多發多收SA R波形設計與高分辨成像技術綜述

趙官華，付耀文，聶 鐳，莊釗文（國防科學技術大學電子科學與工程學院，湖南　長沙410073）

多發多收SA R波形設計與高分辨成像技術綜述

趙官華，付耀文，聶 鐳，莊釗文
（國防科學技術大學電子科學與工程學院，湖南長沙410073）

多發多收合成孔徑雷達（multi-input multi-output synthetic aperture radar，MIMO-SAR）作為一種新雷達體制，通過多天線的收發可以獲得比實際收發天線數目多的等效觀測通道，相比傳統SA R體制的約束，MIMO-SAR在實現高分辨率寬測繪帶遙感、慢速運動目標檢測、三維成像等方面具有很大優勢。該文對近年來MIMO-SAR波形設計與高分辨成像技術的國內外研究現狀進行了綜述，重點總結了正交波形設計、方位向無模糊成像和提高距離向分辨率3個關鍵技術，最后指出了MIMO-SAR波形設計與成像技術在未來發展中需重點解決和關注的若干問題。

多發多收系統；合成孔徑雷達；正交波形設計；高分辨成像

網址：www.sys-ele.com

0 引 言

合成孔徑雷達（synthetic aperture radar，SAR）能夠對目標區域實行全天時、全天候地偵查監視，且具有高分辨、穿透性等優點，在海洋監視、戰場偵察、軍隊動向監視等軍事領域，以及資源勘探、地形測繪、海洋氣候監測、防災減災等民用領域都發揮著重要作用［1］。隨著信息技術的發展，SAR的應用需求不斷深化，常規的SAR體制和成像模式遇到瓶頸，難以在高分辨率寬測繪帶遙感、弱小慢速運動目標檢測等應用領域滿足實際需求［2］。

多發多收（m ulti-input m ulti-output，MIMO）技術最初在無線電通信中應用，采用鏈路兩端多收發天線同時工作，能夠大大提高通信系統的容量、頻譜利用率和可靠性，而不需要以增加系統帶寬和發射功率為代價［3 4］。近年來提出的MIMO雷達，通過多天線發射正交波形、接收分集，得到高的系統自由度［5］，采用靈活的信號處理方式可顯著改善雷達目標檢測和成像、參數估計等性能［6 9］。Ender將 MIMO技術引入SAR，是多通道SAR的一種拓展，在運動平臺上采用了多發射天線發射相互正交的波形，多接收天線同時接收場景回波，通過濾波分離出各發射信號回波，將全部收發組合的回波數據綜合處理［10］。MIMO-SAR通過多個天線的收發，相比傳統SAR具有更高的自由度，在寬測繪帶高分辨率成像、三維成像、多基線干涉以及雜波抑制等方面具有很大的優勢［11 13］，可廣泛應用于對城市、森林等的三維下視成像、在不提高脈沖重復頻率（pulse repetition frequency，P R F）的情況下高分辨率成像、慢速運動目標和弱目標的檢測，以及目標的超分辨率成像等方面。

根據收發天線的布設情況，可以將MIMO-SA R分為“共集式MIMO-SA R”和“分布式MIMO-SA R”，也有將MIMO-SA R按照是否同平臺分為“同平臺MIMO-SAR”和“分布式平臺MIMO-SAR”［11］。該兩類分法并不等同，如何界定是共集式還是分布式，取決于各收發組合的回波的相關程度［14］。相關程度強的為共集式MIMO-SA R，其各通道信號做相干處理，利于高分辨成像和慢速運動目標檢測；相關程度低的為分布式MIMO-SA R，利于提高目標的檢測概率，且分布式MIMO聚束SA R可以很好地提高二維成像分辨率［15 16］。

目前，國外已搭建了一些MIMO-SAR系統，包括天基、空基和地基系統。天基MIMO-SAR方面，美國空軍實驗室的TechSat-21［17］最早體現了MIMO-SAR的思想，通過星間鏈路協同工作和稀疏孔徑信號處理方式實現SA R成像、地面動目標指示（gound moving-target indication，G M TI）和干涉合成孔徑雷達（interferometric SA R，InSA R）等功能。德國宇航中心的TanD E M-X系統［18］，主要用于全球數字高程測量，可實現兩發四收SA R系統，利用空間多相位中心和多組長-短基線，能夠顯著提高系統寬測繪帶成像以及地面運動目標檢測等性能［19］；空基MIMO-SA R方面，美國林肯實驗室研制了一部S波段小型實驗性MIMO雷達系統［20］，并進行了大量運動目標檢測試驗，表明基于MIMO雷達的動目標檢測系統具有更強的雜波和干擾抑制能力［21］。德國應用科學研究所（Forschungs Gesellschaftfür Angewandte Naturwissen Schaften，F G A N）在無人機上搭建了MIMO-SA R系統，稱為機載下視三維成像雷達（airborne radar for three-dimensionalimaging and nadir observation，A R TIN O）［22］，通過多天線發射、多天線接收實現下視三維SA R成像，克服了傳統側視SAR對建筑物等目標成像時的陰影效應［23］；地基MIMO-SA R方面，歐盟聯合研究中心（joint research centre，JRC）在研制的線性SA R系統（l inear SA R，LISA）的基礎上，升級為M ELISSA，實現了對行人的檢測實驗［24］。

