星載SAR聚束成像模式特點(diǎn)分析與研究

黃靜 孫赫 王剛 岑鵬瑞

北京市遙感信息研究所，中國·北京 100011

1 引言

雷達(dá)成像對(duì)地觀測衛(wèi)星是成像觀測衛(wèi)星發(fā)展的一個(gè)重要方向，而合成孔徑雷達(dá)（SAR）衛(wèi)星在這一領(lǐng)域近年發(fā)展迅速，已經(jīng)成為衛(wèi)星對(duì)地觀測中的后起之秀[1]。合成孔徑雷達(dá)具有全天候?qū)Φ赜^測能力，有良好的方位分辨率和距離分辨率，有一定的側(cè)視能力和動(dòng)態(tài)目標(biāo)探測能力，能穿云可破霧，對(duì)水域和地表也有一定的穿透能力。它克服了可見光遙感拍攝對(duì)地觀測的不足，可不分晝夜開展全天時(shí)、全天候觀測。

天線方位向尺寸會(huì)限制條帶模式SAR 的影像方位分辨率。一些特殊領(lǐng)域?qū)Φ赜^測對(duì)遙感影像分辨率和精度方面的要求越來越高，研究人員嘗試研究通過對(duì)天線進(jìn)行調(diào)整，使波束在一段時(shí)間內(nèi)保持照射地表面同一片區(qū)域，這樣獲得的合成孔徑會(huì)更長，合成孔徑越長，方位多普勒帶寬越高，通過這樣的方式采集的高分辨率衛(wèi)星圖像不再受天線本身尺寸的限制，這種SAR 成像工作模式被稱為聚束模式SAR[2，3]。

20世紀(jì)60年代聚束模式SAR 還處于實(shí)驗(yàn)階段，70年代發(fā)展到系統(tǒng)使用和測試階段，90年代開啟應(yīng)用階段，發(fā)展出一批實(shí)際機(jī)載使用的聚束模式成像的SAR 系統(tǒng)。到了21世紀(jì)，聚束模式SAR 由機(jī)載發(fā)展到星載，迅速向太空領(lǐng)域發(fā)展，越來越多國家航天領(lǐng)域正在運(yùn)行使用的星載SAR成像系統(tǒng)具備聚束成像工作模式。

“長曲棍球”衛(wèi)星是美國著名的軍事應(yīng)用衛(wèi)星，1988年12月2日發(fā)射入軌，軌道傾角為57°，其聚束模式方位分辨率可達(dá)1m，主要用于小范圍目標(biāo)，可精確獲得局部重要地區(qū)需要的圖像數(shù)據(jù)信息。后來，美國又先后于1991年、1997年、2000年和2005年發(fā)射四顆長曲棍球SAR 衛(wèi)星用于軍用領(lǐng)域，這四顆衛(wèi)星雷達(dá)均具備雙側(cè)視功能，每日可繞地球12 周進(jìn)行全球觀測，在觀測條件很不利的夜間或多云天氣分辨率也可達(dá)0.3m，即使隱藏在可見度較低的森林中的地面裝備也能觀測到。美國Capella 公司是美國第一家能夠持續(xù)提供SAR 數(shù)據(jù)服務(wù)的公司，Capella 于2020年開始部署一個(gè)由36 顆小型雷達(dá)衛(wèi)星組成的星座，主要功能是探測和跟蹤地球表面的變化和人類活動(dòng)，該星座系統(tǒng)可快速規(guī)劃衛(wèi)星任務(wù)，用戶響應(yīng)時(shí)間平均小于90min，并實(shí)現(xiàn)低于0.5m的超高分辨率，全天候提供圖像服務(wù)，加深人類對(duì)瞬息萬變的世界的了解。

由德國航空航天中心（DLR）和聯(lián)邦教育與研究部（BMBF）聯(lián)合實(shí)施研制的TerraSAR-X 于2006年發(fā)射，其飛行軌道與太陽同步，軌道高度509km，每日繞地15 周，其聚束模式SAR 可以獲得10km×5km 區(qū)域上的（1.5～3.5m）×1m 高分辨率圖像。2010年，EADS Astrium 公司與DLR聯(lián)合研制的TanDEM-X 雷達(dá)衛(wèi)星發(fā)射升空，與TerraSAR-X衛(wèi)星組網(wǎng)編隊(duì)飛行，構(gòu)成一個(gè)分辨率1m 的高精度高分辨率雷達(dá)干涉測量系統(tǒng)，可獲取全球高精度高分辨率數(shù)字地形模型數(shù)據(jù)。此外，德國2006—2008年陸續(xù)發(fā)射五顆SAR 衛(wèi)星Sar-lupe，組成軍用星座系統(tǒng)，已具備可變視角功能和聚束工作模式，通過姿態(tài)控制方式實(shí)現(xiàn)，其中聚束成像模式分辨率優(yōu)于1m；2013年10月，TerraSAR-X 衛(wèi)星升級(jí)后新增兩種成像模式；其中，寬掃描模式提高了觀測的覆蓋廣度和范圍，凝視聚束模式提高了成像分辨率；2018年2月22日，空客公司發(fā)射SAR 衛(wèi)星“帕斯”（PAZ），與TerraSAR-X和TanDEM-X 衛(wèi)星形成SAR 星座，重訪時(shí)間更短、獲取能力與覆蓋能力更強(qiáng)。

