MIMO-SAR技術(shù)發(fā)展概況及應(yīng)用淺析

周 偉 劉永祥 黎 湘 凌永順

①(國(guó)防科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院 長(zhǎng)沙 410073)

②(電子工程學(xué)院 合肥 230037)

MIMO-SAR技術(shù)發(fā)展概況及應(yīng)用淺析

周 偉*①劉永祥①黎 湘①凌永順②

①(國(guó)防科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院 長(zhǎng)沙 410073)

②(電子工程學(xué)院 合肥 230037)

多發(fā)多收合成孔徑雷達(dá)(MIMO-SAR)是近年來(lái)提出并備受關(guān)注的一種新型雷達(dá)成像模式，通過(guò)多天線同時(shí)發(fā)射、多天線同時(shí)接收的工作方式能夠獲得遠(yuǎn)多于實(shí)際天線數(shù)目的等效觀測(cè)通道，為解決常規(guī)SAR面臨的方位向高分辨率與寬測(cè)繪帶指標(biāo)相互矛盾、弱小慢速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)難以檢測(cè)等難題提供了更為有效的技術(shù)途徑。該文圍繞MIMO-SAR成像技術(shù)及其應(yīng)用展開(kāi)論述，從距離分辨率增強(qiáng)、3維下視成像、高分辨率寬測(cè)繪帶成像以及動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)等方面綜述了MIMO-SAR的研究狀況，分析了系統(tǒng)的體制優(yōu)勢(shì)和不足，進(jìn)而歸納了MIMO-SAR研究中的若干關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，最后對(duì)其應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

合成孔徑雷達(dá)；MIMO雷達(dá)；高分辨率寬測(cè)繪帶(HRWS)成像；運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)(GMTI)

1 引言

合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar, SAR)能夠不受自然條件限制，對(duì)感興趣的目標(biāo)區(qū)域?qū)嵭腥旌颉⑷鞎r(shí)地偵查監(jiān)視，在國(guó)土測(cè)量、海洋監(jiān)視、資源勘探、地形測(cè)繪、災(zāi)情普查、城市規(guī)劃以及軍事偵察等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用[1]。隨著SAR應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，常規(guī)的工作體制和成像模式逐漸無(wú)法滿足不斷深化的應(yīng)用需求，諸如高分辨率寬測(cè)繪帶成像、慢速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)以及復(fù)雜電磁環(huán)境下SAR成像等應(yīng)用領(lǐng)域面臨諸多難題。鑒于此，開(kāi)展新概念、新體制、新模式的SAR技術(shù)研究具有十分重要的意義。

近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的多發(fā)多收(Multi-Input, Multi-Output, MIMO)雷達(dá)[2,3]通過(guò)多天線同時(shí)發(fā)射、多天線同時(shí)接收的工作方式能夠獲得遠(yuǎn)多于實(shí)際天線數(shù)目的等效觀測(cè)通道，在目標(biāo)檢測(cè)、參數(shù)估計(jì)以及雷達(dá)成像等方面具有優(yōu)于傳統(tǒng)體制雷達(dá)的系統(tǒng)性能，因此逐漸受到國(guó)內(nèi)外專家和學(xué)者的廣泛關(guān)注。MIMO雷達(dá)與SAR相結(jié)合，為解決常規(guī)SAR面臨的方位向高分辨與測(cè)繪帶寬相互矛盾以及慢速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)等實(shí)際問(wèn)題提供了新的技術(shù)途徑。Younis等人[4]認(rèn)為，MIMO雷達(dá)、智能陣列天線以及數(shù)字波束形成(Digital Beam-Forming, DBF)等技術(shù)應(yīng)用于SAR系統(tǒng)，標(biāo)志著SAR的發(fā)展進(jìn)入了新的歷史階段。

本文圍繞MIMO-SAR成像技術(shù)及其應(yīng)用展開(kāi)論述、對(duì)當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行歸納和評(píng)述，分析MIMO-SAR體制的優(yōu)勢(shì)和不足，總結(jié)了當(dāng)前研究中涉及的若干關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。最后，綜合考慮MIMO-SAR的系統(tǒng)特點(diǎn)以及當(dāng)前的實(shí)際應(yīng)用需求，對(duì)MIMO-SAR應(yīng)用前景進(jìn)行展望，以期為相關(guān)研究者提供參考。

