一種基于短偏移正交波形的MIMO SAR處理方案研究

葉 愷禹衛(wèi)東王 偉

①(中國科學(xué)院電子學(xué)研究所 北京 100190)

一種基于短偏移正交波形的MIMO SAR處理方案研究

葉 愷*①②禹衛(wèi)東①王 偉①

①(中國科學(xué)院電子學(xué)研究所 北京 100190)

②(中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

為了提升星載合成孔徑雷達(dá)(SAR)的高分寬幅成像能力，該文提出一種基于短偏移正交(STSO)波形的多發(fā)多收合成孔徑雷達(dá)(MIMO SAR)處理方案?；诟┭鱿虻亩嗖ㄊ鴶?shù)字波束形成技術(shù)，混合回波信號中的STSO波形能夠得到有效分離。根據(jù)對MIMO SAR成像幾何模型和天線結(jié)構(gòu)的分析，采用修正的方位向多通道重構(gòu)矩陣對分離信號進(jìn)行處理，得到的重構(gòu)數(shù)據(jù)可利用傳統(tǒng)SAR成像算法進(jìn)行成像。仿真實驗證明，該處理方案能夠有效抑制短偏移正交波形之間的相互干擾，并具有較好的成像性能。

合成孔徑雷達(dá)；多發(fā)多收；數(shù)字波束形成

1 引言

合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar,SAR)是一種主動式微波遙感系統(tǒng)，具有全天時、全天候的對地觀測能力，在測繪、地面目標(biāo)識別、自然災(zāi)害監(jiān)測、軍事偵察等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值[1]。但是由于傳統(tǒng)單通道合成孔徑雷達(dá)不能同時獲取方位向高分辨率和距離向?qū)挏y繪帶的SAR圖像[2]，其有限的成像能力越來越不能滿足人們對SAR圖像質(zhì)量的要求。隨著多通道技術(shù)的發(fā)展和數(shù)字波束形成技術(shù)(Digital BeamForming,DBF)的應(yīng)用，配備多個接收天線的SAR系統(tǒng)能夠同時改善SAR圖像的空間分辨率和測繪帶寬度[3–5]。為了進(jìn)一步提升成像性能，多發(fā)多收(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)體制的SAR系統(tǒng)成為未來新體制SAR發(fā)展方向上的研究熱點[6–9]。MIMO SAR發(fā)射多個正交波形照射地面場景，利用所有天線接收回波并分離發(fā)射波形，能夠獲得最大化的空間自由度，從而具有潛力實現(xiàn)很多先進(jìn)的成像模式[10,11]，例如全極化高分寬幅成像模式、多模式混合成像等，因此MIMO SAR是未來遙感應(yīng)用中能夠滿足用戶矛盾需求的理想解決方案。

當(dāng)前MIMO SAR系統(tǒng)所面臨的主要挑戰(zhàn)包括以下兩個方面，合適的正交發(fā)射波形的設(shè)計以及相應(yīng)的回波信號分離方法。根據(jù)Krieger在文獻(xiàn)[12]中的分析，對分布目標(biāo)場景成像時，不完全正交的發(fā)射波形之間的互相關(guān)積分能量將會分散開，導(dǎo)致SAR圖像出現(xiàn)模糊效應(yīng)。而對于完全正交波形，因為所占據(jù)的頻譜相互分離，波形之間相干性很差，不利于實現(xiàn)MIMO SAR的應(yīng)用價值。因此，設(shè)計占據(jù)相同頻譜范圍并能夠有效分離的發(fā)射波形是實現(xiàn)MIMO SAR系統(tǒng)的基本要求。近年來，國內(nèi)外學(xué)者提出和發(fā)展了許多有潛力的研究成果。由Kim提出的正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)波形[13,14]利用相互正交的子載頻，能夠確保波形之間的零互相關(guān)，但是如何減輕多普勒偏移的影響是一個需要仔細(xì)研究的課題。Alamouti波形[7,15,16]利用發(fā)射信號組合成的編碼矩陣能夠有效分離回波并獲得高信噪比數(shù)據(jù)，但是如何保持穩(wěn)定的通道響應(yīng)是研究難點。除此之外，Krieger提出了一類新的短偏移正交(Short-Term Shift-Orthogonal,STSO)波形[12]，不僅能夠滿足MIMO SAR波形設(shè)計的要求，而且避免了OFDM波形和Alamouti波形的缺陷。盡管利用數(shù)字波束形成技術(shù)分離STSO波形的概念已經(jīng)提出，但是在MIMO SAR系統(tǒng)中實現(xiàn)這類波形的具體處理方案并未得到研究。

