MIMO-SAR技術發展概況及應用淺析

周 偉 劉永祥 黎 湘 凌永順

①(國防科技大學電子科學與工程學院 長沙 410073)

②(電子工程學院 合肥 230037)

MIMO-SAR技術發展概況及應用淺析

周 偉*①劉永祥①黎 湘①凌永順②

①(國防科技大學電子科學與工程學院 長沙 410073)

②(電子工程學院 合肥 230037)

多發多收合成孔徑雷達(MIMO-SAR)是近年來提出并備受關注的一種新型雷達成像模式，通過多天線同時發射、多天線同時接收的工作方式能夠獲得遠多于實際天線數目的等效觀測通道，為解決常規SAR面臨的方位向高分辨率與寬測繪帶指標相互矛盾、弱小慢速運動目標難以檢測等難題提供了更為有效的技術途徑。該文圍繞MIMO-SAR成像技術及其應用展開論述，從距離分辨率增強、3維下視成像、高分辨率寬測繪帶成像以及動目標檢測等方面綜述了MIMO-SAR的研究狀況，分析了系統的體制優勢和不足，進而歸納了MIMO-SAR研究中的若干關鍵技術問題，最后對其應用前景進行了展望。

合成孔徑雷達；MIMO雷達；高分辨率寬測繪帶(HRWS)成像；運動目標檢測(GMTI)

1 引言

合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar, SAR)能夠不受自然條件限制，對感興趣的目標區域實行全天候、全天時地偵查監視，在國土測量、海洋監視、資源勘探、地形測繪、災情普查、城市規劃以及軍事偵察等領域發揮著重要作用[1]。隨著SAR應用領域的拓展，常規的工作體制和成像模式逐漸無法滿足不斷深化的應用需求，諸如高分辨率寬測繪帶成像、慢速運動目標檢測以及復雜電磁環境下SAR成像等應用領域面臨諸多難題。鑒于此，開展新概念、新體制、新模式的SAR技術研究具有十分重要的意義。

近年來發展起來的多發多收(Multi-Input, Multi-Output, MIMO)雷達[2,3]通過多天線同時發射、多天線同時接收的工作方式能夠獲得遠多于實際天線數目的等效觀測通道，在目標檢測、參數估計以及雷達成像等方面具有優于傳統體制雷達的系統性能，因此逐漸受到國內外專家和學者的廣泛關注。MIMO雷達與SAR相結合，為解決常規SAR面臨的方位向高分辨與測繪帶寬相互矛盾以及慢速運動目標檢測等實際問題提供了新的技術途徑。Younis等人[4]認為，MIMO雷達、智能陣列天線以及數字波束形成(Digital Beam-Forming, DBF)等技術應用于SAR系統，標志著SAR的發展進入了新的歷史階段。

本文圍繞MIMO-SAR成像技術及其應用展開論述、對當前國內外研究現狀進行歸納和評述，分析MIMO-SAR體制的優勢和不足，總結了當前研究中涉及的若干關鍵技術問題。最后，綜合考慮MIMO-SAR的系統特點以及當前的實際應用需求，對MIMO-SAR應用前景進行展望，以期為相關研究者提供參考。

2 MIMO-SAR概念及特點分析

2.1 MIMO-SAR基本概念

隨著MIMO雷達研究的深入，Ender[5]在2007年首次提出了 MIMO-SAR的概念，即“將相參MIMO雷達置于運動平臺上，綜合利用全部收發組合的回波數據進行相參成像，定義為MIMO-SAR”。顯然，Ender給出的定義并未準確概括MIMO-SAR的系統概念。本文綜合考慮MIMO雷達以及SAR系統的特點，將MIMO-SAR的概念表述為：

(1) 多個發射/接收天線分布在運動平臺之上；

(2) 發射端多天線同時獨立地發射多個波形，波形之間可以是相互正交或不相關；

(3) 接收端多天線同時獨立地接收場景回波，并能夠通過一組濾波器分離出各個發射信號的回波；

(4) 信號處理時，能夠通過聯合處理多觀測通道的回波數據提高SAR系統性能。

本文將同時滿足上述條件的 SAR系統統稱為MIMO-SAR，圖1給出了MIMO-SAR概念的示意圖。

圖1 MIMO-SAR概念示意圖Fig. 1 The diagram of MIMO-SAR conception

需要說明的是，當前MIMO-SAR的研究尚處于起步階段，國內外學者對其概念尚未形成統一的認識。在研究過程中，通常將利用多平臺、多天線、多孔徑、波形編碼、頻率分集以及空-時-頻分集等手段獲取等效多通道能力的新體制 SAR 均歸為MIMO-SAR的概念范疇，其目的在于拓展天線陣列孔徑，增加系統自由度，從而為緩解常規SAR體制約束，提高SAR系統性能等提供新的解決方案。

