GNSS-R信號的海面SAR成像應(yīng)用

楊 磊，朱云龍，楊東凱

(北京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100191)

GNSS-R信號的海面SAR成像應(yīng)用

楊 磊，朱云龍，楊東凱

(北京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100191)

針對GNSS-R海洋遙感探測研究中，傳統(tǒng)方法只能對鏡面反射點(diǎn)附近海域進(jìn)行分析，無法獲取二維海面反射特征的問題，提出一種使用SAR對海面進(jìn)行成像的方法：利用導(dǎo)航衛(wèi)星作為信號源，海面反射的GNSS-R信號作為回波信號，使用背向投影算法進(jìn)行成像。仿真結(jié)果表明：該方法能夠?qū)c(diǎn)目標(biāo)和隨機(jī)海面進(jìn)行成像，得到二維海面電磁反射能量分布；證明了利用GNSS-R信號進(jìn)行海面SAR成像的可行性。

導(dǎo)航衛(wèi)星；反射信號；合成孔徑雷達(dá)；背向投影算法

0 引言

合成孔徑雷達(dá)(synthetic aperture radar，SAR)利用微波成像的方式進(jìn)行遙感探測，不受天氣、時(shí)間、環(huán)境的影響，相對于光學(xué)遙感有著不可比擬的優(yōu)勢。而使用其他如通信衛(wèi)星、電視廣播等輻射源的被動(dòng)雙基SAR，相比傳統(tǒng)單基SAR擁有設(shè)備簡單、功耗低、隱蔽性好的優(yōu)點(diǎn)。其中，基于導(dǎo)航衛(wèi)星的雙基SAR是當(dāng)前的熱點(diǎn)研究內(nèi)容之一[1]。

美國于20世紀(jì)70年代研發(fā)了全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)，為用戶提供位置服務(wù)和時(shí)間基準(zhǔn)[2]。另外，GPS衛(wèi)星發(fā)射的L波段信號，還為遙感探測提供了一種免費(fèi)的信號源。使用導(dǎo)航衛(wèi)星信號進(jìn)行遙感探測具有以下優(yōu)勢：1)只接收信號，無需發(fā)射機(jī)，是一種無源探測模式，因此設(shè)備簡單、成本低；2)L波段電磁波受大氣影響較小，穿透云層、雨雪能力強(qiáng)，適合遙感應(yīng)用；3)當(dāng)前主要的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)有美國的GPS、俄羅斯的格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system，GLONASS)、歐盟的伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Galileo navigation satellite system，Galileo)和中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system，BDS)。在未來將會有超過100顆導(dǎo)航衛(wèi)星在太空中運(yùn)行，信號資源非常豐富。

在此基礎(chǔ)上發(fā)展而來的導(dǎo)航衛(wèi)星反射(global navigation satellite system-reflectometry，GNSS-R)信號遙感應(yīng)用就是利用地面或海面反射的導(dǎo)航衛(wèi)星信號進(jìn)行遙感探測。這項(xiàng)技術(shù)自20世紀(jì)90年代提出，在國內(nèi)外學(xué)術(shù)界得到廣泛研究和關(guān)注。在海面風(fēng)場、海冰覆蓋、土壤濕度、目標(biāo)探測等領(lǐng)域都取得了大量研究成果[3-7]。

在基于導(dǎo)航衛(wèi)星的遙感成像方面，最早于2002年，由文獻(xiàn)[8]將SAR概念應(yīng)用到GPS系統(tǒng)，提出了利用GPS信號對地面進(jìn)行成像。2008年，文獻(xiàn)[9]對固定式接收機(jī)場景下的GPS反射信號進(jìn)行分析，并通過仿真驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性；但由于合成孔徑時(shí)間長達(dá)數(shù)個(gè)小時(shí)，因此該方法不適宜實(shí)際應(yīng)用。文獻(xiàn)[10-12]對空地雙基SAR(space surface bistatic SAR，SS-BSAR)進(jìn)行了深入的研究，首次利用GLONASS信號獲得了地面SAR圖像，之后又進(jìn)行了車載、機(jī)載等平臺的一系列實(shí)驗(yàn)，以及分析研究了使用Galileo E5新體制信號來提高成像分辨率，驗(yàn)證了使用導(dǎo)航衛(wèi)星信號進(jìn)行地面被動(dòng)SAR成像的可行性。文獻(xiàn)[13-14]使用我國自主的BDS導(dǎo)航衛(wèi)星作為信號源，進(jìn)行了地面成像試驗(yàn)，擴(kuò)展了BDS的應(yīng)用領(lǐng)域。