國內外對MIMO-SAR的研究尚處于初步階段，有許多未解決的問題和值得研究的技術，如發射波形設計、通道均衡、天線構型設計、非理想情況下的MIMO-SAR成像、多站雷達同步、運動目標檢測等。其中，發射波形設計是實現MIMO-SAR的基礎，而波形的非理想正交性使得MxIM OSAR在實際應用中受到很大的限制［25］。成像技術方面，MIMO-SAR存在多通道聯合處理方位向非均勻采樣以及如何提高距離向分辨率等問題［11，26］。本文主要總結了MIMO-SAR波形設計、方位向無模糊成像和提高距離向分辨率技術3個方面的研究現狀，并指出了MIMO-SAR在波形設計和成像方面需進一步研究的問題。

1 MIMO-SA R概念與特點

1.1 MIMO-SA R概念與成像處理

結合MIMO系統和SAR的特點，可以給出對MIMOSAR的定義。若雷達系統滿足條件：運動平臺上布局若干個收發天線，各發射天線分別發射正交波形，對相同場景照射，各接收天線獨立接收回波，并分離出不同發射信號的回波，對不同收發組合的回波數據進行聯合處理，則將該系統稱為MIMO-SAR［11］。

MIMO-SAR通常的成像處理流程為：各接收天線同時接收回波數據，根據不同的發射波形，采取相應的波形分離方法（如發射同頻正交波形時，利用匹配濾波方法），將不同發射波形的回波進行分離，從而得到不同收發組合的回波，然后將所有收發組合的回波進行相干或非相干成像處理。其中，相干成像處理是各收發組合的數據進行通道均衡處理［27 28］后，符合相干條件，直接聯合處理得到一幅高分辨成像結果；非相干成像處理是各收發組合的數據獨立進行成像處理，再將各圖像進行融合處理。

1.2 MIMO-SA R特點分析

MIMO-SA R根據收發天線布局可以大致分為“沿航跡多天線MIMO-SA R”和“垂直航跡多天線MIMO-SA R”兩類。

沿航跡多天線MIMO-SA R相比傳統SA R有兩大優勢，一是同時有沿航跡的空間采樣（收發陣元）和時間采樣（平臺運動），因此可保證方位不模糊的前提下而降低PRF，實現寬測繪帶高分辨率成像；二是沿航跡多天線可以采用多基線干涉技術，對運動目標敏感，實現對慢速運動目標的檢測［23，29］。

垂直航跡多天線MIMO-SAR最大的優勢是消除了沿航跡多天線MIMO-SAR僅能實現二維成像的局限，可以實現三維成像以及下視成像，在城市峽谷成像等應用中可起到重要作用。

當然，MIMO-SAR系統可以同時在沿航跡和垂直航跡布設多天線，綜合利用兩者優勢實現多種SAR功能。同時，將MIMO-SAR系統與數字波束形成（digital beam forming，D BF）相結合，是拓展現有SAR寬測繪帶高分辨率成像的有效途徑［12，30］。此外，針對分布式MIMO-SAR，不同通道對相同區域成像，由于觀測角不同，還可以實現距離向的超分辨［31］。

2 MIMO-SA R波形設計

波形設計對雷達系統的性能起到重要作用，成像雷達要求波形具有大的時寬-帶寬積和一定程度的多普勒容限，MIMO系統要求回波波形能夠較好地實現分離，設計滿足條件的波形集是MIMO-SAR技術的關鍵問題之一。常見的MIMO-SAR波形有時序切換波形、頻率空間分集波形和同頻正交波形，考慮慢時間域的正交性，還有方位相位編碼波形。以下對4類波形分別進行討論。

2.1 時序切換波形

時序切換波形實現起來最簡單，各發射單元按照一定的順序，在各脈沖間進行切換發射，各接收單元同時接收回波。如果在觀測場景變化之前，所有的虛擬陣列都循環工作了一次，即可在后續的處理中合成全尺寸陣列。因此，等效P R F等于系統P R F除以發射單元數目。然而，為避免多普勒模糊，需要足夠高的等效P R F，而高P R F又將導致距離模糊。對于低空飛行的無人機上的垂直航跡多天線MIMO-SAR，由于其目標離雷達的距離相對短，因此可以采用時序切換波形［23，31］。然而，對于沿航跡MIMO陣列側視SAR，如果采用時序切換波形，即使是在短距離探測的情況下，也將會導致測繪帶寬的削減。

2.2頻率-空間分集波形

將時域轉化為頻域考慮，時序切換對應的是頻分復用，也就是頻率-空間分集波形。各發射單元同時發射頻帶不相重疊的波形，以保證波形能夠通過帶通濾波器實現分離。該波形實現簡單，但回波數據不相干，且占用頻譜帶寬資源［32］。由于各發射頻率-空間分集波形的回波之間的不相干性，如何應用到MIMO-SAR相干處理系統，有必要進一步展開討論［33］。

