雙頻段多通道SAR寬幅成像技術研究

賀彩琴，孟　喆，雷萬明，劉光焱

(南京電子技術研究所，　南京 210039)

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雙頻段多通道SAR寬幅成像技術研究

賀彩琴，孟喆，雷萬明，劉光焱

(南京電子技術研究所，南京 210039)

摘要：現(xiàn)代星載海洋監(jiān)視雷達既需要高分辨率，又要有大成像幅寬能力。但分辨率和成像幅寬在常規(guī)合成孔徑雷達成像模式下往往不能同時兼顧。文中分析了二者之間存在矛盾的原因，提出一種能兼顧的雙頻段多通道解決方案，對其在工程實施中存在的關鍵技術進行了重點闡述，明確了技術實施途徑。通過機載實驗試飛，驗證了關鍵技術工程實施的有效性和可行性。

關鍵詞：高分辨率寬幅；合成孔徑雷達；方位模糊；頻譜重構(gòu)；多通道；偏置相位中心天線

0引言

合成孔徑雷達(SAR)是主動式微波成像雷達，因其成像不受時間和氣候條件的限制，使得它在軍民遙感領域，都得到了廣泛的應用。在遙感領域，同時獲得高分辨率和大觀測帶是各種應用所追求的目標，尤其是在軍事應用領域，通過大面積偵察、監(jiān)視快速獲取敵方的各種信息，對取得軍事勝利具有舉足輕重的作用。

面向海洋監(jiān)視的星載SAR既要對觀測區(qū)域進行大范圍掃描，迅速發(fā)現(xiàn)艦船、航母等海面目標，對其進行圖像定位；又要對關注區(qū)域的目標進行高分辨率成像，快速實現(xiàn)目標的分類與識別。因此，研制具備高分辨率、大幅寬的成像偵察設備，是星載海洋監(jiān)視雷達的功能需要，更是現(xiàn)代化戰(zhàn)爭對信息化、高精度偵查、監(jiān)視、探測設備提出的要求。目前高分辨率寬測繪帶SAR成了星載合成孔徑雷達研究領域的熱點。但是分辨率和成像幅寬在常規(guī)SAR成像模式下往往不能同時兼顧。

本文分析了二者之間存在矛盾的原因，提出了一種能兼顧的解決方案，明確了工程研制中的關鍵技術難點和解決途徑。機載試飛獲得的高質(zhì)量圖像，表明了該方案關鍵技術工程實施的有效性和可行性。

1問題的提出

條帶模式、掃描模式和聚束模式是常規(guī)星載合成孔徑雷達成像主要的三種模式[1]，因受雷達發(fā)射脈沖重復頻率和雷達發(fā)射功率以及雷達接收天線孔徑的限制， SAR圖像分辨率和成像幅寬存在不能兼顧的矛盾。

設Vs為衛(wèi)星在成像區(qū)域的投影速度，La為雷達天線等效方位向口徑，Bd為回波信號多普勒頻率帶寬，則方位向空間分辨率δaz可以等效表示為[1-2]

(1)

根據(jù)奈奎斯特采樣定理，雷達在方位向?qū)夭ㄐ盘柕牟蓸用}沖重復頻率(PRF)必須大于Bd，因此

(2)

(3)

為了保證接收信號不跨距離門，要求成像幅寬W必須滿足

(4)

式中：c為光速；θ為雷達入射角。由式(2)和式(4)可得到

(5)

由式(5)可見，成像幅寬與分辨率之比在常規(guī)SAR成像模式下不能大于某一固定值。為了提高方位向分辨率，從式(2)可知，需要減小方位向天線尺寸，或增大PRF。

如果減小方位向天線尺寸，雷達系統(tǒng)的方位向波束寬度增大，這將導致方位向瞬時信號帶寬增加，在系統(tǒng)設計時需相應選擇較大的脈沖重復頻率以滿足采樣定理的需求，此時相鄰脈沖間能夠用于接收地面目標回波信號的時間窗口大大減小，由此將導致無法實現(xiàn)較寬的測繪帶；另外，隨著方位向天線尺寸的減小，雷達系統(tǒng)的天線增益不斷減小，在相同發(fā)射平均功率的條件下，雷達系統(tǒng)的等效噪聲系數(shù)大大降低，進而影響成像質(zhì)量。