目前的研究多是針對地面進(jìn)行成像，而海面由于海浪的影響，和地面的反射特性有很大差別。本文以GPS衛(wèi)星為例，從海面的電磁散射特性出發(fā)，通過建立海面電磁散射模型來模擬海面的回波信號，然后使用背向投影(back projection，BP)成像算法對海面進(jìn)行成像仿真。

1 系統(tǒng)簡介

1.1 系統(tǒng)組成

基于GNSS-R信號的海面SAR成像系統(tǒng)如圖1所示。

系統(tǒng)主要包括發(fā)射平臺和接收平臺2個(gè)部分：發(fā)射平臺為運(yùn)行在太空中的GPS衛(wèi)星；接收平臺為岸基固定式或機(jī)載運(yùn)動(dòng)式，包括一個(gè)通用信號采集器和2個(gè)接收天線。右旋極化天線作為直射天線朝上放置，用于接收衛(wèi)星發(fā)射的直射信號；直射信號經(jīng)過海面反射后，極化形式發(fā)生了改變，因此使用左旋極化天線接收海面的反射信號。信號經(jīng)過遠(yuǎn)距離的傳播和海面的二次反射，衰減較大，所以左旋極化天線通常使用高增益的窄波束天線。

1.2 信號處理流程

信號處理的流程如圖2所示。

直射信號和反射信號分別由對應(yīng)的天線接收；以接收機(jī)的位置為參考點(diǎn)，利用直射通道定位解算后得到的位置信息生成參考信號；利用直射通道的信息對反射通道數(shù)據(jù)進(jìn)行同步處理，生成回波信號；使用BP算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得海面SAR圖像。

BP算法成像的過程實(shí)際上是信號在時(shí)域的相干累加，算法流程如圖3所示。

圖3中：R為反射信號相對于直射信號的傳播距離差；λ為信號的波長。回波信號以參考信號為基準(zhǔn)，進(jìn)行脈沖壓縮后，可以獲得不同時(shí)延處的相關(guān)值。根據(jù)定位解算得到的衛(wèi)星和接收機(jī)的位置信息能夠確定成像場景的幾何關(guān)系。以接收機(jī)位置處為參考點(diǎn)，計(jì)算成像區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)的反射信號相對于直射信號的傳播距離差和時(shí)延。通過時(shí)延從距離向脈沖壓縮信號中獲得該點(diǎn)的相關(guān)值，然后根據(jù)傳播距離差做相位補(bǔ)償后，得到該點(diǎn)成像結(jié)果。最后將不同時(shí)刻獲得的成像結(jié)果進(jìn)行相干累加，就可以得到最終的圖像。BP算法可以適用于各種場景，并且由于算法沒有經(jīng)過任何近似，所以成像精度較高。BP算法的缺點(diǎn)是由于需要對場景中的每個(gè)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，運(yùn)算量大。

1.3 直射信號

GPS衛(wèi)星所發(fā)射的信號是頻率高度穩(wěn)定的信號，在信號上調(diào)制了偽隨機(jī)碼(pseudo random noise，PRN)和導(dǎo)航電文。并且各衛(wèi)星之間保持嚴(yán)格同步。其中一顆衛(wèi)星的信號數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(1)

和傳統(tǒng)雷達(dá)信號相比，GPS信號有以下不同：

1)調(diào)制方式。傳統(tǒng)雷達(dá)所使用的信號通常為線性調(diào)頻、步進(jìn)調(diào)頻等調(diào)頻信號，而GPS信號為偽隨機(jī)碼調(diào)制的信號，屬于擴(kuò)頻信號。

2)信號帶寬。雷達(dá)的距離向分辨率與信號帶寬有關(guān)，為提高雷達(dá)的距離向分辨率，通常雷達(dá)信號帶寬較寬，如1 m分辨率對信號帶寬的要求為150 MHz，而GPS信號的帶寬由PRN碼決定，C/A碼的帶寬只有2 MHz。因此使用GPS信號時(shí)，相對于傳統(tǒng)雷達(dá)，距離向分辨率較低。