法國空間局與意大利空間局（ASI）和合作研制的Cosmos-Skymed 小衛(wèi)星系統(tǒng)也有聚束工作模式，主要工作區(qū)域是地中海地區(qū)，主要用途是進(jìn)行災(zāi)害監(jiān)視、環(huán)境監(jiān)測、和軍事目標(biāo)探測。

總之，聚束模式合成孔徑雷達(dá)成像已經(jīng)成為合成孔徑雷達(dá)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)和熱點(diǎn)，特別受到國際上各軍事和航天比較發(fā)達(dá)國家的重視。論文在分析合成孔徑雷達(dá)聚束工作模式的基本原理的基礎(chǔ)上，總結(jié)了星載SAR 聚束成像模式特點(diǎn)。

2 星載SAR 聚束成像模式空間幾何特點(diǎn)

SAR 實(shí)現(xiàn)方位向較高的分辨率，主要是通過聚束成像模式來實(shí)現(xiàn)，即通過長時(shí)間照射地表一塊不變的區(qū)域，來獲得比條帶SAR 更大的合成孔徑長度，方位向分辨率也隨之更高，圖1給出了聚束SAR 工作示意圖。它可廣泛用于觀測設(shè)備特別是星載設(shè)備對(duì)對(duì)面特殊目標(biāo)的精細(xì)成像。與條帶模式成像不同的是，聚束模式成像時(shí)天線的指向需要實(shí)時(shí)變化，以確保在一個(gè)成像周期內(nèi)，天線保持照射同一片區(qū)域，這樣的要求增加了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)難度和復(fù)雜性。

圖1 聚束SAR 工作示意圖

天線波束方向的調(diào)整可以獲得更長的合成孔徑成像時(shí)間，這就是聚束成像模式，該模式也應(yīng)用了多普勒頻移理論，成像處理可用到匹配濾波理論。條帶成像模式與聚束成像模式在原理上也有相似之處，聚束成像模式，二者在運(yùn)行過程中都具有相同的平動(dòng)，不同的是，天線波束在聚束成像模式下還會(huì)相對(duì)于目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，醫(yī)學(xué)上的計(jì)算機(jī)輔助X 射線層析照相（CAT）原理與其相似，因此還可以從CAT角度對(duì)聚束成像模式成像原理進(jìn)行解釋。

星載SAR 聚束成像模式衛(wèi)星軌道和地球曲率的空間幾何復(fù)雜性很高，天線控制難度也較大，地球自轉(zhuǎn)也會(huì)帶來很多問題。圖2給出了星載SAR 聚束成像模式空間幾何關(guān)系的示意圖。O 點(diǎn)為地心，球半徑為RE，A 為合成孔徑起點(diǎn)，C 為終點(diǎn)，B 為合成孔徑上任意一點(diǎn)。在合成孔徑成像周期內(nèi)，天線波束一直保持照射以T 為中心的地表同一片區(qū)域。從圖中不難看出，采集數(shù)據(jù)期間，天線波束保持照射同一塊場景區(qū)域，實(shí)現(xiàn)聚束照射。

圖2 星載聚束式SAR 空間幾何

為了更形象直觀地說明星載SAR 聚束成像模式與星載SAR 條帶成像模式以及機(jī)載SAR 聚束成像模式三者的區(qū)別，圖3和圖4分別給出了星載SAR 條帶成像模式與機(jī)載SAR聚束成像模式的空間幾何示意圖。

圖3給出了星載SAR 條帶成像模式的空間幾何關(guān)系圖，O 點(diǎn)為地心，衛(wèi)星以速度vs沿軌道運(yùn)動(dòng)，H 為軌道高度，S為某一時(shí)刻衛(wèi)星在軌道上的位置，P 為對(duì)應(yīng)的星下點(diǎn)，天線波束中心照射地表目標(biāo)點(diǎn)T，vT為目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度，RE為地球半徑，衛(wèi)星在飛行過程中，雷達(dá)對(duì)地表持續(xù)照射從而獲取數(shù)據(jù)，圖4中條帶狀陰影部分為雷達(dá)波束掃過的區(qū)域。

圖3 星載SAR 條帶成像模式的空間幾何關(guān)系圖

圖4給出了機(jī)載SAR 聚束成像模式的空間幾何關(guān)系。在一個(gè)完整的合成孔徑成像周期內(nèi)，多次調(diào)整雷達(dá)天線指向，使其保持照射地表同一片區(qū)域。便可獲取更長的合成孔徑長度和更高的方位分辨率，且不受天線方位孔徑長度的限制。