2.3 同頻正交波形

針對MIMO-SAR波形設計，研究最廣泛的是同頻正交波形，各發射天線同時發射互相關接近零的波形，接收端通過匹配濾波，分離出各收發組合的回波，回波分離后可沿用傳統SAR的數據處理方式。該波形的頻譜利用率高，但同頻波形的非理想正交性，限制了MIMO-SAR的發展［12］。

傳統同頻正交波形主要有正/負調頻波形、相位編碼波形等。由于正/負調頻波形的時間帶寬積大，可用于2個發射單元的MIMO-SAR，再加上三角/倒三角調頻波形，可用于4個發射單元的情況［34］。針對正/負調頻波形正交性差導致成像性能下降，基于CLEAN等波形分離方法可用于抑制模糊能量［35 36］，但不適合場景成像的情況［33］。同頻正交信號的非理想正交性導致的距離壓縮旁瓣，可采用輔助變量法［37 38］和積分旁瓣比準則［39］等方法設計MIMO雷達的接收濾波器，從而減低距離旁瓣。當發射波形數大于2時積分旁瓣比很高，文獻［25］提出脈間調制的多普勒距離解耦濾波器方法實現波形分離，然而該方法需要較高的雷達重復頻率，孟藏珍等人又創新性提出采用極化域正交設計的方法，通過極化濾波器將回波進行分離［40］。

由于雷達非線性器件原因，需要波形具有恒模特性，文獻［37］提出循環優化算法實現恒模發射信號合成。

近年來，有學者分別提出移時正交（short-time shift-orthogonal，STSO）和正交頻分復用（orthogonal frequency Division Multiplexing，OFDM）兩種波形用于MIMO-SAR。文獻［12，41］指出，在過去很多文獻中提出的正交波形，只需要滿足條件，其僅可以對點目標回波實現較好的分離，考慮擴展目標時，應該考慮考慮時延情況的正交條件：， i≠j），τa，τb為信號脈沖開始和結束時刻，該條件為STS O條件，滿足該條件的波形稱為STSO波形。該波形在一定時延范圍內，有較好的正交性，因此能夠較好地實現擴展目標的成像，然而，由于STSO波形超出時延范圍的互相關存在模糊，解決方法是俯仰向接收D BF，當設計多組STSO波形，不模糊范圍更小，因而需要對DBF提出更高的要求。STS O波形的提出，使得人們對MIMO-SAR波形的要求有了更清楚的認識。OFDM波形利用子載頻的正交性實現波形分離，然而基于雷達成像機理和器件，要求波形有大的時寬帶寬積和恒模特性，一般的OFDM波形難以滿足。文獻［42-43］提出一種新的OFDM波形，將chirp信號的頻譜間隔插零（在此稱為交叉Chirped-OFDM波形），得到保留chirp信號優良性能的OFDM波形，具有頻譜利用率高、低截獲和抗干擾性好、易于實現數字化和雷達通信一體化等優勢。然而，由于波形存在自相關模糊，也需要采用DBF技術保證測繪帶寬。此外，文獻［43］指出當需求多組交叉Chirped-O FD M波形時，載頻間隔變小，易受多普勒頻移影響正交性，同時不模糊距離也變小。

文獻［44-45］提出通過時間頻率編碼得到多組不同子chirp的組合波形，具有大時寬帶寬積和低峰均比等性能，與STS O和交叉Chirped-OFDM波形相比，該波形的自/互相關沒有峰值模糊，并且能夠在不嚴重降低性能的條件下產生多組正交波形。

2.4 方位相位編碼波形

MIMO-SAR波形的正交性除了在快時間域、頻率域以及極化域實現，也可以在慢時間域實現。方位相位編碼波形是一種慢時間波形，通過對發射脈沖序列進行相位編碼，使得各發射信號的回波在慢時間頻域上頻移，即可濾波達到信號分離目的。方位相位編碼波形實現簡單，不需要在每個發射單元安裝任意波形發射器，也減輕了接收端的各通道分離的負擔，但要求回波頻移后在慢時間頻域不混疊［31，46］。該波形已被用于MIMO雷達的運動目標檢測的研究［47］，且在TerraSAR-X上首次進行了實驗驗證［48］。

3 MIMO-SA R方位向無模糊成像技術

當沿航跡向多通道SAR的系統P R F與天線構型、平臺速度相匹配時，可以用空間采樣代替時間采樣，直接數據重排即可得到方位向高分辨。然而當系統PRF與天線構型、平臺速度不匹配時會導致方位向非均勻采樣，方位成像面臨旁瓣較高、多普勒模糊的問題［49］，MIMO-SAR同樣存在該問題。對多通道SAR方位向非均勻采樣問題的解決思路是，將多通道數據重構不模糊的方位頻譜，再用傳統的SAR成像方法進行方位向聚焦。

