王 杰 丁赤飚 梁興東* 陳龍永 祁志美

①(中國科學院電子學研究所微波成像技術(shù)重點實驗室 北京 100190)

②(中國科學院電子學研究所傳感技術(shù)聯(lián)合國家重點實驗室 北京 100190)

1 引言

合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar,SAR)技術(shù)已經(jīng)廣泛應用于軍事偵察、農(nóng)業(yè)勘查、環(huán)境監(jiān)測、地質(zhì)勘探和災情調(diào)查等方面[1,2]。然而，隨著技術(shù)的發(fā)展、研究的深入和應用需求的拓展，傳統(tǒng)合成孔徑雷達(SAR)體制帶來的模式單一、核心指標已接近極限等瓶頸問題日益突出，諸如難以實現(xiàn)高分辨率寬測繪帶成像以及多任務協(xié)同等已在國際學術(shù)界形成共識。在此背景下，德國高頻物理實驗室的J. R. Ender在2007年國際雷達會議上提出了多輸入多輸出(Multi-Input Multi-Output,MIMO)合成孔徑雷達概念[3]。融合MIMO技術(shù)與SAR系統(tǒng)各自特點而構(gòu)成的新體制多輸入多輸出合成孔徑雷達，不僅能獲得遠多于實際天線數(shù)目的等效觀測通道，還可顯著提升功率孔徑積，為解決傳統(tǒng)SAR面臨的高分辨與測繪帶寬相互矛盾以及多任務協(xié)同等實際問題提供了更為有效的技術(shù)途徑[4]。

MIMO-SAR概念自提出以來，便受到了歐美許多軍事強國的廣泛關注，日益成為SAR領域的研究熱點[5–8]。然而，作為一種新體制雷達系統(tǒng)，無論在國外還是在國內(nèi)，MIMO-SAR都處于起步研究階段，其關鍵技術(shù)和系統(tǒng)研制方面的報導不多，限制MIMO-SAR從理論走向?qū)嶋H應用的同頻干擾抑制問題沒有得到有效解決[9]。因此，現(xiàn)有的研究大多數(shù)集中于理論概念和探索性實驗，還沒有原理性驗證系統(tǒng)。但最近幾年，正交波形的研究取得了突破性進展。其中，德宇航G. Krieger等人提出的多維波形編碼思路[10]，北京理工大學許稼等人提出的脈間相位編碼方案[11]，中國科學院電子學研究所陳龍永等人提出的正交頻分復用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)Chirp信號[12]與空時編碼[13](Space Time Coding, STC)等方案在抑制MIMO-SAR同頻干擾方面表現(xiàn)出一定的潛力。鑒于此，中國科學院電子學研究所梁興東研究員于2013年承擔科技部支撐計劃“基于多輸入多輸出(MIMO)體制的先進微波成像技術(shù)”，研制新體制同時同頻MIMO-SAR系統(tǒng)，挖掘時間、空間、頻率、極化等多個維度的波形自由度，突破多維正交波形信號設計與產(chǎn)生、MIMO天線一體化快速波控、多通道重建成像等關鍵技術(shù)，重點解決制約MIMO-SAR實際應用的同頻干擾抑制難題，實現(xiàn)高分辨率寬測繪帶成像的跨越式發(fā)展和多模式協(xié)同等新功能。

本文圍繞國際首部同時同頻MIMO-SAR系統(tǒng)，論述MIMO-SAR概念內(nèi)涵與技術(shù)特點，對當前國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與技術(shù)發(fā)展趨勢進行了歸納和評述，并凝練了當前研究中涉及的若干關鍵技術(shù)問題。重點針對同頻干擾抑制的核心難題，分析了傳統(tǒng)正交波形的限制與多維正交波形的可行性，介紹了OFDM Chirp和STC多維波形，并通過飛行試驗驗證了系統(tǒng)效能。最后，綜合考慮MIMO-SAR的體制優(yōu)勢以及當前實際應用需求，對MIMO-SAR應用前景進行展望，以期為相關研究學者提供參考。

