趙官華，付耀文，聶 鐳，莊釗文（國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，湖南　長(zhǎng)沙410073）

多發(fā)多收SA R波形設(shè)計(jì)與高分辨成像技術(shù)綜述

趙官華，付耀文，聶 鐳，莊釗文
（國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410073）

多發(fā)多收合成孔徑雷達(dá)（multi-input multi-output synthetic aperture radar，MIMO-SAR）作為一種新雷達(dá)體制，通過(guò)多天線(xiàn)的收發(fā)可以獲得比實(shí)際收發(fā)天線(xiàn)數(shù)目多的等效觀測(cè)通道，相比傳統(tǒng)SA R體制的約束，MIMO-SAR在實(shí)現(xiàn)高分辨率寬測(cè)繪帶遙感、慢速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)、三維成像等方面具有很大優(yōu)勢(shì)。該文對(duì)近年來(lái)MIMO-SAR波形設(shè)計(jì)與高分辨成像技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，重點(diǎn)總結(jié)了正交波形設(shè)計(jì)、方位向無(wú)模糊成像和提高距離向分辨率3個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，最后指出了MIMO-SAR波形設(shè)計(jì)與成像技術(shù)在未來(lái)發(fā)展中需重點(diǎn)解決和關(guān)注的若干問(wèn)題。

多發(fā)多收系統(tǒng)；合成孔徑雷達(dá)；正交波形設(shè)計(jì)；高分辨成像

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0 引 言

合成孔徑雷達(dá)（synthetic aperture radar，SAR）能夠?qū)δ繕?biāo)區(qū)域?qū)嵭腥鞎r(shí)、全天候地偵查監(jiān)視，且具有高分辨、穿透性等優(yōu)點(diǎn)，在海洋監(jiān)視、戰(zhàn)場(chǎng)偵察、軍隊(duì)動(dòng)向監(jiān)視等軍事領(lǐng)域，以及資源勘探、地形測(cè)繪、海洋氣候監(jiān)測(cè)、防災(zāi)減災(zāi)等民用領(lǐng)域都發(fā)揮著重要作用［1］。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，SAR的應(yīng)用需求不斷深化，常規(guī)的SAR體制和成像模式遇到瓶頸，難以在高分辨率寬測(cè)繪帶遙感、弱小慢速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)等應(yīng)用領(lǐng)域滿(mǎn)足實(shí)際需求［2］。

多發(fā)多收（m ulti-input m ulti-output，MIMO）技術(shù)最初在無(wú)線(xiàn)電通信中應(yīng)用，采用鏈路兩端多收發(fā)天線(xiàn)同時(shí)工作，能夠大大提高通信系統(tǒng)的容量、頻譜利用率和可靠性，而不需要以增加系統(tǒng)帶寬和發(fā)射功率為代價(jià)［3 4］。近年來(lái)提出的MIMO雷達(dá)，通過(guò)多天線(xiàn)發(fā)射正交波形、接收分集，得到高的系統(tǒng)自由度［5］，采用靈活的信號(hào)處理方式可顯著改善雷達(dá)目標(biāo)檢測(cè)和成像、參數(shù)估計(jì)等性能［6 9］。Ender將 MIMO技術(shù)引入SAR，是多通道SAR的一種拓展，在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上采用了多發(fā)射天線(xiàn)發(fā)射相互正交的波形，多接收天線(xiàn)同時(shí)接收?qǐng)鼍盎夭?，通過(guò)濾波分離出各發(fā)射信號(hào)回波，將全部收發(fā)組合的回波數(shù)據(jù)綜合處理［10］。MIMO-SAR通過(guò)多個(gè)天線(xiàn)的收發(fā)，相比傳統(tǒng)SAR具有更高的自由度，在寬測(cè)繪帶高分辨率成像、三維成像、多基線(xiàn)干涉以及雜波抑制等方面具有很大的優(yōu)勢(shì)［11 13］，可廣泛應(yīng)用于對(duì)城市、森林等的三維下視成像、在不提高脈沖重復(fù)頻率（pulse repetition frequency，P R F）的情況下高分辨率成像、慢速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)和弱目標(biāo)的檢測(cè)，以及目標(biāo)的超分辨率成像等方面。