3)信號形式。傳統(tǒng)雷達(dá)通常為脈沖體制，而GPS信號為連續(xù)波形式。

1.4 GNSS-R信號

GPS衛(wèi)星所發(fā)射的信號，入射到海面上發(fā)生反射，反射信號的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(2)

相對于直射信號，反射信號有以下特點(diǎn)：

1)極化方式改變。根據(jù)電磁波傳播理論，GPS信號經(jīng)海面反射后，極化方式由右旋變?yōu)樽笮?，反射系?shù)由菲涅爾反射系數(shù)決定[15]。

2)信號能量降低。由于GPS衛(wèi)星距離較遠(yuǎn)，信號衰減大、能量低，經(jīng)空間傳播和海面反射后，信號能量進(jìn)一步下降。

3)多徑疊加。探測區(qū)域內(nèi)不同的點(diǎn)到接收機(jī)和衛(wèi)星的距離不同，因而時(shí)延也不同。海面上海浪的起伏也會產(chǎn)生多次反射，所以在GNSS-R信號中呈現(xiàn)為多徑疊加的效應(yīng)。

2 GNSS-R海面SAR成像仿真

2.1 點(diǎn)目標(biāo)成像仿真

為了驗(yàn)證算法的正確性和系統(tǒng)的性能，首先進(jìn)行點(diǎn)目標(biāo)成像仿真。設(shè)計(jì)如圖4所示的仿真場景。

其中成像區(qū)域位于坐標(biāo)系中心的1 000 m×1 000 m的正方形區(qū)域，在成像區(qū)域中有5個(gè)點(diǎn)目標(biāo)分別位于(0，0，0)、(-250，0，0)、(250，0，0)、(0，-250，0)、(0，250，0)位置。固定接收機(jī)位于(-1 000，0，50)位置，機(jī)載接收機(jī)位于(-1 000，0，500)位置，飛行速度為50 m/s，方向?yàn)閅軸負(fù)方向。GPS衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)軌跡及速度由歷書仿真得到。

對圖4所示仿真場景，使用GPS信號利用BP算法進(jìn)行點(diǎn)目標(biāo)SAR成像仿真。結(jié)果如圖5所示。

在圖5中，圖5(a)對應(yīng)為機(jī)載接收機(jī)，合成孔徑時(shí)間為4 s；圖5(b)對應(yīng)為固定式接收機(jī)，合成孔徑時(shí)間為100 s。由圖5可以得到以下結(jié)論：

1)能夠利用GPS信號進(jìn)行SAR成像，但是由于GPS信號C/A碼帶寬只有2 MHz，距離向分辨

率不高；因此圖像在X軸方向(距離向)出現(xiàn)了“拉長”現(xiàn)象。這表明使用GPS信號不能像傳統(tǒng)SAR雷達(dá)一樣進(jìn)行高精度成像，而只能對地表進(jìn)行大面積特征識別。

2)機(jī)載接收機(jī)成像結(jié)果優(yōu)于固定式接收機(jī)，這是由于機(jī)載接收機(jī)和目標(biāo)的相對運(yùn)動(dòng)角度更大；而固定式接收機(jī)的相對運(yùn)動(dòng)全部由GPS衛(wèi)星提供，因此需要較長時(shí)間才可以得到較大的相對運(yùn)動(dòng)角度。

2.2 海面成像仿真

海面成像仿真的過程與點(diǎn)目標(biāo)成像仿真過程類似，只是回波信號的仿真不同。在點(diǎn)目標(biāo)成像仿真中，回波信號由5個(gè)點(diǎn)目標(biāo)的回波疊加而成；而在海面成像仿真中，需要對海面的電磁散射特性進(jìn)行分析建模，以生成海面回波。

海面屬于隨機(jī)粗糙面范疇，研究隨機(jī)粗糙面的電磁散射特性通常有2種方法：一是基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行仿真，計(jì)算量小、速度快，但精度不高，適合工程使用；二是使用數(shù)值方法進(jìn)行分析，精度高，但計(jì)算量大、速度慢，適合科學(xué)研究使用[16]。為了提高仿真效率，本文使用模型的方法。