2 MIMO-SAR概念內(nèi)涵與技術(shù)特點

根據(jù)收發(fā)端的天線數(shù)目，可將雷達系統(tǒng)分成單發(fā)單收、單發(fā)多收及多發(fā)多收體制。隨著天線數(shù)目的增加，系統(tǒng)自由度逐步提高，雷達性能穩(wěn)健增長。然而，受平臺尺寸與功率孔徑積限制，不能單純依靠提高接收天線數(shù)目來提升雷達的性能。需要挖掘發(fā)射端的潛力，引入空間并存的發(fā)射天線，進一步開發(fā)系統(tǒng)的潛能。MIMO-SAR就是一種通過多發(fā)射天線多接收天線來獲取豐富系統(tǒng)自由度的先進合成孔徑雷達系統(tǒng)。

依據(jù)多個收發(fā)天線之間的位置和布局關系，MIMO-SAR可分為分布式和緊湊式兩大類[14]。分布式MIMO是指多個收發(fā)天線之間稀疏布陣，各條信道之間近似獨立，如圖1(a)所示。在這種模式下，雷達能獲取目標多個方向的散射信息，成倍提高信息量，進而提高目標的分辨率、解譯能力、識別能力和抗打擊能力等[15]；緊湊式MIMO是指所有收發(fā)射單元位于同一平臺上或相互之間非?？拷?如圖1(b)所示)，該模式接收的都是目標同一方向上的散射信息，因而各收發(fā)通道相關性很強。這種配置下，不僅能通過順軌稀疏陣列大幅提高分辨率、測繪帶、動目標檢測等性能，還可以結(jié)合交軌向分布式陣列實現(xiàn)大范圍詳查、局部普查、高精度3維成像等能力。典型配置如同一平臺上的多發(fā)多收系統(tǒng)、分布式小衛(wèi)星多發(fā)多收系統(tǒng)等。

依據(jù)發(fā)射波形特征，緊湊式MIMO-SAR可進一步分為分時同頻、同時分頻和同時同頻3大類。分時同頻MIMO-SAR通過時序控制，在不同的脈沖重復周期(PRI)內(nèi)發(fā)射多路同頻信號，如乒乓模式的全極化干涉SAR系統(tǒng)[17,18]和ARTINO下視3維成像系統(tǒng)[19,20]。這類系統(tǒng)用時間資源換取空間資源，往往導致系統(tǒng)PRF過高，對測繪帶寬度構(gòu)成限制[21]；同時分頻MIMO-SAR通過頻率分集來隔離同時發(fā)射的多路信號[22,23]，再運用子帶拼接實現(xiàn)高分辨率，如德國FGAN-FHR開發(fā)的機載PAMIR系統(tǒng)[24,25]。這類系統(tǒng)雖能降低發(fā)射端帶寬，但仍是全帶寬接收，并不能降低系統(tǒng)成本。另外，可獲得的有效相位中心數(shù)目并不多于單發(fā)多收SAR系統(tǒng)，因此性能有限；同時同頻MIMO-SAR利用多個天線同時輻射相互正交的同頻信號，在成倍提高雷達功率孔徑積的同時，獲得遠多于實際物理陣元數(shù)目的觀測通道。相對于分時同頻和同時分頻MIMOSAR而言，同時同頻MIMO-SAR面臨嚴重的同頻干擾問題。但該類系統(tǒng)在時間、空間、頻率、極化等多個維度內(nèi)的自由度更高，是更為嚴格意義上的多輸入多輸出合成孔徑雷達系統(tǒng)，也是國內(nèi)外學者的研究重點。本文主要考慮緊湊式同時同頻MIMOSAR系統(tǒng)技術(shù)。