根據(jù)收發(fā)天線(xiàn)的布設(shè)情況，可以將MIMO-SA R分為“共集式MIMO-SA R”和“分布式MIMO-SA R”，也有將MIMO-SA R按照是否同平臺(tái)分為“同平臺(tái)MIMO-SAR”和“分布式平臺(tái)MIMO-SAR”［11］。該兩類(lèi)分法并不等同，如何界定是共集式還是分布式，取決于各收發(fā)組合的回波的相關(guān)程度［14］。相關(guān)程度強(qiáng)的為共集式MIMO-SA R，其各通道信號(hào)做相干處理，利于高分辨成像和慢速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)；相關(guān)程度低的為分布式MIMO-SA R，利于提高目標(biāo)的檢測(cè)概率，且分布式MIMO聚束SA R可以很好地提高二維成像分辨率［15 16］。

目前，國(guó)外已搭建了一些MIMO-SAR系統(tǒng)，包括天基、空基和地基系統(tǒng)。天基MIMO-SAR方面，美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室的TechSat-21［17］最早體現(xiàn)了MIMO-SAR的思想，通過(guò)星間鏈路協(xié)同工作和稀疏孔徑信號(hào)處理方式實(shí)現(xiàn)SA R成像、地面動(dòng)目標(biāo)指示（gound moving-target indication，G M TI）和干涉合成孔徑雷達(dá)（interferometric SA R，InSA R）等功能。德國(guó)宇航中心的TanD E M-X系統(tǒng)［18］，主要用于全球數(shù)字高程測(cè)量，可實(shí)現(xiàn)兩發(fā)四收SA R系統(tǒng)，利用空間多相位中心和多組長(zhǎng)-短基線(xiàn)，能夠顯著提高系統(tǒng)寬測(cè)繪帶成像以及地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)等性能［19］；空基MIMO-SA R方面，美國(guó)林肯實(shí)驗(yàn)室研制了一部S波段小型實(shí)驗(yàn)性MIMO雷達(dá)系統(tǒng)［20］，并進(jìn)行了大量運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)試驗(yàn)，表明基于MIMO雷達(dá)的動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)系統(tǒng)具有更強(qiáng)的雜波和干擾抑制能力［21］。德國(guó)應(yīng)用科學(xué)研究所（Forschungs Gesellschaftfür Angewandte Naturwissen Schaften，F(xiàn) G A N）在無(wú)人機(jī)上搭建了MIMO-SA R系統(tǒng)，稱(chēng)為機(jī)載下視三維成像雷達(dá)（airborne radar for three-dimensionalimaging and nadir observation，A R TIN O）［22］，通過(guò)多天線(xiàn)發(fā)射、多天線(xiàn)接收實(shí)現(xiàn)下視三維SA R成像，克服了傳統(tǒng)側(cè)視SAR對(duì)建筑物等目標(biāo)成像時(shí)的陰影效應(yīng)［23］；地基MIMO-SA R方面，歐盟聯(lián)合研究中心（joint research centre，JRC）在研制的線(xiàn)性SA R系統(tǒng)（l inear SA R，LISA）的基礎(chǔ)上，升級(jí)為M ELISSA，實(shí)現(xiàn)了對(duì)行人的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)［24］。

國(guó)內(nèi)外對(duì)MIMO-SAR的研究尚處于初步階段，有許多未解決的問(wèn)題和值得研究的技術(shù)，如發(fā)射波形設(shè)計(jì)、通道均衡、天線(xiàn)構(gòu)型設(shè)計(jì)、非理想情況下的MIMO-SAR成像、多站雷達(dá)同步、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)等。其中，發(fā)射波形設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)MIMO-SAR的基礎(chǔ)，而波形的非理想正交性使得MxIM OSAR在實(shí)際應(yīng)用中受到很大的限制［25］。成像技術(shù)方面，MIMO-SAR存在多通道聯(lián)合處理方位向非均勻采樣以及如何提高距離向分辨率等問(wèn)題［11，26］。本文主要總結(jié)了MIMO-SAR波形設(shè)計(jì)、方位向無(wú)模糊成像和提高距離向分辨率技術(shù)3個(gè)方面的研究現(xiàn)狀，并指出了MIMO-SAR在波形設(shè)計(jì)和成像方面需進(jìn)一步研究的問(wèn)題。

