李 堃 梁興東 陳龍永 王 杰 吳一戎

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基于LFMCW體制的分布式SAR高分辨率成像方法研究

李 堃*①②梁興東①陳龍永①王 杰①吳一戎①

①(中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所微波成像技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100190)②(中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

分布式微小衛(wèi)星SAR是實(shí)現(xiàn)小型化、低成本星載SAR系統(tǒng)的重要途徑，然而，在該體制下，如何充分利用分布式系統(tǒng)資源，實(shí)現(xiàn)高分辨率成像是其面臨的關(guān)鍵問(wèn)題之一。該文提出一種利用LFMCW信號(hào)實(shí)現(xiàn)分布式微小衛(wèi)星平臺(tái)SAR的方法，并基于方位向編隊(duì)飛行的微小衛(wèi)星構(gòu)型，對(duì)其信號(hào)模型與高分辨率成像方法進(jìn)行了研究。該文方法使用多顆微小衛(wèi)星同時(shí)發(fā)射與接收頻分LFMCW信號(hào)，利用交叉接收的構(gòu)型使不同頻帶收發(fā)天線(xiàn)所形成的等效相位中心重合，進(jìn)而在距離向?qū)π盘?hào)進(jìn)行頻帶合成以恢復(fù)全帶寬信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)高分辨率SAR成像。該方法實(shí)現(xiàn)了分布式平臺(tái)信號(hào)的頻帶合成，為高分辨率LFMCW SAR技術(shù)在微小衛(wèi)星平臺(tái)上的應(yīng)用提供了理論支撐。仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析的正確性以及方法的有效性。

合成孔徑雷達(dá)；分布式微小衛(wèi)星；多發(fā)多收；線(xiàn)性調(diào)頻連續(xù)波；頻帶合成

1 引言

分布式微小衛(wèi)星合成孔徑雷達(dá)(SAR)系統(tǒng)利用多顆微小衛(wèi)星SAR編隊(duì)飛行，并通過(guò)通信、隊(duì)形控制和聯(lián)合信號(hào)處理等手段實(shí)現(xiàn)協(xié)同工作，使得微小衛(wèi)星群構(gòu)成一顆龐大的“虛擬衛(wèi)星”，共同完成對(duì)地觀測(cè)任務(wù)，提升系統(tǒng)在高分辨率寬測(cè)繪帶成像、地面動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)、3維成像、干涉等方面的性能，提高系統(tǒng)的生存能力與工作靈活性，降低系統(tǒng)成本、縮短研制周期，極大地提升星載SAR系統(tǒng)的總體性能，拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域，具有重要的戰(zhàn)略意義與研究?jī)r(jià)值[5,6]。其中，線(xiàn)性調(diào)頻連續(xù)波(Linear Frequency Modulated Continuous Wave, LFMCW)技術(shù)既能夠?qū)崿F(xiàn)高分辨率成像，又可以滿(mǎn)足小型化、低成本化的要求，將其應(yīng)用于星載SAR將簡(jiǎn)化系統(tǒng)及衛(wèi)星平臺(tái)設(shè)計(jì)，是實(shí)現(xiàn)分布式微小衛(wèi)星SAR系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)[7]。