根據(jù)對發(fā)射波形信號模型的分析，該文提出采用多波束DBF技術(shù)來實現(xiàn)STSO波形的回波分離?？紤]星載MIMO SAR的成像幾何模型，提出實現(xiàn)STSO波形成像的具體處理方案，主要包括以下3個重要步驟：利用俯仰向的DBF技術(shù)分離不同波形的回波；在方位向?qū)Ψ蛛x信號進(jìn)行多通道數(shù)據(jù)重構(gòu)；采用傳統(tǒng)成像算法對重構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行成像。針對DBF處理步驟，該文給出了確保STSO波形有效分離的天線寬度限制條件，并詳細(xì)闡述DBF加權(quán)系數(shù)的計算方法。針對方位向數(shù)據(jù)處理步驟，該文給出了MIMO SAR多通道數(shù)據(jù)重構(gòu)矩陣。仿真實驗證明該處理方案能夠有效抑制STSO波形之間的相互干擾，并實現(xiàn)這類波形在MIMO SAR系統(tǒng)中的應(yīng)用。

2 MIMO SAR系統(tǒng)模型和信號模型

2.1 MIMO SAR成像幾何模型和天線結(jié)構(gòu)

圖1描述了兩波形情況下的MIMO SAR成像幾何模型和天線結(jié)構(gòu)。接收天線在俯仰向具有Ne個子孔徑，在方位向具有Na個子孔徑。兩個發(fā)射天線Tx 1(紅色)和Tx 2(藍(lán)色)分別發(fā)射波形1和波形2，所有接收天線接收地面場景回波，該系統(tǒng)在1個脈沖重復(fù)間隔(PRI)內(nèi)能獲得2Na–1個方位向等效相位中心。因此，MIMO SAR系統(tǒng)的脈沖重復(fù)頻率相比傳統(tǒng)單通道SAR系統(tǒng)的脈沖重復(fù)頻率可降低倍，這也遠(yuǎn)低于單發(fā)多收SAR系統(tǒng)對脈沖重復(fù)頻率的要求。受益于額外的等效相位中心數(shù)目，MIMO SAR能夠?qū)崿F(xiàn)很多有價值的應(yīng)用，如提升高分寬幅成像性能、增強地面移動目標(biāo)探測能力、提升全極化模式的成像性能等。

圖1 MIMO SAR成像幾何模型和天線結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Geometry model and antenna architecture of MIMO SAR

2.2 短偏移正交波形的信號模型

短偏移正交波形是由相互循環(huán)時移的線性調(diào)頻信號組成，兩波形的信號模型表達(dá)式如下：

其中，Tp為脈沖時寬，kr為調(diào)頻率，rect(t)表示范圍在[–0.5,0.5]的歸一化矩形窗。根據(jù)圖2的STSO波形信號模型示意圖、式(1)和式(2)可知，這類波形不僅占據(jù)相同時域范圍，而且占據(jù)相同的頻譜范圍，因此有利于在MIMO SAR系統(tǒng)設(shè)計過程中減輕脈沖重復(fù)頻率、發(fā)射功率等因素的限制。由于兩波形的瞬時頻率偏移很大，它們之間滿足短偏移正交性質(zhì)，其表達(dá)式如下：