1 MIMO-SA R概念與特點(diǎn)

1.1 MIMO-SA R概念與成像處理

結(jié)合MIMO系統(tǒng)和SAR的特點(diǎn)，可以給出對(duì)MIMOSAR的定義。若雷達(dá)系統(tǒng)滿(mǎn)足條件：運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上布局若干個(gè)收發(fā)天線(xiàn)，各發(fā)射天線(xiàn)分別發(fā)射正交波形，對(duì)相同場(chǎng)景照射，各接收天線(xiàn)獨(dú)立接收回波，并分離出不同發(fā)射信號(hào)的回波，對(duì)不同收發(fā)組合的回波數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合處理，則將該系統(tǒng)稱(chēng)為MIMO-SAR［11］。

MIMO-SAR通常的成像處理流程為：各接收天線(xiàn)同時(shí)接收回波數(shù)據(jù)，根據(jù)不同的發(fā)射波形，采取相應(yīng)的波形分離方法（如發(fā)射同頻正交波形時(shí)，利用匹配濾波方法），將不同發(fā)射波形的回波進(jìn)行分離，從而得到不同收發(fā)組合的回波，然后將所有收發(fā)組合的回波進(jìn)行相干或非相干成像處理。其中，相干成像處理是各收發(fā)組合的數(shù)據(jù)進(jìn)行通道均衡處理［27 28］后，符合相干條件，直接聯(lián)合處理得到一幅高分辨成像結(jié)果；非相干成像處理是各收發(fā)組合的數(shù)據(jù)獨(dú)立進(jìn)行成像處理，再將各圖像進(jìn)行融合處理。

1.2 MIMO-SA R特點(diǎn)分析

MIMO-SA R根據(jù)收發(fā)天線(xiàn)布局可以大致分為“沿航跡多天線(xiàn)MIMO-SA R”和“垂直航跡多天線(xiàn)MIMO-SA R”兩類(lèi)。

沿航跡多天線(xiàn)MIMO-SA R相比傳統(tǒng)SA R有兩大優(yōu)勢(shì)，一是同時(shí)有沿航跡的空間采樣（收發(fā)陣元）和時(shí)間采樣（平臺(tái)運(yùn)動(dòng)），因此可保證方位不模糊的前提下而降低PRF，實(shí)現(xiàn)寬測(cè)繪帶高分辨率成像；二是沿航跡多天線(xiàn)可以采用多基線(xiàn)干涉技術(shù)，對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)敏感，實(shí)現(xiàn)對(duì)慢速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)［23，29］。

垂直航跡多天線(xiàn)MIMO-SAR最大的優(yōu)勢(shì)是消除了沿航跡多天線(xiàn)MIMO-SAR僅能實(shí)現(xiàn)二維成像的局限，可以實(shí)現(xiàn)三維成像以及下視成像，在城市峽谷成像等應(yīng)用中可起到重要作用。

當(dāng)然，MIMO-SAR系統(tǒng)可以同時(shí)在沿航跡和垂直航跡布設(shè)多天線(xiàn)，綜合利用兩者優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)多種SAR功能。同時(shí)，將MIMO-SAR系統(tǒng)與數(shù)字波束形成（digital beam forming，D BF）相結(jié)合，是拓展現(xiàn)有SAR寬測(cè)繪帶高分辨率成像的有效途徑［12，30］。此外，針對(duì)分布式MIMO-SAR，不同通道對(duì)相同區(qū)域成像，由于觀測(cè)角不同，還可以實(shí)現(xiàn)距離向的超分辨［31］。

2 MIMO-SA R波形設(shè)計(jì)

波形設(shè)計(jì)對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)的性能起到重要作用，成像雷達(dá)要求波形具有大的時(shí)寬-帶寬積和一定程度的多普勒容限，MIMO系統(tǒng)要求回波波形能夠較好地實(shí)現(xiàn)分離，設(shè)計(jì)滿(mǎn)足條件的波形集是MIMO-SAR技術(shù)的關(guān)鍵問(wèn)題之一。常見(jiàn)的MIMO-SAR波形有時(shí)序切換波形、頻率空間分集波形和同頻正交波形，考慮慢時(shí)間域的正交性，還有方位相位編碼波形。以下對(duì)4類(lèi)波形分別進(jìn)行討論。