現(xiàn)階段尚存在兩方面的問(wèn)題限制著LFMCW SAR在衛(wèi)星平臺(tái)上的應(yīng)用：收發(fā)隔離問(wèn)題與信號(hào)正交性問(wèn)題。首先，單站LFMCW SAR的作用距離很短，通常只有幾百米到數(shù)公里，這是由于單站LFMCW SAR收發(fā)隔離性能的制約造成的。由于FMCW SAR始終發(fā)射信號(hào)，因此，需要分置的接收天線(xiàn)進(jìn)行回波接收，所得回波為實(shí)際場(chǎng)景回波與直達(dá)波信號(hào)的疊加。根據(jù)調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)方程[8]，當(dāng)作用距離增大時(shí)，若要獲得相同信噪比的場(chǎng)景回波，則需相應(yīng)地提高發(fā)射功率，功率提升倍數(shù)與距離增長(zhǎng)倍數(shù)的三次方成正比，然而，在其他條件不變的情況下，直達(dá)波信號(hào)的增大幅度遠(yuǎn)高于回波信號(hào)的增大幅度，這將使得回波信號(hào)被淹沒(méi)在直達(dá)波信號(hào)中無(wú)法分辨。針對(duì)該問(wèn)題，目前的研究分為兩種體制開(kāi)展：?jiǎn)握倔w制與多站體制。英國(guó)Surrey大學(xué)的Ahmed和Underwood博士提出了一種單站中斷連續(xù)波SAR體制(Interrupted CW, ICW)SAR[9]，該體制針對(duì)微小衛(wèi)星平臺(tái)設(shè)計(jì)，通過(guò)單個(gè)天線(xiàn)在發(fā)射與接收模式間的切換實(shí)現(xiàn)信號(hào)的發(fā)射與接收，避免了直達(dá)波信號(hào)過(guò)大的問(wèn)題，并利用三次樣條插值填充回波信號(hào)孔徑間隙，實(shí)現(xiàn)SAR成像。該方法誤差較大，最大估計(jì)誤差偏離其理論值約30%。中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所的劉悅[7]在ICW體制的基礎(chǔ)上，利用近似假設(shè)對(duì)回波信號(hào)逐距離門(mén)進(jìn)行方位采樣迭代外推，以獲取缺失信號(hào)，在滿(mǎn)足假設(shè)條件時(shí)，最大誤差偏離其理論值約2%~3%。以上基于單站體制的研究均采用外推的方法補(bǔ)償由于天線(xiàn)接收造成的信號(hào)非連續(xù)性，這將在一定程度上影響成像結(jié)果的精確性，同時(shí)大大增加處理時(shí)的計(jì)算量。此外，縮短發(fā)射時(shí)間意味著需要提高發(fā)射功率，近似假設(shè)也將對(duì)PRF等參數(shù)的選擇范圍構(gòu)成限制。多站體制將收發(fā)天線(xiàn)布置在不同的平臺(tái)上，有效解決了收發(fā)隔離問(wèn)題的制約[10]，適用于長(zhǎng)距離應(yīng)用，是實(shí)現(xiàn)星載LFMCW SAR系統(tǒng)的可行方法。在多站體制中，較常用的有單發(fā)多收(Single Input Multiple Output, SIMO)與多發(fā)多收(Multiple Input Multiple Output, MIMO)兩種方案，其中MIMO方案系統(tǒng)自由度高，工作方式靈活，生存能力強(qiáng)，與SIMO方案相比具有顯著的優(yōu)勢(shì)。然而，正交信號(hào)的設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)上述優(yōu)勢(shì)的一個(gè)重要前提。由于雷達(dá)體制的差異性，脈沖體制下的正交信號(hào)對(duì)FMCW體制不再適用[11]，而對(duì)FMCW體制正交信號(hào)的研究近年剛剛興起，目前適用于LFMCW SAR的是經(jīng)dechirp后形成距離頻分信號(hào)的方案[12]。

基于上述LFMCW SAR的研究現(xiàn)狀，多站體制是解決其星載應(yīng)用中收發(fā)隔離問(wèn)題的有效途徑，其中MIMO方案能夠通過(guò)大幅增加的等效相位中心獲取更豐富的系統(tǒng)自由度，從而提高SAR系統(tǒng)的功能和性能，具有廣闊的應(yīng)用前景。本文將多站體制與MIMO技術(shù)相結(jié)合，突破LFMCW SAR收發(fā)隔離問(wèn)題產(chǎn)生的制約，采用dechirp后的距離頻分信號(hào)解決多路信號(hào)間的正交問(wèn)題，并基于方位向編隊(duì)飛行的微小衛(wèi)星構(gòu)型，重點(diǎn)研究其信號(hào)模型與相干合成方法。需要說(shuō)明的是，本文是對(duì)高分辨率LFMCW SAR技術(shù)應(yīng)用于分布式微小衛(wèi)星平臺(tái)的初步研究，因此下文主要針對(duì)理想情況開(kāi)展研究，對(duì)前人已在LFMCW SAR方面取得的研究成果，文中采用了理想假設(shè)以簡(jiǎn)化信號(hào)模型。

