正交波形波束形成(OWB)技術(shù)
[導(dǎo)讀]對高分辨率合成孔徑雷達(SAR)產(chǎn)品日益增長的需求成為使用多個發(fā)射和多個接收通道(也稱為多輸入多輸出MIMO)SAR開發(fā)的驅(qū)動因素之一。這種新型傳感器使得成像技術(shù)能夠提高測量能力，并使它們與傳統(tǒng)的SAR系統(tǒng)區(qū)別開來。在數(shù)字化之后，時間和頻率變化數(shù)字波束成形(DBF)被應(yīng)用于多通道...
對高分辨率合成孔徑雷達(SAR)產(chǎn)品日益增長的需求成為使用多個發(fā)射和多個接收通道(也稱為多輸入多輸出MIMO)SAR開發(fā)的驅(qū)動因素之一。這種新型傳感器使得成像技術(shù)能夠提高測量能力，并使它們與傳統(tǒng)的SAR系統(tǒng)區(qū)別開來。
在數(shù)字化之后，時間和頻率變化數(shù)字波束成形(DBF)被應(yīng)用于多通道數(shù)據(jù)，在每個極化處，允許分離散射矩陣的四個極化分量。這種波形分離方法在下文中將稱為正交波形波束形成(OWB)技術(shù)，因為通道的正交性通過波形的特殊結(jié)構(gòu)與DBF結(jié)合來實現(xiàn)。
與點目標雷達應(yīng)用相比，同時發(fā)射的水平和垂直極化之間的SAR波形正交性不僅需要單個時間實例，而且還需要由于雷達回波的大時間擴展而在信號之間的任意移位。原因在于在匹配濾波器的輸出處存在同時發(fā)送的正交波形，這降低了SAR圖像的質(zhì)量。在脈沖壓縮之后，這些干擾隨時間擴展，但仍然存在于SAR信號中。
因此，傳統(tǒng)的正交波形，編碼和后處理技術(shù)將不能正確地用于精確的SAR成像。從SAR波形中去除不需要的能量的有效方法是使用具有良好定義的相關(guān)特性的類似線性調(diào)頻的發(fā)射信號，并結(jié)合接收上的空間濾波。
適用于OWB技術(shù)的波形的一個例子是分段移位啁啾(SSC)波形。這些偽正交波形是啁啾的移位版本，其保持相同的調(diào)制速率但需要不同的子脈沖持續(xù)時間和帶寬。在接收時，子脈沖可以組合成全帶寬B和全脈沖持續(xù)時間的單個信號。圖1中示出了偽正交波形的示例，其中針對兩個發(fā)送信道在時域和時頻域中繪制了啁啾和SSC信號。
圖1 OWB技術(shù)中采用的分段移位啁啾(SSC)波形在指定時間范圍內(nèi)提供返回信號的正交性。
圖2(a)顯示了SSC波形的信號頻譜?？梢郧宄乜吹叫盘栴l譜中心的跳躍不連續(xù)性。它是波形開始和結(jié)束時的時域相位跳變的結(jié)果。反過來，這將導(dǎo)致范圍壓縮后的扭曲脈沖響應(yīng)，因為不能再應(yīng)用經(jīng)典的逐漸變細。
因此，作者建議在SSC發(fā)射(Tx)波形中引入恒定的相位偏移。如果波形在波形的開始和結(jié)束處設(shè)計為零相位，則可以避免頻譜內(nèi)的不連續(xù)(參見圖2(b))。
圖2(a)第二個SSC波形的信號頻譜內(nèi)的跳躍不連續(xù)性。(b)具有恒定相位偏移的第二個SSC波形，以避免跳變不連續(xù)。
如圖1所示，兩個波形在時間幀0到τp/2和τp/2到τp中是正交的。在這些時間幀內(nèi)，信號相關(guān)性為零。然而，當在整個時間幀0到τp上執(zhí)行信號相關(guān)時，SSC波形將相關(guān)。因此，需要同時形成多個接收天線窄波束，每個波束遵循一段SSC波形，這有效地實現(xiàn)了空間濾波。
然而，因為在每個時刻至少兩個段具有相同的頻率內(nèi)容，所以仍然不能提供DBF的唯一分離，并且需要額外的帶通濾波。因此，在帶通濾波之后，接收信號在段中被波束形成并且以在每個發(fā)送的極化處生成兩個原始數(shù)據(jù)流的方式組合。因此，通過有效地實現(xiàn)頻率和時變天線波束來實現(xiàn)改進的分離(參見圖3)。