2 MIMO-SAR概念及特點(diǎn)分析

2.1 MIMO-SAR基本概念

隨著MIMO雷達(dá)研究的深入，Ender[5]在2007年首次提出了 MIMO-SAR的概念，即“將相參MIMO雷達(dá)置于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上，綜合利用全部收發(fā)組合的回波數(shù)據(jù)進(jìn)行相參成像，定義為MIMO-SAR”。顯然，Ender給出的定義并未準(zhǔn)確概括MIMO-SAR的系統(tǒng)概念。本文綜合考慮MIMO雷達(dá)以及SAR系統(tǒng)的特點(diǎn)，將MIMO-SAR的概念表述為：

(1) 多個(gè)發(fā)射/接收天線分布在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)之上；

(2) 發(fā)射端多天線同時(shí)獨(dú)立地發(fā)射多個(gè)波形，波形之間可以是相互正交或不相關(guān)；

(3) 接收端多天線同時(shí)獨(dú)立地接收?qǐng)鼍盎夭?，并能夠通過(guò)一組濾波器分離出各個(gè)發(fā)射信號(hào)的回波；

(4) 信號(hào)處理時(shí)，能夠通過(guò)聯(lián)合處理多觀測(cè)通道的回波數(shù)據(jù)提高SAR系統(tǒng)性能。

本文將同時(shí)滿足上述條件的 SAR系統(tǒng)統(tǒng)稱為MIMO-SAR，圖1給出了MIMO-SAR概念的示意圖。

圖1 MIMO-SAR概念示意圖Fig. 1 The diagram of MIMO-SAR conception

需要說(shuō)明的是，當(dāng)前MIMO-SAR的研究尚處于起步階段，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其概念尚未形成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。在研究過(guò)程中，通常將利用多平臺(tái)、多天線、多孔徑、波形編碼、頻率分集以及空-時(shí)-頻分集等手段獲取等效多通道能力的新體制 SAR 均歸為MIMO-SAR的概念范疇，其目的在于拓展天線陣列孔徑，增加系統(tǒng)自由度，從而為緩解常規(guī)SAR體制約束，提高SAR系統(tǒng)性能等提供新的解決方案。

2.2 MIMO-SAR特點(diǎn)分析

參考MIMO雷達(dá)的分類方法[6]，本文將MIMOSAR按照天線配置方式分為“同平臺(tái)MIMO-SAR”和“分布式平臺(tái)MIMO-SAR”兩類。

同平臺(tái)MIMO-SAR最主要的特點(diǎn)是所有發(fā)射和接收天線均安裝在同一運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上。受平臺(tái)尺寸限制，天線間隔通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于雷達(dá)到場(chǎng)景中心的距離，因此目標(biāo)相對(duì)于天線陣列滿足遠(yuǎn)場(chǎng)近似條件。從天線配置和工作模式來(lái)看，同平臺(tái) MIMO-SAR可以看作是常規(guī)陣列SAR的推廣，不同之處在于：陣列SAR通常采用單發(fā)多收的工作方式，系統(tǒng)性能主要由接收陣列性能決定；而MIMO-SAR采用多天線同時(shí)發(fā)射、多天線同時(shí)接收的工作方式，系統(tǒng)性能取決于發(fā)射波形集的相關(guān)特性以及等效陣列的波束特性。按照陣列天線在平臺(tái)上的分布方式，又可將同平臺(tái)MIMO-SAR進(jìn)一步分為距離向多天線MIMO-SAR、方位向多天線MIMO-SAR以及距離向和方位向聯(lián)合多天線MIMO-SAR等。

分布式平臺(tái)MIMO-SAR最主要的特點(diǎn)是發(fā)射和接收天線分別放置在不同的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上，通過(guò)雷達(dá)組網(wǎng)的方式構(gòu)成分布式SAR系統(tǒng)，其概念的核心是雙站SAR。分布式MIMO-SAR可以看作是多站SAR的推廣，不同之處在于：多站SAR通常由系統(tǒng)中某一平臺(tái)負(fù)責(zé)發(fā)射信號(hào)以覆蓋成像場(chǎng)景，其余平臺(tái)只被動(dòng)接收?qǐng)鼍暗幕夭ㄐ盘?hào)，系統(tǒng)概念如圖2(a)所示；分布式MIMO-SAR系統(tǒng)中每個(gè)平臺(tái)攜帶的雷達(dá)既能發(fā)射信號(hào)也能接收系統(tǒng)內(nèi)其它雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的回波，經(jīng)過(guò)回波分離后能夠獲得更多觀測(cè)視角下的目標(biāo)散射信息，增強(qiáng)了合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)的目標(biāo)檢測(cè)和識(shí)別性能[7]，系統(tǒng)概念如圖2(b)所示。

