[01439547]近空间飞行器载MIMO SAR高分辨率、宽测绘带遥感成像机理与方法

1、项目来源和背景 该项研究工作得到国家自然科学基金青年基金的资助,项目编号为41101317。合成孔径雷达不仅在军事上得到了广泛的应用,在民用领域也有广泛的应用,尤其是与空时编码结合后,具有更好的成像性能,得到了国内外学者的极大关注。 2、研究目的和意义 SAR已经成为一种重要的微波遥感手段,但传统单天线SAR在高分辨率和宽测绘带两个指标间存在相互制约关系,为此本项目拟主要研究空-时编码MIMO（Multiple-Input Multiple-Output） SAR成像理论与方法,及其在高分辨率宽测绘带和地面运动目标检测与成像方面的应用基础研究。其研究成果主要可用于自然植被和作物观测、地质勘探、海洋观测、识别人为目标、海浪和大风的预报和军事等重要的领域。 3、主要的创新点和依据 该项目申请发明专利5项,发表受本项目资助的学术论文23篇（其中SCI检索20篇）,并出版英文学术专著一部。主要创新点体现在以下4个方面： 1)MIMO SAR空-时联合编码方法 I)提出了三种具有大时间-带宽积的MIMO SAR波形复用设计方法,包括基于Chirp复用调制的MIMO SAR波形设计方法,该方法发表在领域内的国际著名SCI期刊《IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters》;基于调频率复用的MIMO SAR波形设计方法,该方法发表在著名SCI期刊《IEEE Sensors Journal》;以及采用数学优化的OFDM-chirp波形复用设计方法,该方法发表在国际SCI期刊《Multidimensional Systems and Signal Processing》。这些波形设计方法解决了MIMO SAR成像面临的正交波形数量少和时间-带宽积小的工程实现困难问题,为MIMO SAR成像的实用化奠定了基础。 II)提出了一种基于随机矩阵调制的空-时-频编码MIMO SAR波形设计方法,该方法发表在领域内顶级SCI期刊《IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing》。 III)分别完成了采用本项目提出的波形情况下的MIMO SAR回波建模与仿真,着重采用雷达模糊函数对这些波形的成像理论性能做了比较分析,指出基于OFDM-chirp的波形复用设计方法是一种最为有效和实用的MIMO SAR波形,为研究MIMO SAR成像算法奠定了基础。 2)空-时编码MIMO SAR信号处理与成像算法 I)提出了一种采用反卷积拟滤波的MIMO SAR回波信号的相干化处理算法,该算法能够大幅度地抑制波形之间的互干扰成分,相关结果发表在国际2区SCI期刊《Remote Sensing》。 II)系统性地研究了MIMO SAR方位向多通道信号处理算法,相关结果发表在国际著名的CRC出版社出版。 III)提出了基于Chirp-Scaling变换的MIMO SAR多通道信号处理算法,包括距离误差校正和高精度聚焦处理算法。 3)基于MIMO SAR的高分辨率宽测绘带成像方法 I)提出了基于MIMO-OFDM SAR的高分辨率、宽测绘带成像方法,为解决SAR成像中的高分辨率与宽测绘带矛盾问题提供了新的理论依据和有效途径。该方法发表在领域内著名SCI期刊《IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine》。 II)提出了针对高分辨率宽测绘带成像的信号处理算法,发表在国际SCI期刊《Journal of Applied Remote Sensing》。 III)提出了针对MIMO SAR高分辨率宽测绘带成像的高精度Chirp-Scaling算法,相关结果“Large-area remote sensing in high-altitude high-speed platform using MIMO SAR”发表在领域内顶级SCI期刊《IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing》。 4)基于MIMO SAR的运动目标检测与成像方法 I)提出以一种基于双天线的地面运动目标检测方法,具有良好的杂波抑制能力,并能实现良好的地面运动目标指示。该方法发表在领域内著名SCI期刊《IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters》。 II)提出了一种基于多通道和波形与载频复用的MIMO SAR地面运动目标参数估计方法,很好地解决了运动目标速度、位置和多普勒参数联合估计问题,该方法发表在领域内顶级SCI期刊《IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observation and Remote Sensing》。 III)探索性地提出了一种基于分数阶傅里叶变换的SAR地面运动目标检测和高分辨成像协同进行的新方法,初步研究结果“Simultaneous SAR imaging and GMTI by fractional Fourier transform processing”发表在领域内顶级国际EI会议《IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium》。 4、社会效益和存在的问题 本项目研究有助于探明MIMO SAR遥感成像机理,有助发现新的现象和建立新的遥感成像概念;有助于建立和完善MIMO SAR系统理论、信号模型和成像处理算法等核心问题,可为MIMO SAR实用化提供理论依据,对推动微波遥感技术的进一步发展具有积极意义。 但是为了将MIMO SAR成像技术实用化,有必要进一步开展MIMO SAR的外场试验验证研究,但由于受试验平台和研究经费限制,希望后续能有条件进一步开展这方面的外场试验研究。