3.1 非自適應方法

僅利用空間陣列信息的方法稱為非自適應方法，主要有最近鄰插值法、矩陣求逆法和最小二乘法等。最近鄰插值法［50］通過時域補零、循環移位和信號疊加實現頻譜重構，隨著非均勻性的增加，重建誤差不斷增加使重建性能不斷惡化。文獻［49，51］提出的基于矩陣求逆得到重構濾波器組的方法，成為當前方位向非均勻采樣SAR頻譜重構技術的基礎，然而矩陣求逆必須要求通道數與模糊數相同使觀測矩陣為方陣，且當P R F趨近于“奇異PRF”時重構性能急劇惡化。文獻［52］提出的最小二乘法只要求通道數不小于模糊數，有奇異值分解法、跡方法等多組實現方法，Gram-Sch midt投影法［53］也是其中一種。當觀測矩陣為方陣時，最小二乘法與矩陣求逆法等效。

3.2 自適應方法

不僅利用空間陣列信息，還從回波中挖掘額外信息的方法稱為自適應方法，主要有Capon法、最大化信號模糊噪聲比（maximum signal-to-ambiguity-plus-noise ratio，M SA N R）法和最小化均方誤差（miminum mean-square error，MMSE）法等。文獻［54］提出利用Capon法實現模糊抑制，其基本思想是在信號分量無失真輸出約束下通過最小化輸出功率得到最優加權值，該方法當信噪比（signal noise ratio，SNR）較低時不能對模糊分量有效置零，且受陣列誤差影響較大。文獻［53］提出MSANR法，實現最大化指定頻帶的信號能量比其他頻帶中的信號和噪聲能量之和。在無陣列誤差條件下，Capon法實質上是一種MSANR法。文獻［55］提出利用MMSE波束形成器實現信號重建，并通過對協方差矩陣的修正實現輸出SNR與輸出信號模糊比的折中優化，當S N R較低時，可將更多的權重用于噪聲抑制，而當S NR較高時，模糊抑制效果會更好。

4 MIMO-SA R提高距離向分辨率

傳統SAR的距離向分辨率通常由系統信號帶寬決定，隨著SAR的成像分辨率需求越來越高，需要采用大帶寬信號，從而很大程度上增加了對系統的發射機和接收機硬件要求。對于MIMO-SAR，在不提高各收發系統的帶寬的情況下，如何改善距離向分辨率也是一個重要的研究方向。目前，分別對多頻帶MIMO-SAR和同頻帶MIMO-SAR的距離向分辨率增強技術展開了一定的研究。

4.1 多頻帶MIMO-SAR

對于多頻帶MIMO-SAR，可以通過多個窄帶信號相參合成的方式得到寬帶回波。鄧云凱等人提出頻域子帶合成的方法，將同一相位中心的不同子帶的線性頻率調制（linear frequency m odulation，LF M）信號進行頻域合成大帶寬信號，相比時域子帶合成法更為高效和實用［56］。楊明磊等人則提出空域合成寬帶的方法，將空域分散發射的多載頻LF M信號通過去斜、通道分離、時移拼接等處理，合成大帶寬信號，以獲得高分辨距離信息［32］。子帶合成方法以低的系統硬件復雜度，得到高的距離分辨率，但是僅適用于多頻帶MIMO-SAR。

4.2 同頻帶MIMO-SA R

針對提高同頻帶發射波形的MIMO-SAR的距離向分辨率問題，文獻［57］提出利用觀測角不同的多通道干涉SAR，可以得到相同區域不同的地面反射頻譜，也就是“波數移動”效應，通過相參合成觀測頻譜提高距離帶寬，從而提高距離向分辨率。該方法最高可以得到通道個數倍數的距離分辨率的提升。文獻［58］將“波數移動”效應方法應用到德國宇航局的機載雷達E-SAR的試驗數據中，證明了方法的有效性。文獻［31］將此方法應用到MIMO-SAR，利用多運動平臺上的雷達天線分別同時收發，在切航跡方向形成多個等效的相位中心，利用“波數移動”效應方法，理論上可以得到最高距離分辨率的提升倍數比實際天線數目還大。從空間分集的角度考慮，同頻帶MIMO-SA R提高距離分辨率的研究，對未來編隊SA R的系統設計有一定的參考價值。

5 結束語

MIMO-SAR作為新的有效提高SAR性能的雷達體制，在未來將會進一步拓展應用需求。目前，MIMO-SAR還處于研究的初步階段，在波形設計和高分辨成像方面還面臨一系列的機遇與挑戰。縱觀上述研究進展，MIMOSAR波形設計和成像技術未來值得關注的方向可概括為以下幾點。

（1）MIMO-SAR波形設計方面模糊函數通常被用于波形設計與分析，將模糊函數推廣到SAR系統性能分析中，得到定義在空間域的SAR廣義模糊函數［59］，反映了SAR系統對目標的分辨率、副瓣性能以及距離-方位耦合等。文獻［60］將模糊函數的思想推廣到雙/多站SAR中，獲得了系統分辨率與發射波形以及雙站幾何構型之間的定量關系；雙基地SAR廣義模糊函數的有效性得到了實驗驗證［61］。文獻［62-63］針對多載頻LFM信號，基于匹配濾波和圖像域融合策略，推導了MIMO-SAR廣義模糊函數的解析表示。總之，現有的波形設計中還不存在直觀反映系統成像指標的方法，因此將MIMO-SAR的廣義模糊函數推廣到正交波形的優化設計是未來值得重點研究的課題。

