一種新的BDS-BSAR多星融合目標監(jiān)測算法①

韓 沖，牛新亮，雷博持，萬 貝，井 成

(中國空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

基于GNSS衛(wèi)星照射的雙基SAR(GNSS-BSAR)，顧名思義就是一種新的利用雙基SAR體制，以全球?qū)Ш叫l(wèi)星美國全球定位系統(tǒng)(GPS)，俄羅斯導(dǎo)航定位系統(tǒng)(GLONASS)、歐洲伽利略導(dǎo)航定位系統(tǒng)(Galileo)和中國北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)(BDS)作為發(fā)射平臺，屬于一種被動的雙基地SAR系統(tǒng)。GNSS-BSAR的優(yōu)勢包括以下幾個方面：①GNSS-BSAR系統(tǒng)隱蔽性更好。②GNSS-BSAR信號源豐富。③GNSS-BSAR同步性能好。④GNSS-BSAR探測更有效。⑤GNSS-BSAR成本更低、更環(huán)保。因此，開展基于GNSS-BSAR系統(tǒng)的研究，不僅可以在民用領(lǐng)域提供更加經(jīng)濟有效的觀測手段和探測成像與定位功能，還可以在軍事領(lǐng)域大大提高雷達的戰(zhàn)時適用性，具有深遠的研究意義。

近年來，世界各國的研究小組對GNSS-BSAR的成像能力進行了深入的研究。伯明翰大學(xué)的研究人員首先提出了基于全球?qū)Ш叫盘柕碾p基地合成孔徑雷達(GNSS-BSAR)系統(tǒng)的概念，并利用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GLONASS)進行了實驗，以獲得遙感成像結(jié)果[1]。他們還研究了通過聯(lián)合伽利略E5信號[2]、多站采集和特征提取[3-6]提高距離分辨率的可行性，并討論了基于GNSS-SAR相干變化檢測中的空間去相關(guān)問題[7]并進行了相干變化檢測實驗。湖北大學(xué)研究團隊研究得出了長停留時間下二維分辨率的解析公式[6]并且證明了GNSS-BSAR的高質(zhì)量空間相關(guān)性[8-11]，同時，利用北斗星座在不同的照明視角觀測目標區(qū)域提高了GNSS-BSAR圖像的空間分辨率。北京理工大學(xué)的研究團隊利用北斗中地軌道(MEO)衛(wèi)星進行了成像實驗，以檢測具有強散射系數(shù)的角反射器和轉(zhuǎn)發(fā)器，同時提出了用于圖像增強的重復(fù)通相干融合[12，13]。他們還提出基于導(dǎo)航信號的干涉SAR系統(tǒng)(GNSS-INSAR)的3D干涉測量算法并對中國鐵路高速(CRH)鐵路橋梁成像進行了實驗，取得了非常理想的結(jié)果。北京航空航天大學(xué)、地理空間技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心、謝菲爾德大學(xué)和新南威爾士大學(xué)等研究團隊也在GNSS-BSAR的成像算法，同步技術(shù)、抗干擾算法等方面做出了大量的研究[14-18]。

本文提出了一種新的基于北斗GEO(BDS-BSAR)的多星融合目標監(jiān)測算法，由于北斗系統(tǒng)中的五顆地球同步衛(wèi)星(命名為DBDS C01-C05)具有長時間穩(wěn)定軌跡特性，因此能夠長時間相對地靜止在觀測地球表面，而無需考慮運動補償，有效避免了傳統(tǒng)基于GNSS-BSAR系統(tǒng)的距離單元偏移誤差校正處理，降低了傳統(tǒng)反投影算法(BPA)中插值處理的復(fù)雜度。于此同時，由于北斗GEO具有B3頻點(20.46MHz)具備更寬的信號帶寬，且成像系統(tǒng)的幾何模型相對穩(wěn)定，使得利用多星融合的目標監(jiān)測思想，保證了距離分辨率的進一步提高。