3 MIMO-SAR國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與技術(shù)發(fā)展趨勢

多輸入多輸出最早是控制系統(tǒng)中的一個概念，上世紀90年代中期，由貝爾實驗室的G. J. Foschini首先提出[26]，主要用于提升無線通信系統(tǒng)的信道容量。本世紀初，人們鑒于MIMO技術(shù)在通信領域取得的成果，開始將MIMO概念拓展到雷達探測，并在2003年的國際雷達會議上設立討論專題，提出了MIMO雷達統(tǒng)一信號模型和體系架構(gòu)，指明了MIMO雷達在波形低截獲、強雜波下弱小目標和隱身目標檢測、多目標探測和抗飽和攻擊等方面具備的潛力[27–29]。受MIMO雷達空間分集和虛擬陣元等體制優(yōu)勢啟發(fā)，高頻物理實驗室的J. R. Ender在2007年進一步將MIMO技術(shù)與合成孔徑雷達系統(tǒng)相結(jié)合，提出了MIMO-SAR概念，并初步討論了該雷達面臨的同頻干擾抑制核心難題以及提升星載高分辨率寬測繪帶成像能力的潛在優(yōu)勢，進而引起了國內(nèi)外專家學者的廣泛關注。圍繞MIMO-SAR同頻干擾抑制難題，研究人員將目光聚焦到正交波形設計與分離，并逐步從傳統(tǒng)的單維度編碼走向多維聯(lián)合調(diào)制的多維度正交。

起初，部分學者建議改善利用傳統(tǒng)通信編碼信號、MIMO脈沖多普勒雷達正交信號來設計MIMOSAR正交信號。然而，通過深入研究發(fā)現(xiàn)，這類波形僅將失配的能量散開到時域，沒有達到濾除效果，導致脈壓旁瓣水平過高。由于來自大量分布式目標的過高旁瓣必然會積累起來，進而會大幅度降低圖像的整體質(zhì)量。因此，該類波形不滿足MIMOSAR成像要求。德國宇航局的J. Mittermayer和J.M. Martinez曾于2003年以正負線性調(diào)頻信號為例，從理論推導和仿真分析等角度對此問題展開了深入探討[30]。

為了解決傳統(tǒng)單維度編碼信號的限制，德國宇航局的J. Kim于2007年提出了用于MIMO SAR干涉成像的空時編碼方案[31]。沿俯仰向使用雙天線發(fā)射空時編碼正交波形，結(jié)合方位向多天線接收(如圖2所示)，可保證基線長度和高程精度不變的同時，降低系統(tǒng)PRF，增大測繪帶寬度。Kim在時頻調(diào)制的基礎上，加入了慢時間的空域調(diào)制，初步體現(xiàn)了多維正交調(diào)制思想，為MIMO-SAR成像開辟了一條新的道路。然而，這種方案嚴重依賴于雷達信道的時不變性，非勻速飛行、大氣擾動和角閃爍等因素都會降低正交性能[13]。

2008年，德國宇航局G. Krieger等人在J. Kim的基礎上進一步提出了“多維波形編碼”概念[10]，即綜合利用空間維、時間維及頻率維的調(diào)制來抑制并行觀測通道模糊能量(如圖3所示)。他不僅從信息論的角度探討了MIMO-SAR信號接收過程，分析了多通道SAR系統(tǒng)的挑戰(zhàn)和常規(guī)解決方案，還首次探討了MIMO-SAR系統(tǒng)優(yōu)化和多模式協(xié)同工作的實現(xiàn)方式。

近年來，在多維波形編碼概念的牽引下，MIMOSAR正交波形技術(shù)取得了長足的發(fā)展。G. Krieger等人系統(tǒng)分析了當前較為典型的正交波形方案[5]，指明了MIMO-SAR波形設計誤區(qū)，細化了多維波形編碼思路，并設計了短時移正交(Short-Term Shift-Orthogonal, STSO)波形與OFDM Chirp信號。G. Krieger指出，通過時頻域調(diào)制技術(shù)將失配的能量搬移到擴展函數(shù)遠端，并結(jié)合空域濾波予以去除，可有效抑制同頻干擾(如圖4所示)。多維波形編碼思想不僅變革了MIMO-SAR波形設計方法，同時還是未來技術(shù)發(fā)展趨勢。