3 MIMO-SAR應(yīng)用分析

3.1 距離向分辨率增強(qiáng)技術(shù)

常規(guī) SAR系統(tǒng)的距離向分辨率取決于發(fā)射信號(hào)帶寬。隨著高分辨率SAR成像的需求，所需的信號(hào)帶寬越來(lái)越大，極大地增加了信號(hào)發(fā)射、接收、采樣以及處理的復(fù)雜度。MIMO雷達(dá)利用發(fā)射端的系統(tǒng)自由度，通過(guò)多個(gè)窄帶信號(hào)相參合成的方式得到寬帶回波，為提高SAR系統(tǒng)距離向分辨率提供了一種低成本的解決方案。從實(shí)現(xiàn)方式上來(lái)看，當(dāng)前研究主要集中在兩類方法：

圖2 分布式MIMO-SAR與多站SAR概念示意圖Fig. 2 The diagrams of distributed MIMO-SAR and multi-static SAR

第1類是基于寬帶信號(hào)合成的方法。如黃平平等人[8]將超寬帶信號(hào)劃分為多個(gè)子帶信號(hào)，分別利用多個(gè)天線同時(shí)發(fā)射，并在接收端通過(guò)頻域合成寬帶的方法提高距離向分辨率；楊明磊等人[9]采用同樣的發(fā)射策略，但通過(guò)空域合成寬帶的方式提高距離向分辨率。該類方法本質(zhì)上是將發(fā)射大帶寬信號(hào)的任務(wù)平均分配到多個(gè)發(fā)射天線，從而降低了單個(gè)發(fā)射機(jī)的復(fù)雜度。

第2類是利用分布式MIMO-SAR的陣列結(jié)構(gòu)提高距離向分辨率，其基本思想概括為：切航跡方向編隊(duì)飛行的多部SAR雷達(dá)，通過(guò)同時(shí)發(fā)射、同時(shí)接收的工作方式，在切航跡方向形成多個(gè)等效的相位中心。由于每個(gè)等效相位中心相對(duì)于目標(biāo)區(qū)域具有不同的下視角，因此獲得的距離向回波信號(hào)分別占據(jù)不同的頻譜范圍。利用多個(gè)回波之間的空間相位關(guān)系，能夠合成更大帶寬的距離向回波，從而顯著地提高系統(tǒng)距離向分辨率[10,11]。

上述兩種提高系統(tǒng)距離分辨率的方法各有優(yōu)勢(shì)：第1類方法從波形分集的角度出發(fā)，能夠降低系統(tǒng)硬件復(fù)雜度；第2類方法從空間分集的角度出發(fā)，對(duì)于未來(lái)無(wú)人機(jī)編隊(duì)的SAR系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有參考價(jià)值。

3.2 下視3維SAR成像技術(shù)

切航跡布陣的 SAR系統(tǒng)[12]利用平臺(tái)運(yùn)動(dòng)形成的合成孔徑獲得方位向高分辨，利用脈沖壓縮技術(shù)獲得距離向高分辨，利用切航跡的長(zhǎng)陣列獲得橫向高分辨率，系統(tǒng)成像模式如圖3所示。陣列SAR下視3維成像[13]能夠克服傳統(tǒng)側(cè)視陣列SAR成像時(shí)的陰影效應(yīng)，在城市、山區(qū)等復(fù)雜區(qū)域成像方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)。

圖3 陣列SAR 3維下視SAR成像示意圖Fig. 3 Three-dimensional down-looking SAR imaging operation

陣列 SAR系統(tǒng)的橫向分辨率取決于陣列的孔徑大小，在平臺(tái)尺寸、載荷、成本以及功率受限的條件下，通常難以獲得滿足分辨率需求的陣列孔徑。德國(guó)應(yīng)用科學(xué)研究所(Forschungs Gesellschaftfür Angewandte Naturwissenschaften, FGAN)研制了無(wú)人機(jī)載的 ARTINO(Airborne Radar for Three dimensional Imaging and Nadir Observation)雷達(dá)系統(tǒng)，陣列天線配置如圖4所示。Weiβ等人[14－17]對(duì)ARTINO 3維成像系統(tǒng)的工作原理、成像方法、工作模式以及系統(tǒng)組成等進(jìn)行了深入的研究，但到目前為止，還尚未見(jiàn)到ARTINO系統(tǒng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)成像結(jié)果。針對(duì)因機(jī)翼振動(dòng)導(dǎo)致天線陣列畸變的問(wèn)題，Klare等人[18,19]分析了該誤差對(duì)系統(tǒng)成像質(zhì)量的影響，同時(shí)提出了該誤差的校正方法。國(guó)內(nèi)的謝文成[20]、杜磊[21]、段廣青[22]等人分別在系統(tǒng)原理、成像方法、陣列和波形設(shè)計(jì)、性能與誤差分析等方面開(kāi)展了探索性研究，取得了一些有價(jià)值的研究成果。