本文研究了基于LFMCW體制的分布式微小衛(wèi)星平臺(tái)SAR信號(hào)模型，并提出了一種高分辨率成像方法，該方法以LFMCW信號(hào)作為發(fā)射信號(hào)，每顆衛(wèi)星發(fā)射全帶寬信號(hào)的一路子帶信號(hào)，使得各路信號(hào)經(jīng)dechirp處理后在距離向頻分，通過(guò)交叉接收的方式保證每路子頻帶形成的等效相位中心處于同一方位位置處，進(jìn)而利用頻帶合成的方法將其恢復(fù)為全帶寬信號(hào)，最后進(jìn)行SAR成像。該方法通過(guò)合成多路頻分發(fā)射信號(hào)提高了系統(tǒng)的時(shí)間帶寬積，可實(shí)現(xiàn)高分辨率SAR成像，具有實(shí)現(xiàn)基于LFMCW體制的分布式微小衛(wèi)星平臺(tái)SAR系統(tǒng)的潛力。點(diǎn)目標(biāo)與場(chǎng)景成像仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析的正確性以及方法的有效性。

2 基于LFMCW體制的分布式SAR信號(hào)模型

圖1 基于FMCW體制的分布式微小衛(wèi)星平臺(tái)SAR幾何模型

以LFMCW信號(hào)作為分布式微小衛(wèi)星平臺(tái)SAR的發(fā)射信號(hào)，不同衛(wèi)星發(fā)射帶寬相同、中心頻率不同的LFMCW信號(hào)，相鄰兩路發(fā)射信號(hào)間頻譜部分重疊，其時(shí)頻分布曲線(xiàn)如圖2(a)所示。對(duì)于FMCW SAR而言，dechirp處理將不可避免地造成帶寬損失，該損失正比于目標(biāo)斜距與參考斜距的差值[13]。為了盡量減小帶寬損失，一般將參考斜距取為場(chǎng)景中心距，則整個(gè)場(chǎng)景內(nèi)的帶寬損失最大值正比于距離向測(cè)繪帶寬度的一半。通過(guò)設(shè)計(jì)各衛(wèi)星信號(hào)中心頻率之差與測(cè)繪帶寬的關(guān)系，可使各路信號(hào)經(jīng)dechirp處理后在距離頻域內(nèi)構(gòu)成頻分信號(hào)，該關(guān)系可表示為式(1)，此時(shí)信號(hào)的時(shí)頻關(guān)系曲線(xiàn)如圖2(b)所示。

圖2 信號(hào)時(shí)頻分布曲線(xiàn)圖

為了能夠使圖2(b)中的頻分信號(hào)能夠進(jìn)行全帶寬信號(hào)合成，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高分辨率SAR成像，須使每個(gè)頻帶對(duì)應(yīng)的發(fā)射與接收天線(xiàn)形成的等效相位中心處于同一方位位置處，這可以通過(guò)交叉接收的方式實(shí)現(xiàn)[14]。對(duì)于該方式，一種可行的衛(wèi)星構(gòu)型如圖3所示。

