基于輔助數(shù)字高程模型的方位多通道SAR相位失配校正方法

李 強 范懷濤

①(北京跟蹤與通信技術(shù)研究所 北京 100094)

②(中國科學(xué)院電子學(xué)研究所 北京 100190)

1 引言

合成孔徑雷達（Synthetic Aperture Radar,SAR）具備全天候、全天時、遠距離、高分辨率對地成像能力，已經(jīng)成為現(xiàn)代微波遙感領(lǐng)域的重要技術(shù)手段之一[1]。獲取陸海環(huán)境更高的分辨能力和更大的測繪范圍一直是各種遙感手段不斷突破的方向。方位向多通道體制以空間維度采樣的增加消除分辨率和幅寬對時間維度采樣率的矛盾制約[2]，目前已經(jīng)成為高分辨率寬幅SAR成像的主流技術(shù)手段之一，并成功應(yīng)用于國內(nèi)外多顆在軌SAR衛(wèi)星，包括高分三號[3]、TerraSAR-X[4],RADARSAT-2[5]和ALOS-2[6]。

通道失配校正和多通道信號重建是方位多通道SAR信號處理的兩個關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。多通道信號重建旨在對空間上非均勻分布的多個通道采樣信號進行聯(lián)合處理，得到等效于單通道SAR系統(tǒng)的空間維均勻采樣信號[7]。在進行非均勻采樣數(shù)據(jù)重建處理之前，多個通道接收回波的幅度、相位、延時等特性需要校正一致，以避免重建圖像中出現(xiàn)干擾圖像判讀的“鬼影”虛假目標[8]。針對方位多通道SAR系統(tǒng)失配校正問題，德國宇航中心、西安電子科技大學(xué)、上海交通大學(xué)、中國科學(xué)院電子學(xué)研究所等國內(nèi)外研究機構(gòu)相繼進行了大量研究，提出了多種處理方案[9–11]。

通道相位失配校正主要分為基于內(nèi)定標系統(tǒng)的標定方法和基于回波數(shù)據(jù)的估計方法[12]。由于實際SAR系統(tǒng)中通道失配來源復(fù)雜，完全依靠內(nèi)定標系統(tǒng)不僅代價高昂而且系統(tǒng)十分龐大[13]?；诨夭〝?shù)據(jù)的通道失配估計方法受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛研究[14]。通常來講，通道間特性失配源于系統(tǒng)特性不理想，與成像場景無關(guān)，目前已經(jīng)發(fā)展的通道失配校正方法也是基于此假設(shè)。但是，雖然失配特性不一致源于SAR系統(tǒng)特性，其造成的影響與場景特性卻是緊密相關(guān)的，特別是起伏地形高程。目前發(fā)展的通道失配校正方法均未考慮地形起伏的影響，基于平地假設(shè)的校正方法在地形起伏明顯的場景中，失配校正性能將受到很大影響。當(dāng)前，高精度數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)重建技術(shù)經(jīng)過國內(nèi)外學(xué)者多年研究，已經(jīng)逐漸成熟并得到廣泛應(yīng)用[15]。本文詳細分析了方位向多通道SAR系統(tǒng)存在偏航、俯仰和地形起伏條件下的通道失配特點，給出運用輔助DEM信息進行補償?shù)慕馕霰磉_式，針對仿真實驗數(shù)據(jù)和機載4通道SAR實驗數(shù)據(jù)開展處理工作，驗證所提方法的有效性。

2 基于輔助DEM的方位多通道SAR相位失配補償方法

方位多通道SAR信號無模糊重建的基礎(chǔ)是各天線子孔徑沿航跡方向均勻排布。但是，在實際工作過程中，受高空氣流和側(cè)風(fēng)的影響，天線基線常常偏離平臺的飛行軌跡，平臺姿態(tài)往往存在偏航、俯仰和橫滾[16]，如圖1所示。在星載SAR系統(tǒng)中，地球自轉(zhuǎn)等效于系統(tǒng)中存在一個固定偏航角。

其中，平臺橫滾角帶來的影響主要是回波的接收增益發(fā)生變化，場景目標到多個通道天線相位中心的斜距變化是相同的，因此不會導(dǎo)致通道間的相位誤差。天線偏航和俯仰不僅會導(dǎo)致波束在方位向指向發(fā)生改變，成像區(qū)域改變，而且會導(dǎo)致子孔徑天線相位中心位置發(fā)生偏移[16]。天線相位中心偏移導(dǎo)致的相位差異在不同通道中是不同的，由此導(dǎo)致通道間的相位誤差。

