正交波形波束形成(OWB)技术

[导读]对高分辨率合成孔径雷达(SAR)产品日益增长的需求成为使用多个发射和多个接收通道(也称为多输入多输出MIMO)SAR开发的驱动因素之一。这种新型传感器使得成像技术能够提高测量能力，并使它们与传统的SAR系统区别开来。在数字化之后，时间和频率变化数字波束成形(DBF)被应用于多通道...

对高分辨率合成孔径雷达(SAR)产品日益增长的需求成为使用多个发射和多个接收通道(也称为多输入多输出MIMO)SAR开发的驱动因素之一。这种新型传感器使得成像技术能够提高测量能力，并使它们与传统的SAR系统区别开来。
在数字化之后，时间和频率变化数字波束成形(DBF)被应用于多通道数据，在每个极化处，允许分离散射矩阵的四个极化分量。这种波形分离方法在下文中将称为正交波形波束形成(OWB)技术，因为通道的正交性通过波形的特殊结构与DBF结合来实现。

与点目标雷达应用相比，同时发射的水平和垂直极化之间的SAR波形正交性不仅需要单个时间实例，而且还需要由于雷达回波的大时间扩展而在信号之间的任意移位。原因在于在匹配滤波器的输出处存在同时发送的正交波形，这降低了SAR图像的质量。在脉冲压缩之后，这些干扰随时间扩展，但仍然存在于SAR信号中。

因此，传统的正交波形，编码和后处理技术将不能正确地用于精确的SAR成像。从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义的相关特性的类似线性调频的发射信号，并结合接收上的空间滤波。
适用于OWB技术的波形的一个例子是分段移位啁啾(SSC)波形。这些伪正交波形是啁啾的移位版本，其保持相同的调制速率但需要不同的子脉冲持续时间和带宽。在接收时，子脉冲可以组合成全带宽B和全脉冲持续时间的单个信号。图1中示出了伪正交波形的示例，其中针对两个发送信道在时域和时频域中绘制了啁啾和SSC信号。

图1 OWB技术中采用的分段移位啁啾(SSC)波形在指定时间范围内提供返回信号的正交性。
图2(a)显示了SSC波形的信号频谱。可以清楚地看到信号频谱中心的跳跃不连续性。它是波形开始和结束时的时域相位跳变的结果。反过来，这将导致范围压缩后的扭曲脉冲响应，因为不能再应用经典的逐渐变细。
因此，作者建议在SSC发射(Tx)波形中引入恒定的相位偏移。如果波形在波形的开始和结束处设计为零相位，则可以避免频谱内的不连续(参见图2(b))。

图2(a)第二个SSC波形的信号频谱内的跳跃不连续性。(b)具有恒定相位偏移的第二个SSC波形，以避免跳变不连续。
如图1所示，两个波形在时间帧0到τp/2和τp/2到τp中是正交的。在这些时间帧内，信号相关性为零。然而，当在整个时间帧0到τp上执行信号相关时，SSC波形将相关。因此，需要同时形成多个接收天线窄波束，每个波束遵循一段SSC波形，这有效地实现了空间滤波。
然而，因为在每个时刻至少两个段具有相同的频率内容，所以仍然不能提供DBF的唯一分离，并且需要额外的带通滤波。因此，在带通滤波之后，接收信号在段中被波束形成并且以在每个发送的极化处生成两个原始数据流的方式组合。因此，通过有效地实现频率和时变天线波束来实现改进的分离(参见图3)。

图3正交波形波束形成技术的后处理方案。在下变换和数字化之后，回波信号通过一组带通滤波器和两组时变DBF权重。出于说明目的，仅显示单个接收通道。
对于机载MIMO-SAR，除了DBF之外，还可以对接收的原始数据应用短时傅里叶变换以分离信道。与使用的FIR滤波器方法相比，这将导致更少的计算复杂度。