圖3 分布式微小衛(wèi)星平臺(tái)高分辨率SAR系統(tǒng)構(gòu)型

圖3中，衛(wèi)星1上的發(fā)射天線(xiàn)Tx1發(fā)射中心頻率為的信號(hào)，接收天線(xiàn)Rx接收中心頻率為的回波；衛(wèi)星2上的發(fā)射天線(xiàn)Tx2發(fā)射中心頻率為的信號(hào)，接收天線(xiàn)接收中心頻率為的回波；以此類(lèi)推。其中，下標(biāo)相同的發(fā)射與接收天線(xiàn)具有相同的中心頻率，構(gòu)成一組收發(fā)對(duì)，如Tx1與Rx1, Tx2與Rx2Tx與Rx等，它們被放置于不同的衛(wèi)星上，能夠利用空間傳播對(duì)發(fā)射信號(hào)能量的衰減大幅降低直達(dá)波信號(hào)對(duì)接收回波的影響；而處在同一顆衛(wèi)星上的發(fā)射天線(xiàn)與接收天線(xiàn)中心頻率不同，如Tx1與Rx, Tx2與Tx與Rx1等，互相之間不會(huì)產(chǎn)生干擾。

利用相位中心近似(Phase Center Approximation, PCA)方法，可將一對(duì)收發(fā)分置的相位中心等效為一個(gè)收發(fā)同置的相位中心，該等效相位中心位于分置相位中心所構(gòu)成線(xiàn)段的中點(diǎn)處。近似成立的條件為[15]

因此，通過(guò)合理設(shè)計(jì)衛(wèi)星編隊(duì)飛行的間隔，交叉接收可使得Tx1與Rx1, Tx2與Rx2Tx與Rx中每一對(duì)發(fā)射與接收天線(xiàn)構(gòu)成的等效相位中心均處于同一方位位置，以便將dechirp后構(gòu)成的頻分信號(hào)合成為全帶寬信號(hào)。本文假設(shè)各衛(wèi)星沿方位向等間隔分布，隨著衛(wèi)星平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，該方法形成的天線(xiàn)等效相位中心在不同方位位置處均能夠重合。

為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，以下推導(dǎo)中，假設(shè)信號(hào)已經(jīng)過(guò)雙站等效單站處理與方位向重采樣，即等效為單站自發(fā)自收時(shí)引入的常數(shù)項(xiàng)相位誤差已進(jìn)行補(bǔ)償，且不同方位時(shí)刻各收發(fā)對(duì)所形成的等效相位中心均勻分布。此外，若衛(wèi)星數(shù)目為奇數(shù)，則第顆衛(wèi)星處于自發(fā)自收模式，當(dāng)發(fā)射信號(hào)峰值功率較大時(shí)，回波信號(hào)同樣面臨著被直達(dá)波信號(hào)淹沒(méi)的問(wèn)題，因此，本文中均假設(shè)為偶數(shù)。

對(duì)于FMCW SAR而言，傳統(tǒng)脈沖SAR中的“走-?！奔僭O(shè)不再成立。對(duì)圖1所示的幾何模型，其瞬時(shí)斜距為

則接收端的回波可表示為

(5)

(7)

3 基于LFMCW體制的分布式SAR高分辨率成像方法

在第2節(jié)中推導(dǎo)得到了基于LFMCW體制的分布式微小衛(wèi)星平臺(tái)SAR信號(hào)模型，由式(7)可見(jiàn)，對(duì)于同一個(gè)散射單元而言，交叉接收時(shí)不同的收發(fā)對(duì)所得到的信號(hào)距離歷程相同，而中心頻率為步進(jìn)式的，因此，可以通過(guò)頻帶合成的方法恢復(fù)全帶寬信號(hào)。

在式(7)中，第2個(gè)相位項(xiàng)代表距離向快時(shí)間引入的多普勒頻移項(xiàng)，該項(xiàng)將影響頻帶合成過(guò)程中相鄰子帶間的距離相位連續(xù)性，造成目標(biāo)成像質(zhì)量下降，甚至無(wú)法成像，必須在頻帶合成前予以補(bǔ)償。