圖2 STSO波形信號模型示意圖Fig.2 Signal model of STSO waveforms

圖3 多波束DBF示意圖Fig.3 Illustration of multi-beam DBF technique

3 俯仰向DBF處理方法

3.1 接收天線寬度的限制條件

根據(jù)上節(jié)的分析可知，對于STSO波形，成像場景中任意點目標(biāo)的干擾來源于與其相隔半個脈寬時間的回波信號，因此由DBF形成的接收窄波束的旁瓣將影響所提取的子測繪帶的回波信號。如圖4所示，由于旁瓣的存在，目標(biāo)4的回波信號將受到目標(biāo)1和7的回波信號的干擾。為了確?？煽康男盘柗蛛x，接收天線寬度Hr需要滿足以下限制條件：

圖4 STSO波形回波干擾示意圖Fig.4 Illustration of mutual interferences between STSO waveforms

3.2 DBF加權(quán)系數(shù)的計算

理想情況下，如果DBF形成的俯仰向接收波束方向圖具有矩形窗的幅度分布，那么所提取的子測繪帶的回波信號將不存在干擾。但是實際雷達(dá)系統(tǒng)無法實現(xiàn)如同矩形窗的窄波束，因此需要使用最優(yōu)陣列處理的算法來進(jìn)行逼近處理[17]?？紤]具有Dolph-Chebychev幅度分布的波束方向圖能夠在指定峰值旁瓣比的條件下得到最小的零點波束寬度，采用這種加權(quán)方法符合利用多波束DBF提取STSO回波信號的要求。為了便于討論，本文將首先推導(dǎo)計算天線法線方向的接收波束方向圖的DBF加權(quán)系數(shù)。假設(shè)天線法線方向?qū)?yīng)的場景中心目標(biāo)的回波時間為tc，所需提取的子測繪帶對應(yīng)的回波時間范圍為，利用式(6)可計算得到相應(yīng)的法線偏移角范圍，這相當(dāng)于DBF接收波束的零點波束寬度。假設(shè)天線俯仰向子孔徑的數(shù)目Ne為奇數(shù)，加權(quán)系數(shù)w0的計算公式如下：

如圖5(a)所示，由Dolph-Chebychev加權(quán)系數(shù)(仿真參數(shù)參考表1)計算得到的波束方向圖的主瓣對應(yīng)于半個脈寬的角度范圍。考慮主瓣半功率波束寬度范圍外的幅度分布下降很快，為了確保可靠的模糊抑制，只提取3 dB角度范圍內(nèi)的回波信號，對應(yīng)于圖5(a)中的金色區(qū)域。根據(jù)2.2節(jié)的分析，金色區(qū)域范圍內(nèi)的回波信號會受到來自相對時移回波信號的干擾，即圖5(a)中的灰色區(qū)域。對比金色區(qū)域和灰色區(qū)域的幅度分布可知，干擾信號受到的幅度加權(quán)遠(yuǎn)小于提取信號的幅度加權(quán)，因此可以確保STSO波形之間的相互干擾得到有效抑制。如圖5(b)所示，為了減輕所提取回波信號的幅度波動，將相鄰的3個波束方向圖進(jìn)行疊加?？紤]中間波束方向圖的加權(quán)系數(shù)為w0，左右兩側(cè)相鄰波束方向圖的加權(quán)系數(shù)的計算公式分別為為Hadamard積，表示復(fù)共軛操作符，為導(dǎo)向矢量，其表達(dá)式為：

表1 MIMO SAR系統(tǒng)參數(shù)Tab.1 MIMO SAR system parameters

圖5 DBF形成的接收波束方向圖Fig.5 Receiving beam patterns generated by DBF

4 主要處理流程

圖6為基于STSO波形的MIMO SAR系統(tǒng)的主要處理流程，包含3個重要步驟：利用俯仰向的DBF技術(shù)分離兩個波形的回波；在方位向?qū)Ψ蛛x信號進(jìn)行多通道數(shù)據(jù)重構(gòu)；利用傳統(tǒng)成像算法對重構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行成像。本節(jié)將詳細(xì)推導(dǎo)俯仰向的STSO波形分離方法和方位向的多通道數(shù)據(jù)重構(gòu)方法。