國內(nèi)對MIMO-SAR的研究尚處于起步階段，主要集中于理論層面。其中，井偉等在多維波形編碼的基礎上研究了方位向的解多普勒模糊問題[32]。王文欽等在Kim的基礎上對空時編碼技術(shù)進行了改進[33]，并探討了MIMO-SAR在高分辨率寬測繪帶成像與動目標檢測等方面的優(yōu)勢[34,35]。林月冠等基于壓縮感知，將多個正交波形的回波信號吸收到觀測矩陣，在降低數(shù)據(jù)率的同時消除了多個發(fā)射信號非理想正交模糊的影響[36]。武其松等將離散頻率編碼信號(Discrete Fourier Coding, DFC)應用到MIMO-SAR中，以提高相位編碼信號的距離分辨率[37]。許稼等人提出的脈間相位編碼方案對同頻干擾抑制同樣具備指導性意義。梁甸農(nóng)等人從綜合積分旁瓣比的角度論述了常規(guī)正交編碼在MIMOSAR中的限制[38]。

綜觀國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢，國內(nèi)外學者對MIMO-SAR已基本形成了統(tǒng)一的認識，在同頻干擾抑制、陣列構(gòu)型優(yōu)化、運動補償及成像處理等方面積累了豐富研究成果。特別地，多維波形編碼、陣列空間卷積[39,40]和方位信號重建[41]等技術(shù)為MIMO-SAR系統(tǒng)研制提供了條件。

4 多維正交波形技術(shù)

從MIMO-SAR體制特征、國內(nèi)外文獻研究熱點和雷達系統(tǒng)研制經(jīng)驗等方面著手，本文總結(jié)MIMO-SAR系統(tǒng)研制面臨的關鍵技術(shù)問題包括多維正交波形設計與分離技術(shù)、MIMO天線一體化快速波控、寬帶多通道射頻技術(shù)、同步多通道數(shù)字技術(shù)與多通道重建成像技術(shù)等。其中，多維正交波形設計與分離技術(shù)是核心，是抑制同頻干擾的有效解決手段，是MIMO-SAR從理論研究走向?qū)嶋H應用的關鍵，下面將對此展開深入討論。

4.1 MIMO-SAR多維正交準則

正交信號最初應用于通信領域，用于反演多用戶信源信息，對與信道反演密切相關的峰值旁瓣比和積分旁瓣比等指標沒有嚴格的約束。因此，通信信號的正交準則與數(shù)學上的正交定義保持一致，僅要求信號之間的內(nèi)積為零：

常規(guī)的單維度編碼正交波形可以滿足通信系統(tǒng)的正交準則，并且已得到了成熟的應用。然而，對于相參雷達系統(tǒng)而言，其目的在于反演信道信息，對信號峰值旁瓣比和積分旁瓣比有著嚴格的約束。因此，雷達信號的正交準則要求同頻信號間的零多普勒模糊函數(shù)為零[42]：

將式(2)變換至頻域可知，該正交準則要求兩路同頻段信號的頻譜積為零，這明顯不滿足能量守恒定理，不可實現(xiàn)。因此，傳統(tǒng)脈沖多普勒雷達對該準則做出了近似：

該準則認為，當兩個信號之間的互相關電平接近為零時，可視為正交。需要說明的是，傳統(tǒng)脈沖多普勒雷達探測的是稀疏分布的目標，散開到雜波背景中的失配能量并不會影響雷達性能。因此，這種弱化的正交準則可以滿足傳統(tǒng)雷達要求。但對于SAR而言，探測的是目標及目標所處的場景，即囊括了傳統(tǒng)意義上的目標及背景雜波。此時，弱化正交準則(式(3))無法滿足成像要求。這主要是因為，該準則僅將互相關信號的能量散開到時域，并沒有去除這些模糊能量。來自于海量散射點的模糊能量必然會積累起來，進而大幅度降低SAR圖像的信雜比，使SAR圖像信息淹沒到噪聲中，如圖5所示。因此，弱化正交準則不滿足MIMO-SAR成像要求。