2.2 MIMO-SAR特點分析

參考MIMO雷達的分類方法[6]，本文將MIMOSAR按照天線配置方式分為“同平臺MIMO-SAR”和“分布式平臺MIMO-SAR”兩類。

同平臺MIMO-SAR最主要的特點是所有發射和接收天線均安裝在同一運動平臺上。受平臺尺寸限制，天線間隔通常遠遠小于雷達到場景中心的距離，因此目標相對于天線陣列滿足遠場近似條件。從天線配置和工作模式來看，同平臺 MIMO-SAR可以看作是常規陣列SAR的推廣，不同之處在于：陣列SAR通常采用單發多收的工作方式，系統性能主要由接收陣列性能決定；而MIMO-SAR采用多天線同時發射、多天線同時接收的工作方式，系統性能取決于發射波形集的相關特性以及等效陣列的波束特性。按照陣列天線在平臺上的分布方式，又可將同平臺MIMO-SAR進一步分為距離向多天線MIMO-SAR、方位向多天線MIMO-SAR以及距離向和方位向聯合多天線MIMO-SAR等。

分布式平臺MIMO-SAR最主要的特點是發射和接收天線分別放置在不同的運動平臺上，通過雷達組網的方式構成分布式SAR系統，其概念的核心是雙站SAR。分布式MIMO-SAR可以看作是多站SAR的推廣，不同之處在于：多站SAR通常由系統中某一平臺負責發射信號以覆蓋成像場景，其余平臺只被動接收場景的回波信號，系統概念如圖2(a)所示；分布式MIMO-SAR系統中每個平臺攜帶的雷達既能發射信號也能接收系統內其它雷達發射信號的回波，經過回波分離后能夠獲得更多觀測視角下的目標散射信息，增強了合成孔徑雷達系統的目標檢測和識別性能[7]，系統概念如圖2(b)所示。

3 MIMO-SAR應用分析

3.1 距離向分辨率增強技術

常規 SAR系統的距離向分辨率取決于發射信號帶寬。隨著高分辨率SAR成像的需求，所需的信號帶寬越來越大，極大地增加了信號發射、接收、采樣以及處理的復雜度。MIMO雷達利用發射端的系統自由度，通過多個窄帶信號相參合成的方式得到寬帶回波，為提高SAR系統距離向分辨率提供了一種低成本的解決方案。從實現方式上來看，當前研究主要集中在兩類方法：

圖2 分布式MIMO-SAR與多站SAR概念示意圖Fig. 2 The diagrams of distributed MIMO-SAR and multi-static SAR

第1類是基于寬帶信號合成的方法。如黃平平等人[8]將超寬帶信號劃分為多個子帶信號，分別利用多個天線同時發射，并在接收端通過頻域合成寬帶的方法提高距離向分辨率；楊明磊等人[9]采用同樣的發射策略，但通過空域合成寬帶的方式提高距離向分辨率。該類方法本質上是將發射大帶寬信號的任務平均分配到多個發射天線，從而降低了單個發射機的復雜度。

第2類是利用分布式MIMO-SAR的陣列結構提高距離向分辨率，其基本思想概括為：切航跡方向編隊飛行的多部SAR雷達，通過同時發射、同時接收的工作方式，在切航跡方向形成多個等效的相位中心。由于每個等效相位中心相對于目標區域具有不同的下視角，因此獲得的距離向回波信號分別占據不同的頻譜范圍。利用多個回波之間的空間相位關系，能夠合成更大帶寬的距離向回波，從而顯著地提高系統距離向分辨率[10,11]。

上述兩種提高系統距離分辨率的方法各有優勢：第1類方法從波形分集的角度出發，能夠降低系統硬件復雜度；第2類方法從空間分集的角度出發，對于未來無人機編隊的SAR系統設計具有參考價值。

3.2 下視3維SAR成像技術

切航跡布陣的 SAR系統[12]利用平臺運動形成的合成孔徑獲得方位向高分辨，利用脈沖壓縮技術獲得距離向高分辨，利用切航跡的長陣列獲得橫向高分辨率，系統成像模式如圖3所示。陣列SAR下視3維成像[13]能夠克服傳統側視陣列SAR成像時的陰影效應，在城市、山區等復雜區域成像方面具有顯著的優勢。