綜合國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀來(lái)看，基于MIMO雷達(dá)的下視3維SAR成像技術(shù)尚處于初步研究階段，在理論模型、成像方法以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)等各方面還有待進(jìn)一步研究。

圖4 ARTINO 3維下視SAR成像系統(tǒng)Fig. 4 ARTINO three-dimensional down-looking SAR imaging system

3.3 高分辨率寬測(cè)繪帶成像技術(shù)

方位向高分辨率和寬測(cè)繪帶之間相互制約的矛盾問(wèn)題[23－25]是星載SAR系統(tǒng)發(fā)展的主要瓶頸之一。多通道SAR系統(tǒng)通過(guò)俯仰向/方位向增加多個(gè)接收通道，利用系統(tǒng)空間自由度消除距離向或方位向模糊，是緩解上述矛盾問(wèn)題的有效途徑之一。然而，在星載平臺(tái)尺寸、載荷、功率以及成本等因素受限的條件下，通常難以獲得足夠的接收通道數(shù)目，因此系統(tǒng)解模糊能力有限。MIMO雷達(dá)的體制優(yōu)勢(shì)在于利用較少的天線獲得較高的空間自由度，因此MIMO-SAR在解決方位向高分辨率與測(cè)繪帶寬的矛盾問(wèn)題上，具有優(yōu)于常規(guī)單通道或多通道SAR的系統(tǒng)性能，是未來(lái)SAR系統(tǒng)發(fā)展的重要方向之一。

在國(guó)外，德國(guó)宇航中心的 Krieger等人[26]對(duì)MIMO-SAR進(jìn)行了深入研究，指出MIMO雷達(dá)與DBF技術(shù)相結(jié)合是解決星載SAR系統(tǒng)固有約束的有效途徑，也是未來(lái) SAR系統(tǒng)的重要發(fā)展方向。DBF MIMO-SAR的基本思想是：在發(fā)射端通過(guò)方位向或俯仰向多子陣同時(shí)發(fā)射多個(gè)正交編碼信號(hào)覆蓋寬測(cè)繪帶成像場(chǎng)景，接收時(shí)利用系統(tǒng)快速、靈活的數(shù)字波束形成能力實(shí)現(xiàn)回波分離和解模糊，從而有效緩解方位向高分辨率與寬測(cè)繪帶的矛盾。

西安電子科技大學(xué)的井偉等人[27]提出了基于多子帶并發(fā)的MIMO-SAR高分辨寬測(cè)繪帶成像方法，通過(guò)綜合利用 MIMO雷達(dá)多相位中心回波的相位信息解方位向模糊，利用多子帶并發(fā)頻率步進(jìn)信號(hào)合成寬帶距離向信號(hào)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高分辨寬測(cè)繪帶成像。基于離散頻率編碼正交波形集，西安電子科技大學(xué)的武其松等人[28]提出了3種MIMO-SAR高分辨寬測(cè)繪帶成像策略，包括：多維波形編碼俯仰向線陣MIMO-SAR、多維波形編碼面陣MIMO-SAR以及多維波形編碼多頻面陣 MIMO-SAR，并探討了相應(yīng)的成像處理算法。國(guó)防科技大學(xué)的王力寶等人[29]以星載MIMO-SAR為研究對(duì)象，分析了采用空間采樣代替時(shí)間采樣而引入的等效相位中心誤差，在引入系統(tǒng)權(quán)衡自由度的基礎(chǔ)上，研究了頻率分集波形MIMO-SAR以及編碼正交波形MIMOSAR的高分辨率寬測(cè)繪帶成像技術(shù)。電子科技大學(xué)的王文欽等人[30－34]對(duì) MIMO-SAR成像涉及的波形設(shè)計(jì)、信號(hào)分離以及成像方法等問(wèn)題開(kāi)展了深入研究。