（2）MIMO-SAR方位向無模糊成像方面在方位向非均勻采樣條件下，非自適應方法未考慮各種系統誤差以及噪聲的統計特性，自適應方法分別采用不同的約束條件與代價函數，都需要準確估計數據協方差矩陣，且MSANR和MMSE方法還要求知道信號功率［64］，而實際應用中難以得到協方差矩陣和信號功率的準確估計，因此會導致模糊分量無法完全抑制。鑒于此，尋找更為穩健的方法以克服非均勻采樣帶來的模糊問題是未來重點研究方向之一。

（3）MIMO-SAR提高距離向分辨率技術方面對于同頻帶MIMO-SAR，D.Cristallini針對正負調頻信號，研究了MIMO-SAR提高距離向分辨率的算法［31］，不同發射波形，距離維數據的處理不同，因此需要基于特定的優化波形，推演其提高距離向分辨率的算法。此外，為了實現在任意系統構型的情況下的MIMO-SAR距離向高分辨率成像，未來應進一步研究相鄰孔徑的距離頻譜有間隔情況下的提高距離向分辨率技術。

（4）與其他技術結合拓展MIMO-SAR成像性能方面將發射波形與通信應用中的空時編碼（space time coding，ST C）［65］結合，可以更好地實現回波分離并提高系統信噪比［29，66 67］，現有的與MIMO-SAR結合的STC方法主要集中在Alam outi編碼，未來應進一步研究其他ST C方法或是將編碼方法拓展到頻域進行；將垂直航跡多天線MIMOSAR與干涉技術結合，可以在寬測繪帶高分辨率成像的同時實現地形測繪［19，43］，如何更好地利用MIMO-SAR的多基線干涉優勢是未來研究方向之一；將MIMO-SAR與多維波形編碼技術結合，在未大量增加系統復雜度的情況下，獲得優越的寬測繪帶高分辨率成像性能［30，68 69］，未來應將該技術擴展至多模式成像與運動目標檢測等應用；將MIMOSAR與OFDM結合，是未來實現雷達通信一體化的有效手段，在通信中對每個OFDM脈沖添加循環前綴以避免符號間干擾，有效的循環前綴可實現MIMO-SAR雷達波形的無副瓣距離向處理［70 71］，基于OFDM的MIMO-SAR成像技術也是未來重點研究方向之一。

［1］Cumming I G，Wong F H.Digital processing of synthetic aperture radar data：algorith msand implementation［M］.M A：Artech House，2005：1-11.

［2］Moreira A，Prats-Iraola P，Younis M，et al.A tutorial on synthetic aperture radar［J］.IE E E Geoscience and Remote Sensing Magazine，2013：6-43.

［3］Paulraj A J，Gore D A，Nabar RU.A n overview of MIMO communications-a key to Gigabit wireless［J］.Proceedings of the IE E E，2004，92（2）：198-218.

［4］Marzetta T L，Hoch wald B M.Capacity of a mobile multiple antenna communication link in Rayleigh flat fading［J］.IE E E Trans.on Information Theory，1999，45：139-157.

［5］Wang L B，Xu J，Peng S B，et al.Optimallinear array configuration and DOF tradeofffor MIMO-SAR［J］.Chinese Journal of Electronics，2011，20（2）：380-384.

［6］Fishlert E，H aim ovicht A，Blumt R，et al.MIMO radar：an idea w hose time has co me［C］∥Proc.of the IE E E Radar Conference，2004：71-78.

［7］Li J，Stoica P.MIMO radar with colocated antennas［J］.IE E E Signal Processing Magazine，2007：106-114.

［8］Haim ovich A M，Blum R S，Cimini L J.MIMO radar with widely separated antennas［J］.IE E E Signal Processing Magazine，2008：116-129.

［9］Li J，Stoica P.MIMO radar signal processing［M］.Wiley，2008.

［10］Ender J.MIMO-SA R［C］∥Proc.of the International Radar Symposium，2007：580-588.

［11］Zhou W，Liu Y X，Li X，et al.Brief analysis on the development and application of multi-input multi-output synthetic aperture radar［J］.Journal of Radars，2013.（周偉，劉永祥，黎湘，等.MIMO-SA R技術發展概況及應用淺析［J］.雷達學報，2013.）

［12］Krieger G.MIMO-SA R：Opportunities and pitfal ls［J］.IE E E Trans. on Geoscience and Remote Sensing，2014，52（5）：2628-2645.

［13］Younis M，Lopez-Dekker P，Krieger G.MIMO SAR operation m odes and techniques［C］∥Proc.of the10th European Conference on Synthetic A perture Radar，2014：1-3.

［14］Duersch M I，Long D G.A nalysis of multistatic pixel correlation in SAR［J］.IE E E Trans.on Geoscience and Remote Sensing，2015，53（1）：362-374.

［15］Correll B.Efficient spotlight SAR MIMO linear collection configurations［J］.IEEE Journal on Selected Topics in Signal Processing，2010，4（1）：33-39.