然而，在弱化正交準則的基礎上結(jié)合利用旁瓣優(yōu)化與消除技術(shù)[43–45]，可在一定程度上抑制同頻干擾引入的模糊能量，但該類方法的計算資源消耗過多。一種更為優(yōu)良的解決方案是，聯(lián)合優(yōu)化時間τ、空間a、頻率f、極化c等多個維度，將多個波形變量引入到理想的正交準則(式(2))，將多路同時同頻正交信號分散到多維空間，并設計接收端的多維濾波器h，分離多路信號。因此，可構(gòu)建如下的廣義多維正交準則，在滿足理想正交的基礎上，不違背能量守恒約束。

多維正交波形概念示意如圖6所示[5]。以空間、時間、頻率構(gòu)成的3維空間為例，線性調(diào)頻信號在立體空間內(nèi)體現(xiàn)為一個曲面。發(fā)射端通過合理的優(yōu)化設計，可在相同的時間、空間和頻率支撐域內(nèi)實現(xiàn)多個曲面并存。接收端依據(jù)多維空間信號分布情況設計多維濾波器，可濾出并行收發(fā)信號，進而避免同頻干擾。

為進一步量化表征多維正交信號的同頻干擾抑制能力，定義同頻干擾抑制比如下：

4.2 具備物理可實現(xiàn)性的OFDM Chirp多維信號

作為第4代數(shù)字通信的核心技術(shù)，OFDM信號最突出的優(yōu)點在于頻譜利用率高、抗干擾能力強、時域波形可塑，可完全無模糊地提取出正交子載頻的權(quán)值。然而，OFDM信號峰值旁瓣比和積分旁瓣比過高(見圖7)，頻域加窗的方法也無法壓低旁瓣[46,47]，因而該信號難以直接用于雷達成像?？蓪hirp信號調(diào)制到OFDM頻譜中，構(gòu)成多維度聯(lián)合調(diào)制的OFDM Chirp信號，在繼承OFDM優(yōu)越正交性的基礎上，兼顧Chirp信號良好的成像性能。

OFDM Chirp信號在數(shù)字頻域?qū)崿F(xiàn)調(diào)制，傳統(tǒng)的OFDM Chirp信號首先將Chirp信號的離散頻率值作為OFDM信號的偶數(shù)子載頻權(quán)值矩陣，其次對該Chirp信號的離散頻率值頻移一個子帶帶寬構(gòu)成OFDM信號的奇數(shù)子載頻權(quán)值矩陣，最后將這兩個子載頻權(quán)值矩陣變換至時域，可得相互正交的兩路OFDM Chirp信號的時域形式[48]。

因此，OFDM Chirp信號的權(quán)值矩陣如下：

上式中p=1，2，···，2N，p1=1，2，···，N，n=1,2,···，N,N=Fs·T。Fs表示采樣率，T為Chirp信號的時寬，kr為Chirp信號的調(diào)頻率。

將式(6)變換到時域可得相互正交的OFDM Chirp信號的時域形式：

由上式可見，兩路OFDM Chirp信號的正交性靠一個很小的頻偏量保證，該頻偏量不僅使得信號之間非嚴格同頻段，還會導致系統(tǒng)實現(xiàn)難度大。需要對其進行改進，以去除頻偏量。 可改進兩路信號的子載頻權(quán)值矩陣如下[12]：

將式(9)變換至時域，可得對應的時域信號形式為：

由式(10)可知，改進的OFDM Chirp信號之間沒有相對頻偏量，是嚴格同頻段的，具備物理可實現(xiàn)性，改進前后的頻譜示意圖如圖8所示。

對應于數(shù)字點頻調(diào)制過程，OFDM Chirp解調(diào)可在頻域通過抽取不同子帶載頻處的權(quán)值來提取出預先調(diào)制的Chirp信號。而子帶載頻間的頻率成分，主要體現(xiàn)為干擾和噪聲，予以去除。此時，頻率信息利用不充分，導致時域測繪帶寬度受限[49]。然而，可以結(jié)合空域DBF技術(shù)，將整個測繪帶劃分為多個子測繪帶，并對子測繪帶進行MIMO成像。