2.1 時(shí)序切換波形

時(shí)序切換波形實(shí)現(xiàn)起來(lái)最簡(jiǎn)單，各發(fā)射單元按照一定的順序，在各脈沖間進(jìn)行切換發(fā)射，各接收單元同時(shí)接收回波。如果在觀測(cè)場(chǎng)景變化之前，所有的虛擬陣列都循環(huán)工作了一次，即可在后續(xù)的處理中合成全尺寸陣列。因此，等效P R F等于系統(tǒng)P R F除以發(fā)射單元數(shù)目。然而，為避免多普勒模糊，需要足夠高的等效P R F，而高P R F又將導(dǎo)致距離模糊。對(duì)于低空飛行的無(wú)人機(jī)上的垂直航跡多天線(xiàn)MIMO-SAR，由于其目標(biāo)離雷達(dá)的距離相對(duì)短，因此可以采用時(shí)序切換波形［23，31］。然而，對(duì)于沿航跡MIMO陣列側(cè)視SAR，如果采用時(shí)序切換波形，即使是在短距離探測(cè)的情況下，也將會(huì)導(dǎo)致測(cè)繪帶寬的削減。

2.2頻率-空間分集波形

將時(shí)域轉(zhuǎn)化為頻域考慮，時(shí)序切換對(duì)應(yīng)的是頻分復(fù)用，也就是頻率-空間分集波形。各發(fā)射單元同時(shí)發(fā)射頻帶不相重疊的波形，以保證波形能夠通過(guò)帶通濾波器實(shí)現(xiàn)分離。該波形實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但回波數(shù)據(jù)不相干，且占用頻譜帶寬資源［32］。由于各發(fā)射頻率-空間分集波形的回波之間的不相干性，如何應(yīng)用到MIMO-SAR相干處理系統(tǒng)，有必要進(jìn)一步展開(kāi)討論［33］。

2.3 同頻正交波形

針對(duì)MIMO-SAR波形設(shè)計(jì)，研究最廣泛的是同頻正交波形，各發(fā)射天線(xiàn)同時(shí)發(fā)射互相關(guān)接近零的波形，接收端通過(guò)匹配濾波，分離出各收發(fā)組合的回波，回波分離后可沿用傳統(tǒng)SAR的數(shù)據(jù)處理方式。該波形的頻譜利用率高，但同頻波形的非理想正交性，限制了MIMO-SAR的發(fā)展［12］。

傳統(tǒng)同頻正交波形主要有正/負(fù)調(diào)頻波形、相位編碼波形等。由于正/負(fù)調(diào)頻波形的時(shí)間帶寬積大，可用于2個(gè)發(fā)射單元的MIMO-SAR，再加上三角/倒三角調(diào)頻波形，可用于4個(gè)發(fā)射單元的情況［34］。針對(duì)正/負(fù)調(diào)頻波形正交性差導(dǎo)致成像性能下降，基于CLEAN等波形分離方法可用于抑制模糊能量［35 36］，但不適合場(chǎng)景成像的情況［33］。同頻正交信號(hào)的非理想正交性導(dǎo)致的距離壓縮旁瓣，可采用輔助變量法［37 38］和積分旁瓣比準(zhǔn)則［39］等方法設(shè)計(jì)MIMO雷達(dá)的接收濾波器，從而減低距離旁瓣。當(dāng)發(fā)射波形數(shù)大于2時(shí)積分旁瓣比很高，文獻(xiàn)［25］提出脈間調(diào)制的多普勒距離解耦濾波器方法實(shí)現(xiàn)波形分離，然而該方法需要較高的雷達(dá)重復(fù)頻率，孟藏珍等人又創(chuàng)新性提出采用極化域正交設(shè)計(jì)的方法，通過(guò)極化濾波器將回波進(jìn)行分離［40］。

由于雷達(dá)非線(xiàn)性器件原因，需要波形具有恒模特性，文獻(xiàn)［37］提出循環(huán)優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)恒模發(fā)射信號(hào)合成。