圖3 陣列SAR 3維下視SAR成像示意圖Fig. 3 Three-dimensional down-looking SAR imaging operation

陣列 SAR系統的橫向分辨率取決于陣列的孔徑大小，在平臺尺寸、載荷、成本以及功率受限的條件下，通常難以獲得滿足分辨率需求的陣列孔徑。德國應用科學研究所(Forschungs Gesellschaftfür Angewandte Naturwissenschaften, FGAN)研制了無人機載的 ARTINO(Airborne Radar for Three dimensional Imaging and Nadir Observation)雷達系統，陣列天線配置如圖4所示。Weiβ等人[14－17]對ARTINO 3維成像系統的工作原理、成像方法、工作模式以及系統組成等進行了深入的研究，但到目前為止，還尚未見到ARTINO系統的實測數據成像結果。針對因機翼振動導致天線陣列畸變的問題，Klare等人[18,19]分析了該誤差對系統成像質量的影響，同時提出了該誤差的校正方法。國內的謝文成[20]、杜磊[21]、段廣青[22]等人分別在系統原理、成像方法、陣列和波形設計、性能與誤差分析等方面開展了探索性研究，取得了一些有價值的研究成果。

綜合國內外研究現狀來看，基于MIMO雷達的下視3維SAR成像技術尚處于初步研究階段，在理論模型、成像方法以及系統設計等各方面還有待進一步研究。

圖4 ARTINO 3維下視SAR成像系統Fig. 4 ARTINO three-dimensional down-looking SAR imaging system

3.3 高分辨率寬測繪帶成像技術

方位向高分辨率和寬測繪帶之間相互制約的矛盾問題[23－25]是星載SAR系統發展的主要瓶頸之一。多通道SAR系統通過俯仰向/方位向增加多個接收通道，利用系統空間自由度消除距離向或方位向模糊，是緩解上述矛盾問題的有效途徑之一。然而，在星載平臺尺寸、載荷、功率以及成本等因素受限的條件下，通常難以獲得足夠的接收通道數目，因此系統解模糊能力有限。MIMO雷達的體制優勢在于利用較少的天線獲得較高的空間自由度，因此MIMO-SAR在解決方位向高分辨率與測繪帶寬的矛盾問題上，具有優于常規單通道或多通道SAR的系統性能，是未來SAR系統發展的重要方向之一。

在國外，德國宇航中心的 Krieger等人[26]對MIMO-SAR進行了深入研究，指出MIMO雷達與DBF技術相結合是解決星載SAR系統固有約束的有效途徑，也是未來 SAR系統的重要發展方向。DBF MIMO-SAR的基本思想是：在發射端通過方位向或俯仰向多子陣同時發射多個正交編碼信號覆蓋寬測繪帶成像場景，接收時利用系統快速、靈活的數字波束形成能力實現回波分離和解模糊，從而有效緩解方位向高分辨率與寬測繪帶的矛盾。

西安電子科技大學的井偉等人[27]提出了基于多子帶并發的MIMO-SAR高分辨寬測繪帶成像方法，通過綜合利用 MIMO雷達多相位中心回波的相位信息解方位向模糊，利用多子帶并發頻率步進信號合成寬帶距離向信號，進而實現高分辨寬測繪帶成像。基于離散頻率編碼正交波形集，西安電子科技大學的武其松等人[28]提出了3種MIMO-SAR高分辨寬測繪帶成像策略，包括：多維波形編碼俯仰向線陣MIMO-SAR、多維波形編碼面陣MIMO-SAR以及多維波形編碼多頻面陣 MIMO-SAR，并探討了相應的成像處理算法。國防科技大學的王力寶等人[29]以星載MIMO-SAR為研究對象，分析了采用空間采樣代替時間采樣而引入的等效相位中心誤差，在引入系統權衡自由度的基礎上，研究了頻率分集波形MIMO-SAR以及編碼正交波形MIMOSAR的高分辨率寬測繪帶成像技術。電子科技大學的王文欽等人[30－34]對 MIMO-SAR成像涉及的波形設計、信號分離以及成像方法等問題開展了深入研究。

3.4 運動目標檢測技術

基于 SAR數據的運動目標檢測技術能夠在獲取靜態場景圖像的同時，實現運動目標檢測、成像、并準確標定到SAR圖像上，在戰場偵察、海洋監視以及交通監管等領域發揮著重要作用。

2009年國際波形分集與設計會議上，美國林肯實驗室(Lincoln laboratory)的Bliss等人[35]分析了相參MIMO雷達實現地面動目標檢測的相關技術。研究表明，相參MIMO雷達的根本優勢在于能夠利用稀疏陣列高分辨率的特性卻避免了柵瓣效應，從而為利用大稀疏孔徑天線降低系統最小可檢測速度(Minimum Detectable Velocity, MDV)提供了技術途徑。Bliss等人[36－38]還對MIMO GMTI發射波形、檢測概率、參數估計等進行了研究，研究結果表明MIMO體制GMTI在慢速運動目標檢測、速度估計等方面具有優于傳統體制雷達的系統性能。