圖2中，Y軸指向平臺前進方向，Z軸垂直地面向上，X軸形成右手直角坐標系，平臺飛行高度H,表示天線子孔徑n到參考通道的順軌間隔，場景目標T坐標為(x,y,h)。以方位向兩通道SAR系統(tǒng)為例進行分析，方位向前端通道稱為主通道，后端通道稱為輔通道，偏移前相位中心表示為，偏移后相位中心表示為。這里以主通道為參考通道，分析平臺偏航和俯仰給輔通道帶來的影響，結(jié)論同樣適用于任意通道數(shù)目的多通道SAR系統(tǒng)。窄波束條件下SAR系統(tǒng)符合波束中心近似假設(shè)，圖3給出平臺姿態(tài)變化在斜距方向?qū)е孪辔恢行淖兓疽鈭D。

圖2 天線相位中心偏移示意圖Fig.2 Movement of SAR antenna phase center

圖3 2維橫截面圖Fig.3 2-D cross-sectional view

目標T和校正前后輔通道的天線相位中心位置

在上述假設(shè)條件下，將式(3)中的雙曲形式泰勒級數(shù)展開至2次項可以得到

綜上，將式(6)代入式(5)可以得到偏航角和俯仰角導(dǎo)致的通道間相位偏差

在機載SAR系統(tǒng)工作過程中，偏航和俯仰不斷發(fā)生變化，通道間相位失配具有方位時變特性。同時，從式(7)可以看出，相位失配隨場景地物對應(yīng)的下視角變化，呈現(xiàn)距離向空變特點，因此式(7)可以重寫為

在地形起伏明顯的區(qū)域，場景地物對應(yīng)的下視角與平地假設(shè)下不同。如果采用簡單的平地假設(shè)，針對存在高程起伏的地物，通道間相位失配補償將出現(xiàn)錯誤，導(dǎo)致最終的重建圖像中出現(xiàn)虛假目標。如圖4所示，假設(shè)平臺飛行高度為3000 m，場景中高程地物高出參考水平面300 m，建筑物頂端視角為50°。如果不考慮場景地形起伏，建筑物頂端斜距對應(yīng)的視角約為44.42°。在子孔徑間隔0.5 m的C波段機載SAR中，假設(shè)機載系統(tǒng)存在5°偏航角和3°俯仰角，采用平地假設(shè)進行相位失配校正，造成的偏差約為6.5°，在背景環(huán)境較弱的條件下會出現(xiàn)干擾虛假目標。如果在校正相位失配時考慮地形起伏影響，可以準確校正姿態(tài)導(dǎo)致的通道間相位失配，有效抑制重建后圖像中的虛假目標。

圖4 高程引起的成像疊掩示意圖Fig.4 Imaging overlap caused by topograghic relief

基于輔助DEM的方位多通道SAR通道失配補償流程如圖5所示，具體處理步驟如下：

圖5 基于DEM輔助的方位多通道SAR通道失配補償方法流程圖Fig.5 The flowchart of the proposed channel phase mismatch calibration method based on the aided DEM

(1)根據(jù)慣性測量單元(IMU)記錄的3維速度信息，針對多通道回波數(shù)據(jù)進行1階運動補償，補償之后認為參考通道處于理想直線航跡上；

(2)在距離頻域和方位時域進行2維自適應(yīng)校正幅度誤差，校正表達式如式(9)所示，其中表示對通道2進行校正的次數(shù)，表示距離頻率，表示方位時間；

(3)進行距離壓縮；

(4)采用方位互相關(guān)方法[11]進行通道間延時誤差校正；

(5)在機載系統(tǒng)中，飛行姿態(tài)具有方位向時變特點，場景高程起伏也具有方位空變特點，采用方位向子孔徑處理方式，假設(shè)子孔徑內(nèi)方位向高程不變，利用輔助DEM信息計算場景地物對應(yīng)的下視角，并結(jié)合IMU記錄的平臺姿態(tài)數(shù)據(jù)校正距離空變、方位時變相位誤差；

(6)采用子空間投影方法[13]校正殘余的非空變、非時變相位誤差；

(7)采用濾波器組方法[7]進行多通道信號重建，得到無模糊的單通道信號；

(8)最后采用調(diào)頻變標(CS)算法進行單通道數(shù)據(jù)成像處理，得到無模糊SAR圖像。

3 仿真與機載SAR數(shù)據(jù)處理結(jié)果

為了驗證本文算法有效性，分別開展仿真數(shù)據(jù)處理和機載多通道SAR試驗數(shù)據(jù)處理。首先，參照實際飛行試驗中采用的方位多通道機載SAR系統(tǒng)設(shè)置仿真實驗，實驗參數(shù)由表1給出。