近年來(lái)，有學(xué)者分別提出移時(shí)正交（short-time shift-orthogonal，STSO）和正交頻分復(fù)用（orthogonal frequency Division Multiplexing，OFDM）兩種波形用于MIMO-SAR。文獻(xiàn)［12，41］指出，在過(guò)去很多文獻(xiàn)中提出的正交波形，只需要滿(mǎn)足條件，其僅可以對(duì)點(diǎn)目標(biāo)回波實(shí)現(xiàn)較好的分離，考慮擴(kuò)展目標(biāo)時(shí)，應(yīng)該考慮考慮時(shí)延情況的正交條件：， i≠j），τa，τb為信號(hào)脈沖開(kāi)始和結(jié)束時(shí)刻，該條件為STS O條件，滿(mǎn)足該條件的波形稱(chēng)為STSO波形。該波形在一定時(shí)延范圍內(nèi)，有較好的正交性，因此能夠較好地實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展目標(biāo)的成像，然而，由于STSO波形超出時(shí)延范圍的互相關(guān)存在模糊，解決方法是俯仰向接收D BF，當(dāng)設(shè)計(jì)多組STSO波形，不模糊范圍更小，因而需要對(duì)DBF提出更高的要求。STS O波形的提出，使得人們對(duì)MIMO-SAR波形的要求有了更清楚的認(rèn)識(shí)。OFDM波形利用子載頻的正交性實(shí)現(xiàn)波形分離，然而基于雷達(dá)成像機(jī)理和器件，要求波形有大的時(shí)寬帶寬積和恒模特性，一般的OFDM波形難以滿(mǎn)足。文獻(xiàn)［42-43］提出一種新的OFDM波形，將chirp信號(hào)的頻譜間隔插零（在此稱(chēng)為交叉Chirped-OFDM波形），得到保留chirp信號(hào)優(yōu)良性能的OFDM波形，具有頻譜利用率高、低截獲和抗干擾性好、易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化和雷達(dá)通信一體化等優(yōu)勢(shì)。然而，由于波形存在自相關(guān)模糊，也需要采用DBF技術(shù)保證測(cè)繪帶寬。此外，文獻(xiàn)［43］指出當(dāng)需求多組交叉Chirped-O FD M波形時(shí)，載頻間隔變小，易受多普勒頻移影響正交性，同時(shí)不模糊距離也變小。

文獻(xiàn)［44-45］提出通過(guò)時(shí)間頻率編碼得到多組不同子chirp的組合波形，具有大時(shí)寬帶寬積和低峰均比等性能，與STS O和交叉Chirped-OFDM波形相比，該波形的自/互相關(guān)沒(méi)有峰值模糊，并且能夠在不嚴(yán)重降低性能的條件下產(chǎn)生多組正交波形。

2.4 方位相位編碼波形

MIMO-SAR波形的正交性除了在快時(shí)間域、頻率域以及極化域?qū)崿F(xiàn)，也可以在慢時(shí)間域?qū)崿F(xiàn)。方位相位編碼波形是一種慢時(shí)間波形，通過(guò)對(duì)發(fā)射脈沖序列進(jìn)行相位編碼，使得各發(fā)射信號(hào)的回波在慢時(shí)間頻域上頻移，即可濾波達(dá)到信號(hào)分離目的。方位相位編碼波形實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，不需要在每個(gè)發(fā)射單元安裝任意波形發(fā)射器，也減輕了接收端的各通道分離的負(fù)擔(dān)，但要求回波頻移后在慢時(shí)間頻域不混疊［31，46］。該波形已被用于MIMO雷達(dá)的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)的研究［47］，且在TerraSAR-X上首次進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證［48］。

3 MIMO-SA R方位向無(wú)模糊成像技術(shù)

當(dāng)沿航跡向多通道SAR的系統(tǒng)P R F與天線(xiàn)構(gòu)型、平臺(tái)速度相匹配時(shí)，可以用空間采樣代替時(shí)間采樣，直接數(shù)據(jù)重排即可得到方位向高分辨。然而當(dāng)系統(tǒng)PRF與天線(xiàn)構(gòu)型、平臺(tái)速度不匹配時(shí)會(huì)導(dǎo)致方位向非均勻采樣，方位成像面臨旁瓣較高、多普勒模糊的問(wèn)題［49］，MIMO-SAR同樣存在該問(wèn)題。對(duì)多通道SAR方位向非均勻采樣問(wèn)題的解決思路是，將多通道數(shù)據(jù)重構(gòu)不模糊的方位頻譜，再用傳統(tǒng)的SAR成像方法進(jìn)行方位向聚焦。