圖6 主要處理流程框圖Fig.6 Main processing procedure

4.1 短偏移正交波形分離處理

如圖3所示，MIMO SAR的接收天線在俯仰向由Ne個子孔徑組成，第n個俯仰向子孔徑接收到的回波信號可以表示為：

根據(jù)前兩節(jié)的分析，為了確保STSO波形的脈壓結(jié)果相互分離，需要利用多波束DBF技術(shù)提取小于對應(yīng)角度范圍的子測繪帶回波。為了便于論述，該節(jié)將首先推導(dǎo)提取圖4所示的子測繪帶回波。假設(shè)該子測繪帶中心的法線偏移角為，整個場景回波信號經(jīng)過DBF處理得到：

該子測繪帶左右兩側(cè)的相鄰子測繪帶回波可表示為：

為了減輕STSO波形之間的相互干擾，僅提取DBF接收波束3 dB角度范圍內(nèi)的回波信號，從這3個子測繪帶回波中所提取的波形1可表示為：

由3.2節(jié)可知，為了降低中間子測繪帶提取信號的幅度波動，將相鄰3個子測繪帶提取回波的脈壓結(jié)果進(jìn)行疊加處理，可得到中間子測繪帶的波形1,2的脈壓結(jié)果：

重復(fù)以上步驟，對整個成像場景回波進(jìn)行STSO波形分離處理，最終可得到兩種波形的脈壓結(jié)果。為了便于應(yīng)用傳統(tǒng)成像算法進(jìn)行成像處理，將兩種波形的距離向脈壓結(jié)果轉(zhuǎn)換為未脈壓的原始回波信號。STSO波形分離處理的系統(tǒng)框圖如圖7所示。

4.2 方位向多通道數(shù)據(jù)重構(gòu)處理

根據(jù)MIMO SAR的脈沖重復(fù)周期和天線結(jié)構(gòu)，方位向多通道數(shù)據(jù)需要被重構(gòu)處理以恢復(fù)回波信號的多普勒頻譜[18]。為了便于論述，本節(jié)將推導(dǎo)點目標(biāo)的情況。如圖1所示，方位向第na個子孔徑接收到波形1的回波信號為：

其中，Va為平臺速度。，表示方位向第na個子孔徑與發(fā)射天線Tx 1之間的距離，la為方位向接收子孔徑的長度。將上式進(jìn)行泰勒級數(shù)展開得到：

圖7 俯仰向的波形分離處理框圖Fig.7 Block diagram of waveform separation in elevation

5 仿真實驗

本節(jié)將通過一個X波段星載MIMO SAR系統(tǒng)來驗證本文提出的處理方案。表1為系統(tǒng)參數(shù)，圖8為系統(tǒng)所選波位。根據(jù)圖1所示的天線結(jié)構(gòu)示意圖可知，接收天線在方位向由3個子孔徑組成，因此該系統(tǒng)在一個脈沖重復(fù)間隔內(nèi)可獲取5個等效相位中心。為了確?；夭ㄐ盘栐诜轿幌蜻^采樣，系統(tǒng)脈沖重復(fù)頻率需要滿足不等式。根據(jù)表1計算可得，方位向等效采樣頻率為4450 Hz，大于多普勒帶寬3806 Hz，滿足上述不等式。為了確?？煽康牟ㄐ畏蛛x，接收天線寬度被設(shè)計為3.2 m，大于式(7)給出天線寬度下限3.05 m；而天線俯仰向子孔徑的寬度被設(shè)計為0.0821 m，小于式(8)給出的俯仰向子孔徑寬度上限0.11 m。如圖9所示，根據(jù)天線參數(shù)計算得到的整個成像場景的距離模糊信號比(Range-Ambiguity-to-Signal Ratio,RASR)小于–33 dB，這確保了STSO波形之間的相互干擾能夠得到充分抑制，保證MIMO SAR的圖像質(zhì)量。