3.4 運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)

基于 SAR數(shù)據(jù)的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)能夠在獲取靜態(tài)場(chǎng)景圖像的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)、成像、并準(zhǔn)確標(biāo)定到SAR圖像上，在戰(zhàn)場(chǎng)偵察、海洋監(jiān)視以及交通監(jiān)管等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。

2009年國(guó)際波形分集與設(shè)計(jì)會(huì)議上，美國(guó)林肯實(shí)驗(yàn)室(Lincoln laboratory)的Bliss等人[35]分析了相參MIMO雷達(dá)實(shí)現(xiàn)地面動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)的相關(guān)技術(shù)。研究表明，相參MIMO雷達(dá)的根本優(yōu)勢(shì)在于能夠利用稀疏陣列高分辨率的特性卻避免了柵瓣效應(yīng)，從而為利用大稀疏孔徑天線降低系統(tǒng)最小可檢測(cè)速度(Minimum Detectable Velocity, MDV)提供了技術(shù)途徑。Bliss等人[36－38]還對(duì)MIMO GMTI發(fā)射波形、檢測(cè)概率、參數(shù)估計(jì)等進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明MIMO體制GMTI在慢速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)、速度估計(jì)等方面具有優(yōu)于傳統(tǒng)體制雷達(dá)的系統(tǒng)性能。

綜合MIMO-SAR系統(tǒng)特點(diǎn)以及國(guó)內(nèi)外研究成果，基于MIMO-SAR的動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)具有如下優(yōu)勢(shì)：(1)在同樣陣列配置的條件下，MIMO-SAR更高的自由度增強(qiáng)了系統(tǒng)對(duì)雜波和干擾的抑制能力，因此對(duì)于場(chǎng)景中弱小、慢速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)能力更強(qiáng)；(2)MIMO雷達(dá)采用分集波形，通過(guò)多波形融合檢測(cè)技術(shù)[39]能夠提高動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)概率，消除盲速；(3)MIMO-SAR系統(tǒng)具有遠(yuǎn)多于實(shí)際天線數(shù)目的系統(tǒng)自由度，因此在利用部分系統(tǒng)自由度實(shí)現(xiàn)高分辨寬測(cè)繪帶成像的同時(shí)，仍然具備很強(qiáng)的動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)能力。MIMO-SAR這一優(yōu)勢(shì)對(duì)于實(shí)現(xiàn)大場(chǎng)景動(dòng)目標(biāo)監(jiān)視具有重要價(jià)值。

4 MIMO-SAR若干關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題分析

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者在MIMO雷達(dá)理論和應(yīng)用方面均取得了豐碩成果，但關(guān)于MIMO-SAR的研究還相對(duì)較少，在系統(tǒng)概念、理論模型、成像策略與方法以及性能評(píng)估等方面仍然缺乏統(tǒng)一的理論體系，許多關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題還有待進(jìn)一步突破和完善。通過(guò)對(duì)文獻(xiàn)的分析和梳理，并結(jié)合SAR系統(tǒng)自身的特點(diǎn)，本文總結(jié)出實(shí)現(xiàn)MIMO-SAR系統(tǒng)需要克服的若干關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

4.1 正交波形集優(yōu)化設(shè)計(jì)

基于相位編碼或離散頻率編碼的正交波形雖然廣泛應(yīng)用于MIMO雷達(dá)，但該類波形通常難以直接推廣到MIMO-SAR成像中，主要原因包括：

(1) 當(dāng)前大多數(shù)正交波形集以空間監(jiān)視為應(yīng)用背景，待檢測(cè)目標(biāo)通?？梢钥醋魇抢硐肷⑸潼c(diǎn)，因此在波形設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)關(guān)注波形集自相關(guān)和互相關(guān)函數(shù)的峰值旁瓣比(Peak Sidelobe Level Ratio, PSLR)。然而MIMO-SAR成像屬于對(duì)地觀測(cè)的范疇，成像場(chǎng)景包含大量分布式目標(biāo)，為確保場(chǎng)景中的弱散射區(qū)域不被鄰近的強(qiáng)散射區(qū)域所污染，更加關(guān)注波形集相關(guān)函數(shù)的積分旁瓣比(Integrated Sidelobe Level Ratio, ISLR)性能[40]。綜上，MIMO雷達(dá)和MIMO-SAR對(duì)波形相關(guān)特性的關(guān)注點(diǎn)不同。