因此，頻帶合成的步驟如下：

(1)進(jìn)行快時(shí)間多普勒頻移項(xiàng)校正；

(2)進(jìn)行距離向時(shí)移；

(3)進(jìn)行信號(hào)相加。

快時(shí)間多普勒頻移項(xiàng)的校正可在距離-多普勒域中通過(guò)相位相乘實(shí)現(xiàn)，補(bǔ)償因子為

補(bǔ)償后的信號(hào)為

此時(shí)，對(duì)各路信號(hào)進(jìn)行距離向時(shí)移，時(shí)移長(zhǎng)度由信號(hào)中心頻率決定。

(10)

時(shí)移后，有

時(shí)移前后信號(hào)的時(shí)頻關(guān)系曲線(xiàn)如圖4所示，圖中雙虛線(xiàn)和三虛線(xiàn)表示時(shí)移前的子帶信號(hào)時(shí)頻關(guān)系，雙實(shí)線(xiàn)和三實(shí)線(xiàn)表示時(shí)移后的子帶信號(hào)時(shí)頻關(guān)系，可見(jiàn)經(jīng)過(guò)時(shí)移操作后多路子帶在距離向上構(gòu)成的時(shí)頻關(guān)系與全帶寬信號(hào)時(shí)頻關(guān)系相同，通過(guò)相加操作即可實(shí)現(xiàn)頻帶合成。

圖4 時(shí)移前后信號(hào)的時(shí)頻關(guān)系曲線(xiàn)

信號(hào)相加后，合成的全帶寬信號(hào)為

式(12)即為經(jīng)過(guò)多普勒頻移項(xiàng)校正后的常規(guī)LFMCW SAR回波信號(hào)，只是帶寬提升為子帶信號(hào)帶寬的倍，因此，可以利用現(xiàn)有的成像算法進(jìn)行成像。本文以頻率變標(biāo)(Frequency Scaling, FS)算法為例[16]，進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。基于LFMCW體制的分布式微小衛(wèi)星平臺(tái)SAR高分辨率成像流程如圖5所示。

4 仿真結(jié)果

為了驗(yàn)證上文分析的正確性與所提方法的有效性，本節(jié)進(jìn)行了點(diǎn)目標(biāo)與場(chǎng)景成像仿真。點(diǎn)目標(biāo)仿真中，共設(shè)置9個(gè)點(diǎn)目標(biāo)，分別沿距離向與方位向等間隔排列，構(gòu)成3×3的矩陣，詳細(xì)仿真參數(shù)如表1所示。圖6為先進(jìn)行頻帶合成，再對(duì)合成后信號(hào)進(jìn)行多普勒頻移項(xiàng)校正的成像結(jié)果，由圖6可見(jiàn)，由于頻帶合成后距離向相位不連續(xù)，點(diǎn)目標(biāo)成像結(jié)果存在嚴(yán)重的散焦現(xiàn)象，與文中分析結(jié)果相吻合。圖7為多普勒頻移項(xiàng)校正后進(jìn)行頻帶合成的成像結(jié)果，經(jīng)過(guò)距離-多普勒域中的相位補(bǔ)償后，頻帶合成時(shí)距離向相位連續(xù)，合成后的效果與直接發(fā)射全帶寬信號(hào)效果相同，點(diǎn)目標(biāo)聚焦效果理想。頻帶合成前后點(diǎn)目標(biāo)的距離向切片對(duì)比如圖8所示，經(jīng)過(guò)頻帶合成后，距離向分辨率提高為子帶分辨率的4倍。各點(diǎn)目標(biāo)的成像質(zhì)量指標(biāo)如表2與表3所示，可見(jiàn)各項(xiàng)成像質(zhì)量指標(biāo)與理論值基本吻合。需要說(shuō)明的是，圖6與圖7中為了同時(shí)顯示9個(gè)點(diǎn)目標(biāo)，并使插值過(guò)程中的數(shù)據(jù)量不至過(guò)于龐大，選取了與測(cè)繪帶中心距離向間隔±35 m，方位向間隔±15 m的點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行顯示，其余參數(shù)與表1中相同。實(shí)際上，測(cè)繪帶邊緣處的點(diǎn)目標(biāo)具有類(lèi)似的結(jié)果。場(chǎng)景仿真中，采用實(shí)際系統(tǒng)SAR復(fù)圖像作為后向散射系數(shù)，系統(tǒng)參數(shù)同表1，相鄰目標(biāo)間隔為0.88 m，仿真結(jié)果如圖9所示。其中，圖9(a)為一路子帶信號(hào)的成像結(jié)果，由于子帶信號(hào)帶寬較窄，成像結(jié)果分辨率明顯降低；圖9(b)為頻帶合成后全帶寬信號(hào)的成像結(jié)果，可見(jiàn)全帶寬信號(hào)能夠準(zhǔn)確恢復(fù)出場(chǎng)景的后向散射系數(shù)。