綜合MIMO-SAR系統特點以及國內外研究成果，基于MIMO-SAR的動目標檢測技術具有如下優勢：(1)在同樣陣列配置的條件下，MIMO-SAR更高的自由度增強了系統對雜波和干擾的抑制能力，因此對于場景中弱小、慢速運動目標的檢測能力更強；(2)MIMO雷達采用分集波形，通過多波形融合檢測技術[39]能夠提高動目標檢測概率，消除盲速；(3)MIMO-SAR系統具有遠多于實際天線數目的系統自由度，因此在利用部分系統自由度實現高分辨寬測繪帶成像的同時，仍然具備很強的動目標檢測能力。MIMO-SAR這一優勢對于實現大場景動目標監視具有重要價值。

4 MIMO-SAR若干關鍵技術問題分析

經過多年的發展，雖然國內外學者在MIMO雷達理論和應用方面均取得了豐碩成果，但關于MIMO-SAR的研究還相對較少，在系統概念、理論模型、成像策略與方法以及性能評估等方面仍然缺乏統一的理論體系，許多關鍵技術問題還有待進一步突破和完善。通過對文獻的分析和梳理，并結合SAR系統自身的特點，本文總結出實現MIMO-SAR系統需要克服的若干關鍵技術問題。

4.1 正交波形集優化設計

基于相位編碼或離散頻率編碼的正交波形雖然廣泛應用于MIMO雷達，但該類波形通常難以直接推廣到MIMO-SAR成像中，主要原因包括：

(1) 當前大多數正交波形集以空間監視為應用背景，待檢測目標通常可以看作是理想散射點，因此在波形設計時重點關注波形集自相關和互相關函數的峰值旁瓣比(Peak Sidelobe Level Ratio, PSLR)。然而MIMO-SAR成像屬于對地觀測的范疇，成像場景包含大量分布式目標，為確保場景中的弱散射區域不被鄰近的強散射區域所污染，更加關注波形集相關函數的積分旁瓣比(Integrated Sidelobe Level Ratio, ISLR)性能[40]。綜上，MIMO雷達和MIMO-SAR對波形相關特性的關注點不同。

(2) 為滿足系統分辨率和信噪比的要求，SAR通常需要發射大時寬-帶寬積信號。線性調頻(Linear Frequency Modulation, LFM)是常用的成像波形，但該類波形缺乏足夠的自由度來滿足波形正交特性的需求[41]；相位編碼信號[42]頻譜利用率低，“大時寬-帶寬積”波形往往需要較多的子脈沖，波形設計復雜度較高。

(3) 相位編碼以及離散頻率編碼波形集對多普勒變化較為敏感，當平臺高速運動時，較大的多普勒頻移將導致脈沖壓縮濾波器失配，從而引起信噪比損失[43]。

(4) 相位編碼、離散頻率編碼等波形通常需要復雜的接收機濾波器實現脈沖壓縮，并且距離徙動校正以及方位向聚焦處理更加復雜，難以利用傳統SAR處理器進行成像，從而增加了系統復雜度和硬件成本。

正交波形集設計是MIMO-SAR系統實現的主要難題之一，波形正交策略以及調制方式的選擇均對系統成像性能產生至關重要的影響。綜合考慮MIMO雷達以及SAR成像對波形集的性能需求，設計出具有大時寬-帶寬積、良好相關函數特性以及較高多普勒容限的正交波形集是實現 MIMO-SAR成像需要解決的關鍵技術問題之一。

4.2 陣列構型優化設計

合理的陣列設計不僅能夠提高系統性能、降低系統硬件成本，還決定了MIMO-SAR成像模式、處理方法等[44－46]。

MIMO-SAR陣列設計首先需要解決陣列類型的選擇問題。Ender等人[44]討論了MIMO-SAR的布陣方式，將MIMO-SAR陣列分為4種類型：(1)方位向1維線陣，即多天線沿平臺運動方向布置。該類布陣方式能夠提高系統方位向上的空間自由度，主要用于高分辨率寬測繪帶SAR成像、運動目標檢測等；(2)距離向1維線陣，即多個天線沿切航跡方向布置，能夠實現下視 3維成像以及前視或后視SAR成像；(3)高度向1維線陣，即多天線垂直于水平平面布置，利用高度向多通道回波之間的相位差實現干涉 SAR成像；(4)混合陣，即多個發射和接收天線圍繞某一參考點布置，在距離、方位、高度向均能形成多個基線，該類MIMO-SAR布陣方式能夠實現同時多模式工作。