1 BDS-BSAR系統(tǒng)幾何構(gòu)型與回波信號模型

基于BDS-BSAR的系統(tǒng)幾何構(gòu)型如圖1所示，該系統(tǒng)分為三部分：北斗GEO衛(wèi)星(GEO-1/2/3)作為發(fā)射機、接收機(R)處于地面固定站點和觀測區(qū)內(nèi)的點目標(P)。接收機是具有直達通道(采集右旋圓極化直達波信號)和反射通道(采集左旋圓極化導(dǎo)航信號經(jīng)觀測區(qū)域的反射回波信號)的雷達接收機。

圖1 BDS-GEO-BSAR系統(tǒng)幾何構(gòu)型

系統(tǒng)的空間坐標系為觀測區(qū)域所在的大地坐標，其中X、Y、Z為ENU坐標系的坐標軸。北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的直達信號從GEO衛(wèi)星分別經(jīng)過(Rb1、Rb2、Rb3)路徑到達到接收機(R)；反射信號則是由GEO 衛(wèi)星首先經(jīng)過(Rt1、Rt2、Rt3)路徑到點目標P(xTa，yTa，zTa)，然后以RCS(雷達散射截面積)為σ經(jīng)過Rr路徑到達接收機。

假定發(fā)射機1的坐標表示為(xT(u)，yT(u)，zT(u))，則此時的發(fā)射-接收的基線如式(1)所示：

(1)

考慮到圖像場景中點目標的坐標為(xTa，yTa，zTa)，我們得到瞬時發(fā)射-目標的距離RT(u)和接收-目標的距離RR為：

(2)

(3)

由于GNSS信號的一般形式是：

Y(t)=P(t)MP(t)cos(ωct+φ)+D(t)MD(t)sin(ωct+φ)

(4)

接收機的直達信道(HC)記錄直達信號與其時延和相位，反射信道(RC)記錄目標回波信號與從發(fā)射到目標到接收的時延。HC和RC經(jīng)過正交解調(diào)得到：

(6)

(7)

其中，pO是發(fā)射信號主碼，c是光速，λ是信號波長。

從(6)和(7)可以看出，HC和RC的誤差相同。這是因為它們在同一個接收器上是相同的信道，并且兩個信道的振蕩器是共同的。因此，由于RT(u)+RR和RB(u)之間的距離差相對較小，它們具有相同的接收誤差和近似相等的大氣誤差。因此，可以使用HC同步期間跟蹤的誤差來補償RC中的誤差。

2 基于(BDS-BSAR)的多星融合目標監(jiān)測算法

對于固定接收機和固定方位和仰角的北斗GEO衛(wèi)星，在觀測區(qū)域內(nèi)一定數(shù)量的網(wǎng)格具有相同的路徑延遲。由于GEO衛(wèi)星在給定的路徑延遲RD0的網(wǎng)格將在成像區(qū)域形成一條弧，此弧稱為距離等延遲弧。因此，本文將利用三顆北斗GEO衛(wèi)星，首先考慮到衛(wèi)星C01直接天線和反射天線分別接收直接和反射信號。信號跟蹤模塊用于提取直接信號中的碼相、載波相位和導(dǎo)航信息。然后利用碼相位和載波相位等參數(shù)對反射信號進行距離壓縮，得到相關(guān)曲線，并利用導(dǎo)航信息對反射信號進行解調(diào)，從而延長了相關(guān)曲線的相干積累時間。然后將相關(guān)曲線反投影到成像區(qū)域，得到距離相等的延遲弧。對于C02/C03，執(zhí)行相同的程序。通過多星等延遲弧的交點可以得到一個尖峰，從而可以確定目標。

基于(BDS-BSAR)的多星融合目標監(jiān)測算法的系統(tǒng)處理流程框圖如圖2所示：

圖2 基于BDS-BSAR的算法流程圖

由圖2可知，分別對三顆衛(wèi)星首先進行直達信號的捕獲跟蹤，并生成本地參考信號作為反射信號處理的預(yù)處理過程，然后利用反射信號與本地生成信號進行二維接收數(shù)據(jù)的距離壓縮，從而得到單顆衛(wèi)星的距離成像結(jié)果。通過對三幅距離成像數(shù)據(jù)結(jié)果疊加從而可以最終得到點目標的多星干涉后的圖像結(jié)果。