4.3 STC多維編碼方案

STC從多個維度出發(fā)，利用時間、空間、編碼等維度，在SAR相連的兩個慢時間發(fā)射不同Chirp波形，其信號模型是基于Alamouti編碼矩陣而設計的[30]，即

重構(gòu)發(fā)射矩陣，可得兩路發(fā)射信號為：

其中，ta為慢時間，fac為第2路發(fā)射信號的多普勒載頻，m(m=0, 1, 2, ··)為方位向慢時間點，且有如下關系：

因此，第n個接收天線的回波可表示為：

將式(15)變換至距離-多普勒域，可得

由上式可見，來自于不同發(fā)射天線的信號在距離多普勒域中處于不同的多普勒頻率中心(見圖9)，因此可在距離多普勒域中采用帶通濾波方法，有效分離多路發(fā)射天線的信號。

然而，由于該波形方案在多普勒域調(diào)制了兩路信號，且通過濾波分離這兩路信號，這就要求將系統(tǒng)的PRF提高一倍，即系統(tǒng)的PRF大于兩倍的多普勒帶寬。因此，這種解調(diào)處理算法以犧牲PRF來換取同頻干擾抑制能力，適用于機載系統(tǒng)[13]。

5 MIMO-SAR原理樣機研制

在突破同時同頻MIMO-SAR關鍵技術(shù)的基礎上，研制了國際首部C波段原理樣機。該系統(tǒng)的框架及掛載圖分別如圖10和圖11所示。為了滿足多模式協(xié)同工作要求，該雷達是一個可重構(gòu)的MIMO系統(tǒng)，主要包括相控陣天線、低功率射頻、實時成像、數(shù)據(jù)記錄以及本地控制單元。其中，低功率射頻包含兩個發(fā)射通道和4個接收通道。相控陣天線分別在發(fā)射和接收時重構(gòu)為2個和4個子陣，對應的方位向波束寬度分別為4.2°和8.4°。數(shù)據(jù)記錄最大數(shù)據(jù)率為3 GB/s。具體系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

6 MIMO-SAR飛行試驗驗證

為了驗證同時同頻MIMO-SAR原理樣機的系統(tǒng)效能，中國科學院電子學研究所于2016年4月份在天津分別針對高分辨率寬測繪帶成像和多模式協(xié)同開展了飛行試驗，取得了良好的效果，如圖12–圖16所示。其中，高分辨率寬測繪帶模式的像素點寬度為0.2 m，距離向總像素點數(shù)目為171060；寬幅模式的像素點寬度為0.6 m，距離向總像素點數(shù)目為84040；聚束模式的像素點在距離向和方位向的寬度分別為0.20 m和0.15 m，對應的總像素點數(shù)目分別為53995和41043；動目標檢測模式的兩個合作式目標相向而行，對應的GPS測速分別為–3.13 m/s和1.69 m/s。

由圖12可知，相對于傳統(tǒng)時頻調(diào)制的正交波形，多維正交編碼方案可將同頻干擾抑制比從0 dB提高到38 dB，進而有效抑制了同頻干擾，保證了機載MIMO-SAR成像性能。經(jīng)計算，該系統(tǒng)最高可實現(xiàn)0.3 m分辨率34 km測繪帶。若進一步考慮分辨率與測繪帶寬之間的矛盾，構(gòu)建測繪帶/分辨率的考量因子，則該系統(tǒng)的高分辨率寬測繪帶成像性能是德國F-SAR系統(tǒng)[50](12.5 km測繪帶寬/0.4 m分辨率)的3倍以上。