根據SAR工作模式確定陣列類型后，需要優化設計發射和接收天線數量、間隔等參數。研究表明，MIMO雷達形成的虛擬陣列為發射陣列位置矢量與接收陣列位置矢量的空間卷積[47]，同樣的等效陣列可由多種發射、接收陣列組合實現。以形成包含64個虛擬陣元的MIMO雷達陣列為例，圖5列舉了3種發射天線和接收天線的陣列構型[48]。由結果可以看出，雖然3種陣列構型通過多發多收的工作方式能夠產生相同的等效陣列，但在陣元數量、陣元間隔上都存在較大差異。當確定等效空間采樣陣列后，求解實際的發射和接收陣列組合是一個病態問題，極大地增加了問題求解的復雜度。陣列設計時既要確保遍歷所有可能的收發組合，還需要綜合考慮平臺尺寸、系統成本等因素來選擇最優的收發組合。

4.3 綜合成像處理技術

與常規單/多通道SAR系統相比，MIMO-SAR信號處理時增加了兩項工作：首先，需要設計一組濾波器實現多個發射信號的回波分離，從而形成更多的觀測通道；其次，需要綜合利用多觀測通道的回波數據提高系統整體性能。

良好的回波信號分離是實現MIMO-SAR體制優勢的基礎。由于發射波形集的非理想正交性，基于傳統匹配濾波的回波分離方法存在較高的互相關輸出，導致目標圖像的 ISLR較高。雖然基于自適應脈沖壓縮(Adaptive Pulse Compression, APC)技術[49]的回波分離方法能夠有效克服回波信號互相關輸出的影響，但面臨著運算量大、硬件實現復雜等缺點。美國佛羅里達大學的Li等人[50]采用輔助變量法設計接收機濾波器，能夠進一步降低系統的互相關輸出，從而有效緩解強目標回波旁瓣對臨近弱小目標的壓制效應，但該算法同樣面臨計算復雜度高的缺點。如何進一步優化回波分離濾波器的性能，降低多回波信號之間的相互影響是需要解決的關鍵問題之一。

在成像處理方面，MIMO-SAR的基本思想是：綜合利用方位向/俯仰向形成的虛擬陣列的接收數據，消除方位向或距離向模糊信號，從而實現高分辨率寬測繪帶成像，主要方法包括波形編碼[51]、多通道濾波[52]、數字波束形成[53]等。上述方法本質上是借鑒了多通道SAR的處理思路，對MIMO-SAR系統的特點考慮不足，仍然有待進一步改進。

綜上，MIMO-SAR特殊的收發模式以及波形分集的特點，使得現有的SAR成像算法難以直接推廣應用，因此探索適用于MIMO-SAR的成像處理策略和成像方法是一個需要深入研究的課題。

圖5 典型的發射、接收陣列組合Fig. 5 The array combination of classical transmit-receive pairs

5 前景展望

雖然目前關于MIMO-SAR成像技術的研究還處于理論探索的起步階段，但其潛在的體制優勢受到國內外學者的廣泛關注。如何最大程度地發揮MIMO-SAR的體制優勢，拓展MIMO-SAR技術的應用范圍是雷達領域專家學者普遍關心的問題。綜合考慮實際應用需求以及MIMO-SAR系統自身的特點，本文預測MIMO-SAR在以下領域存在較好的應用前景：

(1) 同時SAR和GMTI應用

MIMO-SAR雷達利用多發多收陣列和波形分集，顯著地增加了系統自由度。以波形編碼、數字波束形成等方式代替傳統的波束掃描，有望同時實現SAR和GMTI兩種工作模式，對實現戰場實時監視有重要意義。

(2) 無人機編隊多站SAR成像應用

編隊飛行的無人機載 SAR系統采用多發多收的工作方式，能夠增強系統分辨率和場景成像速率，并且具有成本低、抗摧毀、抗干擾等優點，是未來MIMO-SAR系統發展的重要應用之一。

(3) 感知雷達成像應用

MIMO雷達具有空間分集和波形分集的特點，發射波形能夠在時間、頻率以及空間等多個域融合系統的反饋輸出以及輔助信息，對實現感知雷達探測、成像以及識別等應用具有重要價值。

(4) 雷達-通信一體化應用

MIMO雷達概念源于通信領域，具有頻譜利用率高、信道容量大以及抗信道衰落等優勢。MIMO雷達-通信一體化為解決SAR大數據量傳輸問題提供了一條有效的解決途徑。

6 結束語

常規單通道SAR由于系統固有體制約束，面臨著方位向高分辨率與寬測繪帶指標相互矛盾、慢速運動目標難以檢測等實際問題。雖然多通道SAR系統通過增加接收通道數目能夠緩解上述問題，但對于平臺體積、尺寸、載荷等嚴格受限的星載SAR系統而言，通常難以獲得足夠數量的接收通道。為進一步提高SAR系統的空間自由度，研究人員開始將目光聚焦到發射端，將單天線發射拓展到多天線發射，將單一波形拓展到多維波形，從而形成了同時多天線發射、同時多天線接收的系統概念。當前初步的研究表明，MIMO-SAR在實現高分辨率寬測繪帶SAR成像以及慢速運動目標檢測等應用中具有重要的價值，是未來SAR系統發展的主要方向之一。

[1] Moreira A, Prats P, Younis M,et al.. A tutorial on synthetic aperture radar[J].IEEE Geoscience and Remote Sensing Magazine, 2013, 1(1): 6-43.