假設(shè)平臺存在5°偏航角和3°俯仰角。在場景中設(shè)置5個點目標，等間距分布，位于中間位置的點目標高程為0，其他4個點目標分別設(shè)置不同的高度，如圖6所示。

表1 仿真機載實驗參數(shù)Tab.1 System parameters of the simulated airborne experiment

圖6 場景點目標間距及高程設(shè)置Fig.6 Five points set in the simulated scene

圖7展示了仿真實驗數(shù)據(jù)處理結(jié)果。圖7(a)給出的是未進行通道失配校正的多通道信號重建結(jié)果。由于通道失配的影響，場景中5個點目標均存在明顯的虛假目標，分別分布在真實目標方位向前后位置。由于虛假目標的位置與目標的最近斜距有關(guān)，對比A,B和C點不難發(fā)現(xiàn)位于距離向不同位置點目標的虛假目標與真實目標的間距不同。同時，對比B點和E點可以發(fā)現(xiàn)，由于高程的影響，位于相同地距位置的點目標在斜距圖像中出現(xiàn)在不同距離門中。

圖7(b)中給出平地假設(shè)條件下通道失配校正結(jié)果。可以發(fā)現(xiàn)，沒有高程的B點虛假目標得到有效抑制。由于未考慮地形起伏影響，場景中A,C,D,E 4個點目標仍然存在可見的虛假目標。同時，高程較高的C點和E點，虛假目標強度明顯高于高程較低的A點和D點。圖7(c)中給出考慮地形起伏條件下通道失配校正結(jié)果?？梢园l(fā)現(xiàn)，場景中A,B,C,D,E 5個點目標對應(yīng)的虛假目標均得到有效抑制。仿真實驗中虛假目標抑制的定量評估結(jié)果在表2中給出。

表2 仿真實驗定量評估結(jié)果(dB)Tab.2 Quantitative assessment result of the simulation (dB)

圖7 仿真實驗結(jié)果Fig.7 Experimental results of the simulation

中國科學(xué)院電子學(xué)研究所自主研制C波段方位4通道機載SAR系統(tǒng)，于2017年7月在舟山開展飛行試驗，主要系統(tǒng)參數(shù)在表3中給出。系統(tǒng)采用1發(fā)4收的工作方式，整個天線陣面發(fā)射信號，方位向均勻分成4個通道接收回波。圖8給出飛行過程中偏航和俯仰角度。

圖8 試驗過程中的平臺姿態(tài)信息Fig.8 The attitude information recorded by the IMU

表3 C波段方位向4通道機載SAR實驗參數(shù)Tab.3 Experimental parameters of the C-band azimuth four channel airborne SAR system

圖9 機載SAR數(shù)據(jù)處理結(jié)果Fig.9 Imaging results of the airborne SAR experimental data

圖9展示了方位4通道機載SAR試驗數(shù)據(jù)處理結(jié)果。圖9(a)給出的是未進行通道失配校正的多通道信號重建結(jié)果。由于通道失配的影響，場景中存在明顯的虛假目標，干擾圖像的正常判讀。特別是左岸煤炭碼頭?？康母缮⒇洿?，散射強度較大，對應(yīng)的虛假目標非常明顯。所選區(qū)域在方位向臨海，虛假目標在平靜的海面上尤其明顯。圖9(b)中給出平地假設(shè)條件下通道失配校正結(jié)果。可以發(fā)現(xiàn)，虛假目標的影響大大減弱。但是由于存在高程的山地影響，圖像中強散射的目標仍然存在可見的虛假目標。圖9(c)中給出考慮地形起伏條件下通道失配校正結(jié)果?？梢园l(fā)現(xiàn)，場景中虛假目標均得到有效抑制。

4 結(jié)論

方位向多通道星載SAR是實現(xiàn)高分辨率寬幅成像的重要技術(shù)手段之一，機載方位多通道SAR是驗證系統(tǒng)和算法有效性的必要手段。基于外部DEM輔助信息，本文提出一種適用于高程起伏條件下，方位多通道條帶SAR系統(tǒng)的通道相位失配校正方法。仿真實驗表明算法能夠精確補償平臺姿態(tài)導(dǎo)致的通道相位失配。將本文算法應(yīng)用于機載多通道SAR實驗數(shù)據(jù)處理，在高程起伏區(qū)域獲取了良好的通道一致性校正和重建處理結(jié)果，驗證了本文算法的有效性。