如果增大PRF，由式(2)、式(4)可知，可以提高方位向分辨率，但成像幅寬會變小。為了解決常規(guī)成像模式下成像分辨率和成像幅寬不能兼顧的難題，我們在系統(tǒng)研制時考慮了兩種方式來解決這一矛盾：(1)雙頻段共口徑的解決方案。兩個頻段照射不同的相鄰區(qū)域，成像時依據(jù)不同的輻射方向，采用投影成像算法，自動實現(xiàn)相鄰區(qū)域的拼接成像，實現(xiàn)大幅寬。(2)方位單發(fā)多收方案。即方位向3通道的系統(tǒng)解決方法，降低脈沖重復頻率，用通道方位向解模糊方法重構(gòu)方位多普勒帶寬，實現(xiàn)寬幅成像。

2寬幅成像體制的選擇

目前SAR領域?qū)崿F(xiàn)寬幅成像的雷達主要采取三種工作方式，如表1所示。掃描模式無法同時實現(xiàn)高分辨和寬幅成像；多波束模式需方位維、距離維同時加大天線口徑，帶來雷達質(zhì)量、功耗增加，系統(tǒng)靈敏度明顯降低，模糊度變差，要同時實現(xiàn)二維方向的多波束，增加了成像處理和工程實現(xiàn)的難度；而多基站組合模式需多顆衛(wèi)星組網(wǎng)，不但成本高，而且三同步和信號處理皆存在相當?shù)碾y度，目前工程上實現(xiàn)困難?；谏鲜鲆蛩?，綜合國內(nèi)外成像領域相關技術和短期內(nèi)工程實現(xiàn)的可行性，我們提出：在一個平臺上安裝兩個頻段雷達系統(tǒng)，不同頻段照射不同的區(qū)域，分別對各自區(qū)域成像，且區(qū)域之間相互有一定的重疊，成像后按幾何關系拼接形成大的寬測繪帶，如圖1所示；結(jié)合單頻段三通道一發(fā)或全發(fā)三收的方式，通過降低PRF、解方位模糊、重構(gòu)方位頻譜的方法實現(xiàn)寬測繪帶成像。

圖1　雙頻段組合寬測繪帶模式示意圖

雙頻段共口徑寬幅成像模式：針對海洋監(jiān)視成像的特殊性，考慮海洋目標的反射特性，海洋的大氣環(huán)境(云霧、雨衰等的影響)，海浪、海洋內(nèi)波、船的尾跡等目標的成像特性，以及SAR圖像中目標的分類與識別等因素，結(jié)合目前國內(nèi)外海洋SAR衛(wèi)星的頻段選擇，雙頻段高分辨寬幅成像雷達選擇L和C頻段作為其工作頻段，兩種波段頻率相隔較遠，不會存在嚴重的相干干擾，盡可能地避開嚴重的電磁兼容問題。成像時，兩個頻段照射相鄰的區(qū)域，同時發(fā)射與接收，采用結(jié)合校正結(jié)合投影成像算法進行成像，實現(xiàn)相鄰圖像的幾何校正與拼接，完成大幅寬成像。

單發(fā)多收寬幅成像模式[1-2]：選取C波段，方位維分成3個子陣，采用一個子陣發(fā)射或全陣面天線方位維展寬3倍后發(fā)射一個寬波束，用3個子陣同時接收回波信號。如發(fā)射脈沖重復頻率為PRF，則接受脈沖重復頻率等效為3倍PRF。這時接收脈沖的采樣率不均勻，要通過插值、升采樣等預處理方法，解方位模糊后再進行成像處理。

