雙/多基地SAR成像研究進展與趨勢及其關鍵技術

蔡愛民,王燕宇

(1.中國電子科技集團公司 第三十八研究所,安徽 合肥 230088；2.孔徑陣列與空間探測重點實驗室,安徽 合肥 230088)

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雙/多基地SAR成像研究進展與趨勢及其關鍵技術

蔡愛民1、2,王燕宇1、2

(1.中國電子科技集團公司 第三十八研究所,安徽 合肥 230088；2.孔徑陣列與空間探測重點實驗室,安徽 合肥 230088)

對國內外雙/多基地合成孔徑雷達(SAR)研究進展、趨勢及其關鍵技術進行了綜述。簡述了雙/多基地SAR成像的特點和研究意義，介紹了雙基地SAR研究的進展：國外已通過地面、機載試驗和在軌衛(wèi)星等途徑驗證了雙基地SAR成像在慢速目標檢測、干涉測量和前視成像等領域的優(yōu)勢；國內對成像、同步等開展了針對性的試驗，并獲得了成像結果，但還處于有限的理論研究和試驗分析階段。歸納了雙/多基地SAR成像技術理論體系不斷完善、發(fā)展分支不斷交叉、體系化和天空地一體化發(fā)展的趨勢。針對雙/多基地SAR成像的不同點，認為構型設計、同步技術、實時成像算法和體系化網絡構建是雙/多基地SAR成像的關鍵技術。建議在航天技術逐漸成熟的大背景下，以技術的發(fā)展趨勢為導向，積極開展雙/多基SAR關鍵技術研究，拓展雙/多基地SAR系統(tǒng)的發(fā)展空間，使其優(yōu)勢真正走向實用化。

雙/多基地SAR成像； 異構平臺； 構型； 同步； 實時； 成像算法； 觀測網絡

0 引言

SAR是現(xiàn)代雷達技術發(fā)展的主要成就之一，雙/多基地SAR也稱雙/多站SAR，是指SAR系統(tǒng)的發(fā)射和接收分系統(tǒng)在空間上分置于不同的平臺上，發(fā)射系統(tǒng)以一定脈沖重復頻率提供觀測區(qū)域的照射信號，接收系統(tǒng)接收地面回波并完成成像處理等任務，其中多基地SAR包括發(fā)射系統(tǒng)1個和接收系統(tǒng)多個。與單基地SAR系統(tǒng)相比，雙基地SAR系統(tǒng)幾何關系配置靈活、圖像信息豐富，在干涉測量、地面運動目標檢測、3D成像、提高雷達系統(tǒng)安全性和抗電子干擾能力等方面具有潛在的體制優(yōu)勢，在民用和軍用領域均有很好的應用前景[1-2]。對監(jiān)視系統(tǒng)來說，基于同步照射和雙基地無人機或衛(wèi)星接收的廣域監(jiān)視設想，實現(xiàn)對空中動目標顯示(AMTI)和地面動目標顯示(GMTI)有其重要意義。

就雙/多基地SAR構成而言，根據(jù)搭載發(fā)射和接收系統(tǒng)的平臺，主要包括：機載雙/多基地SAR， SAR的發(fā)射和接收系統(tǒng)分別裝載于不同的飛機平臺上；星載雙/多基地SAR，SAR的發(fā)射和接收系統(tǒng)裝載于不同的衛(wèi)星平臺上；星機雙/多基地SAR，SAR的發(fā)射系統(tǒng)置于衛(wèi)星(飛機)平臺上，以飛機(衛(wèi)星)作為接收平臺；地機雙/多基地SAR，SAR的發(fā)射系統(tǒng)置于陸基平臺上，而接收系統(tǒng)位于空中平臺上，或發(fā)射位在飛機平臺，接收在陸基平臺。同類平臺的雙基地SAR系統(tǒng)構建相對簡單，不同類平臺(即異構平臺)因為平臺運動特點的差異，系統(tǒng)較復雜。從目前的發(fā)展來看，雙基地SAR成像涉及系統(tǒng)的同步，而機載、地面臨時架設站的方式易實現(xiàn)，一般作為驗證的有效手段，但運行成本高。由于航天平臺軌道的穩(wěn)定性和在軌運行的長期性，隨著航天技術的飛速發(fā)展，國際上基于星載平臺的雙基地SAR系統(tǒng)研究已漸成主流。本文對雙/多基地SAR成像研究的進展、趨勢和關鍵技術進行了綜述。

