機(jī)載多波段全極化FMCW合成孔徑雷達(dá)最新實(shí)測成果

張昊宇

摘 要：基于調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）技術(shù)的合成孔徑雷達(dá)（SAR）是近些年日趨成熟的新技術(shù)。與傳統(tǒng)的脈沖SAR雷達(dá)相比，F(xiàn)MCW-SAR具有質(zhì)量輕，體積小，功耗低等優(yōu)點(diǎn)，在遙感以及航道監(jiān)測領(lǐng)域極具潛力。本文公布了機(jī)載FMCW全極化同步L，X波段SAR在國內(nèi)進(jìn)行的第一次遙感測試結(jié)果以及該型雷達(dá)對阿爾卑斯山冰川斷層成像的部分結(jié)果。

關(guān)鍵詞：地基合成孔徑雷達(dá)；調(diào)頻連續(xù)波；全極化；阿爾卑斯山冰川斷層成像

中圖分類號：U612 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006—7973（2017）06-0030-02

我國的航道分布范圍廣，船只大小混雜，往來密度高，而航道兩側(cè)植被分布差異巨大。目前通過星載光學(xué)照片和普通地面?zhèn)鞲衅鞯暮降辣O(jiān)測法難以滿足對航道的實(shí)時(shí)監(jiān)測要求。合成孔徑雷達(dá)（Synthetic Aperture Radar， SAR）是雷達(dá)發(fā)展領(lǐng)域的一個(gè)新高度，能夠?qū)δ繕?biāo)進(jìn)行遠(yuǎn)距離，全天候的成像。而機(jī)載SAR技術(shù)恰好可以滿足航道監(jiān)測的實(shí)時(shí)性和全天候要求。傳統(tǒng)的SAR技術(shù)采用脈沖技術(shù)，通過對發(fā)射脈沖進(jìn)行壓縮獲取高分辨率圖像。然而脈沖技術(shù)的缺點(diǎn)是需要在極短的時(shí)間內(nèi)發(fā)射高能量脈沖，因而對射頻部分的要求極高，脈沖SAR體積大，功耗高，重量大，對硬件部分的要求高。這限制了脈沖SAR在小型，微型化方面的應(yīng)用。此外，造價(jià)成本極高，價(jià)格高昂，難以在民用方面如應(yīng)急搶險(xiǎn)救災(zāi)等方面推廣。

近年來出現(xiàn)的調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）合成孔徑雷達(dá)（SAR）技術(shù)采用全新的信號發(fā)射體質(zhì)，相較于傳統(tǒng)的脈沖式SAR，F(xiàn)MCW-SAR具有設(shè)備體積小，重量輕，功耗低，成像精度高等優(yōu)點(diǎn)，能夠裝載在輕型飛機(jī)，甚至無人機(jī)上對地面進(jìn)行成像。

1 FMCW全極化L-，X-波段機(jī)載SAR在國內(nèi)的首測

1.1 系統(tǒng)簡介

新型的基于調(diào)頻連續(xù)波技術(shù)的全極化L，X波段機(jī)載雷達(dá)于2015年在荷蘭成功研制。該雷達(dá)具有全極化工作模式并能同時(shí)工作在L-和X-波段。具體的技術(shù)參數(shù)如表-1。系統(tǒng)集成了兩套導(dǎo)航設(shè)備，包括GNSS系統(tǒng)和慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)用以對飛機(jī)進(jìn)行運(yùn)動補(bǔ)償調(diào)整。該系統(tǒng)的兩個(gè)接收信道可以進(jìn)行切換以達(dá)到對不同極化模式進(jìn)行切換的目的。此外，該雷達(dá)具有可拓展性，能夠在P，L，C，X，Ku，Ka波段進(jìn)行工作。該機(jī)載SAR工作在L波段時(shí)，中心工作頻率為1.3 GHz，工作帶寬為200MHz，距離向分辨率為0.75m，方位向分辨率18cm，發(fā)射功率為10W，發(fā)射與接收均為雙通道，可以工作在全極化狀態(tài)，當(dāng)飛行高度為5 km時(shí)，成像覆蓋面為4-8 km。當(dāng)該機(jī)載SAR工作在X波段時(shí)，中心工作頻率為9.6 GHz，工作帶寬為300MHz，距離向分辨率為0.5m，方位向分辨率18cm，發(fā)射功率為10W，發(fā)射與接收為雙通道，當(dāng)飛行高度為5 km時(shí)，成像覆蓋面為4-8 km。

1.2 在國內(nèi)的首次測試結(jié)果

該新型雷達(dá)于2016年5月17-19日在中國河南省安陽市進(jìn)行首次試飛。在安陽的機(jī)載試驗(yàn)中，雷達(dá)搭載Cessna-208民用飛機(jī)。該雷達(dá)工作時(shí)不需要對飛機(jī)進(jìn)行較大改裝，僅需將側(cè)門拆去，并安裝上簡易塑料拉門。雷達(dá)安置在機(jī)艙內(nèi)，如圖1所示，四個(gè)白色正方體為四個(gè)天線，其中兩個(gè)是發(fā)射天線，兩個(gè)是接收天線。四個(gè)天線可以工作在全極化模式（VV，VH，HV，HH）。在起飛時(shí)關(guān)閉拉門避免氣流對起飛造成影響，升空后打開拉門，通過四個(gè)天線發(fā)射并接收信號。本次測試工作在側(cè)視條帶模式。

