分布式小卫星MIMO-SAR超高分辨成像方法.docx
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2022-11-28
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多 发 多 收 合 成 孔 径 雷 达 (Multiple-Input Multiple-Output Synthetic
Aperture Radar,MIMO-SAR)克服了单通道合成孔径雷达高分辨与宽测绘带之
间的矛盾,是星载合成孔径雷达系统未来的重点发展方向
[1,2]
。相控阵天线技术
是实现星载 MIMO-SAR 工作模式的一种主要途径
[3,4]
,但其极大地增加了雷达的
研制成本,而分布式小卫星由于发射灵活、研制周期短、成本低等优点,已成为
未来实现星载 MIMO-SAR 工作模式的另一途径
[5,6]
。分布式小卫星可以通过控
制 天 线 波 束 指 向 ,多 个 天 线 同 时 发 射 和 接 收 多 个 频 段 信 号 来 完 成 星 载 聚 束
MIMO-SAR 构型,实现高分辨率宽测绘带成像。
聚束模式是合成孔径雷达获取高分辨目标图像的主要手段,该模式下全孔
径回波信号的多普勒带宽较大。为了避免回波信号出现多普勒混叠,一般要求
系统脉冲重复频率(Pulse Repetition Frequency,PRF)大于多普勒带宽,但这将
大大限制观测场景的测绘带宽。为了获得大测绘带宽,有两类 MIMO-SAR 算法
被广泛使用:抑制距离模糊算法和方位解模糊算法。抑制距离模糊算法常常通
过方位相位编码(Azimuth Phase Coding,APC)来实现
[7,8]
。但是,这类算法要求
系统脉冲重复频率大于回波信号的多普勒带宽,这无疑会增加雷达接收机采集
的数据量,导致卫星存储压力过大。因此,星载聚束 MIMO-SAR 通常希望工作在
低脉冲重复频率模式中,通过使用方位解模糊算法来消除方位模糊。文献[9]利
用空间自由度对全孔径信号进行空域滤波,从而消除信号的方位模糊;但由于空
间自由度受限于卫星个数,当分辨率提高导致方位模糊严重时,需要增加卫星个
数来获取足够的空间自由度,这无疑导致成本的剧增。文献[10,11]对子孔径信
号进行解模糊处理,大大降低了被处理信号的模糊度,从而保证空间自由度充足。
但这类算法在成像之前需要拼接出全孔径信号,造成数据量的激增,极大地增加
了成像处理系统的计算量。
在高分辨率合成孔径雷达系统中,需要发射宽带信号来获得距离向高分辨
率。然而,超宽带信号对发射硬件设备要求高,难以通过硬件直接产生
[12,13]
。解
决这个问题的一种方法是雷达发射窄带步进频率信号,然后通过带宽合成技术
处理雷达回波获取超宽带信号
[14,15,16,17,18]
。雷达信号的带宽合成技术主要分为两
类:时域带宽合成(Time-domain Bandwidth Synthesis,TBS)
[14]
和频域带宽合成
(Frequency-domain Bandwidth Synthesis,FBS)
[15,16]
。频域带宽合成方法操作
简单,但其要求信号的子带中心与完整频带中心刚好相隔整数个频点,否则不能
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