表1 同時同頻MIMO-SAR系統(tǒng)參數(shù)Tab. 1 Parameter of MIMO-SAR system with same time-frequency coverage

由圖14可知，同時同頻機載MIMO-SAR可基于豐富的系統(tǒng)自由度，同時實現(xiàn)寬測繪帶成像、聚束成像與動目標檢測。經(jīng)計算，寬幅模式的分辨率為1.5 m，測繪帶寬度為50 km；聚束模式的方位分辨率為0.15 m，幅寬為6 km；動目標檢測模式的估計速度分別為–3.21 m/s和1.49 m/s，測速誤差分別為0.8 m/s和0.2 m/s。該同時同頻多模式成像試驗是國內(nèi)外首次開展的，對我國未來機載、星載SAR系統(tǒng)設計具有指導性意義。

綜上所述，同時同頻MIMO-SAR系統(tǒng)可基于豐富的系統(tǒng)自由度，在不明顯增加系統(tǒng)消耗資源的同時大大提升系統(tǒng)分辨率、測繪帶等核心性能指標，并具備實現(xiàn)同時多模式的潛力，可為我國未來SAR的研發(fā)從系統(tǒng)體制方面奠定基礎。

7 MIMO-SAR應用前景淺析

(1) MIMO-SAR是高分辨率寬測繪帶的最佳解決手段之一。

對于傳統(tǒng)的SAR體制，SAR的分辨率和測繪帶之間是彼此制約的。SAR系統(tǒng)的分辨率越高，測繪帶就越小，其約束主要體現(xiàn)在受限的功率孔徑積和波位設計困難兩點。高分辨率、寬測繪帶SAR一方面要求天線的寬度和高度都盡可能小，以獲取方位向和距離向的寬波束，另一方面又要求回波信噪比高，即通過盡可能大的天線輻射大功率信號，顯然高分辨率、寬測繪帶與功率孔徑積之間存在矛盾。單通道SAR可采用掃描的方法實現(xiàn)寬測繪帶，但付出的代價是提高了PRF，造成波位設計困難。多通道SAR雖然能夠在一定程度上解決波位設計難題，但面臨嚴重的功率孔徑積限制，不具備實現(xiàn)高分辨率、寬測繪帶的能力。

MIMO技術(shù)利用多路收發(fā)天線，不僅能夠顯著提高功率孔徑積，還能在方位向虛擬出更多的等效采樣點，成倍降低脈沖重復頻率，從而突破波位設計的約束。因此，MIMO-SAR是實現(xiàn)高分辨率寬測繪帶的最有前景的技術(shù)之一。

(2) MIMO-SAR是實現(xiàn)多模式協(xié)同工作的最佳解決手段之一。

不同模式協(xié)同工作，特別是在實現(xiàn)大范圍普查的同時實現(xiàn)對重點關注區(qū)域進行高分辨率詳查是眾多行業(yè)用戶的迫切需求。例如，海洋維權(quán)需要對大范圍的領海和專屬經(jīng)濟區(qū)進行觀測，掌握區(qū)域內(nèi)船舶分布的整體情況。同時對于可疑侵權(quán)艦船需要進行連續(xù)、高分辨率觀測，實現(xiàn)對可疑船只的識別。傳統(tǒng)SAR技術(shù)由于系統(tǒng)自由度有限，無法對系統(tǒng)資源進行靈活分配，不能滿足多模式協(xié)同成像的需求。例如，在普查模式下，傳統(tǒng)SAR的功率、頻譜、增益等資源平均分配給觀察區(qū)域內(nèi)的目標，無法同時針對特定目標進行重點觀測。而在詳查模式，系統(tǒng)所有的資源都分配給了特定目標，無法同時兼顧全局，大范圍的觀測。

MIMO技術(shù)可利用豐富的系統(tǒng)自由度，靈活調(diào)度系統(tǒng)功率、頻譜、增益、波形等多種資源，根據(jù)目標的重要程度對資源進行動態(tài)分配，在保持大范圍普查能力的同時兼顧對多個不同位置重點目標的高分辨率成像。因此，MIMO-SAR是實現(xiàn)寬幅成像、聚束成像、動目標檢測等多模式協(xié)同工作的最佳解決手段之一。