圖8 系統(tǒng)波位圖Fig.8 Timing diagram

圖9 距離信號模糊比Fig.9 Range ambiguity-to-signal ratio

5.1 點目標(biāo)仿真實驗

本節(jié)將給出9點目標(biāo)的仿真實驗，圖10為這些點目標(biāo)的成像場景示意圖。假設(shè)這些點目標(biāo)的回波幅度都被歸一化處理，在回波信號仿真中只考慮存在高斯白噪聲。由圖4和圖10可見，成像場景中存在3個子測繪帶，每個子測繪帶包含3個點目標(biāo)。根據(jù)這些點目標(biāo)的斜距可計算得到，目標(biāo)1,4和7之間的雙程時延差為，目標(biāo)2,5和8之間的雙程時延差為，目標(biāo)3,6和9之間的雙程時延差為。根據(jù)第2節(jié)分析可知，STSO波形的相互干擾將存在于原始回波數(shù)據(jù)中。圖11(a)為回波信號的實部，圖11(b)為回波信號經(jīng)過匹配濾波處理得到的距離向脈壓結(jié)果。從圖中可見9點目標(biāo)回波的脈壓結(jié)果相互重疊，并出現(xiàn)明顯的虛假目標(biāo)。使用多波束DBF提取中間子測繪帶的回波，并對STSO波形進(jìn)行分離處理，得到點目標(biāo)4,5,6的兩個波形距離向脈壓結(jié)果。如圖11(c)所示，點目標(biāo)4,5,6的波形1脈壓結(jié)果幅度存在明顯起伏。經(jīng)過相鄰波束方向圖的加權(quán)和疊加處理，這3個點目標(biāo)的波形1脈壓結(jié)果幅度起伏得到減輕，如圖11(d)所示。圖11(e)和圖11(f)分別為波形1和波形2的9點目標(biāo)距離向壓縮結(jié)果，可以看出STSO波形的相互干擾被有效抑制，9點目標(biāo)能被清楚辨別。對9點目標(biāo)進(jìn)行方位向多通道數(shù)據(jù)重構(gòu)，用傳統(tǒng)成像算法對重構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行成像處理，得到2維成像結(jié)果，如圖12(a)所示。圖12(b)、圖12(c)和圖12(d)分別是點目標(biāo)2,5和8的插值等高線圖，表2為這3個點目標(biāo)的圖像質(zhì)量參數(shù)，可以看出STSO波形的干擾能量被有效抑制，點目標(biāo)聚焦良好，證明所提出的處理方案具有較好的成像性能。

表2 點目標(biāo)成像質(zhì)量參數(shù)Tab.2 The imaging parameters of point targets

5.2 分布目標(biāo)仿真實驗

為了進(jìn)一步驗證所提出的處理方案，本節(jié)給出了分布目標(biāo)的仿真試驗結(jié)果。圖13(a)為原始的SAR幅度圖像。圖13(b)為未經(jīng)過處理的混合回波成像結(jié)果，可以看出STSO波形之間的干擾能量嚴(yán)重影響SAR圖像的解譯。使用本文提出的處理方案對分布目標(biāo)混合回波進(jìn)行處理后，得到的成像結(jié)果如圖13(c)所示。對比圖13(b)和圖13(c)可見，針對基于STSO波形的MIMO SAR系統(tǒng)，該處理方案能夠有效抑制波形之間的相互干擾，并且具有良好的成像性能。

6 結(jié)束語

圖10 點目標(biāo)成像場景示意圖Fig.10 Simulation scene of point targets

圖11 點目標(biāo)1維仿真結(jié)果Fig.11 One dimensional simulation results of point targets

圖12 點目標(biāo)2維仿真結(jié)果Fig.12 Two dimensional simulation results of point targets