圖5 基于FMCW體制的分布式微小衛(wèi)星平臺(tái)SAR高分辨率成像流程

表1 系統(tǒng)仿真參數(shù)

圖6 多普勒頻移項(xiàng)校正前進(jìn)行頻帶合成的成像結(jié)果 圖7 多普勒頻移項(xiàng)校正后進(jìn)行頻帶合成的成像結(jié)果 圖8 頻帶合成前后目標(biāo)距離向切片對(duì)比圖

圖9 場(chǎng)景仿真結(jié)果

表2 點(diǎn)目標(biāo)距離向成像質(zhì)量指標(biāo)

表3 點(diǎn)目標(biāo)方位向成像質(zhì)量指標(biāo)

5 結(jié)束語(yǔ)

分布式微小衛(wèi)星SAR能夠大幅降低星載SAR系統(tǒng)的成本與復(fù)雜度，并提高其生存能力與工作靈活性。本文通過(guò)理論分析，建立了分布式星載LFMCW SAR回波信號(hào)模型，并詳細(xì)推導(dǎo)了將子帶信號(hào)合成為全帶寬信號(hào)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高分辨率SAR成像的步驟。該方法將同一頻帶的收發(fā)天線(xiàn)放置于不同衛(wèi)星上，能夠滿(mǎn)足長(zhǎng)距離應(yīng)用的需求；同時(shí)，利用交叉接收的方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)多路子帶信號(hào)的頻帶合成，有效解決了MIMO體制下LFMCW SAR的正交信號(hào)設(shè)計(jì)問(wèn)題。點(diǎn)目標(biāo)與場(chǎng)景成像仿真實(shí)驗(yàn)以及成像質(zhì)量指標(biāo)分析驗(yàn)證了本文方法的正確性與有效性，為高分辨率LFMCW SAR技術(shù)在分布式衛(wèi)星平臺(tái)上的應(yīng)用提供了理論支撐。

[1] MOREIRA A, PONCE O, NANNINI M,. Multi-baseline imaging: A vision for spaceborne SAR[C]. 16th International Radar Symposium, Dresden, Germany, 2015: 20-29. doi: 10.1109/IRS.2015.7226407.

[2] 李晨雷, 劉梅, 趙伯文, 等. 星載分布式SAR地面動(dòng)目標(biāo)精確聚焦的互譜MUSIC法[J]. 電子與信息學(xué)報(bào), 2014, 36(8): 1905-1911. doi: 10.3724/SP.J.1146.2013.01456.

LI Chenlei, LIU Mei, ZHAO Bowen,. Cross spectrum MUSIC method of finely focusing ground moving target on spaceborne distributed SAR[J].&, 2014, 36(8): 1905-1911. doi: 10. 3724/SP.J.1146.2013.01456.

[3] 李延, 張慶君, 劉亞?wèn)|, 等. 分布式天基雷達(dá)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)性能分析[J]. 航天器工程, 2015, 24(3): 64-68. doi: 10.3969/j.issn. 1673-8748.2015.03.011.