[2] Li J and Stoica P. MIMO radar with colocated antennas[J].IEEE Signal Processing Magazine, 2007, 24(5): 106-114.

[3] Haimovich A M, Blum R S, Leonard J,et al.. MIMO radar with widely separated antennas[J].IEEE Signal Processing Magazine, 2008, 25(1): 116-129.

[4] Younis M, Bordoni F, Gebert N,et al.. Smart multi-aperture radar techniques for spaceborne remote sensing[C]. IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS), Boston, MA, 2008: 278-281.

[5] Ender J. MIMO-SAR[C]. International Radar Symposium, Cologne, Germany, 2007: 580-588.

[6] Li J and Stoica P. MIMO Radar Signal Processing[M]. New York: Wiely, 2009: 2-10.

[7] Sabry R. A new approach for radar/SAR target detection and imagery based on MIMO system concept and adaptive space-time coding [R]. Ottawa: Defense R&D Canada, 2007.

[8] 黃平平, 鄧云凱, 徐偉, 等. 基于頻域合成方法的多發多收SAR技術研究[J]. 電子與信息學報, 2011, 33(2): 401-406.

Huang Ping-ping, Deng Yun-kai, Xu Wei,et al.. The research of multiple-input and multiple-output SAR based on frequency synthetic [J].Journal of Electronics&Information Technology, 2011, 33(2): 401-406.

[9] 楊明磊, 張守宏, 陳伯孝. 多載頻 MIMO雷達的一種新的信號處理方法[J]. 電子與信息學報, 2009, 31(1): 147-151.

Yang Ming-lei, Zhang Shou-hong, and Chen Bo-xiao. A novel signal processing approach for the Multi-Carrier MIMO radar[J].Journal of Electronics&Information Technology, 2009, 31(1): 147-151.

[10] Cristallini D and Pastina D. Exploiting MIMO SAR potentialities with efficient cross-track constellation configurations for improved range resolution[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2010, 49(1): 38-52.

[11] Cristallini C D. Innovative adaptive techniques for multi-channel spacebore SAR systems[D]. [Ph.D. dissertation], University of Roma, 2010: 12-24.

[12] Mahafza B R and Sajjadi M. Three dimensional SAR imaging using linear in transverse motion[J].IEEE Transactions on Aerospace and Electronics Systems, 1996, 32(1): 499-510.

[13] Ahmad F and Amin M G. Multi-Input Multi-Output synthetic aperture radar technology for urban area surveillance[C]. The 3rd International Asia-Pacific Conference on Synthetic Aperture Radar, Seoul, Korea, 2011: 1-4.

[14] WeiβM and Ender J. A 3D imaging radar for small unmanned airplanes ARTINO[C]. European Radar Conference, Paris, France, 2005: 229-232.

[15] WeiβM, Peters O, and Ender J. A three dimensional SAR system on an UAV[C]. IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS), Barcelona, 2007: 5315-5318.

[16] Klare J, WeiβM, Peters O,et al.. ARTINO: a new high resolution 3D imagingradar system on an autonomous airborne platform[C]. IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS), Denver, USA, 2006: 3842-3845.

[17] Klare J, Brenner A, and Ender J. A new airborne radarfor 3D imaging-image formation using the ARTINO principle[C]. The European Conference on Synthetic Aperture Radar (EUSAR), Dresden, Germany, 2006: 103-107.

[18] Klare J, Cerutti-Maor D, Brenner A,et al.. Image quality analysis of the vibrating sparse MIMO antenna array airborne 3D imaging radar ARTINO[C]. IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS), Barcelona, ESP, 2007: 5310-5314.

[19] Klare J, Brenner A, and Ender J. Impact of platform attitudedisturbances on the 3D imaging quality of the UAVARTINO[C]. The European Conference on Synthetic Aperture Radar (EUSAR), Friedrichhafen, Germany, 2008: 1-4.

[20] Xie W C, Zhang X L, and Shi J. MIMO antenna array design for airborne down-looking 3D imaging SAR[C]. The 2th International Conference on Signal Processing Systems, Dalian, China, 2010: 452-456.

[21] Du L, Wang Y P, Wen H,et al.. Downward-looking 3D-SAR with dual-transmit and multi-receive linear array antennas based on time and waveform diversity[C]. The Asian Pacific Conference on Synthetic Aperture radar, Xi’an, China, 2009: 17-20.

[22] Duan G Q, Wang D W, Ma X Y,et al.. Three-dimensional imaging via wideband MIMO radar system[J].IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters, 2010, 7(3): 445-449.