本文提出了一種基于短偏移正交波形的MIMO SAR處理方案，該方案包含3個重要步驟：利用俯仰向的DBF技術(shù)分離兩個波形的回波；在方位向?qū)Ψ蛛x信號進(jìn)行多通道數(shù)據(jù)重構(gòu)；采用傳統(tǒng)成像算法對重構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行成像。為了確保波形之間的干擾能夠被有效抑制，本文分析了STSO波形信號模型，并給出了接收天線寬度的限制條件和DBF加權(quán)系數(shù)的計算方法。根據(jù)MIMO SAR的成像幾何模型和天線結(jié)構(gòu)，本文構(gòu)建了方位向多通道數(shù)據(jù)重構(gòu)矩陣。基于X波段的MIMO SAR系統(tǒng)對點目標(biāo)和分布目標(biāo)進(jìn)行仿真實驗，仿真結(jié)果表明本文所提處理方案能夠有效對STSO波形進(jìn)行分離和成像處理。在實際工程應(yīng)用中，本文提出的處理方案還存在以下需要進(jìn)一步研究的問題：(1)在系統(tǒng)設(shè)計中，為了確保發(fā)射波形的有效分離，需要增加接收天線的寬度和俯仰向子孔徑的數(shù)目，這對平面天線的設(shè)計和星上數(shù)據(jù)處理能力提出了更高的要求，因此下一步將研究基于拋物面天線的MIMO SAR系統(tǒng)來降低系統(tǒng)實現(xiàn)復(fù)雜度；(2)由于地形起伏會加劇回波信號中STSO波形之間的干擾，下一步將研究結(jié)合數(shù)字高程圖的DBF處理方案。

圖13 分布目標(biāo)仿真結(jié)果Fig.13 The simulation results of distributed targets

[1]Cumming I G and Wong F H.Digital Processing of Synthetic Aperture Radar Data: Algorithms and Implementation[M].Norwood,MA: Artech House,2005: 3–15.

[2]Freeman A,Johnson W T K,Huneycutt B,et al..The“Myth” of the minimum SAR antenna area constraint[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,2000,38(1): 320–324.DOI: 10.1109/36.823926.

[3]Suess M,Grafmueller B,Zahn R,et al..A novel high resolution,wide swath SAR system[C].Proceedings of the IEEE 2001 International Geoscience and Remote Sensing Symposium,Sydney,2001,3: 1013–1015.DOI: 10.1109/IGARSS.2001.976731.

[4]Gebert N,Krieger G,and Moreira A.Digital beamforming on receive: Techniques and optimization strategies for highresolution and wide-swath SAR imaging[J].IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems,2009,45(2): 564–592.DOI: 10.1109/TAES.2009.5089542.

[5]Huber S,Villano M,Younis M,et al..Tandem-L: Design concepts for a next-generation spaceborne SAR system[C].Proceedings of EUSAR 2016: 11th European Conference on Synthetic Aperture Radar,Hamburg,2016: 1237–1241.

[6]Krieger G,Gebert N,and Moreira A.Multidimensional waveform encoding: A new digital beamforming technique for synthetic aperture radar remote sensing[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,2008,46(1): 31–46.DOI: 10.1109/TGRS.2007.905974.

[7]Wang Wen-qin.Space-time coding MIMO-OFDM SAR for high-resolution imaging[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,2011,49(8): 3094–3104.DOI: 10.1109/TGRS.2011.2116030.

[8]Wang Wen-qin.MIMO SAR imaging: Potential and challenges[J].IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine,2013,28(8): 18–23.DOI: 10.1109/MAES.2013.6575407.

[9]Krieger G,Rommel T,and Moreira A.MIMO-SAR tomography[C].Proceedings of EUSAR 2016: 11th European Conference on Synthetic Aperture Radar,Hamburg,2016:91–96.

[10]Ender J and Klare J.System architectures and algorithms for radar imaging by MIMO-SAR[C].Proceedings of 2009 IEEE Radar Conference,Pasadena,2009: 1–6.DOI:10.1109/RADAR.2009.4976997.

[11]Kim J H,Younis M,Moreira A,et al..Spaceborne MIMO synthetic aperture radar for multimodal operation[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,2015,53(5): 2453–2466.DOI: 10.1109/TGRS.2014.2360148.

[12]Krieger G.MIMO-SAR: Opportunities and pitfalls[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,2014,52(5): 2628–2645.DOI: 10.1109/TGRS.2013.2263934.