2.2.1 仿真流程

海面成像仿真流程如圖6所示。

其中直射信號使用C/A碼進(jìn)行延時(shí)得到，延時(shí)時(shí)間由GPS衛(wèi)星到接收機(jī)之間的距離確定。海面回波信號的產(chǎn)生分3步：首先利用海浪譜，使用雙疊加模型生成隨機(jī)海面；然后根據(jù)海面電磁散射模型，得到海面的電磁散射系數(shù)分布；最后將C/A碼根據(jù)場景中各點(diǎn)的距離和散射系數(shù)進(jìn)行延時(shí)和衰減后，仿真生成二維隨機(jī)海面的回波信號。

2.2.2 海浪譜模型

海浪譜是對隨機(jī)海面進(jìn)行統(tǒng)計(jì)描述的最重要工具。海浪譜定義為海面高度相關(guān)函數(shù)的傅里葉變換，是描述海面粗糙度的統(tǒng)計(jì)量。

常用的海浪譜模型有PM譜、APEL譜、JONSWAP譜和Elfouhaily譜等。其中文獻(xiàn)[17]提出的Elfouhaily譜是由PM譜、JONSWAP譜等多個(gè)海浪譜修正和融合之后得到，對波浪的低頻和高頻部分描述更加細(xì)致。

Elfouhaily譜表示為

(3)

式中：k表示波數(shù)；Bl表示低頻部分(重力波)；Bh表示高頻部分(張力波)。

圖7為根據(jù)式(3)計(jì)算的不同風(fēng)速(3～20 m/s)下的海浪譜。

2.2.3 雙疊加模型

海浪譜僅描述了海面的統(tǒng)計(jì)特性，無法直接用于海面電磁散射的分析。由隨機(jī)波浪理論可知，平穩(wěn)狀態(tài)下成熟發(fā)展的海面可以視為各態(tài)歷經(jīng)的平穩(wěn)隨機(jī)過程。海面上某一點(diǎn)的瞬時(shí)高度是由多個(gè)不同振幅、頻率、方向和初始相位的余弦波疊加

(4)

圖8為使用Elfouhaily海浪譜生成的5和15 m/s風(fēng)速下，1 000 m×1 000 m范圍的隨機(jī)海面。

為簡化分析，不考慮風(fēng)向的影響，在仿真時(shí)風(fēng)向設(shè)置為0°。從圖中可以看出，隨著風(fēng)速的增大，海面高度起伏變大，表現(xiàn)為海浪譜更加粗糙。

2.2.4 海面電磁散射模型

通常用于研究海面電磁散射的有基爾霍夫近似模型、復(fù)合表面模型(雙尺度模型)、小斜率近似模型等。

在GNSS-R海洋遙感應(yīng)用中廣泛使用的ZV模型中使用的是基爾霍夫近似的幾何光學(xué)法建立的電磁散射模型[18]，形式為

(5)

式中：σ0為海面的電磁散射系數(shù)；R為菲涅爾反射系數(shù)；q為散射矢量；q⊥為散射矢量的水平分量；qz為散射矢量的z向分量；Ppdf為海面坡度的概率密度函數(shù)，通常這個(gè)值難以確定，但在仿真中，可以通過建立的隨機(jī)海面計(jì)算得到。圖8中2種風(fēng)速下海面的電磁散射系數(shù)分布如圖9所示。從圖9中可以看出，和海面高度類似，隨著風(fēng)速的增大，海面粗糙度增加，對應(yīng)的電磁散射系數(shù)分布也更加粗糙。

2.2.5 仿真結(jié)果分析

海面成像仿真仍使用圖4所示場景，成像區(qū)域?yàn)? 000 m×1 000 m的隨機(jī)海面，不包含5個(gè)點(diǎn)目標(biāo)。由圖5分析可知，機(jī)載接收機(jī)由于具有較大的相對運(yùn)動(dòng)角度，相對于固定式接收機(jī)能夠在較短時(shí)間內(nèi)獲得更好的分辨率性能。因此在仿真中使用機(jī)載接收機(jī)模式，不同風(fēng)速下的仿真成像結(jié)果如圖10所示。

從圖9～圖10中可以看出，對于不同風(fēng)速下的海面，由于粗糙度不同，電磁散射系數(shù)的分布也不同，從而成像結(jié)果也出現(xiàn)較大差別；使用GNSS-SAR成像的方式能夠反映出海面的特征。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)場景