(2) 為滿足系統(tǒng)分辨率和信噪比的要求，SAR通常需要發(fā)射大時(shí)寬-帶寬積信號(hào)。線性調(diào)頻(Linear Frequency Modulation, LFM)是常用的成像波形，但該類波形缺乏足夠的自由度來(lái)滿足波形正交特性的需求[41]；相位編碼信號(hào)[42]頻譜利用率低，“大時(shí)寬-帶寬積”波形往往需要較多的子脈沖，波形設(shè)計(jì)復(fù)雜度較高。

(3) 相位編碼以及離散頻率編碼波形集對(duì)多普勒變化較為敏感，當(dāng)平臺(tái)高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，較大的多普勒頻移將導(dǎo)致脈沖壓縮濾波器失配，從而引起信噪比損失[43]。

(4) 相位編碼、離散頻率編碼等波形通常需要復(fù)雜的接收機(jī)濾波器實(shí)現(xiàn)脈沖壓縮，并且距離徙動(dòng)校正以及方位向聚焦處理更加復(fù)雜，難以利用傳統(tǒng)SAR處理器進(jìn)行成像，從而增加了系統(tǒng)復(fù)雜度和硬件成本。

正交波形集設(shè)計(jì)是MIMO-SAR系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要難題之一，波形正交策略以及調(diào)制方式的選擇均對(duì)系統(tǒng)成像性能產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。綜合考慮MIMO雷達(dá)以及SAR成像對(duì)波形集的性能需求，設(shè)計(jì)出具有大時(shí)寬-帶寬積、良好相關(guān)函數(shù)特性以及較高多普勒容限的正交波形集是實(shí)現(xiàn) MIMO-SAR成像需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題之一。

4.2 陣列構(gòu)型優(yōu)化設(shè)計(jì)

合理的陣列設(shè)計(jì)不僅能夠提高系統(tǒng)性能、降低系統(tǒng)硬件成本，還決定了MIMO-SAR成像模式、處理方法等[44－46]。

MIMO-SAR陣列設(shè)計(jì)首先需要解決陣列類型的選擇問(wèn)題。Ender等人[44]討論了MIMO-SAR的布陣方式，將MIMO-SAR陣列分為4種類型：(1)方位向1維線陣，即多天線沿平臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向布置。該類布陣方式能夠提高系統(tǒng)方位向上的空間自由度，主要用于高分辨率寬測(cè)繪帶SAR成像、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)等；(2)距離向1維線陣，即多個(gè)天線沿切航跡方向布置，能夠?qū)崿F(xiàn)下視 3維成像以及前視或后視SAR成像；(3)高度向1維線陣，即多天線垂直于水平平面布置，利用高度向多通道回波之間的相位差實(shí)現(xiàn)干涉 SAR成像；(4)混合陣，即多個(gè)發(fā)射和接收天線圍繞某一參考點(diǎn)布置，在距離、方位、高度向均能形成多個(gè)基線，該類MIMO-SAR布陣方式能夠?qū)崿F(xiàn)同時(shí)多模式工作。

根據(jù)SAR工作模式確定陣列類型后，需要優(yōu)化設(shè)計(jì)發(fā)射和接收天線數(shù)量、間隔等參數(shù)。研究表明，MIMO雷達(dá)形成的虛擬陣列為發(fā)射陣列位置矢量與接收陣列位置矢量的空間卷積[47]，同樣的等效陣列可由多種發(fā)射、接收陣列組合實(shí)現(xiàn)。以形成包含64個(gè)虛擬陣元的MIMO雷達(dá)陣列為例，圖5列舉了3種發(fā)射天線和接收天線的陣列構(gòu)型[48]。由結(jié)果可以看出，雖然3種陣列構(gòu)型通過(guò)多發(fā)多收的工作方式能夠產(chǎn)生相同的等效陣列，但在陣元數(shù)量、陣元間隔上都存在較大差異。當(dāng)確定等效空間采樣陣列后，求解實(shí)際的發(fā)射和接收陣列組合是一個(gè)病態(tài)問(wèn)題，極大地增加了問(wèn)題求解的復(fù)雜度。陣列設(shè)計(jì)時(shí)既要確保遍歷所有可能的收發(fā)組合，還需要綜合考慮平臺(tái)尺寸、系統(tǒng)成本等因素來(lái)選擇最優(yōu)的收發(fā)組合。

4.3 綜合成像處理技術(shù)