LI Yan, ZHANG Qingjun, LIU Yadong,Analysis of moving target indication based on distributed space radar[J]., 2015, 24(3): 64-68. doi: 10.3969/j.issn. 1673-8748.2015.03.011.

[4] 張奔, 鄭堅(jiān), 茅寧杰, 等. 分布式衛(wèi)星InSAR系統(tǒng)的DEM定位方法[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版), 2015, 48(6): 852-856. doi: 10.14188/j.1671-8844.2015-06-021.

ZHANG Ben, ZHENG Jian, MAO Ningjie,Research on DEM calculation for distributed satellite InSAR system[J]., 2015, 48(6): 852-856. doi: 10.14188/j.1671-8844.2015-06-021.

[5] 張龍, 蘇濤, 劉崢, 等.分布式小衛(wèi)星聯(lián)合多普勒解模糊SAR成像[J]. 系統(tǒng)工程與電子技術(shù), 2015, 37(3): 544-552. doi: 10.3969/j.issn.1001-506X.2015.03.11.

ZHANG Long, SU Tao, LIU Zheng,. Joint Doppler ambiguity removal SAR imaging algorithm for distributed micro-satellite[J]., 2015, 37(3): 544-552. doi: 10.3969/j.issn.1001-506X.2015.03.11.

[6] 陳杰, 周蔭清, 李春升.分布式SAR小衛(wèi)星編隊(duì)軌道設(shè)計(jì)方法研究[J]. 中國(guó)科學(xué)(E輯), 2004, 34(6): 654-662. doi: 10.3321/j.issn:1006-9275.2004.06.005.

CHEN Jie, ZHOU Yinqing, and LI Chunsheng. Research on orbit design method for the formation flying of distributed small satellites SAR[J].(): 2004, 34(6): 654-662. doi: 10.3321/j.issn:1006-9275.2004.06.005.

[7] 劉悅. FMCW SAR新體制及信號(hào)處理方法研究[D]. [博士論文], 中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所, 2012: 153-168.

LIU Yue. Study on FMCW SAR-configurations and signal processing[D]. [Ph.D. dissertation], Institute of Electronics, Chinese Academy of Sciences, 2012: 153-168.

[8] 王穎, 曲長(zhǎng)文, 蘇峰. FMCW SAR雷達(dá)方程[J]. 雷達(dá)科學(xué)與技術(shù), 2008, 6(3): 178-181. doi: 10.3969/j.issn.1672-2337.2008. 03.005.

WANG Ying, QU Changwen, and SU Feng. Radar equation for FMCW SAR[J]., 2008, 6(3): 178-181. doi: 10.3969/j.issn.1672-2337.2008.03.005.

[9] AHMED N and UNDERWOOD C. Monostatic CW SAR concept for microsatellites[C]. 8th European Conference on Synthetic Aperture Radar, Aachen, Germany, 2010: 1–4.

[10] LI Y and O'YOUNG S. Focusing bistatic FMCW SAR signal by range migration algorithm based on Fresnel approximation[J]., 2015, 15(12): 32123-32137. doi: 10.3390/s151229910.

[11] DE WIT J J M, VAN ROSSUM W L, and DE JONG A J. Orthogonal waveforms for FMCW MIMO radar[C]. IEEE Radar Conference, Kansas City, MO, USA, 2011: 686-691. doi: 10.1109/RADAR.2011.5960625.

[12] WANG Jie, CHEN Longyong, LIANG Xingdong,. Multi-input multi-output frequency-modulated continuous wave synthetic aperture radar system using beat-frequency division waveforms[J]., 2013, 24(7): 74016-74024. doi: 10.1088/0957-0233/24/7/ 074016.

DU Chuanhong. Research of R-D and-algorithm for frequency modulated continuous wave SAR imaging[D]. [Master dissertation], Harbin Engineering University, 2013: 24-26.