3.1 非自適應(yīng)方法

僅利用空間陣列信息的方法稱(chēng)為非自適應(yīng)方法，主要有最近鄰插值法、矩陣求逆法和最小二乘法等。最近鄰插值法［50］通過(guò)時(shí)域補(bǔ)零、循環(huán)移位和信號(hào)疊加實(shí)現(xiàn)頻譜重構(gòu)，隨著非均勻性的增加，重建誤差不斷增加使重建性能不斷惡化。文獻(xiàn)［49，51］提出的基于矩陣求逆得到重構(gòu)濾波器組的方法，成為當(dāng)前方位向非均勻采樣SAR頻譜重構(gòu)技術(shù)的基礎(chǔ)，然而矩陣求逆必須要求通道數(shù)與模糊數(shù)相同使觀測(cè)矩陣為方陣，且當(dāng)P R F趨近于“奇異PRF”時(shí)重構(gòu)性能急劇惡化。文獻(xiàn)［52］提出的最小二乘法只要求通道數(shù)不小于模糊數(shù)，有奇異值分解法、跡方法等多組實(shí)現(xiàn)方法，Gram-Sch midt投影法［53］也是其中一種。當(dāng)觀測(cè)矩陣為方陣時(shí)，最小二乘法與矩陣求逆法等效。

3.2 自適應(yīng)方法

不僅利用空間陣列信息，還從回波中挖掘額外信息的方法稱(chēng)為自適應(yīng)方法，主要有Capon法、最大化信號(hào)模糊噪聲比（maximum signal-to-ambiguity-plus-noise ratio，M SA N R）法和最小化均方誤差（miminum mean-square error，MMSE）法等。文獻(xiàn)［54］提出利用Capon法實(shí)現(xiàn)模糊抑制，其基本思想是在信號(hào)分量無(wú)失真輸出約束下通過(guò)最小化輸出功率得到最優(yōu)加權(quán)值，該方法當(dāng)信噪比（signal noise ratio，SNR）較低時(shí)不能對(duì)模糊分量有效置零，且受陣列誤差影響較大。文獻(xiàn)［53］提出MSANR法，實(shí)現(xiàn)最大化指定頻帶的信號(hào)能量比其他頻帶中的信號(hào)和噪聲能量之和。在無(wú)陣列誤差條件下，Capon法實(shí)質(zhì)上是一種MSANR法。文獻(xiàn)［55］提出利用MMSE波束形成器實(shí)現(xiàn)信號(hào)重建，并通過(guò)對(duì)協(xié)方差矩陣的修正實(shí)現(xiàn)輸出SNR與輸出信號(hào)模糊比的折中優(yōu)化，當(dāng)S N R較低時(shí)，可將更多的權(quán)重用于噪聲抑制，而當(dāng)S NR較高時(shí)，模糊抑制效果會(huì)更好。

4 MIMO-SA R提高距離向分辨率

傳統(tǒng)SAR的距離向分辨率通常由系統(tǒng)信號(hào)帶寬決定，隨著SAR的成像分辨率需求越來(lái)越高，需要采用大帶寬信號(hào)，從而很大程度上增加了對(duì)系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)硬件要求。對(duì)于MIMO-SAR，在不提高各收發(fā)系統(tǒng)的帶寬的情況下，如何改善距離向分辨率也是一個(gè)重要的研究方向。目前，分別對(duì)多頻帶MIMO-SAR和同頻帶MIMO-SAR的距離向分辨率增強(qiáng)技術(shù)展開(kāi)了一定的研究。

4.1 多頻帶MIMO-SAR

對(duì)于多頻帶MIMO-SAR，可以通過(guò)多個(gè)窄帶信號(hào)相參合成的方式得到寬帶回波。鄧云凱等人提出頻域子帶合成的方法，將同一相位中心的不同子帶的線(xiàn)性頻率調(diào)制（linear frequency m odulation，LF M）信號(hào)進(jìn)行頻域合成大帶寬信號(hào)，相比時(shí)域子帶合成法更為高效和實(shí)用［56］。楊明磊等人則提出空域合成寬帶的方法，將空域分散發(fā)射的多載頻LF M信號(hào)通過(guò)去斜、通道分離、時(shí)移拼接等處理，合成大帶寬信號(hào)，以獲得高分辨距離信息［32］。子帶合成方法以低的系統(tǒng)硬件復(fù)雜度，得到高的距離分辨率，但是僅適用于多頻帶MIMO-SAR。