［16］Pastina D，Santi F，Bucciarelli M.MIMO distributed imaging of rotating targets for improved 2-D resolution［J］.IE E E Geoscience and Remote Sensing Letters，2015，12（1）：190-194.

［17］Steyskal H，Schindler J K.Distributed arrays and signal processing for the Techsat-21 space-based radar［R］.Airforce Labarotary，2009.

［18］Cassola M，Bau m gartner S，Krieger G.Bistatic TerraSAR-X/ F-SAR spaceborne-airborne SAR experiment：description，data processing，and results［J］.IE E E Trans.on Geoscience and Remote Sensing，2010，48（2）：781-794.

［19］Krieger G，Hajnsek I，Papathanassiou K P，et al.Interferometric synthetic aperture radar（SAR）missions employing formation flying［J］.Proceedings of the IEE E，2010，98（5）：816-843.

［20］Kantor J，Davis S K.Airborne G M TI using MIMO techniques［C］∥Proc.of the IEE E Radar Conference，2010：1344-1349.

［21］Kantor J，Davis S K.Airborne MIMO G M TI radar［R］.M IT Lincoln Laboratory，2011.

［22］Klare J，Wei M，Peters O，et al.A R TIN O：a new high resolution 3 D imaging radar system on an autonomous airborne platform［C］∥Proc.of the International Conference on Geoscience Remote Sensing Symposium，2006：3825-3828.

［23］Ender J H G，Klare J.System architectures and algorith ms for radar imaging by MIMO-SAR［C］∥Proc.of the IEEE Radar Conference，2009：1-6.

［24］Tarchi D，Ol iveri F，Sam martino P F.MIMO radar and groundbased SA R imaging systems：equivalent approaches for remote sensing［J］.IEEE Trans.on Geoscience and Remote Sensing，2013，51 （1）：425-435.

［25］Meng C Z，Xu J，Xia X G，et al.MIMO-SA R waveform separation based on inter-pulse phase modulation and range-Doppler decouple fi ltering［J］.Electronics Letters，2013，49（6）：415-417.

［26］Wang W.MIMO SAR imaging：potential and challenges［J］. IE E E Aerospace and Electronic Systems M agazine，2013，28 （8）：18-23.

［27］Luo X L，Deng Y K，Wang R，et al.Correction of channelimbalance for MIMO SAR using stepped-frequency chirps［J］.International Journal of Antennas and Propagation.2014，2014 （161294）：1-8.

［28］Zhang S X，Xing M D，Xia X G，et al.M ultichannel HRWSSAR imaging based on range-variant channel cal ibration and multi-Doppler-direction restriction ambig-uity suppression［J］.IE E E Trans.on Geoscience and Remote Sensing，2014，52（7）：4306-4327.

［29］Kim J H，Ossowska A，Wiesbeck W.Investigation of MIMO SAR for interfero metry［C］∥Proc.of the4th European Radar Conference，2007：51-54.

［30］Krieger G，Gebert N，M oreira A.M ultidimensional waveform encoding：a new digital bea mforming technique for synthetic aperture radar rem ote sensing［J］.IE E E Trans.on Geoscience and Remote Sensing.2008，46（1）：31-46.

［31］Cristallini D，Pastina D，Lo m bardo P.Exploiting MIMO SAR potentialities with efficient cross-track constellation configurations for im proved range resolution［J］.IE E E Trans.on Geoscience and Remote Sensing，2011，49（1）：38-52.

［32］Yang M L，Zhang S H，Chen B X，et al.A novel signal processing approach for the multi-Carrier MIMO radar［J］.Journal of Electronics&Information Technology，2009，31（1）：147-151.（楊明磊，張守宏，陳伯孝，等.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.）

［33］Meng C Z，Xu J，Wang L B，et al.MIMO-SAR imaging technology：opportunities and challenges［C］∥Proc.of the13th National Conference on Radar，2014：91-94.（孟藏珍，許稼，王力寶，等.MIMO-SA R成像技術發展機遇與挑戰［C］∥中國第13屆全國雷達年會，2014：91-94.）

［34］Wang WQ.MIMO SAR chirp modulation diversity waveform design［J］.IEEEGeoscience and Remote SensingLetters，2014，11（9）：1644-1648.

［35］Meng C Z，Xu J，Wang L B，et al.An orthogonal waveform separation method based on clean processing in MIMO-SA R［J］.Journal of Electronics&Information Technology，2013，35（12）：2809-2814.（孟藏珍，許稼，王力寶，等.基于Clean處理的MIMO-SA R正交波形分離［J］.電子與信息學報，2013，35（12）：2809-2814.）

［36］W ang J，Liang X D，Ding C B，et al.A novel scheme for a mbiguous energy suppression in MIMO-SAR systems［J］.IE E E Geoscience and Remote Sensing Letters，2015，12（2）：344-348.

［37］Li J，Stoica P，Zheng X Y.Signal synthesis and receiver design for MIMO radar imaging［J］.IE E E Trans.on Signal Processing，2008，56（8）：3959-3968.