3關鍵技術問題解決

針對上述問題，我們研制了一套雙頻段寬幅成像雷達機載試驗系統(tǒng)，進行試飛成像試驗。通過機載試飛成像試驗，我們有效解決了以下技術難點：多通道幅相補償技術、方位解模糊頻譜重構(gòu)技術、天線相位中心偏置技術和雙頻段寬幅拼接成像技術，得到了高質(zhì)量的雙頻段拼接寬幅SAR圖像和方位多通道解模糊的SAR圖像。

3.1多通道幅相誤差補償

在高分辨率SAR系統(tǒng)中，受現(xiàn)有硬件技術條件限制，寬帶通道會存在不同程度的幅相誤差，幅相誤差既有線性相位誤差和常數(shù)相位誤差，還存在高次相位誤差。高次相位誤差是由于各個通道在帶寬較寬的條件下，頻帶的幅頻和相頻響應不理想導致的。這些原因都會引起接收后的信號在距離向上產(chǎn)生畸變，影響壓縮的效果。因此，偏置相位中心多通道SAR在頻譜重構(gòu)之前的距離壓縮過程中，必須補償各個通道的幅相誤差，使各通道的多普勒信號的幅頻特性相同，滿足頻譜重構(gòu)濾波器的條件。

多通道幅相誤差分兩步進行：第一步補償單個通道內(nèi)的高次相位誤差，第二步補償通道間的固定相位誤差。處理流程如下所示:

(1)幅度誤差估計：單個通道通過內(nèi)定標對接收信號進行距離快速傅里葉變換(FFT)，計算距離譜的平均幅度值a(f)，f為距離頻率，歸一化其幅度值就得到通道幅度誤差。

(2)相位誤差：通過內(nèi)定標對接收信號進行距離脈壓，時移點目標到時間零點消除時移因子，然后通過FFT變換到頻域，通過多個脈沖計算平均相位值φ(f)，即為通道相位誤差。

(3)通道間幅相誤差估計：利用exp[-φ(f)]/a(f)補償單個通道的高次相位誤差并距離脈壓。通過脈壓結(jié)果的幅度相關估計通道間時移ti，脈壓復信號的峰值之比估計固定幅度項Ai和固定相位項φi。

(4)構(gòu)造多通道中各個通道的幅相誤差補償函數(shù)

(6)

式中：i為對應通道數(shù)?；夭〝?shù)據(jù)距離壓縮時共軛相乘即完成通道誤差補償。

3.2多通道SAR系統(tǒng)方位解模糊頻譜重構(gòu)

對于方位多通道SAR系統(tǒng)，由于通過PRF的降低來實現(xiàn)寬幅成像，必定帶來多普勒的模糊。因此，多通道的成像首先需要解決方位的多普勒模糊問題。前面所述的多通道幅相誤差補償只是補償了其中的一項誤差。為了實現(xiàn)高精高質(zhì)量的成像，需要通過頻譜重構(gòu)對SAR的系統(tǒng)性誤差進行補償[3,6-7]。頻譜重構(gòu)的第一步是通過升采樣提高PRF。采用方位2倍升采樣后三個通道的回波可表示為

[X1,X2,X3]=[S,S1,S2]H

(7)

其中

[X1,X2,X3]=[X1(f,f1,f2),X2(f,f1,f2),X3(f,f1,f2)]

(8)

(9)

(10)

線性系統(tǒng)的傳遞函數(shù)H由頻率分量f、f1和f2組成，對H求逆H-1可表示為

[H1(f),H2(f1),H3(f2)]

(11)

由式(8)、式(9)和式(11)可知，無模糊多普勒信號Sr(f)可表示為

Sr(f)=[X1,X2,X3]H1(f)

(12)