4.2 同頻帶MIMO-SA R

針對(duì)提高同頻帶發(fā)射波形的MIMO-SAR的距離向分辨率問(wèn)題，文獻(xiàn)［57］提出利用觀測(cè)角不同的多通道干涉SAR，可以得到相同區(qū)域不同的地面反射頻譜，也就是“波數(shù)移動(dòng)”效應(yīng)，通過(guò)相參合成觀測(cè)頻譜提高距離帶寬，從而提高距離向分辨率。該方法最高可以得到通道個(gè)數(shù)倍數(shù)的距離分辨率的提升。文獻(xiàn)［58］將“波數(shù)移動(dòng)”效應(yīng)方法應(yīng)用到德國(guó)宇航局的機(jī)載雷達(dá)E-SAR的試驗(yàn)數(shù)據(jù)中，證明了方法的有效性。文獻(xiàn)［31］將此方法應(yīng)用到MIMO-SAR，利用多運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上的雷達(dá)天線(xiàn)分別同時(shí)收發(fā)，在切航跡方向形成多個(gè)等效的相位中心，利用“波數(shù)移動(dòng)”效應(yīng)方法，理論上可以得到最高距離分辨率的提升倍數(shù)比實(shí)際天線(xiàn)數(shù)目還大。從空間分集的角度考慮，同頻帶MIMO-SA R提高距離分辨率的研究，對(duì)未來(lái)編隊(duì)SA R的系統(tǒng)設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值。

5 結(jié)束語(yǔ)

MIMO-SAR作為新的有效提高SAR性能的雷達(dá)體制，在未來(lái)將會(huì)進(jìn)一步拓展應(yīng)用需求。目前，MIMO-SAR還處于研究的初步階段，在波形設(shè)計(jì)和高分辨成像方面還面臨一系列的機(jī)遇與挑戰(zhàn)?？v觀上述研究進(jìn)展，MIMOSAR波形設(shè)計(jì)和成像技術(shù)未來(lái)值得關(guān)注的方向可概括為以下幾點(diǎn)。

（1）MIMO-SAR波形設(shè)計(jì)方面模糊函數(shù)通常被用于波形設(shè)計(jì)與分析，將模糊函數(shù)推廣到SAR系統(tǒng)性能分析中，得到定義在空間域的SAR廣義模糊函數(shù)［59］，反映了SAR系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)的分辨率、副瓣性能以及距離-方位耦合等。文獻(xiàn)［60］將模糊函數(shù)的思想推廣到雙/多站SAR中，獲得了系統(tǒng)分辨率與發(fā)射波形以及雙站幾何構(gòu)型之間的定量關(guān)系；雙基地SAR廣義模糊函數(shù)的有效性得到了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證［61］。文獻(xiàn)［62-63］針對(duì)多載頻LFM信號(hào)，基于匹配濾波和圖像域融合策略，推導(dǎo)了MIMO-SAR廣義模糊函數(shù)的解析表示?？傊F(xiàn)有的波形設(shè)計(jì)中還不存在直觀反映系統(tǒng)成像指標(biāo)的方法，因此將MIMO-SAR的廣義模糊函數(shù)推廣到正交波形的優(yōu)化設(shè)計(jì)是未來(lái)值得重點(diǎn)研究的課題。

（2）MIMO-SAR方位向無(wú)模糊成像方面在方位向非均勻采樣條件下，非自適應(yīng)方法未考慮各種系統(tǒng)誤差以及噪聲的統(tǒng)計(jì)特性，自適應(yīng)方法分別采用不同的約束條件與代價(jià)函數(shù)，都需要準(zhǔn)確估計(jì)數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣，且MSANR和MMSE方法還要求知道信號(hào)功率［64］，而實(shí)際應(yīng)用中難以得到協(xié)方差矩陣和信號(hào)功率的準(zhǔn)確估計(jì)，因此會(huì)導(dǎo)致模糊分量無(wú)法完全抑制。鑒于此，尋找更為穩(wěn)健的方法以克服非均勻采樣帶來(lái)的模糊問(wèn)題是未來(lái)重點(diǎn)研究方向之一。

（3）MIMO-SAR提高距離向分辨率技術(shù)方面對(duì)于同頻帶MIMO-SAR，D.Cristallini針對(duì)正負(fù)調(diào)頻信號(hào)，研究了MIMO-SAR提高距離向分辨率的算法［31］，不同發(fā)射波形，距離維數(shù)據(jù)的處理不同，因此需要基于特定的優(yōu)化波形，推演其提高距離向分辨率的算法。此外，為了實(shí)現(xiàn)在任意系統(tǒng)構(gòu)型的情況下的MIMO-SAR距離向高分辨率成像，未來(lái)應(yīng)進(jìn)一步研究相鄰孔徑的距離頻譜有間隔情況下的提高距離向分辨率技術(shù)。

