SAR以脈沖重復(fù)間隔(PRI)為時(shí)間間隔依次發(fā)送信號，通過收集并處理每個(gè)PRI的回波繪制出地面的雷達(dá)圖像。因此，超寬帶(UWB)信號也可作為雷達(dá)發(fā)射脈沖用于生成目標(biāo)區(qū)域的SAR圖像，從而顯著提高圖像的分辨率。

UWB技術(shù)具有兩大優(yōu)勢：良好的穿透能力和高分辨率目標(biāo)檢測。

通信中常用的正交頻分復(fù)用(OFDM)在雷達(dá)波形方面也有著巨大的潛力。OFDM信號由若干個(gè)正交子載波組成，每個(gè)子載波占據(jù)信號帶寬的一部分，并且在每個(gè)傳輸通道上同時(shí)發(fā)射。

OFDM在雷達(dá)應(yīng)用中的優(yōu)點(diǎn)

OFDM在雷達(dá)應(yīng)用中的優(yōu)點(diǎn)主要包括：

a. 可以使用相對便宜的組件實(shí)現(xiàn)收發(fā)系統(tǒng);

b. 易于抑制窄帶干擾;

c. UWB方面的高分辨率和良好的多徑潛力;

d. 對于相同的架構(gòu)，更容易實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)傳輸大量數(shù)據(jù);

e. 使用不同子載波成分時(shí)脈沖整形靈活性更好。

作為一種常用的遙感應(yīng)用，SAR可以利用目標(biāo)和雷達(dá)平臺之間的相對運(yùn)動，通過發(fā)射寬帶波形來獲取方位域的高分辨率圖像，但目前的單天線SAR還不支持一些遙感功能，例如同時(shí)實(shí)現(xiàn)高分辨率和寬幅成像。

多輸入多輸出(MIMO)SAR在傳統(tǒng)SAR上做了進(jìn)一步改進(jìn)，主要包括：

增加單個(gè)目標(biāo)的多個(gè)視角從而提高可識別性，獲得更高的掃描帶寬增加方位角分辨率或者降低PRF;

由于MIMO系統(tǒng)的自由度較大，因此可以在多個(gè)接收器處通過對多個(gè)波形同時(shí)進(jìn)行相干處理來增強(qiáng)分辨率。

MIMO UWB OFDM信號的產(chǎn)生

使用不同天線的正交信號進(jìn)行傳輸是MIMO結(jié)構(gòu)中常用的一種方法，因?yàn)檫@樣為分離發(fā)射到接收機(jī)的目標(biāo)信號和反射信號提供了可能。其中，按照表1中所示的規(guī)則可以確保信號正交，這種方法的關(guān)鍵就是對接收機(jī)中明確包含傳輸波形的雷達(dá)信號建立一個(gè)模型。

在相同的距離分辨率下，為了降低共享帶寬中發(fā)射脈沖之間的互相關(guān)性，需要使用表1中所示的序列生成N個(gè)子載波的OFDM頻域樣本向量。

OFDM信號的頻譜如圖1所示，其中主瓣的寬度取決于脈沖的持續(xù)時(shí)間。在OFDM信號的數(shù)字實(shí)現(xiàn)過程中，脈沖持續(xù)時(shí)間與副載波的數(shù)量相關(guān)，副載波數(shù)目越多，脈沖持續(xù)時(shí)間越長。

圖1 OFDM信號頻譜

如圖2所示，首先擴(kuò)展表1所示的數(shù)字頻域向量和隨機(jī)整數(shù)發(fā)生器的調(diào)制符號，然后利用快速傅里葉反變換(IFFT)得到離散時(shí)域OFDM信號，最后利用漢寧窗使旁瓣最小化。其中，QPSK的調(diào)制階數(shù)(M)為4。

UWB-OFDM信號的生成涉及到以下幾種參數(shù)：OFDM子載波數(shù)N=256，采樣時(shí)間間隔=1ns，從而基帶帶寬B=500MHz。頻域和時(shí)域的UWB-OFDM波形分別如圖3和圖4所示。

我們可以看到Hanning窗口合理地最小化了旁瓣，這反過來又改善了時(shí)域OFDM波形的自相關(guān)函數(shù)(ACF)和互相關(guān)函數(shù)(CCF)，分別如圖5和圖6所示。

MIMO寬幅SAR成像系統(tǒng)