與常規(guī)單/多通道SAR系統(tǒng)相比，MIMO-SAR信號(hào)處理時(shí)增加了兩項(xiàng)工作：首先，需要設(shè)計(jì)一組濾波器實(shí)現(xiàn)多個(gè)發(fā)射信號(hào)的回波分離，從而形成更多的觀測(cè)通道；其次，需要綜合利用多觀測(cè)通道的回波數(shù)據(jù)提高系統(tǒng)整體性能。

良好的回波信號(hào)分離是實(shí)現(xiàn)MIMO-SAR體制優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)。由于發(fā)射波形集的非理想正交性，基于傳統(tǒng)匹配濾波的回波分離方法存在較高的互相關(guān)輸出，導(dǎo)致目標(biāo)圖像的 ISLR較高。雖然基于自適應(yīng)脈沖壓縮(Adaptive Pulse Compression, APC)技術(shù)[49]的回波分離方法能夠有效克服回波信號(hào)互相關(guān)輸出的影響，但面臨著運(yùn)算量大、硬件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜等缺點(diǎn)。美國(guó)佛羅里達(dá)大學(xué)的Li等人[50]采用輔助變量法設(shè)計(jì)接收機(jī)濾波器，能夠進(jìn)一步降低系統(tǒng)的互相關(guān)輸出，從而有效緩解強(qiáng)目標(biāo)回波旁瓣對(duì)臨近弱小目標(biāo)的壓制效應(yīng)，但該算法同樣面臨計(jì)算復(fù)雜度高的缺點(diǎn)。如何進(jìn)一步優(yōu)化回波分離濾波器的性能，降低多回波信號(hào)之間的相互影響是需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

在成像處理方面，MIMO-SAR的基本思想是：綜合利用方位向/俯仰向形成的虛擬陣列的接收數(shù)據(jù)，消除方位向或距離向模糊信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)高分辨率寬測(cè)繪帶成像，主要方法包括波形編碼[51]、多通道濾波[52]、數(shù)字波束形成[53]等。上述方法本質(zhì)上是借鑒了多通道SAR的處理思路，對(duì)MIMO-SAR系統(tǒng)的特點(diǎn)考慮不足，仍然有待進(jìn)一步改進(jìn)。

綜上，MIMO-SAR特殊的收發(fā)模式以及波形分集的特點(diǎn)，使得現(xiàn)有的SAR成像算法難以直接推廣應(yīng)用，因此探索適用于MIMO-SAR的成像處理策略和成像方法是一個(gè)需要深入研究的課題。

圖5 典型的發(fā)射、接收陣列組合Fig. 5 The array combination of classical transmit-receive pairs

5 前景展望

雖然目前關(guān)于MIMO-SAR成像技術(shù)的研究還處于理論探索的起步階段，但其潛在的體制優(yōu)勢(shì)受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。如何最大程度地發(fā)揮MIMO-SAR的體制優(yōu)勢(shì)，拓展MIMO-SAR技術(shù)的應(yīng)用范圍是雷達(dá)領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者普遍關(guān)心的問(wèn)題。綜合考慮實(shí)際應(yīng)用需求以及MIMO-SAR系統(tǒng)自身的特點(diǎn)，本文預(yù)測(cè)MIMO-SAR在以下領(lǐng)域存在較好的應(yīng)用前景：

(1) 同時(shí)SAR和GMTI應(yīng)用

MIMO-SAR雷達(dá)利用多發(fā)多收陣列和波形分集，顯著地增加了系統(tǒng)自由度。以波形編碼、數(shù)字波束形成等方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的波束掃描，有望同時(shí)實(shí)現(xiàn)SAR和GMTI兩種工作模式，對(duì)實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)視有重要意義。

(2) 無(wú)人機(jī)編隊(duì)多站SAR成像應(yīng)用

編隊(duì)飛行的無(wú)人機(jī)載 SAR系統(tǒng)采用多發(fā)多收的工作方式，能夠增強(qiáng)系統(tǒng)分辨率和場(chǎng)景成像速率，并且具有成本低、抗摧毀、抗干擾等優(yōu)點(diǎn)，是未來(lái)MIMO-SAR系統(tǒng)發(fā)展的重要應(yīng)用之一。

(3) 感知雷達(dá)成像應(yīng)用

MIMO雷達(dá)具有空間分集和波形分集的特點(diǎn)，發(fā)射波形能夠在時(shí)間、頻率以及空間等多個(gè)域融合系統(tǒng)的反饋輸出以及輔助信息，對(duì)實(shí)現(xiàn)感知雷達(dá)探測(cè)、成像以及識(shí)別等應(yīng)用具有重要價(jià)值。