為了驗(yàn)證本文提出的方法，對某次機(jī)載海上實(shí)驗(yàn)所采集的數(shù)據(jù)使用該方法進(jìn)行處理。

本次實(shí)驗(yàn)使用了機(jī)載接收機(jī)模式。接收天線使用雙天線，其中右旋極化天線朝上放置，用于接收GPS衛(wèi)星所發(fā)射的直達(dá)波信號。左旋極化天線朝下放置，用于接收海面反射的反射波信號。成像區(qū)域設(shè)定為2 000 m×2 000 m海域。2路信號在通用信號采集器中進(jìn)行采樣量化處理，其中，中頻頻率為175.42 MHz，采樣頻率為700 MHz，數(shù)據(jù)量化位數(shù)為8個(gè)比特，信號采集時(shí)間為1 min。在信號采集過程中，飛機(jī)保持直線飛行。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

采集器采集的直射信號和反射信號保存為中頻數(shù)據(jù)文件，數(shù)據(jù)使用軟件接收機(jī)以離線方式進(jìn)行處理：首先對直射信號進(jìn)行捕獲跟蹤，獲取GPS衛(wèi)星和接收機(jī)的位置速度，以及信號頻率、導(dǎo)航電文等信息；然后分別生成參考信號和回波信號后，使用BP算法對海面進(jìn)行SAR成像，結(jié)果如圖11所示。為了直觀顯示，對成像結(jié)果使用最大值進(jìn)行歸一化處理。

從圖11中可以看出，成像結(jié)果較好地反映了海面的特征，圖像中的高亮部分對應(yīng)海面的強(qiáng)反射區(qū)域，暗色部分表明該區(qū)域反射較弱。

4 結(jié)束語

本文利用GNSS-R信號，使用SAR成像的方法對海面進(jìn)行探測，獲取海面的二維圖像。通過理論仿真和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，結(jié)果表明：

1)利用GNSS-R信號能夠通過被動(dòng)雙基SAR成像的方法對地表進(jìn)行成像，進(jìn)而獲得地表的反射特征。

2)該方法使用GNSS-R信號，只需接收信號，無需發(fā)射機(jī)，設(shè)備簡單、功耗低，適宜機(jī)載或星載使用。

3)該方法可以充分利用現(xiàn)有的導(dǎo)航衛(wèi)星信號，特別是擴(kuò)展了我國自主的BDS的應(yīng)用領(lǐng)域。

4)使用SAR成像的方法對海面進(jìn)行探測，能夠獲取大范圍的二維海面反射特征，解決了傳統(tǒng)方法只能獲取海面鏡面反射點(diǎn)處區(qū)域的不足，探測范圍更大。

5)由于GPS信號C/A碼帶寬較窄，距離向分辨率不高，影響成像結(jié)果，未來可采用新體制的BDS信號來提高分辨率。

本文研究以GPS衛(wèi)星為例，其中的分析方法和結(jié)論同樣適用于其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

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Application of GNSS-R signals in sea surface SAR imaging

YANGLei，ZHUYunlong，YANGDongkai

(School of Electronic and Information Engineering，Beihang University，Beijing 100191，China)

Aiming at the problem that traditional methods can only analyze the sea area near specular points，and it is difficult to get the reflection characteristics of sea surface with two dimensions in GNSS-R marine deteciton of remote sensing，the paper proposed an imaging method of sea with SAR： the navigation satellites were used as signal source，GNSS-R signals were used as echo，and BP algorithm was used to carry out the imaging.Simulation results showed that the proposed method could image the point targets and random sea surface，and obtain the energy distribution of electromagnetic reflection of sea surface with two dimensions，which proved the feasibility of the SAR imaging method of sea using GNSS-R signals.

navigation satellite；reflection signal；SAR；BP algorithm

2016-11-21

楊磊(1981—)，男，山東滕州人，碩士研究生，研究方向?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航信號處理及應(yīng)用。

朱云龍(1978—)，男，北京人，講師，研究方向?yàn)樽赃m應(yīng)信號處理、衛(wèi)星導(dǎo)航。

楊磊，朱云龍，楊東凱.GNSS-R信號的海面SAR成像應(yīng)用[J].導(dǎo)航定位學(xué)報(bào)，2017，5(3):94-100.(YANG Lei，ZHU Yunlong，YANG Dongkai.Application of GNSS-R signals in sea surface SAR imaging[J].Journal of Navigation and Positioning，2017，5(3):94-100.)

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P228

A

2095-4999(2017)03-0094-07