［38］Meng C Z，Xu J，H ua L F，et al.MIMO-SAR waveform coupling suppressing based on design of receiver fi lter［J］.Chinese Journal of Radio Science，2014，29（3）：401-407，423.（孟藏珍，許稼，花良發，等.基于接收濾波器設計的MIMO-SAR波形耦合抑制［J］.電波科學學報，2014，29（3）：401-407，423.）

［39］Ma C Z，Yeo T S，Tan C S，et al.Receiver design for MIMO radar range sidelobes suppression［J］.IE E E Trans.On Signal Processing，2010，58（10）：5469-5474.

［40］Meng C Z，Xu J，Xia X G，et al.MIMO-SAR waveforms separation based on virtual polarization filter［J］.Science China-Information Sciences，2015，58（4）：1-12.

［41］Rommel T，H uber S，Patyuchenko A，et al.A n orthogonal waveform for MIMO-SAR applications［C］∥Proc.of the10th European Conference on Synthetic Aperture Radar（E U SAR），2014：892-895.

［42］Kim J H.Multiple-input multiple-output synthetic aperture radar for multimodal operation［D］.Germany：Karlsruhe Institute of Technology，2012.

［43］Kim J H，Younis M，M oreira A，et al.Spaceborne MIMO synthetic aperture radar for multimodal operation［J］.IE E E Trans.on Geoscience and Remote Sensing，2015，53（5）：2463-2466.

［44］Wang WQ.MIMO SAR OFDM chirp waveform diversity design with rando m matrix m odulation［J］.IE E E Trans.on Geoscience and Remote Sensing，2015，53（3）：1615-1625.

［45］Wang WQ，So H C，Huang L T，et al.Low peak-to-average ratio OFDM chirp waveform diversity design［C］∥Proc.of the IE E E International Conference on Acoustics，Speech and Signal Processing（ICASSP），2014：8351-8354.

［46］Dall J，K usk A.Azim uth phase coding for range a m biguity suppression in SAR［C］∥Proc.of the IE E E International Geoscience andRemote SensingSy m posiu m（IG A R SS），2004：1734-1737.

［47］M ecca V F，Krolik J L.Slow-Time MIMO ST A P with improved power efficiency［C］∥Proc.of the Asilom ar Conference on Signals，Systems and Com puters，2007：202-206.

［48］Bordoni F，Laux C，W ollstadt S，et al.First dem onstration of azim uth phase coding technique by terraSAR-X［C］∥Proc.of the10th European Conference on Synthetic A perture Radar，2014：1-4.

［49］Krieger G，Gebert N，M oreira A.U na m biguous SAR signal reconstruction fro mnonuniform displaced phase center sa mpling［J］.IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters，2004，1（4）：260-264.

［50］Thompson A A，Mcleod I H.The R A D A RSAT-2 SA R processor［J］. Canadian Journal of Remote Sensing，2004，30（3）：336-344.

［51］Gebert N，Krieger G，Moreira A.Digital beamforming on receive：techniques and optimization strategies for high-resolution wide-swath SAR imaging［J］.IE E E Trans.on Aerospace and Electronic Systems，2009，45（2）：564-592.

［52］M a X L，Sun Z Y，Dong Z，et al.Signal reconstruction per-formance analysis of azimuth multi-channel SAR［J］.Journal of Electronics&Inform ation Technology，2014，36（3）：545 -552.（馬喜樂，孫造宇，董臻，等.方位多通道SAR信號重建性能分析［J］.電子與信息學報，2014，36（3）：545-552.）

［53］Cerutti-M aori D，Sikaneta I，Klare J，et al.MIMO SAR processing for multichannel high-resolution wide-swath radars［J］. IE E E Trans.on Geoscience and Remote Sensing，2014，52（8）：5034-5055.

［54］Li Z，W ang H，Su T，et al.Generation of wide-swath and high-resolution SAR images from multichannel small spaceborne SAR systems［J］.IE E E Geoscience and Remote Sensing Letters，2005，2（1）：82-86.

［55］Sikaneta I，Gierull C H，Cerutti-Maori D.Optim u m signal processing for multichannel SAR：with application to high-resolution wide-swath imaging［J］.IE E E Trans.on Geoscience and Remote Sensing，2014，52（10）：6095-6109.

［56］Deng Y K，Chen Q，Qi HM，et al.A high-resolution imaging algorith m for MIMO SAR based on the sub-band synthesis in frequency do main［J］.Journal of Electronics&Inform ation Technology，2011，33（5）：1082-1087.（鄧云凱，陳倩，祁海明，等.一種基于頻域子帶合成的多發多收高分辨率SAR成像算法［J］.電子與信息學報，2011，33（5）：1082-1087.）

［57］Prati C，Rocca F.Im proving slant-range resolution with m ultiple SAR surveys［J］.IE E E Trans.on Aerospace and Electronic Systems，1993，29（1）：135-143.

［58］Guillaso S，Reigber A，Ferro-Fa mil L，et al.Range resolution improvement of airborne SAR images［J］.IE E E Geoscience and Remote Sensing Letters，2006，3（1）：135-139.

［59］Skolnik M I.Radar handbook［M］.2 ed.The McGraw-Hill Co m panies，2003：823-826.