[23] 袁孝康. 星載合成孔徑雷達導論[M]. 北京: 國防工業出版社, 2003: 156-185.

Yuan Xiao-kang. Introduce to the Spaceborne Synthetic Aperture Radar[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2003: 156-185.

[24] 賴濤. 星載多通道 SAR高分辨率寬測繪帶成像方法研究[D]. [博士論文], 國防科學技術大學, 2010: 1-15.

Lai Tao. Study on HRWS imaging methods of multi-channel spaceborne SAR[D]. [Ph.D. dissertation], National University of Defense Technology, 2010: 1-15.

[25] Currie A and Brown M A. Wide swath SAR[J].IEEProceedings F Radar and Signal Processing, 1992, 139(2): 122-135.

[26] Krieger G. MIMO SAR: opportunities and pitfalls[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2013, DOI: 10.1109/ TGRS.2013.2263934.

[27] 井偉. 星載SAR寬測繪帶高分辨率成像技術研究[D]. [博士論文], 西安電子科技大學, 2008: 83-96.

Jing Wei. Study of wide-swath high resolution spaceborne spaceborne synthetic aperture radar[D]. [Ph.D. dissertation], Xi’dian University, 2008: 83-96.

[28] 武其松. 雙/多通道SAR成像技術研究[D]. [博士論文], 西安電子科技大學, 2010: 53-80.

Wu Qi-song. Research on multichannel SAR imaging[D]. [Ph.D. dissertation], Xi’dian University, 2010: 53-80.

[29] 王力寶. 多輸入多輸出合成孔徑雷達關鍵技術研究[D]. [博士論文], 國防科學技術大學, 2010: 49-65.

Wang Li-bao. Research on challenge technologies of MIMO-SAR[D]. [Ph.D. dissertation], National University of Defense Technology, 2010: 49-65.

[30] Wang W Q. Mitigating range ambiguities in high-PRF SAR with OFDM waveform diversity[J].IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters, 2013, 10(1): 101-105.

[31] Wang W Q. Large-area remote sensing in high-altitude high speed platform using MIMO SAR[J].IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing, 2013, 6(5): 2146-2158.

[32] Wang W Q. Space-time coding MIMO-OFDM SAR for high-resolution imaging[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2011, 49(8): 3094-3104.

[33] Wang W Q. MIMO-based SAR ground moving target detection approach[C]. 2011 Fourth International Conference on Intelligent Computation Technology and Automation, Shenzhen, Guangdong, 2011: 608-611.

[34] Wang W Q and Cai J Y. Ground moving target indication by MIMO SAR with multi-antenna in azimuth[C]. IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS), Vancouver, BC, 2011: 1662-1665.

[35] Bliss D W, Forsythe K W, Davis S K,et al.. GMTI MIMO radar[C]. International Waveform Diversity and Design Conference, Kissimmee, FL, 2009: 118-122.

[36] Bliss D W. MIMO radar joint array and waveform optimization[C]. The 41th Asilomar Conference on Signals, Systems and Computers, Pacific Grove, CA, 2007: 207-211. [37] Kantor J M and Bliss D W. Clutter covariance matrices for GMTI MIMO radar[C]. The 43th Asilomar Conference on Signals, Systems and Computers, Pacific Grove, CA, 2010: 1821-1826.

[38] Forsythe K W and Bliss D W. MIMO radar waveform constraints for GMTI[J].IEEE Journal of Selected Topics inSignal Processing, 2010, 4(1): 21-32.

[39] 鄒博. 多發多收雷達GMTI研究[D]. [博士論文], 國防科學技術大學, 2011: 94-100.

Zou Bo. Study of GMTI in MIMO radar[D]. [Ph.D. dissertation], National University of Defense Technology, 2011: 94-100.

[40] Zou B, Dong Z, and Liang D N. Design and performance analysis of orthogonal coding signal in MIMO-SAR[J].SCIENCE CHINA Information Science, 2011, 54(8): 1723-1737.

[41] Mittermayer J and Martinez J M. Analysis of range ambiguity suppression in SAR by up and down chirp modulation for point and distributed targets[C]. IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS), Toulouse, France, 2003: 4077-4079.

[42] Hai D. Polyphase code design for orthogonal netted radar systems[J].IEEE Transactions on Signal Processing, 2004, 52(11): 3126-3135.

[43] Khan H A and Edwards D J. Doppler problems in orthogonal MIMO radars[C]. IEEE Radar Conference, New York, USA, 2006: 244-247.

[44] Ender J H G and Klare J. System architectures and algorithms for radar imaging by MIMO-SAR[C]. IEEE Radar Conference, Pasadena, CA, 2009: 1-6.