1 國內外研究進展

隨著國內外相關研究的進展，雙基地SAR系統(tǒng)在理論和工程實現(xiàn)上已切實可行，并顯現(xiàn)出單基地SAR系統(tǒng)難以比擬的優(yōu)勢。隨著越來越多的星載SAR衛(wèi)星升空，將為雙基地SAR系統(tǒng)提供更廣闊的發(fā)展空間。

1.1 國外

SAR的發(fā)展雖有50多年歷程，但有關雙基地SAR的技術研究則始于20世紀70年代末，至80年代初陸續(xù)提出了雙基地SAR的設想。美國的Goodyear，Xoniccs公司曾于1979年與美國空軍簽訂了戰(zhàn)術雙基地雷達驗證(TBIRD)計劃合同，在試驗中獲取了雙基地SAR圖像并成功發(fā)現(xiàn)了慢速運動目標，發(fā)現(xiàn)了隱蔽在樹林中以速度0.6 m/s移動的坦克[3]。鑒于雙基地SAR系統(tǒng)的復雜性，直到20世紀末仍以理論研究為主，一直處于探索階段。

跨入21世紀，加拿大、德國、意大利先后發(fā)射了Radarsat，Terrasa，Cosmo-SkyMed系列雷達衛(wèi)星[4-6]。典型的有Tandem-X，TanDEM-L系統(tǒng)；AFRL的Techsat21系統(tǒng)；ESA的干涉系統(tǒng)；意大利的BISSAT計劃；美國的GLORIA系統(tǒng)計劃等[7-12]。其中Cosmo-SkyMed星在汶川地震中提供了及時的震后災情評估數(shù)據(jù)，顯示了星座體制多平臺觀測的優(yōu)勢[13-14]。除時效性外，干涉測量還顯現(xiàn)出星座體制的優(yōu)越性，并獲得了大量的研究結果[6]。

由公開的研究成果可知：德國在雙基地SAR成像中的進展最為堅實。從2003年開始，應用科學研究院(FGAN)用試驗驗證了雙基地SAR成像的有效性，2007年星機聯(lián)合雙基地SAR實驗成功獲得了世界上第一幅星機聯(lián)合雙基地SAR成像結果；2009年進行了一次星機聯(lián)合前視雙基地SAR系統(tǒng)的成像實驗，利用遙感雷達衛(wèi)星TerraSAR-X和機載PAMIR作為系統(tǒng)的發(fā)射/接收系統(tǒng)，驗證了前視成像的可行性[15-17]。繼而在2010年底，用TerraSAT，TanDEM星載雙基地模式獲得了全球相對高程精度2 m、定位精度12 m結果(如圖1所示)[6]。TerraSAR，TanDEM星不僅完成了星基平臺的雙基地觀測，而且還進行了星機異構平臺間觀測，驗證了異構平臺間的觀測能力。

圖1 TerraSAR，TanDEM雙基地全球相對高程誤差數(shù)據(jù)處理結果Fig.1 Relative height error map for the first global acquisition by TerraSAR and TanDEM

1.2 國內

電子科技大學對雙基地成像算法和前視成像進行了大量開創(chuàng)性的研究，并完成了相關的機載試驗[18-19]。中科院電子所與國外合作開展了系統(tǒng)的雙站SAR試驗，包括同步、雙站成像、單航過雙站成像、多航過雙站成像和雙站DBF技術[20]。此外、西安電子科技大學、北京理工大學等高校也在理論研究和試驗分析等方面取得了有價值的試驗成果。但國內更多的是從成像算法等方面開展研究，工程性的試驗研究較少。

中國電科集團38所針對雙/多基地SAR系統(tǒng)的研究方向，開展了雙基地SAR總體技術研究，突破了系統(tǒng)總體構型設計、運動多站間的三大同步、雙基地SAR信號分析與成像處理，以及雙基地SAR系統(tǒng)性能評估等關鍵技術，通過分階段的驗證試驗，開展了雙基地SAR系統(tǒng)技術的應用研究[21]。2010年成功進行了在線同步的地機雙基地SAR飛行試驗，獲得了國內第一幅在線同步的雙基地SAR飛行試驗圖像(如圖2所示)。由于不同雙基地的目標RCS不同，由圖2可知雙基地SAR圖像中地物層次感較明顯，而單基地SAR圖像中基本無法發(fā)現(xiàn)明顯的地物輪廓(圖中白圈標識處)。

