用于机载MIMOSAR回波分离的鲁棒自适应波束形成方法技术

本发明专利技术公开的一种用于机载MIMO SAR回波分离的鲁棒自适应波束形成方法，其包括以下步骤：1)采用多发射机发射短时移位正交波形，并利用俯仰多通道系统同时接收多种发射波形回波；2)对各信号分量的来向区域进行划分，并根据俯仰维空域快拍估计样本协方差矩阵，计算Capon功率谱；3)利用Capon功率谱对干扰加噪声协方差矩阵(Interference Pulse Noise Covariance Matrix,IPNCM)进行重构，剔除协方差矩阵中的期望信号分量；4)对期望信号的协方差矩阵进行重构，进而估计出该信号的导引矢量；5)根据IPNCM和期望信号导引矢量计算最优权矢量，实现回波分离。该方法可以获取较高的输出信干噪比，并且在低信噪比以及导向矢量失配的情况下，仍可实现MIMO SAR体制中的回波分离，具有较好的鲁棒性和广泛的应用前景。具有较好的鲁棒性和广泛的应用前景。具有较好的鲁棒性和广泛的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
用于机载MIMO SAR回波分离的鲁棒自适应波束形成方法


[0001]本专利技术涉及一种用于机载MIMO SAR回波分离的鲁棒自适应波束形成方法，该技术主要思想是由于各种信号分量的入射角度不同，在俯仰空域实现对模糊能量的抑制，属于机载MIMO SAR成像
和阵列信号处理


技术介绍

[0002]近年来，MIMO技术在雷达领域引起了广泛关注。MIMO技术最早应用于通信领域，用于克服由多径引起的信道衰落问题，从而提高信道的通信容量。将MIMO技术应用于雷达领域，通过在发射端发射多组正交波形，在接收端利用多天线接收，采用虚拟阵列技术可等效增加观测通道数量，从而提高系统的自由度，显著提高雷达的探测能力。考虑到MIMO技术的诸多优势，Ender率先将MIMO体制应用于SAR中，可突破传统SAR系统的技术局限，有效解决传统体制面临的高分辨率宽测绘带(High Resolution Wide Swath,HRWS)成像，地面动目标检测(Ground Moving Target Indication,GMTI)以及复杂电磁环境下SAR成像等诸多难题。
[0003]在MIMO SAR体制中，每一接收机收集到的回波信号均来自于所有的发射波形，要想充分发挥MIMO SAR的优势就需要对各发射波形的回波进行分离。由于同频完全正交的波形并不存在，发射波形间的耦合影响必然存在，由波形互耦引起的模糊能量会在成像场景中进行累积从而大大提高SAR图像的背景噪声电平，严重影响成像质量。如何抑制由非完全正交波形引起的模糊能量，实现对各发射波形回波信号的分离是MIMO SAR领域面临的主要挑战。
[0004]通常而言，MIMO SAR领域的波形分离体制主要有以下几种：1)时分复用(Time
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Division Multiplexing,TDM)波形；2)频分复用(Frequency
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Division Multiplexing,FDM)波形；3)码分复用(Code
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Division Multiplexing,CDM)波形。由于时间的划分，TDM波形会大大增加总脉冲宽度且降低系统的脉冲重复频率(Pulse Repetition Frequency,PRF)。为避免多普勒模糊，TDM波形需要有足够高的等效PRF从而引起测绘带宽度的削减。FDM波形会降低波形间的相关性，从而影响后续各发射波形回波数据的相干处理。此外，FDM波形的设计会大大增加系统的复杂度，并不适用于机载MIMO SAR体制。在CDM机制中，多维编码波形，如空时编码(Space Time Coding,STC)波形，利用Alamouti码对发射机进行编码并对接收机进行解编码，虽然解决了上述问题，但STC波形需要较高的PRF实现回波信号的分离。近年来，Krieger提出的STSO波形广受欢迎，该波形在一定时延内可以满足波形正交，而STSO波形在超出时延部分的互相关能量不为0，此时需要俯仰维DBF技术对其进行抑制。STSO波形具有系统实现简单，波形间正交性好等优势。利用STSO波形进行宽测绘带成像时，俯仰维DBF技术的处理性能显得尤为重要。
[0005]目前，已有学者提出基于最小二乘(Least Square,LS)准则的DBF处理技术，通过计算得到理论权矢量实现STSO体制中的回波分离，该方式实现简单且计算复杂度低。类似地，根据已知的期望信号和干扰信号的波达角(Direction of Arrival,DOA)，可利用基于
线性约束最小方差(Linear Constrained Minimum Variance,LCMV)准则的波束形成器对俯仰空域的干扰信号进行抑制。此外，考虑到回波中各种因素(如低信噪比(Signal
‑
to
‑
Noise Ratio,SNR))的影响，在波束形成器上施加过多约束可能会影响DBF处理的性能。鉴于此，可通过样本矩阵求逆(Sample Covariance Inversion,SMI)的方式，获取DBF处理中的加权矢量。然而，以上基于确定性信息的DBF技术在实际处理中可能给会导致重要信息的丢失。例如，当成像场景区域存在地形起伏时，利用确定性信息进行DBF处理时会导致主瓣和零陷的指向存在误差，进而导致期望信号增益下降以及干扰信号抑制不足等问题，甚至会产生信号
‘
自消
’
现象，如LCMV和SMI波束形成器。为克服DOA失配问题，已有文献提出在主波束和干扰波束的指向上施加一阶导数约束，以展宽主波束和零陷，从而增高DBF的鲁棒性能。然而，基于一阶导数约束的DBF技术需要较多的系统自由度，由于机载MIMO SAR俯仰维空间有限，该技术并不适用于基于机载平台的STSO波形分离。此外，已有文献介绍了一种基于特征空间(Eigenspace
‑
Based ESB)的鲁棒DBF方法，利用MUSIC确定各种分量的准确DOA，然后再基于LCMV准则对回波信号进行DBF处理。一方面，该方法进行协方差矩阵估计时并未剔除期望信号成分，导致波束形成器的输出SINR下降；另一方面，SNR较低时DOA估计性能下降，且该波束形成器可能产生的较高副瓣增益会导致图像质量下降；