(4) 雷達(dá)-通信一體化應(yīng)用

MIMO雷達(dá)概念源于通信領(lǐng)域，具有頻譜利用率高、信道容量大以及抗信道衰落等優(yōu)勢(shì)。MIMO雷達(dá)-通信一體化為解決SAR大數(shù)據(jù)量傳輸問(wèn)題提供了一條有效的解決途徑。

6 結(jié)束語(yǔ)

常規(guī)單通道SAR由于系統(tǒng)固有體制約束，面臨著方位向高分辨率與寬測(cè)繪帶指標(biāo)相互矛盾、慢速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)難以檢測(cè)等實(shí)際問(wèn)題。雖然多通道SAR系統(tǒng)通過(guò)增加接收通道數(shù)目能夠緩解上述問(wèn)題，但對(duì)于平臺(tái)體積、尺寸、載荷等嚴(yán)格受限的星載SAR系統(tǒng)而言，通常難以獲得足夠數(shù)量的接收通道。為進(jìn)一步提高SAR系統(tǒng)的空間自由度，研究人員開(kāi)始將目光聚焦到發(fā)射端，將單天線發(fā)射拓展到多天線發(fā)射，將單一波形拓展到多維波形，從而形成了同時(shí)多天線發(fā)射、同時(shí)多天線接收的系統(tǒng)概念。當(dāng)前初步的研究表明，MIMO-SAR在實(shí)現(xiàn)高分辨率寬測(cè)繪帶SAR成像以及慢速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)等應(yīng)用中具有重要的價(jià)值，是未來(lái)SAR系統(tǒng)發(fā)展的主要方向之一。

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周 偉(1985-)，男，安徽亳州人，國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士研究生，主要研究方向?yàn)镸IMO雷達(dá)、陣列信號(hào)處理、新體制合成孔徑雷達(dá)等。

E-mail: eric_zhou@nudt.edu.cn

劉永祥(1976-)，男，河北唐山人，國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)槟繕?biāo)電磁特征信號(hào)分析、雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別等。

E-mail: lyx_bible@sina.com.cn

黎 湘(1967-)，男，湖南瀏陽(yáng)人，國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)槔走_(dá)系統(tǒng)與信號(hào)處理、雷達(dá)自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別等。

E-mail: lixiang01@vip.sina.com

凌永順(1937-)，男，安徽定遠(yuǎn)人，解放軍電子工程學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，中國(guó)工程院院士，主要研究方向?yàn)槔走_(dá)隱身、紅外隱身、電子偽裝和雷達(dá)紅外復(fù)合干擾等。

Brief Analysis on the Development and Application of Multi-Input Multi-Output Synthetic Aperture Radar

Zhou Wei①Liu Yong-xiang①Li Xiang①Ling Yong-shun②

①(School of Electronic Science and Engineering, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China)
②(Electronic Engineering Institute, Hefei 230037, China)

Recently, a novel conception of Synthetic Aperture Radar (SAR) based on Multi-Input Multi-Output (MIMO) technology draws much attention for its potential advantages. MIMO-SAR could obtain much more equivalent channels than the number of the physical array elements by simultaneously utilizing multiple antennas at transmission and reception. These additional channels are demonstrated to be useful for the application of High-Resolution Wide-Swath (HRWS) imaging and slowly moving target indication. In this paper, a detailed discussion on the conception and connotation of MIMO-SAR is made firstly, and then the investigation states of MIMO-SAR, such as high range resolution SAR imaging, three-dimensional down-looking SAR imaging, HRWS imaging and Ground Moving Target Indication (GMTI), are discussed. Base on the discussion mentioned above, the advantages and disadvantages of MIMO-SAR system are analyzed, and the key technical issues in MIMO-SAR are summarized. At last, the prospects of MIMO-SAR application are pointed out.

Synthetic Aperture Radar (SAR); Multi-Input Multi-Output (MIMO) radar; High-Resolution Wide-Swath (HRWS) imaging; Ground Moving Target Indication (GMTI)

中國(guó)分類號(hào)：TN958

A

2095-283X(2014)01-0010-09

10.3724/SP.J.1300.2013.13074

2013-08-08收到，2013-11-25改回；2013-12-03網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版國(guó)家杰出青年基金(61025006)資助課題

*通信作者： 周偉 eric_zhou@nudt.edu.cn