圖3正交波形波束形成技術(shù)的后處理方案。在下變換和數(shù)字化之后，回波信號通過一組帶通濾波器和兩組時變DBF權(quán)重。出于說明目的，僅顯示單個接收通道。
對于機載MIMO-SAR，除了DBF之外，還可以對接收的原始數(shù)據(jù)應(yīng)用短時傅里葉變換以分離信道。與使用的FIR濾波器方法相比，這將導(dǎo)致更少的計算復(fù)雜度。
在數(shù)字化之后，時間和頻率變化數(shù)字波束成形(DBF)被應(yīng)用于多通道數(shù)據(jù)，在每個極化處，允許分離散射矩陣的四個極化分量。這種波形分離方法在下文中將稱為正交波形波束形成(OWB)技術(shù)，因為通道的正交性通過波形的特殊結(jié)構(gòu)與DBF結(jié)合來實現(xiàn)。
與點目標雷達應(yīng)用相比，同時發(fā)射的水平和垂直極化之間的SAR波形正交性不僅需要單個時間實例，而且還需要由于雷達回波的大時間擴展而在信號之間的任意移位。原因在于在匹配濾波器的輸出處存在同時發(fā)送的正交波形，這降低了SAR圖像的質(zhì)量。在脈沖壓縮之后，這些干擾隨時間擴展，但仍然存在于SAR信號中。
因此，傳統(tǒng)的正交波形，編碼和后處理技術(shù)將不能正確地用于精確的SAR成像。從SAR波形中去除不需要的能量的有效方法是使用具有良好定義的相關(guān)特性的類似線性調(diào)頻的發(fā)射信號，并結(jié)合接收上的空間濾波。
適用于OWB技術(shù)的波形的一個例子是分段移位啁啾(SSC)波形。這些偽正交波形是啁啾的移位版本，其保持相同的調(diào)制速率但需要不同的子脈沖持續(xù)時間和帶寬。在接收時，子脈沖可以組合成全帶寬B和全脈沖持續(xù)時間的單個信號。圖1中示出了偽正交波形的示例，其中針對兩個發(fā)送信道在時域和時頻域中繪制了啁啾和SSC信號。
圖1 OWB技術(shù)中采用的分段移位啁啾(SSC)波形在指定時間范圍內(nèi)提供返回信號的正交性。
圖2(a)顯示了SSC波形的信號頻譜?？梢郧宄乜吹叫盘栴l譜中心的跳躍不連續(xù)性。它是波形開始和結(jié)束時的時域相位跳變的結(jié)果。反過來，這將導(dǎo)致范圍壓縮后的扭曲脈沖響應(yīng)，因為不能再應(yīng)用經(jīng)典的逐漸變細。
因此，作者建議在SSC發(fā)射(Tx)波形中引入恒定的相位偏移。如果波形在波形的開始和結(jié)束處設(shè)計為零相位，則可以避免頻譜內(nèi)的不連續(xù)(參見圖2(b))。
圖2(a)第二個SSC波形的信號頻譜內(nèi)的跳躍不連續(xù)性。(b)具有恒定相位偏移的第二個SSC波形，以避免跳變不連續(xù)。
如圖1所示，兩個波形在時間幀0到τp/2和τp/2到τp中是正交的。在這些時間幀內(nèi)，信號相關(guān)性為零。然而，當在整個時間幀0到τp上執(zhí)行信號相關(guān)時，SSC波形將相關(guān)。因此，需要同時形成多個接收天線窄波束，每個波束遵循一段SSC波形，這有效地實現(xiàn)了空間濾波。
然而，因為在每個時刻至少兩個段具有相同的頻率內(nèi)容，所以仍然不能提供DBF的唯一分離，并且需要額外的帶通濾波。因此，在帶通濾波之后，接收信號在段中被波束形成并且以在每個發(fā)送的極化處生成兩個原始數(shù)據(jù)流的方式組合。因此，通過有效地實現(xiàn)頻率和時變天線波束來實現(xiàn)改進的分離(參見圖3)。
圖3正交波形波束形成技術(shù)的后處理方案。在下變換和數(shù)字化之后，回波信號通過一組帶通濾波器和兩組時變DBF權(quán)重。出于說明目的，僅顯示單個接收通道。
對于機載MIMO-SAR，除了DBF之外，還可以對接收的原始數(shù)據(jù)應(yīng)用短時傅里葉變換以分離信道。與使用的FIR濾波器方法相比，這將導(dǎo)致更少的計算復(fù)雜度。
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