[13]Kim J H,Younis M,Moreira A,et al..A novel OFDM chirp waveform scheme for use of multiple transmitters in SAR[J].IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters,2013,10(3):568–572.DOI: 10.1109/LGRS.2012.2213577.

[14]Wang Jie,Chen Long-yong,Liang Xing-dong,et al..Implementation of the OFDM chirp waveform on MIMO SAR systems[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,2015,53(9): 5218–5228.DOI: 10.1109/TGRS.2015.2419271.

[15]Wang Jie,Liang Xing-dong,Chen Long-yong,et al..A novel space-time coding scheme used for MIMO-SAR systems[J].IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters,2015,12(7): 1556–1560.DOI: 10.1109/TGRS.2011.2116030.

[16]He Feng,Dong Zhen,and Liang Dian-nong.A novel spacetime coding alamouti waveform scheme for MIMO-SAR implementation[J].IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters,2015,12(2): 229–233.DOI: 10.1109/LGRS.2015.2412961.

[17]Van Trees H L.Optimum Array Processing: Part IV of Detection,Estimation,and Modulation Theory[M].New York: John Wiley & Sons,2002.

[18]Krieger G,Gebert N,and Moreira A.Unambiguous SAR signal reconstruction from nonuniform displaced phase center sampling[J].IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters,2004,1(4): 260–264.DOI: 10.1109/LGRS.2004.832700.

Investigation on Processing Scheme for MIMO SAR with STSO Chirp Waveforms

Ye Kai①②Yu Weidong①Wang Wei①

①(Institute of Electronics,Chinese Academy of Sciences,Beijing100190,China)

②(University of Chinese Academy of Sciences,Beijing100049,China)

This study presents a novel processing scheme for Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) Synthetic Aperture Radar (SAR) system with Short-Term Shift-Orthogonal (STSO) chirp waveforms to enhance its highresolution wide-swath mapping capability.Taking advantage of multi-beam digital beamforming techniques in elevation,the STSO chirp waveforms can be efficiently separated from mixed echo signals.According to the geometry model and the antenna architecture of MIMO SAR system,the modified multichannel reconstruction matrix is used to reconstruct the separated signals in azimuth.In addition,the reconstruction data can be imaged via conventional SAR algorithm.Simulation experiments are conducted on both point targets and distributed targets,the results of which indicate that the proposed scheme can effectively suppress the mutual interferences between the STSO waveforms and that it has good imaging performance.

Synthetic Aperture Radar (SAR); Multiple-Input Multiple-Output (MIMO); Digital BeamForming(DBF)

The National Ministries Foundation

TN959.74

A

2095-283X(2017)04-0376-12

10.12000/JR17048

葉愷,禹衛(wèi)東,王偉.一種基于短偏移正交波形的MIMO SAR處理方案研究[J].雷達(dá)學(xué)報,2017,6(4):376–387.

10.12000/JR17048.

Reference format:Ye Kai,Yu Weidong,and Wang Wei.Investigation on processing scheme for MIMO SAR with STSO chirp waveforms[J].Journal of Radars,2017,6(4): 376–387.DOI: 10.12000/JR17048.

葉 愷(1988–)，男，中國科學(xué)院電子學(xué)研究所博士研究生，研究方向為新體制SAR系統(tǒng)設(shè)計和信號處理。

E-mail: yekai_seven@hotmail.com

禹衛(wèi)東(1969–)，男，中國科學(xué)院電子學(xué)研究所研究員、博士生導(dǎo)師，研究方向為合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計和信號處理。

王 偉(1985–)，男，畢業(yè)于中國科學(xué)院電子學(xué)研究所，獲得博士學(xué)位，研究方向為新體制SAR系統(tǒng)設(shè)計和信號處理。

2017-04-19；改回日期：2017-06-07；網(wǎng)絡(luò)出版：2017-06-20

*通信作者： 葉愷 yekai_seven@hotmail.com

國家部委基金