圖2 雙基地與單基地SAR成像結果比較Fig.2 Differences between BiSAR image and mono-SAR image

2 發(fā)展趨勢

2.1 雙/多基地SAR理論技術發(fā)展與突破

由于收發(fā)分置的特點，與單基地SAR相比，雙/多基地SAR系統(tǒng)理論和技術的難度和復雜度明顯增加。目前，國際上主要對其成像機理、成像算法、同步技術、構型優(yōu)化設計和散射機理等進行了研究，而對成像理論研究則是最多的[5、16、22-26]。雖然時域BP算法是一種精確的聚焦方法，但其高運算量和對平臺運動軌跡測量精度的高要求迫使研究者分別從頻域和RD域探討高效成像算法，并取得了卓有成效的成果。在成像機理方面，對分辨率理論進行了重點研究，提出了基于梯度的分析方法和基于模糊函數(shù)的分析方法，但對模糊理論，特別是第二類模糊問題的研究尚不充分。目前的成像結果基本是通過后處理獲得，某些領域的應用還必須解決高效的實時算法。

從研制歷程看，國際上雙/多基地SAR成像的研究經歷了成像實現(xiàn)(離線同步、后處理成像)→在線同步(后處理成像)→在線成像(在線同步、在線成像)→異構平臺間成像的發(fā)展道路，使雙/多基地SAR成像真正走向實用化，具備了面向復雜應用的理論和工程應用基礎。

2.2 更多發(fā)展分支交叉形成

美國是最早研究雙/多基地SAR的國家，由于軍事戰(zhàn)略調整和軍費削減，很多計劃被紛紛取消，但其理論技術儲備并未停止。目前，德、法、意、英、西班牙等歐洲國家在雙/多基地SAR中的研發(fā)進展井然有序，特別是德國(DLR，F(xiàn)GAN，ZESS)的進展最快，進步最大。這些國家的研究思路較明確，搭建機載試驗系統(tǒng)加快實用化進程。目前已衍生出兩個分支，第一個發(fā)展方向是星載雙/多基地(如德、法、意、加拿大)，另一個則是基于外輻射源的雙/多基地SAR(如俄羅斯、德、意、英、西班牙、瑞典、澳大利亞等)[27]。

隨著機載試驗平臺試驗技術的成熟，雷達新技術、數(shù)字技術被移植到雙站SAR成像中，以及將DBF，MIMO技術用于雙/多基地SAR系統(tǒng)中[20、28]。充分利用數(shù)字化技術，實現(xiàn)資源、硬件和信息的共享，實現(xiàn)低成本和高性能，成為技術發(fā)展的新趨勢。

2.3 體系化發(fā)展成為趨勢

目前在軌運行的基于星座體制的天基觀測平臺的特點有：

a)成像體制可繼承。按技術的進步路線，先發(fā)射功能性衛(wèi)星，再提高性能。Radarsat-2，TanDEM星的性能指標都較各自的第一顆衛(wèi)星有很大程度的提高，但成像體制基本一致，系統(tǒng)指標具繼承性，兩者可協(xié)同工作。

b)系統(tǒng)指標能滿足協(xié)同工作要求。以TanDEM為例，因在研制路線中采用了長遠規(guī)劃，平臺間的作用距離、軌道條件、同步鏈路能滿足雙基地工作模式的要求。

基于TerraSAR-X，TanDEM-X雷達衛(wèi)星的TanDEM-X計劃能提供單航過全極化干涉SAR數(shù)據(jù)，并可作為半有源系統(tǒng)模式工作[6]。工作于L波段的TerraSAR-L，TanDEM-L系統(tǒng)具極化干涉測量能力，計劃于2019年發(fā)射，將在未來的全球三維植被結構測量、生物量估計和冰川移動觀測等領域發(fā)揮重大作用。在國內，雙站機載極化干涉SAR系統(tǒng)尚處于試驗階段，而星載全極化干涉SAR系統(tǒng)則還沒有，相關研究所需的數(shù)據(jù)只能借助國外系統(tǒng)或仿真產生[20]。