地表植物對不同極化模式下的電磁波信號反射率不同，因而通過不同的極化成像可以對地面植被建筑物進(jìn)行分類，因而該技術(shù)在土地測繪領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。圖2 展示了在HH極化下，同時(shí)獲取的L波段和X波段下的成像結(jié)果。受到本文篇幅限制，圖2僅提供完整圖像的一部分。獲取這幅圖像時(shí)，飛行高度為1960米，成像覆蓋面積為35 km2，其中方位向長度為10 km，寬度為3.5km。從成像結(jié)果對比可以看出，X波段由于頻率較高而波長較短，可以提供更加清晰的成像結(jié)果，而L波段頻率較低因而具有更強(qiáng)的穿透性，相反的，成像結(jié)果則不如X波段清晰。本次試驗(yàn)是國內(nèi)第一次引進(jìn)的FMCW全極化SAR，并進(jìn)行的公開實(shí)機(jī)測試。

2 FMCW全極化L波段機(jī)載SAR對阿爾卑斯山脈冰川的分層成像實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)簡介

歐航局在2015年對位于奧地利米特爾貝格附近的蒂羅爾阿爾卑斯山溫帶冰川進(jìn)行了分層成像實(shí)驗(yàn)，探究了該地區(qū)冰川60米深的層次結(jié)構(gòu) 。這為分析冰川構(gòu)造和未來變化趨勢提供重要數(shù)據(jù)。主要的實(shí)驗(yàn)區(qū)位于3000米至3200米的冰川上部的一塊平地。 為了驗(yàn)證機(jī)載SAR對冰川成像的可行性和準(zhǔn)確性，首先使用了IDS雙頻（200/600MHz）的探地雷達(dá)（GPR）在試驗(yàn)區(qū)域進(jìn)行探測，總探測長度為18km。接著利用機(jī)載SAR對該區(qū)域進(jìn)行了分層成像。其中，機(jī)載SAR為L波段全極化FMCW-SAR，中心頻率為1275MHz，帶寬為150MHz，空間分辨率≤ 2 x 2 m。裝載SAR的飛機(jī)為BLOM-CGR公司運(yùn)營的CASAC-212，雷達(dá)放置于機(jī)艙內(nèi)，收發(fā)天線經(jīng)改裝后位于飛機(jī)腹部。該次試驗(yàn)從兩個(gè)方向進(jìn)行飛行（南北向；北南向），每個(gè)方向飛行20次，共獲取40組數(shù)據(jù)，采用的成像模式為側(cè)視條帶成像。由于該次飛行未采用自動駕駛技術(shù)，并受到湍急氣流的影響，飛機(jī)會呈現(xiàn)不穩(wěn)定的飛行軌跡，飛行運(yùn)動誤差約為50m。

2.2 成像結(jié)果

獲取的回波信號被存儲在內(nèi)嵌的FPGA并進(jìn)行后處理。首先采用時(shí)域BP法對回波數(shù)據(jù)進(jìn)行聚焦處理。這種方法盡管效率不高但是可以完美還原飛機(jī)的飛行軌跡，保留不同飛行軌跡下數(shù)據(jù)的相關(guān)性，并能將不同飛行軌跡下產(chǎn)生的圖像對同一個(gè)參考DEM進(jìn)行歸一。第二步是對因飛行軌跡誤差而引起的相位誤差進(jìn)行校正，[1]提出了雙相位中心定位法（Phase Center Double Localization Method）對誤差相位進(jìn)行補(bǔ)償。該方法利用三個(gè)飛行軌跡，即兩個(gè)實(shí)際飛行規(guī)矩和一個(gè)參考軌跡對空間基線進(jìn)行校正。經(jīng)過處理去除了殘余相位，提高了圖像的精準(zhǔn)性。由于冰層會對電磁波產(chǎn)生折射現(xiàn)象，所以信號合成的圖像與冰層下面真正的結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生一定的誤差，因而需要做進(jìn)一步的補(bǔ)償校正。

最終圖像處理結(jié)果如圖3所示，L波段的全極化SAR能夠探測冰層下60m深的斷層圖像。其中圖3（a）與（b）分別描繪了從兩個(gè)不同方向（南北向；北南向）對同一區(qū)域進(jìn)行斷層成像的結(jié)果，采用的是HV極化模式，這一極化模式對斷層處的粗糙分界面極為敏感。通過對比圖3可以看出兩幅圖均探測到基巖部分。此外，由于基巖本身的粗糙特性，L波段的信號對基巖更加敏感，因而呈現(xiàn)出更加清晰的回波圖像。這一實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了利用FMCW機(jī)載SAR對冰川內(nèi)部結(jié)構(gòu)探測的可行性。

3 結(jié)論

本文公布了L-和X-波段全極化FMCW-SAR在國內(nèi)的首次遙感測試結(jié)果，以及在阿爾卑斯山進(jìn)行的冰川斷層實(shí)驗(yàn)結(jié)果。FMCW合成孔徑雷達(dá)具有重量輕，體積小，結(jié)構(gòu)相對簡單等優(yōu)點(diǎn)，可以輕松裝載在小型民用飛機(jī)上。這些優(yōu)點(diǎn)推進(jìn)了FMCW-SAR在民用，尤其是航道監(jiān)測領(lǐng)域的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1] S. Tebaldini， M. Mariotti d'Alessandro， F. Banda and C. Prati， "Tomographic-quality phase calibration via phase center double localization，" 2013 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium - IGARSS， Melbourne， VIC， 2013， pp. 89-92.

（本文為基金項(xiàng)目：浙江海洋大學(xué)科研啟動經(jīng)費(fèi)資助，No.21045012815）