根據(jù)公式(6)和(7)可以觀察到，所有的接收和大氣誤差都是隨時間緩慢而變化的，但它們不是t的直接函數(shù)。由此可將直達信號跟蹤結(jié)果直接反饋到反射信號通道，并根據(jù)直達信號相位和多普勒信息重構(gòu)本地參考信號，然后將兩路信號經(jīng)過距離壓縮，由于多星融合干涉此時無需進行插值處理就可以得到相關(guān)結(jié)果。

由廣義模糊度函數(shù)(GAF)的定義在距離和方位維度上的3 dB寬度分別為距離分辨率和方位分辨率。考慮到地面靜止接收機接收來自GNSS發(fā)射機的信號并由一個靜止點目標反射，該系統(tǒng)的二維雙站分辨單元可以從GAF中推導(dǎo)出來。在窄帶信號和窄合成孔徑假設(shè)中，GAF，X(A，B)由兩個歸一化函數(shù)p(·)和mA(·)的乘積給出。p(·)是測距信號的匹配濾波器輸出，mA(·)是歸一化接收信號幅度圖的逆變換。因此，信號的模糊度函數(shù)可以寫成：

(8)

(9)

其中Rd(x，y)是發(fā)射-目標-接收的距離，Λ()為BP成像區(qū)域。

3 算法仿真分析與結(jié)果

為了驗證算法的有效性，利用MATLAB進行數(shù)值仿真。設(shè)定仿真參數(shù)為：北斗GEO衛(wèi)星作為發(fā)射機，觀測區(qū)域選擇1 000×1 000m2，接收機為觀測區(qū)域坐標系中心點高度為1 000m，其坐標為(0，0，1 000)；點目標的坐標為(500，500，0，)，成像網(wǎng)格選擇1×1 m的單元對成像區(qū)域進行劃分。

圖3 單顆GEO衛(wèi)星成像結(jié)果

如圖3所示，為單顆GEO 衛(wèi)星的成像效果圖，通過圖示可以看到單星等距離弧的效果。由于單星的距離向分辨率是由雙站角和信號帶寬決定的，北斗B3頻點信號得到的距離向分辨率是30 m，符合雙基SAR分辨率的預(yù)期。

圖4(a)給出了基于三顆GEO衛(wèi)星的融合圖像結(jié)果，通過仿真結(jié)果可以清楚看到目標點處具有更高的能量。圖4(b)給出了局部放大的效果，可以看出該算法的目標分辨率約在40×100 m2。

(a)BDS-GEO-BSAR成像結(jié)果 (b)局部放大效果

4 結(jié)論與展望

本文介紹了一種新的基于北斗GEO(BDS-BSAR)的多星融合目標監(jiān)測算法，由于北斗系統(tǒng)中的五顆地球同步衛(wèi)星(命名為DBDS C01-C05)具有長時間穩(wěn)定軌跡特性，因此能夠長時間相對地靜止在觀測地球表面，而無需考慮運動補償，有效避免了傳統(tǒng)基于GNSS-BSAR系統(tǒng)的距離單元偏移誤差校正處理，降低了傳統(tǒng)反投影算法(BPA)中插值處理的復(fù)雜度。于此同時，由于北斗GEO具有B3頻點(20.46MHz)具備更寬的信號帶寬，且成像系統(tǒng)的幾何模型相對穩(wěn)定，使得利用多星融合的目標監(jiān)測思想，保證了距離分辨率的進一步提高。通過仿真結(jié)果驗證了算法在目標檢測的可行性與有效性。后續(xù)研究將集中在成像分辨率提升和實際場景試驗以及對虛假目標的識別研究上。