基于元胞自动机的随机噪声SAR

洪 雨 王友林

(南京电子技术研究所 南京 210039)

0 引言

合成孔径雷达(SAR-Synthetic Aperture Radar)采用脉冲压缩和合成孔径技术实现对目标的高分辨成像，由于其不受气候等恶劣条件的限制，自上个世纪五十年代被提出以来，得到了长足发展。至今，它已成为各主要军事国家的主要侦察手段之一。

SAR成像一般使用两类信号，即线性调频信号和离散频率步进信号，这种SAR系统自身存在缺陷，即它易受到各种电磁波的干扰，尤其是在数字储频技术得到广泛应用的情况下，这种形式的信号易被敌方截获、分析、辨识、复制后对SAR的成像形成欺骗干扰；在军事斗争的条件下，SAR处于复杂的电磁环境中，必然要受到各种恶劣的电磁对抗和射频干扰，这会使SAR的成像质量受到极大影响，从而达不到军事侦察的目的。尽管人们想到了采取各种反对抗措施来提高SAR的自身生存能力，如跳频、频率捷变等改变系统参数方法，但这大大增加了系统设计的复杂性；因此，找到一种不易受到干扰的SAR成像技术是SAR发展的必然。

与传统的雷达相比，随机噪声雷达由于其信号的随机性，从而具有低截获概率和强抗干扰性等特点。如果能将SAR和随机噪声结合起来，不但能够提供更丰富的目标信息，而且能更好地满足复杂的现代电磁环境对雷达系统的要求。

在国外这方面的研究受到了相当的重视并取得了可观的进展。美国内布拉斯加林肯大学曾在1997年成功地研制了一个工作在1～2GHz频段的宽带随机噪声雷达[1]，成为宽带技术和随机噪声雷达技术结合的典范。在国内这方面的研究起步较晚，结合理论与工程实际，研制我国自己的抗干扰随机信号成像雷达是我们根据目前的实际情况和未来成像雷达的发展趋势，满足抗干扰等需要提出的一项新的开发项目。

1 可行性分析

研究表明，利用噪声信号(如噪声调频、调相等)可以实现目标的距离测量，而目标相对雷达的速度变化提供了方位多普勒信息，因此利用噪声信号用样可以实现目标距离和方位的二维成像[2-3]。为了验证随机噪声信号可用于成像雷达，将基于RD算法给出随机噪声成像雷达和线性调频成像雷达的点目标仿真。仿真参数如表1所示，仿真结果如图1～图4所示，距离向和方位向处理都没有加权。

表1 RD算法仿真参数

参数名称参数值成像模式条带中心频率9.375 GHz带宽60 MHz信号形式随机噪声信号/线性调频信号方位分辨率3 m距离分辨率3 m雷达距测绘带中心距离20 km目标数目1

图1 随机噪声信号点目标仿真

图2 随机噪声信号距离向剖面图

图3 线性调频信号点目标仿真

图4 线性调频信号距离向剖面图

仿真结果能够得到：在传统SAR模式下，随机噪声信号和线性调频信号的点目标图像性能相似，三维图像很接近，而距离向剖面图前者衰减较快。当然第一旁瓣没有理论分析的低，主要是由于我们发射的噪声序列较短，经过试验表明随着噪声脉冲长度的增加，旁瓣会继续降低。通过上述仿真试验能够清楚地看到，随机噪声信号作为发射信号是能够代替传统的线性调频等信号实现成像功能的。

2 信号产生

传统的模拟产生方法(二极管和模拟电路)尤其在带内平坦度和频率凹口噪声动态方面的表现不尽人意，已渐渐难以满足现代雷达发展的需要，数字化的设计具有频率高、控制精确的优点，不仅可以提高噪声信号源的带内平坦度，同时也降低了系统本身的内噪声干扰，最大的特点还在于可以灵活控制输出信号的波形参数[4]。我们拟用数字电路产生随机数，然后进行数模转换，再进行频率搬移，即直接发射高频随机信号。严格来说用数字的方法产生的是伪随机信号，但是当信号周期超过脉冲重复周期时，可以作为随机信号。

采用基于元胞自动机(Cellular Automata，CA)可以产生均匀分布的随机数[5]。元胞自动机是定义在一个由具有离散、有限状态的元胞组成的元胞空间上，并按照一定局部规则，在离散的时间维上演化的动力学系统。

利用元胞自动机作为随机数产生，在实现上有着很大的优点，与利用线性同余方法产生均匀分布随机数相比，CA只需要简单的逻辑运算来完成，用硬件实现可以非常简单、高效。在我们的实现中，采用FPGA 产生CA随机数。

将每个周期产生的数据进行自相关分析和频谱分析，图5、图6分别给出了2000个CA随机数的时域波形、自相关图。由结果可以看出，CA产生的随机数有很好的自相关性，也有近似白噪声的特性。

图5 CA随机数的时域波形

图6 CA随机数的自相关图形

3 结束语

在传统的SAR雷达系统中，发射确定的线性调频信号，是在处理器构造参考信号。而噪声雷达发射信号是不确定的，要随时记录发射的视频信号用于相参处理。因而，噪声雷达在实现上需要更多的资源。

十四所联合南京理工大学研制了噪声SAR雷达样机，并在阎良试飞院进行了试飞，图7为一幅噪声SAR图像。

从图像能够看出，噪声SAR能实现目标的二维成像并能比较清楚地显示目标细节特征，其清晰度能和线性调频信号雷达相当。

图7 渭河大桥