偏移相位中心多通道SAR頻譜重構(gòu)處理過程如圖2所示：

(1)每個通道回波數(shù)據(jù)進行距離壓縮；

(2)采用距離多視互相關方法估計收發(fā)通道的多普勒質(zhì)心并作為整個SAR系統(tǒng)的多普勒質(zhì)心；

(3)方位2倍升采樣，然后進行方位快速傅里葉變換；

(4)根據(jù)多普勒質(zhì)心計算方位頻率f，由f分區(qū)域計算模糊頻率f1和f2。

(5)由式(10)計算傳遞函數(shù)H，式(10)、式(11)計算向量H1(f)，由式(12)重構(gòu)方位無模糊譜。

圖2　結(jié)合通道誤差補償?shù)念l譜重構(gòu)成像流程

3.3天線相位中心偏置方位多通道解模糊技術

根據(jù)上述提出的偏移相位中心多通道SAR頻譜重構(gòu)方法，分別進行點目標仿真和實測數(shù)據(jù)的成像實驗。在仿真時，采用一發(fā)三收模式，中間的天線用于發(fā)射信號，三個天線同時接收。為了使仿真具有普適性，仿真采用小斜視成像模式，斜視角為3°[3,5]。仿真結(jié)果如圖3所示，其中，a)圖為方位升采樣后的方位譜，包含有無模糊譜和模糊譜；b)圖為頻譜重構(gòu)后的無模糊方位譜，模糊頻譜分量已完全被抑制。

圖3　點目標仿真結(jié)果

試飛數(shù)據(jù)的處理見圖4。 a)圖是機載SAR三通道實測數(shù)據(jù)經(jīng)抽取變模糊的成像結(jié)果，可見圖像質(zhì)量較差，目標細節(jié)幾乎不能辨認； b)圖為進行方位頻譜重構(gòu)后的成像結(jié)果，此時成像效果良好，方位模糊的影響得到有效抑制。

在試飛錄取方位三通道成像數(shù)據(jù)時，由于研制試驗雷達考慮降低成本的要求，天線在載機上的安裝沒有使用伺服系統(tǒng)，試飛時載機飛行的平穩(wěn)性相差較大，記錄下來的多通道的數(shù)據(jù)之間存在一定的差異，而這種差異在多通道仿真時并不存在。經(jīng)過對數(shù)據(jù)進行詳細分析、仿真處理后，發(fā)現(xiàn)載機的飛行狀態(tài)變化和穩(wěn)定性以及多通道之間的基線距對成像有非常大影響，于是在成像處理時將通道誤差補償、基線校正、方位頻譜重構(gòu)相結(jié)合，具體的成像處理流程如圖5，方位解模糊成像處理效果明顯，獲得了較好的如圖4所示成像效果。

圖4　解模糊成像結(jié)果對比

圖5　多通道SAR數(shù)據(jù)處理流程圖

3.4雙頻段寬幅拼接成像技術

SAR成像算法中，ωK算法、距離-多普勒(RD)算法和壓縮感知(CS)算法是三種較常見的成像處理算法。為提高運算效率，RD算法和CS算法都作了不同程度的近似，當斜視角變大或孔徑變寬時，不能很好地補償距離-方位向的耦合現(xiàn)象。ωK算法不需要作任何近似，能完整地在二維頻率域處理數(shù)據(jù)，精確地處理距離-方位向的耦合，并且ωK算法在單頻段成像時能對成像結(jié)果作部分幾何校正。因此，我們首先選用ωK算法對單頻段數(shù)據(jù)進行成像處理，然后進行雙頻段圖像拼接[5]。

雙頻段拼接時需要對單頻段圖像進行距離和方位時移處理。雙頻段成像時當A、B兩點位于相同的方位位置時，由于到航線的最短距離不同，因此斜距不同，導致成像結(jié)果在坐標系中的X、Y坐標不同。實際同方位的A、B兩個區(qū)域，在單個頻段處理完后，相對位置為A、B′， 成像結(jié)果與成像幾何關系如圖6所示。雙頻段成像時需先通過從B′向B方向進行方位時移，再從B向A方向進行距離時移處理來實現(xiàn)圖像拼接。虛框表示兩個頻段輻射重疊區(qū)域。