（4）與其他技術(shù)結(jié)合拓展MIMO-SAR成像性能方面將發(fā)射波形與通信應(yīng)用中的空時(shí)編碼（space time coding，ST C）［65］結(jié)合，可以更好地實(shí)現(xiàn)回波分離并提高系統(tǒng)信噪比［29，66 67］，現(xiàn)有的與MIMO-SAR結(jié)合的STC方法主要集中在Alam outi編碼，未來(lái)應(yīng)進(jìn)一步研究其他ST C方法或是將編碼方法拓展到頻域進(jìn)行；將垂直航跡多天線(xiàn)MIMOSAR與干涉技術(shù)結(jié)合，可以在寬測(cè)繪帶高分辨率成像的同時(shí)實(shí)現(xiàn)地形測(cè)繪［19，43］，如何更好地利用MIMO-SAR的多基線(xiàn)干涉優(yōu)勢(shì)是未來(lái)研究方向之一；將MIMO-SAR與多維波形編碼技術(shù)結(jié)合，在未大量增加系統(tǒng)復(fù)雜度的情況下，獲得優(yōu)越的寬測(cè)繪帶高分辨率成像性能［30，68 69］，未來(lái)應(yīng)將該技術(shù)擴(kuò)展至多模式成像與運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)等應(yīng)用；將MIMOSAR與OFDM結(jié)合，是未來(lái)實(shí)現(xiàn)雷達(dá)通信一體化的有效手段，在通信中對(duì)每個(gè)OFDM脈沖添加循環(huán)前綴以避免符號(hào)間干擾，有效的循環(huán)前綴可實(shí)現(xiàn)MIMO-SAR雷達(dá)波形的無(wú)副瓣距離向處理［70 71］，基于OFDM的MIMO-SAR成像技術(shù)也是未來(lái)重點(diǎn)研究方向之一。

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Review of multi-input multi-output SA R waveform design and high resolution imaging

ZHAO Guan-hua，F(xiàn)U Yao-wen，NIE Lei，ZHUANG Zhao-wen
（College of Electronic Science and Engineering，National University of Defense Technology，Changsha 410073，China）

Multi-input multi-output synthetic aperture radar（MIM O-SAR），a new kind of radar regime，could obtain m ore equivalent observation channels than the number of the physical antennas by utilizing multiple transmitting and receiving antennas.Co m pare with traditional SAR regime，MIMO-SAR has significant potential on high-resolution wide-swath remote sensing，detection of slowly moving targets and three dimensionalimaging，etc.A n overview of the overseas and do mestic research status on MIMO-SAR waveform design and high resolution imaging techniques is presented in this paper.Key technologies including optimal orthogonal waveform design，azimuth imaging without am biguity and enhancing range resolution，are discussed.Finally，so me key issues to enhance the imaging performance of MIMO-SAR are introduced which deserve m ore attention in the future.

multi-input multi-output（MIMO）system；sythetic aperture radar（SAR）；orthogonal waveform design；high resolution imaging

T N 95

A

10.3969/j.issn.1001-506 X.2016.03.08

1001-506 X（2016）03-0525-07

2015-01-28；

2015--09-11；網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版日期：2015-11-18。

網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版地址：http：//www.cnki.net/kcms/detail/11.2422.TN.20151118.1208.008.html

國(guó)家自然科學(xué)基金（61401486）；湖南省研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目（C X2014B019）資助課題

趙官華（1989-），女，博士研究生，主要研究方向?yàn)镸IMO-SAR波形設(shè)計(jì)、成像與運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)。

E-mail：ghzhao_nudt@sina.com

付耀文（1976-），男，研究員，博士，主要研究方向?yàn)槔走_(dá)成像、信息融合。

E-mail：fuyaowen@sina.com

聶 鐳（1978-），男，副研究員，博士，主要研究方向?yàn)槔走_(dá)目標(biāo)檢測(cè)與識(shí)別。

E-mail：nielei@nudt.edu.cn

莊釗文（1958-），男，教授，博士，主要研究方向?yàn)槔走_(dá)信號(hào)處理、自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別。

E-mail：zhuangzhaowen@nudt.edu.com