技术实现思路

[0006]在多种因素影响下，机载MIMO SAR回波分离中的DBF性能下降，从而影响最终的回波分离效果，导致图像质量恶化。为解决此问题，本专利技术提出一种用于机载MIMO SAR回波分离的鲁棒自适应波束形成方法。
[0007]本专利技术公开的一种用于机载MIMO SAR回波分离的鲁棒自适应波束形成方法，包括以下步骤：
[0008]1)采用多发射机发射STSO波形，并利用MIMO SAR俯仰多通道系统同时接收多种发射波形回波；
[0009]2)对各信号分量的来向区域进行划分，并根据俯仰维空域快拍估计样本协方差矩阵，计算Capon功率谱；
[0010]3)利用Capon功率谱对IPNCM进行重构，剔除协方差矩阵中的期望信号分量；
[0011]4)对期望信号的协方差矩阵进行重构，进而估计出期望信号的导引矢量；
[0012]5)根据IPNCM和期望信号导引矢量计算最优权矢量，利用最优权矢量对空域快拍信号进行处理，实现回波分离。
[0013]进一步的，所述步骤1)中采用多发射机发射STSO波形，并利用MIMO SAR俯仰多通道系统同时接收多种发射波形回波过程为：采用STSO机制产生多种部分正交波形，该发射波形可保证在一定时延内相互正交。该正交波形通过多个发射机进行发射，并利用俯仰多通道接收系统同时记录所有发射波形的回波。在STSO机制中，由于各发射波形间并非完全正交，因此需要利用数字波束形成(Digital Beamforming,DBF)技术对回波中的干扰分量进行进一步抑制。
[0014]进一步的，所述步骤2)中对各信号分量的来向区域进行划分，并根据俯仰维空域快拍估计样本协方差矩阵，计算Capon功率谱过程本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于机载MIMO SAR回波分离的鲁棒自适应波束形成方法，其特征在于：包括以下步骤：1)采用多发射机发射短时移位正交STSO波形，并利用多输入多输出合成孔径雷达MIMO SAR俯仰多通道系统同时接收多种发射波形回波；2)对各信号分量的来向区域进行划分，并根据俯仰维空域快拍估计样本协方差矩阵，计算Capon功率谱；3)利用Capon功率谱对IPNCM进行重构，剔除协方差矩阵中的期望信号分量；4)对期望信号的协方差矩阵进行重构，进而估计出期望信号的导引矢量；5)根据IPNCM和期望信号导引矢量计算最优权矢量，利用最优权矢量对空域快拍信号进行处理，实现回波分离。2.根据权利要求1所述的一种用于机载MIMO SAR回波分离的鲁棒自适应波束形成方法，其特征在于：所述步骤1)中采用多发射机发射STSO波形，并利用MIMO SAR俯仰多通道系统同时接收多种发射波形回波过程为：采用STSO机制产生多种部分正交波形，该发射波形可保证在一定时延内相互正交；该正交波形通过多个发射机进行发射，并利用俯仰多通道接收系统同时记录所有发射波形的回波；在STSO机制中，由于各发射波形间并非完全正交，因此需要利用数字波束形成DBF技术对回波中的干扰分量进行进一步抑制。3.根据权利要求1所述的一种用于机载MIMO SAR回波分离的鲁棒自适应波束形成方法，其特征在于：所述步骤2)中对各信号分量的来向区域进行划分，并根据俯仰维空域快拍估计样本协方差矩阵，计算Capon功率谱过程为：为实现后续的IPNCM重构和期望信号导引矢量估计...

【专利技术属性】
技术研发人员：王宇，朱岱寅，金国栋，喻庆豪，牛世林，程远，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：