在MIMO SAR成像過程中，獨(dú)立信號通過不同的天線發(fā)送，并且這些信號經(jīng)過傳播之后由多個(gè)天線接收。每個(gè)天線發(fā)送與其他天線波形正交的獨(dú)特波形，并且每個(gè)返回的正交信號將攜帶關(guān)于目標(biāo)的獨(dú)立信息。

在接收器中，匹配濾波器用于提取正交波形分量。MIMO SAR系統(tǒng)的發(fā)射陣列配備了2個(gè)共址天線，接收陣列也配備了2個(gè)共址天線。假設(shè)發(fā)射和接收陣列在空間上彼此接近，它們在不同方向上可以看到不同的目標(biāo)區(qū)域。

MIMO OFDM SAR成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖中天線A和B通過發(fā)射電磁波波束分別照射條帶A和B。在特定的脈沖重復(fù)間隔(PRI)下，天線A通過波束A發(fā)射脈沖信號，天線B通過天線波束B發(fā)射脈沖信號。來自條帶A和B的回波信號均會被兩個(gè)不同的接收天線接收。為了將來自條帶A和B的回波分離，需要仔細(xì)設(shè)計(jì)發(fā)射天線方向圖以及發(fā)射脈沖，這樣可以進(jìn)一步減少來自其他時(shí)間條帶的干擾回波。

與傳統(tǒng)的相控陣SAR相比，MIMO OFDM SAR在所有發(fā)射天線上使用相同的波形，可以提供更多的系數(shù)，因此具有更多的自由度。成像時(shí)使用SAR成像算法(如距離-多普勒算法)分別對每個(gè)匹配濾波器的輸出進(jìn)行處理，然后利用圖像融合技術(shù)獲取最終的SAR重構(gòu)圖像。

MIMO寬幅SAR成像仿真

實(shí)驗(yàn)將四個(gè)不同的正交UWB-OFDM子脈沖當(dāng)作SAR發(fā)送信號，從而實(shí)現(xiàn)寬幅SAR成像。假設(shè)條帶A中的兩個(gè)點(diǎn)目標(biāo)位置坐標(biāo)[(x1，y1)，(x2，y2)]=[(300，100)，(900，-50)]，條帶B中兩個(gè)點(diǎn)目標(biāo)的坐標(biāo)[(x3，y3)，(x4，y4)]=[(300，-50)，(900，100)]。

通過兩個(gè)軌跡不同的SAR天線觀察給定的場景，可以確定散射點(diǎn)的位置。但是，當(dāng)兩個(gè)天線成像的場景不是真正相同的場景時(shí)，由于兩個(gè)SAR天線的軌跡之間的距離太大，SAR干涉測量會失敗。

SAR圖像融合技術(shù)，可以充分利用同一場景中相同天線不同脈沖信號記錄的數(shù)據(jù)來解決此問題。圖像融合的方法有多種，其中最常用的就是基于離散小波變換(DWT)的融合。DWT具有較好的時(shí)間分辨率，能夠捕獲頻率和位置信息(時(shí)間位置)。基于小波變換的融合技術(shù)如圖所示。

基于小波變換的圖像融合技術(shù)

在基于小波的圖像融合方案中，首先計(jì)算兩個(gè)配準(zhǔn)輸入圖像I1(x，y)和I2(x，y)的DWT，并使用某種融合規(guī)則組合這些變換，然后計(jì)算逆離散小波變換(IDWT)，并將融合圖像I(x，y)重構(gòu)：

最終重建后的寬幅SAR圖像

為了評估圖像融合技術(shù)帶來的噪聲水平的高低，可以從熵的角度分析輸入圖像和融合圖像。基于小波變換的圖像融合后的SAR圖像中的信息內(nèi)容用熵值來識別，該熵值用作非融合和融合圖像中的噪聲水平度量。表1列出了條帶A和B的輸入圖像的熵以及不同小波族的融合圖像的熵。可以看到Haar小波可以最大程度地降低噪聲水平。

MIMO UWB-OFDM SAR為高分辨率遙感和寬幅成像提供了潛在的解決方案。融合SAR圖像也已經(jīng)證明了開發(fā)方法的有用性。同時(shí)，圖像融合技術(shù)提供了一種強(qiáng)大的工具來減少雜波和某些類型的噪聲，因此該方法還可用于提高SAR圖像的質(zhì)量。

審核編輯：湯梓紅