
Feb.200r7
合成孔径雷达中匹配滤波与解调频压缩方法
的性能分析
刘书君孙进平袁运能毛士艺
(北京航空航天大学电子信息工程学院203教研室，北京100083)
摘要：匹配滤波与解调频脉压是合成孔径雷达中常用的两种处理方法，理论上这两种方法在获得的信噪比和分辨能
力上是相同的，但实际应用中却存在差异.本文首先从理论上分析了当回波存在多普勒偏移以及调频率存在误差时，这两 种压缩方法对测距精度与距离分辨率产生的影响.接着重点讨论了两种压缩方法的抗噪声性能，在假设回波中存在白噪声
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时，对输出结果的信噪比进行了分析.理论分析和仿真结果表明，匹配滤波方法比解调频方法的抗噪性更好，解调频方法 的抗干扰能力低于匹配滤波方法.本文结论对SAR系统的设计具有一定的参考价值.
关键词：合成孔径雷达；匹配滤波；解线性调频AnalysisofMatchedFilteringandDechirpProcessing
forSAREchoCompression IJuShujunSunJinpingYuanYunnengMaoShiyi
(BeringUniv.ofAeronauticsandAstronautics,BeijiIlg100083)
Abstract:MatchedfilteringanddechirpprocessingaretheColunlonmethodsinSAR.Intheor y,thetwomethodsobtainthesame
SNRandresolution.buttheyaredifferentinpracticalapplication.Theperformanceofthemat chedfilteringanddechi~processingthat USeincelunlonforSARechoesinrange,werestudiedindetailsinthispaper.Firstly,theeffects onrangeprecisionandrange—resolution ofthetwomethodsaspective-
ly.Thentheantinoisecharacteristicofthetwomethodswerediscussed.Theeffectsofwhiteno iseontheSNRthroushthesetwomethods
wereanalysised.Thetheoreticalanalysisandcomputersimulatedresultsdemonstratethatth eadvantagesofmatchedfilteringover dechirpprocessingintheantinoisecharacteristic.Theconclusionsofthispaperhavesomeval uablereferencetotheSARsystemdesign.
Keywords:SyntheticApertureRadar;Matchedfiltering;Dechirpprocessing
l引言
合成孔径雷达是在高分辨率成像技术中运用最广泛的
一
种雷达体制.SAR在距离向的高分辨率依赖于宽带信号,
为同时实现远距离探测和高分辨率，人们选取了线性调频波
作为发射信号，通过对接收信号的压缩处理而获得窄脉冲.
在SAR信号处理方法中匹配滤波技术占有极其重要的地位,
它不仅以窄尖峰形式提取出信号，而且其本身是基于最大输
出信噪比准则设计的，在保持高分辨率的同时具有从包含噪
声的回波中检测出信号的最佳检测性能，这是匹配滤波器与
其他算法相比最显着的优点….随着现代雷达应用领域的篮球规则的演变
拓展，对距离分辨率的要求越来越高，发射信号所需的带宽
也随之增加.以美国Sandia国家实验室研制的LynxSAR为
收稿日期:2005年8月11日；修回日期:2005年9月10日
上海市公安局长落网记例，当分辨率为0.1m时，其发射信号理论带宽为1.5GHz.
对如此大带宽的信号进行处理时，虽然接收机中的A/D转换性能较之早期有很大改善，能够胜任，但大量的采集数据给存储容量和实时处理带来了困难.为解决这一问题，人们采用Dechirp的方法来降低采样率，减小带宽J.尤其在雷达
回波的脉宽相对发射脉宽较短时，更适合采用Dechi~的处理方法.长期以来，匹配滤波和解线性调频在SAR成像中都有着广泛运用.尽管它们理论分辨率相同，但随着处理背景的不同在实际结果中仍存在差异.
本文基于回波信号存在多普勒偏移或处理函数调频率
偏离回波调频率的情况，分析比较了它们的测距精度与距离分辨率.着重分析有噪声污染时，白噪声对输出信号的影响程度，详细推导了解线性调频中降采样对信噪比的影响，从
32信号处理第23卷
理论上分析了两者的抗噪性能.最后，通过仿真实验比较了两者的差异，证实了上述分析的正确性.