(3) MIMO技術(shù)是實現(xiàn)探測通信一體化的最佳解決手段之一。

在頻譜、功率、設備、平臺空間等資源有限的情況下，對單一平臺遂行探測通信等多樣化信息獲取任務尤為迫切。傳統(tǒng)的簡單將通信電臺和雷達加載于飛機平臺的方式，不僅無法滿足大數(shù)據(jù)量通信要求，還會帶來成本的增加和新的電磁干擾，影響整體性能。

MIMO技術(shù)能在不增加帶寬和發(fā)射功率的情況下利用雷達的有源相控陣天線進行通信，進而成倍提高通信系統(tǒng)的容量、頻譜利用率和可靠性，克服傳統(tǒng)多平臺多功能多手段孤立工作的劣勢。因此，MIMO技術(shù)是實現(xiàn)探測通信一體化的最佳解決手段之一。

(4) MIMO技術(shù)是實現(xiàn)3維成像的最佳解決手段之一。

傳統(tǒng)SAR是對3維場景的2維成像，圖像中所有的像素點實際是具有相同距離的所有俯仰向散射體的迭加，因而存在著圓柱對稱模糊、疊掩現(xiàn)象等問題，難以滿足越來越高的成像精度和復雜環(huán)境偵查的要求。

MIMO技術(shù)能夠在距離向?qū)拵Х直婧头轿缓铣煽讖椒直娴幕A上增加俯仰向?qū)嵖讖降姆直婺芰51]。通過俯仰向并行收發(fā)以及優(yōu)化布陣，可以獲取目標的第3維信息，避免3維空間到2維平面投影的信息損失。因此，MIMO技術(shù)是實現(xiàn)3維成像的最佳解決手段之一。

(5) MIMO技術(shù)的進一步發(fā)展是廣域稀疏分布式網(wǎng)絡。

傳統(tǒng)的單站雷達或簡單的雷達組網(wǎng)日益無法滿足目前與未來的民用或軍事需求。一方面，單站雷達單純依靠增大孔徑、功率來提升雷達性能和威力；另一方面，簡單的雷達組網(wǎng)在信號域的耦合度不夠，僅停留在情報級同步，在雷達的作用距離、探測精度、功能模式等方面面臨制約。因此，迫切需要新的技術(shù)途徑來實現(xiàn)雷達探測能力的飛躍。

基于廣域稀疏分布的、信號級同步的多平臺雷達，構(gòu)建MIMO分布式雷達網(wǎng)，虛擬大規(guī)模立體基線，擴大時間、空間、視角、頻率上的有效覆蓋范圍，不僅能夠提高重疊區(qū)探測概率，還能對目標進行瞬態(tài)成像，實現(xiàn)雷達信息獲取能力的飛躍，是MIMO技術(shù)的未來發(fā)展方向。

8 結(jié)束語

傳統(tǒng)合成孔徑雷達(SAR)受體制限制，難以實現(xiàn)高分辨率寬測繪帶成像、多模式協(xié)同工作等功能。研究學者開始廣泛地關注系統(tǒng)自由度更為豐富的MIMO-SAR。將單天線發(fā)射拓展到多天線并行發(fā)射，將傳統(tǒng)的時頻2維編碼波形拓展到多維正交調(diào)制，從而形成同時同頻多天線并行收發(fā)的合成孔徑雷達系統(tǒng)，可同時滿足高分辨率、寬測繪帶和多模式成像等要求，是未來SAR系統(tǒng)發(fā)展的主要方向之一。中國科學院電子學研究所研制的國際首部同時同頻MIMO-SAR系統(tǒng)已經(jīng)初步驗證了應用潛力，并將改造成通用的多維正交波形測試驗證平臺，以期為我國新體制微波成像技術(shù)提供支撐條件。

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