2.4 天空地一體化傳感網絡

通過多平臺協(xié)作不僅可完成單一平臺難以完成的任務，而且能獲得更豐富的目標信息。因此，目前國外研究者普遍認為這種基于多平臺的分布式雷達測量體制代表了未來雷達的一種新發(fā)展趨勢，如德國DLR的KEYDEL認為未來微波成像雷達系統(tǒng)將是一個基于軟件并集成有通信、導航定位能力的多基地(分布式)全球偵察遙感系統(tǒng)(如圖3所示)[29]。

圖3 天(衛(wèi)星)、空(飛機)、地(高塔)一體化傳感器網絡Fig.3 Elements of a sensor web with part of communication scheme

采用分布式體制不僅增加了系統(tǒng)的可靠性與靈活性，而且收發(fā)平臺可位于低軌、中軌甚至高軌等不同類型軌道，構型的優(yōu)化配置便于不同應用，如連續(xù)監(jiān)視、寬測繪帶、單航過交軌干涉、順軌干涉、高分辨或雷達層析成像等。目前，德國基本按此思路發(fā)展其SAR成像技術。

3 關鍵技術

3.1 構型設計

構型條件是影響雙/多基地SAR成像效果的關鍵。以此為切入點，機載平臺因便于構型的優(yōu)化設計，開展了大量試驗。天基平臺受軌道條件限制，其構型條件必須是基于軌道條件的有限組合，但其軌道穩(wěn)定、長時間運行、軌道高、易實現(xiàn)大場景成像、易實現(xiàn)組網觀測等優(yōu)勢是機載平臺難以比擬的。對星載平臺，因為交匯點的差異，并不能在地球所有區(qū)域實現(xiàn)雙基地工作，故仍是值得研究的課題。

雙基地SAR具3D成像的潛力，目標分辨率與收、發(fā)平臺的運動參數(shù)有關。星載SAR系統(tǒng)中，針對不同的應用，衛(wèi)星軌道配置各異，不同的軌道配置可獲得不同的重訪間隔時間和圖像分辨率。機載雙/多基地SAR的工作方式和任務形式更靈活，也會面臨相同問題。因此，航路規(guī)劃和空間配置優(yōu)化研究是重要的研究領域。

3.2 同步

收發(fā)信號的時間同步和信號頻率同步是SAR正常成像的保證，常規(guī)SAR成像收發(fā)同體，同步易實現(xiàn)，而雙基地SAR因空間分置，成為SAR成像的難點?？臻g同步的實現(xiàn)相對簡單，波束追趕法是目前常用的空間同步方法，且適于異構系統(tǒng)間的同步方案[17、23、30]。

頻率同步方法一般可分為獨立同步、直接同步、第三方同步和非合作式同步多種[5、31-32]。因受構型和成本的限制，多站SAR星座有時只能在部分協(xié)作狀態(tài)下運行，如無法以直達波實現(xiàn)信號同步，或在實現(xiàn)高分辨率成像時需精準確定收發(fā)雙站間的同步信號。另外，對星載平臺，由于軌道差異導致的距離變化，須考慮相對論對時頻產生的影響[33]。采用相位推導和雙站SAR成像定位實現(xiàn)的半合作式同步技術，可顯著降低雙站SAR成像對系統(tǒng)硬件的需求，將是一種有前景的技術[34]。目前來看，從信號本身出發(fā)，無需苛刻的同步條件實現(xiàn)雙基地成像，將成為未來同步技術研究的一個主要方向[5]。

3.3 成像算法

成像算法是雙站SAR研究的理論基礎與核心。與單站SAR類似，雙站SAR也是利用平臺與目標區(qū)域的相對運動產生的多普勒頻移，在方位向積累形成多普勒帶寬，從而獲得高分辨率圖像。目前基本是借鑒單站SAR成像的成熟算法，從時域處理算法和頻域處理算法兩個角度，將其擴展、改進后使之適合雙站成像處理。時域類成像算法，易于實現(xiàn)脈沖間的補償和局部成像，適用于各種幾何配置的雙基地SAR成像處理。德國星機聯(lián)合前視雙基地SAR系統(tǒng)成像實驗，通過時域成像算法獲取了清晰的二維前視成像結果，顯示了時域成像廣泛的適用性[17]。時域成像算法的缺點是涉及大量的插值運算，計算效率較低，難以實現(xiàn)實時成像。尋求高效的頻域處理算法，使其具備與單站成像算法相近甚至相同的成像性能是雙站SAR成像處理研究的主要目標，目前而言是實現(xiàn)實時成像的唯一途徑。高效準確的運動補償是成像技術的關鍵，尤其是對異構平臺的非勻速、非直線運動，運動補償顯得尤為重要。