[14] 陳龍永, 梁興東, 丁赤飚. 基于交叉接收的空時(shí)頻編碼高分辨率SAR處理方法[J]. 電子與信息學(xué)報(bào), 2010, 32(7): 1668-1673. doi: 10.3724/SP.J.1146.2008.01541.

CHEN Longyong, LIANG Xingdong, and DING Chibiao. A high resolution SAR processing method based on crossed receiving space-time-frequency coding[J].&, 2010, 32(7): 1668-1673. doi: 10.3724/SP.J.1146.2008.01541.

[15] BELLETTINI A and PINTO M A. Theoretical accuracy of synthetic aperture sonar micronavigation using a displaced phase-center antenna[J]., 2002, 27(4): 780-789. doi: 10.1109/JOE.2002. 805096.

[16] 梁毅, 王虹現(xiàn), 邢孟道, 等. 調(diào)頻連續(xù)波SAR信號(hào)分析與成像研究[J]. 電子與信息學(xué)報(bào), 2008, 30(5): 1017-1021. doi: 10.3724/SP.J.1146.2007.00578.

LIANG Yi, WANG Hongxian, XING Mengdao,. The analysis of FMCW SAR signal and image study[J].&, 2008, 30(5): 1017-1021. doi: 10.3724/SP.J.1146.2007.00578.

Signal Model and High-resolution Imaging Approach for Distributed SAR Based on LFMCW Signals

LI Kun①②LIANG Xingdong①CHEN Longyong①WANG Jie①WU Yirong①

①(,,,100190,)②(,100049,)

Distributed micro-satellites SAR has the capabilities of substantially miniaturizing the size and lowering the cost of space-borne SAR systems. However, one of the key issues is to take full advantage of the distributed resources and achieve high-resolution images. In this paper, an approach utilizing LFMCW signal is proposed to realize distributed micro-satellites SAR system. The signal model and the high-resolution imaging method is studied on the basis of the serial formation in azimuth. LFMCW signals are transmitted simultaneously and beat-frequency division signals are received by different micro-satellites. With the use of the crossed receiving technique, different sub-band signals with superposed equivalent phase centers can be acquired by the configuration design of formation flying, and then the full-bandwidth signal is synthesized to obtain high-resolution image. The proposed method synthesizes the sub-band signals of distributed platforms, which provides theoretical support for applying high-resolution LFMCW signals in the field of distributed micro-satellites SAR. The correctness of the theoretical derivations and the effectiveness of the approach is validated by simulation results.

SAR; Distributed micro-satellite; MIMO; LFMCW; Sub-band synthesis

TP722.6

A

1009-5896(2017)02-0437-07

10.11999/JEIT160274

2016-03-21；改回日期：2016-10-12；

2016-11-16

李堃 likun8999@hotmail.com

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(2013AA122201)，中國(guó)科學(xué)院創(chuàng)新基金(CXJJ-16M217)

The National High Technology Research and Development Program of China (2013AA122201), The Innovative Foundation for the Chinese Academy of Sciences (CXJJ-16M217)

李 堃： 男，1989年生，博士生，研究方向?yàn)槲⒉ǔ上裥赂拍睢⑿麦w制、新技術(shù).

梁興東： 男，1973年生，研究員，研究方向?yàn)楦叻直媛屎铣煽讖嚼走_(dá)系統(tǒng)、干涉合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)、成像處理及應(yīng)用、實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理.

陳龍永： 男，1979年生，副研究員，研究方向?yàn)楦叻直媛屎铣煽讖嚼走_(dá)系統(tǒng)、干涉合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng).

王 杰： 男，1986年生，博士后，研究領(lǐng)域?yàn)槲⒉ǔ上裥赂拍?、新體制、新技術(shù).

吳一戎： 男，1963年生，研究員，中國(guó)科學(xué)院院士，主要研究方向?yàn)楦叻直鏅C(jī)載合成孔徑雷達(dá)及運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)、SAR信號(hào)處理算法研究、遙感衛(wèi)星地面處理與應(yīng)用系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)處理算法等.