2匹配滤波对线性调频回波的处理分析
2.1匹配滤波压缩原理
将回波信号通过匹配滤波器的目的是从背景中到目
标的位置.匹配滤波器所表征的传递函数即为输入信号的
复共轭，正好完成线性调频回波自相关的过程，抵消各频率成分相位，以窄尖峰的形式提取出信号.当信号和噪声同时进入滤波器时，匹配滤波器使信号成分在某个瞬时出现峰值，并抑制噪声成分，输出信号的瞬时功率与噪声平均功率之比最大，实现目标的最佳检测.为着重讨论距离向分辨率的问题，描述经t，延时的回波信号为
|s(t)=exp(j~rk(t—t,))一T/2tT/2(1)
其中k为信号调频率，为信号持续时间.匹配滤波器的冲
导电高分子材料
激响应为
^(t)=KS(td—t)=Kexp(一j,rJ}(td—t))(2)
为增益常数,t为时间移位，令K=1时输出r.,,,.,,sin[(t—t，一)]S
o(t)J一*s(t)h()=
Tsinc[kr(t—t，一/'d)](3)
由第一个零点知(t)包络的主瓣宽度为t=1/kT=
1/B,,B，为线性调频信号的带宽,t即为该信号在时域的分辨率.根据信号包络的主瓣宽度定义出邻近目标距离分辨
赫兹伯格
率为
P,=cv/2=c/2B,(4)
2.2匹配滤波偏离回波信号情况下的分析
当匹配滤波器的冲击响应不能精确匹配输入信号时，分
情况讨论如下:
(一)由动目标在距离向速度所产生的Doppler平移为
时，回波信号为
|s(t)=exp(j~rkt+2,trf~t)(5)
和(1)式相比其频域谱线发生移位，与匹配滤波器失配，如图1所示(其中虚线为存在多普勒平移时的频谱图)，可见输出信号的频带变窄.虽然输出仍为sinc波形，但其主瓣宽度由图中重合部分的谱线宽度决定，会因其变窄致使距离分辨率降低，在口曰,，其影响可忽略.但因增大导致频谱宽度
减少过多后将对分辨率造成很大的影响.当=B,/2时，其
分辨率降低为原来的一半，可见，分辨率与的变化成反比
的关系.同时，重合部分频谱中心的变化使得峰值中心发生偏移，造成测距精度的下降.若估计出目标运动速度后可调整匹配滤波器，改善脉冲压缩处理性能.
(--)匹配滤波器传递函数的调频率和输入信号的调频
率不同时，设回波信号与传递函数的调频率分别为k.和.I}2,
由驻定相位原理求出各自频域表达式相乘后再变回时域得输出
-
BrF2BrF2
图1多普勒频移引起回波频谱移位
)=exp[一](6)
其中t，和t分别为回波信号与传递函数的时间延迟.尽管
输出信号不再有sinc函数的尖峰特性而以线性调频波的形式输出，降低了目标距离分辨率，但信号中心仍处于t=t,+ t，可检测出目标位置，测距精度不变.
风湿骨痛宁胶囊2.3白噪声对匹配滤波的影响
雷达接收机在接收有用回波的同时，还存在噪声干扰,
另外，接收机内部的非线性器件也会产生交调干扰.假设这些干扰以功率谱密度为Ⅳ0/2的高斯白噪声形式进入匹配滤波器.为衡量处理后抗噪性能的优良，常采用信噪比作为评估的指标，定义为：经过处理后输出信号峰值功率与输出噪声平均功率之比，即SNR.在匹配滤波器中，其信噪比即为输入信号的能量与白噪声功率谱密度Ⅳ0/2的比值.针对实
际处理中信号的离散数字形式，将(1)式中的输入信号在时
域以2N点进行采样，其能量为:
E=∑.,lexp[ftrk(n—I1,r)]l=2N(7)
其中I1,，为时延t，在离散域中的表示.由此可知时域采样为2N点的信号经匹配滤波后信噪比为:
SNR一=耪(8)
当信噪比较大时，输出噪声不会超过输出信号峰值，输
出信号的中心位置保持不变，噪声对测距精度无影响.但噪声带来的干扰会使输出信号时域主瓣宽度延展，距离分辨率降低.
3解线性调频对线性调频回波的处理分析
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