[45] Wang L B, Xu J, Peng S B,et al.. Optimal linear array configuration and DOF tradeoff for MIMO SAR[J].Chinese Journal of Electronics, 2010, 20(2): 380-384.

[46] Ender J. Along-track array processing for MIMO-SAR MTI[C]. The European Conference on Synthetic Aperture Radar (EUSAR), Friedrichshafen, Germany, 2010: 1-3.

[47] 粟毅, 朱宇濤, 郁文賢. 多通道雷達天線陣列的設計理論與算法[J]. 中國科學: 信息科學, 2010, 40(10): 1372-1383.

Su Yi, Zhu Yu-tao, and Yu Wen-xian. Multi-channel radararray design method and algorithm[J].SCIENCE CHINA Information Sciences, 2010, 40(10): 1372-1383.

[48] 吳子斌, 朱宇濤, 粟毅, 等. 用于機載線陣三維 SAR成像的MIMO 陣列構型設計[J]. 電子與信息學報, 2013, 35(11): 2672-2677.

Wu Zi-bin, Zhu Yu-tao, Su Yi,et al.. Multi-channel radar array design method and algorithm[J].Journal of Electronics&Information Technology, 2013, 35(11): 2672-2677.

[49] Li N, Tang J, and Peng Y N. Adaptive pulse compression of MIMO radar based on GSC[J].Electronics Letters, 2008, 44(20): 1217-1218.

[50] Roberts W, He H, Li J,et al.. Probing waveform synthesis and receiver filters design[J].IEEE Signal Processing Magazine, 2010, 27(4): 99-112.

[51] Feng F, Li S Q, Yu W D,et al.. Study on the processing scheme for space-time waveform encoding SAR system based on two-dimensional digital beamforming[J].IEEE Transactionson Geoscience and Remote Sensing, 2012, 50(3): 910-932.

[52] Krieger G, Gebert N, and Moreira A. Unambiguous SAR signal reconstruction from nonuniform displaced phase center[J].IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters, 2004, 1(4): 260-264.

[53] Gebert N, KriegerG, and Moreira A. Digital beamforming on receive: techniques and optimization strategies for high-resolution wide-swath SAR imaging[J].IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 2009, 45(2): 564-592.

周 偉(1985-)，男，安徽亳州人，國防科學技術大學博士研究生，主要研究方向為MIMO雷達、陣列信號處理、新體制合成孔徑雷達等。

E-mail: eric_zhou@nudt.edu.cn

劉永祥(1976-)，男，河北唐山人，國防科學技術大學教授，博士生導師，主要研究方向為目標電磁特征信號分析、雷達目標識別等。

E-mail: lyx_bible@sina.com.cn

黎 湘(1967-)，男，湖南瀏陽人，國防科學技術大學教授，博士生導師，主要研究方向為雷達系統與信號處理、雷達自動目標識別等。

E-mail: lixiang01@vip.sina.com

凌永順(1937-)，男，安徽定遠人，解放軍電子工程學院教授，博士生導師，中國工程院院士，主要研究方向為雷達隱身、紅外隱身、電子偽裝和雷達紅外復合干擾等。

Brief Analysis on the Development and Application of Multi-Input Multi-Output Synthetic Aperture Radar

Zhou Wei①Liu Yong-xiang①Li Xiang①Ling Yong-shun②

①(School of Electronic Science and Engineering, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China)
②(Electronic Engineering Institute, Hefei 230037, China)

Recently, a novel conception of Synthetic Aperture Radar (SAR) based on Multi-Input Multi-Output (MIMO) technology draws much attention for its potential advantages. MIMO-SAR could obtain much more equivalent channels than the number of the physical array elements by simultaneously utilizing multiple antennas at transmission and reception. These additional channels are demonstrated to be useful for the application of High-Resolution Wide-Swath (HRWS) imaging and slowly moving target indication. In this paper, a detailed discussion on the conception and connotation of MIMO-SAR is made firstly, and then the investigation states of MIMO-SAR, such as high range resolution SAR imaging, three-dimensional down-looking SAR imaging, HRWS imaging and Ground Moving Target Indication (GMTI), are discussed. Base on the discussion mentioned above, the advantages and disadvantages of MIMO-SAR system are analyzed, and the key technical issues in MIMO-SAR are summarized. At last, the prospects of MIMO-SAR application are pointed out.

Synthetic Aperture Radar (SAR); Multi-Input Multi-Output (MIMO) radar; High-Resolution Wide-Swath (HRWS) imaging; Ground Moving Target Indication (GMTI)

中國分類號：TN958

A

2095-283X(2014)01-0010-09

10.3724/SP.J.1300.2013.13074

2013-08-08收到，2013-11-25改回；2013-12-03網絡優先出版國家杰出青年基金(61025006)資助課題

*通信作者： 周偉 eric_zhou@nudt.edu.cn