正交波形波束形成(OWB)技術
[導讀]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，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。可以清楚地看到信號頻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，這將導致范圍壓縮后的扭曲脈沖響應，因為不能再應用經(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)，信號相關性為零。然而，當在整個時間幀0到τp上執(zhí)行信號相關時，SSC波形將相關。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，這將導致更少的計算復雜度。
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，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。可以清楚地看到信號頻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，這將導致范圍壓縮后的扭曲脈沖響應，因為不能再應用經(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)，信號相關性為零。然而，當在整個時間幀0到τp上執(zhí)行信號相關時，SSC波形將相關。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，這將導致更少的計算復雜度。
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