［60］Tsao T，Slamani M，Varshney P.Ambiguity function for a bistatic radar［J］.IE E E Trans.on Aerospace And Electronic Systems，1997，33（3）：1041-1051.

［61］Liu F，A ntoniou M，Zeng Z，et al.Point spread function analysis for BSAR with G N SS transmitters and long d well times：theory and experimental confirmation［J］.IE E E Geoscience and Remote Sensing Letters，2013，10（4）：781-785.

［62］Zhou W，Chen HW，Jiang WD，et al.Generalized ambiguity function analysis of MIMO SAR［C］∥Proc.of the International Conference on Signal Processing，2012：1724-1728.

［63］Zhou W.Research on synthetic aperture imaging and ground moving targetindication based on MIMO SA R system［D］.Changsha：National U niversity of Defense Technology，2012.（周偉.多發多收合成孔徑雷達成像及動目標檢測技術研究［D］.長沙：國防科學技術大學，2012.）

［64］M a X L.Research on high-resolution wide-swath imaging technologies of azimuth multiple phase center SAR［D］.Changsha：National U niversity of Defense Technology，2014.（馬喜樂.方位多相位中心SAR高分辨率寬測繪帶成像技術研究［D］.長沙：國防科學技術大學，2014.）

［65］Naguib AF，Tarokh V，Seshadri N，et al.A space-time coding modem for high-data-rate wireless communications［J］.IE E E Journal on Selected Areas in Communications，1998，16（8）：1459-1478.

［66］Feng H，Zhen D，Liang D N.A novel space-time coding alamouti waveform scheme for MIMO-SA R implementation［J］.IE E E Geoscience and Remote Sensing Letters，2015，12（2）：229-233.

［67］W ang WQ.Space-time coding MIMO-OFDM SAR for highresolution imaging［J］.IE E E Trans.on Geoscience and Remote Sensing，2011，49（8）：3094-3104.

［68］H e F，M a X L，Dong Z，et al.Digital beamforming on receive in elevation for m ultidimensional waveform encoding SAR sensing［J］.IE E E Geoscience and Remote Sensing Letters，2014，11（12）：2173-2177.

［69］Zeng X N，Liu X X，Bai J，et al.Study of space borne SAR multidimensional waveform encoding technology based on azim uth m ulti-beams multi-phase centers［J］.Acta Electronica Sinica，2013，41（9）：1863-1869.（曾祥能，劉憲勛，白潔，等.基于方位向多波束-多相位中心的星載SAR多維波形編碼技術研究［J］.電子學報，2013，41（9）：1863-1869.）

［70］Zhang T X，Xia X G.OFDM synthetic aperture radar imaging with sufficient cyclic prefix［J］.IE E E Trans.on Geoscience and Remote Sensing，2015，53（1）：394-404.

［71］Zhang T X，Xia X G，Kong L J.IR CIfree range reconstruction for SA R imaging with arbitrary length O FD M pulse［J］.IE E E Trans. on Signal Processing，2014，62（18）：4748-4759.

Review of multi-input multi-output SA R waveform design and high resolution imaging

ZHAO Guan-hua，FU Yao-wen，NIE Lei，ZHUANG Zhao-wen
（College of Electronic Science and Engineering，National University of Defense Technology，Changsha 410073，China）

Multi-input multi-output synthetic aperture radar（MIM O-SAR），a new kind of radar regime，could obtain m ore equivalent observation channels than the number of the physical antennas by utilizing multiple transmitting and receiving antennas.Co m pare with traditional SAR regime，MIMO-SAR has significant potential on high-resolution wide-swath remote sensing，detection of slowly moving targets and three dimensionalimaging，etc.A n overview of the overseas and do mestic research status on MIMO-SAR waveform design and high resolution imaging techniques is presented in this paper.Key technologies including optimal orthogonal waveform design，azimuth imaging without am biguity and enhancing range resolution，are discussed.Finally，so me key issues to enhance the imaging performance of MIMO-SAR are introduced which deserve m ore attention in the future.

multi-input multi-output（MIMO）system；sythetic aperture radar（SAR）；orthogonal waveform design；high resolution imaging

T N 95

A

10.3969/j.issn.1001-506 X.2016.03.08

1001-506 X（2016）03-0525-07

2015-01-28；

2015--09-11；網絡優先出版日期：2015-11-18。

網絡優先出版地址：http：//www.cnki.net/kcms/detail/11.2422.TN.20151118.1208.008.html

國家自然科學基金（61401486）；湖南省研究生科研創新項目（C X2014B019）資助課題

趙官華（1989-），女，博士研究生，主要研究方向為MIMO-SAR波形設計、成像與運動目標檢測。

E-mail：ghzhao_nudt@sina.com

付耀文（1976-），男，研究員，博士，主要研究方向為雷達成像、信息融合。

E-mail：fuyaowen@sina.com

聶 鐳（1978-），男，副研究員，博士，主要研究方向為雷達目標檢測與識別。

E-mail：nielei@nudt.edu.cn

莊釗文（1958-），男，教授，博士，主要研究方向為雷達信號處理、自動目標識別。

E-mail：zhuangzhaowen@nudt.edu.com