3.4 體系化觀測網絡構建

馬航事件再一次將衛(wèi)星監(jiān)視能力提升至全球。隨著微波衛(wèi)星數(shù)量的增加和天基預警雷達等項目的推進，為基于天基雙/多平臺微波成像的應用創(chuàng)造了條件。針對技術發(fā)展趨勢和空天資源發(fā)展趨勢，著眼于陸地資源調查、海洋動力環(huán)境綜合監(jiān)測、自然災害預警等對地觀測的重大需求，開展高低軌異構多基微波成像新體制研究，是滿足多渠道觀測的有效路徑。通過立體觀測，實現(xiàn)高時空分辨率成像、高精度三維測繪、多維度信息獲取，滿足目標多樣化、環(huán)境復雜化、任務多元化的微波遙感應用需求。

目前國際性的地球觀測體系主要由歐美國家主導，如欲改變此現(xiàn)狀，對衛(wèi)星資源的需求將是海量的，而技術的推動需解決大量技術難題，如星組協(xié)調、多維信息獲取等。采用一發(fā)多收模式將是解決快速重訪的有效措施，也是優(yōu)化資源配置、降低項目成本的有效方法。這一體系化觀測能力的實現(xiàn)需要網絡化建構技術的支撐，以實現(xiàn)該復雜系統(tǒng)的協(xié)同工作。

4 結束語

體制上的優(yōu)勢，使雙/多基地SAR具有的優(yōu)良特性和應用潛力，成為當前重要的研究領域。機載試驗是推動雙基地SAR成像的原始動力，而隨著航天平臺技術的成熟，整合航天技術一體化觀測趨勢為雙/多基地SAR系統(tǒng)的研究與應用提供了良好的機遇。隨著關鍵技術的解決，雙基地SAR成像將逐漸走向實際應用。以技術的發(fā)展趨勢為導向，積極開展雙基SAR關鍵技術研究，將使雙基地SAR系統(tǒng)有廣闊的發(fā)展空間。

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Progress Incidence and Key Technology of Bi/Muti SAR Imaging

CAI Ai-min1, 2, WANG Yan-yu1, 2

(1. China Electronics Technology Group Corporation No.38 Research Institute, Hefei 230088, Anhui, China; 2. Key Laboratory of Aperture Array and Space Application, Hefei 230088, Anhui, China)

The progress, trend and key technologies of bi/multi SAR in domestic and abroad was interviewed in this paper. The characteristics and study meaning of bi/multi SAR imaging were outlined. The research progress in biSAR in the world was introduced. The advantages had been verified through the ground, airborne, in-orbit satellites tests and other means in slow target detection, interferometry measurements and foresight imaging by biSAR in abroad. Some special tests had been carried out in biSAR imaging and synchronization, and some imaging results were achieved, but still hovering in theoretical and experimental analysis in domestic. The development trend was summarized, which were continuous improvement in the development of theoretical system, cross-branch developing constantly merging, and sky, ground systems integrated. The key technologies, such as geometry configuration design, synchronization, real-time imaging algorithm and architecture of the network construction for bi/multi SAR imaging were analyzed. It was suggested that in the background of aerospace technology blooming and with the trend of the technology development, carry the bi/multi SAR key technologies out in research, expand the development fields and bring the advantages of bi/multi SAR system to practical use actively.

Bi/multi SAR imaging； Platform; Configuration; Synchronization; Real-time; Imaging algorithm; Network architecture

1006-1630(2016)04-0112-07

2016-03-07；

2016-05-18

國家863計劃資助(2014AA7014049)

蔡愛民(1978—)，男，博士，高級工程師，主要從事成像雷達系統(tǒng)設計。

TN958

A

10.19328/j.cnki.1006-1630.2016.04.019