编队卫星SAR空时信号处理研究

编队卫星合成孔径雷达（SAR）可以较好地解决高分辨率和大测绘带宽之间的矛盾，可以同时获得宽域、高方位分辨率的地面场景SAR图像，且能大大提高对地面慢速移动目标的检测能力。本项目利用多颗具有SAR功能的小卫星构成广义的多输入多输出（MIMO）系统，利用MIMO空域合成方法，对发射和接收信号进行联合处理以获得编队卫星SAR高分辨率图象。针对分布式小卫星SAR的信道特点，对广义MIMO信道进行建模；研究广义MIMO信道模型下编队卫星SAR的模糊函数，并对模糊函数进行仿真，得出基于模糊函数的编队卫星SAR距离/方位分辨率；对不同小卫星SAR的回波信号进行空域合成，提高成像分辨率；研究编队构形对成像的影响，提出最优编队构形方法；建立编队卫星SAR空时信号处理软件仿真平台。本项目的研究具有理论意义，为分布式小卫星SAR的实际应用提供指导。

传统单星SAR受距离向和方位向多普勒模糊的限制，难以同时满足高分辨率和大测绘带宽的成像要求，而编队卫星SAR可以较好地解决该问题，利用多颗卫星距离向和方位向的频谱差异，对频谱进行合成来同时满足高分辨率和大测绘带宽的SAR图像要求。本项目围绕利用编队卫星SAR提高分辨率和测绘带宽的目标展开研究，包括编队卫星SAR的广义MIMO信道模型，编队卫星SAR距离向/方位向分辨率，编队卫星SAR成像算法，编队构形对成像的影响，编队卫星SAR系统MIMO信号处理软件仿真平台。取得的研究成果包括：参考3GPP TR25.996协议，并考虑分布式星载SAR系统下行链路的实际传输环境，建立了分布式星载SAR系统下行链路的MIMO信道模型。考虑地球自转、地球曲率及卫星轨道等因素，建立了星载SAR卫星绕地飞行模型，推导了星载SAR模糊函数的表达式，地球自转会使星载SAR的模糊函数分辩单元轴向有一定的偏转，而地球曲率会影响模糊函数所表示的分辨率。提出了场景中心偏移的偏航导引方法，修正了多发多收编队卫星SAR回波信号的中心多普勒偏移，降低了成像算法的复杂度；建立了场景中心偏移的编队卫星SAR回波信号模型和方位向非均匀采样模型，并基于该模型提出了一种方位周期性非均匀采样频谱重构方法，有效解决了因非均匀采样导致的频谱畸变和图像模糊问题；基于对不同传输路径的误差补偿和对方位向非均匀采样的频谱重构，提出了编队卫星SAR的成像处理方法，并基于OCD-LFM发射波形实现了编队卫星SAR的无模糊成像；为减轻编队卫星SAR对稀疏场景回波信号的采集与传输负担，提出了编队卫星SAR一维压缩感知成像方法和编队卫星SAR二维压缩感知方法，分别从时间维和空间维降低了成像所需数据量，并得到了高质量的成像结果。分析推导了直线编队和圆形编队方位向和距离向分辨率，以及与卫星基线之间的关系。当基线满足一定条件时，方位向和距离向分辨率均和卫星数量有关系，圆形编队可以同时提高方位向和距离向分辨率，而直线编队只能提高方位向分辨率。此外，根据该领域国内外最新发展状况，还拓宽了研究范围，包括：编队卫星SAR发射信号波形的优化设计，星载SAR回波信号模拟，编队卫星SAR的模糊函数，以及星载SAR海杂波检测等技术。本项目所取得的研究成果将有助于推动编队卫星SAR系统走向实用化，为以后立项提供技术支撑。