圖6　距離和方位時移圖

雙頻段圖像處理步驟如下：

(1) 將接收回波信號作頻譜重構(gòu)和運動補償；

(2) 對重構(gòu)和補償后的信號作二維快速傅里葉變換將信號變換到二維頻域；

(3) 參考函數(shù)相乘，參考函數(shù)處目標完全聚焦，非參考函數(shù)處目標部分聚焦；

(4) Stolt插值，完成其他目標的聚焦；

(5) 通過二維逆傅里葉變換將信號變換到時域，即圖像域，得到單頻段SAR圖像；

(6) 根據(jù)兩幅圖像中心距離計算方位位置差，通過方位時移將雙頻段圖像在方位向?qū)R；

(7) 根據(jù)兩幅圖像的中心距離計算距離位置差，兩幅圖像分別沿距離向截取相應長度的像素點，使兩個中心之間的像素點對應的距離等于距離向之差，據(jù)此進行距離時移；

(8) 將拼接后的圖像量化，得到雙波段拼接圖。

采用上述方法，對試飛相鄰區(qū)域成像和拼接成寬幅圖像結(jié)果如圖7所示。a)和b)分別為分辨率為1.5 m的L頻段和C頻段相鄰區(qū)域同時成像結(jié)果，c)為L/C雙頻段1.5 m拼接成寬幅圖像結(jié)果。從成像結(jié)果可見：L頻段的成像似乎更顯“粗糙”、C頻段的成像似乎更顯“細膩”，這是不同頻段對目標的照射后，其反射特性不同造成的，其拼接實現(xiàn)的大的測繪帶成像，達到了預期目的。

圖7　L/C雙頻段1.5 m拼接成像

4結(jié)束語

高分辨、寬測繪帶SAR成像是當今SAR領域研究的一個重要內(nèi)容和發(fā)展方向，也是海洋偵察、監(jiān)視的重要方法之一，受到各國軍事應用研究的重視。本文介紹了為滿足下一代高分辨、寬幅海洋偵查監(jiān)視的需要而研制的雙頻段SAR機載試驗雷達系統(tǒng)，以及在工程研制中遇到的方位多通道幅相一致性及其補償技術、雙頻段寬幅拼接成像技術和方位多通道偏置相位天線解模糊成像等關鍵技術問題和解決途徑。通過機載試飛和獲得的寬幅、高分辨率SAR圖像，驗證了利用雙頻段共口徑機制和方位單發(fā)多收技術實現(xiàn)寬幅高分辨率成像的可行性。這種技術不僅適用于軍事偵查上，也適用于民用的海洋救助和海情監(jiān)視上，為SAR的海洋寬測繪帶成像應用提供了一種可行的技術途徑。

參 考 文 獻

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賀彩琴女，1967年生，本科，高級工程師。研究方向為雷達軟件總體與數(shù)據(jù)處理。

孟喆女，1982年生，碩士，工程師。研究方向為合成孔徑雷達系統(tǒng)、SAR信號處理及SAR系統(tǒng)新體制。

·信號/數(shù)據(jù)處理· DOI：10.16592/ j.cnki.1004-7859.2015.11.008

A Study on Technology of Wide-swath Imaging

for Two Bands and Multi-channels SAR

HE Caiqin，MENG Zhe，LEI Wanming，LIU Guangyan

(Nanjing Research Institute of Electronics Technology,Nanjing 210039, China)

Abstract：Modern spaceborne ocean surveillance radar has the requirements of high resolution and wide-swath imaging functions, but these two features can't be addressed at the same time on synthetic aperture radar normal imaging modes.The reason for this dilemma is analyzed in this paper,and a solution of two bands and multi-channels to this problem is presented, the key techniques on its engineering realization are described in detail and the implementing methods are proposed. The imaging results of live data by flight test demonstrate the feasibility and validity of these realizable techniques.

Key words：high-resolution and wide-swath；synthetic aperture radar；azimuth ambiguity；frequency spectrum reconstruction；multi-channels；displaced phase center antenna

收稿日期：2015-07-27

修訂日期：2015-09-21

通信作者：賀彩琴Email：janehoe@126.com

中圖分類號：TN957

文獻標志碼：A

文章編號：1004-7859(2015)11-0027-05