圖4 機(jī)載SAR 聚束成像模式的空間幾何關(guān)系

星載SAR 聚束成像的空間幾何關(guān)系受到地球模型、衛(wèi)星軌道、地球自轉(zhuǎn)等多種因素的影響，還要對(duì)波束指向進(jìn)行調(diào)整控制，其復(fù)雜度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過星載SAR 條帶模式和聚束模式各自復(fù)雜度的簡單疊加，是二者進(jìn)行有機(jī)綜合的結(jié)果。

采集數(shù)據(jù)的過程中，在條帶成像模式下天線波束的指向保持不變，而在聚束成像模式中需要對(duì)天線波束指向作實(shí)時(shí)調(diào)整，這是兩種模式最本質(zhì)的區(qū)別，也是導(dǎo)致回波信號(hào)的多普勒頻率分布不相同的原因，如圖5所示。

圖5 方位向多普勒頻率歷程

圖中Tα為合成孔徑時(shí)間，Bα為回波信號(hào)瞬時(shí)多普勒帶寬，Bd為點(diǎn)目標(biāo)回波多普勒帶寬。

綜上所述，聚束成像模式與條帶成像模式的差別見表1。

表1 條帶成像模式與聚束成像模式比較表

3 星載SAR 聚束成像模式多普勒頻率特性

相對(duì)于條帶模成像模式，聚束成像聚焦處理中存在一些特殊情況如下：二維運(yùn)動(dòng)方面的分辨單元（MTRC）現(xiàn)象、時(shí)間變化方面的多普勒中心頻率、空間變化方面的相位歷程，還有方位與距離之間的嚴(yán)重耦合等?？臻g變化的相位歷程表明空間位置上的各個(gè)散射點(diǎn)需要相對(duì)應(yīng)的聚焦函數(shù)，聚束成像模式SAR 獨(dú)特的多普勒頻率和帶寬特性，則是由時(shí)間變化的多普勒中心頻率導(dǎo)致的，下面將主要探討成聚束模式SAR 的這一特性。

雷達(dá)視線角度的不斷變化隨之帶來多普勒中心的變化，聚束成像模式的多普勒中心頻率則是隨方位時(shí)間的改變而改變的。從多普勒頻率的計(jì)算公式，可得出聚束模式的多普勒頻率為：

其中，x為成像區(qū)域點(diǎn)目標(biāo)位置，θ表示t時(shí)刻位于x處點(diǎn)目標(biāo)的斜視角，假設(shè)合成孔徑時(shí)間為Ts，成像區(qū)域方位向?qū)挾葹閃a，則有：

其中，x0為成像區(qū)域中心位置，由于聚束成像模式始終照射同一區(qū)域，因此可認(rèn)為成像區(qū)域中心位置即為波束中心照射的位置。為方便，以下只討論前斜視情形。由（1）～（3），可知：

其中，斜距為：

由（4）、（5）可得：

其中，t0為零多普勒時(shí)刻，即x0＝vst0（6）中第二項(xiàng)即為多普勒中心頻率，顯然多普勒中心頻率是隨方位時(shí)間t變化的，且單調(diào)下降。由（6）可知多普勒帶寬為：

由（7）可知，若記：

則多普勒帶寬：

其中，Ba即為回波信號(hào)瞬時(shí)多普勒帶寬，且隨方位時(shí)間t而增加，而Bd則為點(diǎn)目標(biāo)回波多普勒帶寬，且是恒定的。由（10）可知，聚束成像模式SAR 的多普勒帶寬是隨方位時(shí)間而增加，且遠(yuǎn)大于條帶成像模式SAR 的多普勒帶寬。這一點(diǎn)是聚束模式SAR 區(qū)別于條帶模式SAR 以及掃描模式SAR 最重要的特征之一。

4 星載SAR 聚束成像模式脈沖參數(shù)特點(diǎn)

聚束模式SAR 是利用在一段時(shí)間內(nèi)照射同一片區(qū)域，來獲得比傳統(tǒng)模式更長的合成孔徑和多普勒帶寬，進(jìn)而讓得到的方位向分辨率更高。因此，根據(jù)采樣定理，則要求很高的脈沖重復(fù)頻率才能避免方位向頻譜的混疊。但是脈沖重復(fù)頻率太高又會(huì)導(dǎo)致觀測帶寬度減小且會(huì)使距離模糊度增加。另外，數(shù)據(jù)率越大，脈沖重復(fù)頻率越高，二者成正比關(guān)系。在要求數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)下傳的情況下，將給數(shù)傳系統(tǒng)帶來較大的時(shí)效壓力。

因此，對(duì)于聚束成像模式，需要提供一種以較好的成像算法，能夠有效降低系統(tǒng)對(duì)脈沖重復(fù)頻率的要求，解決高分辨率需求與寬觀測帶之間的矛盾，同時(shí)運(yùn)算量還要盡可能小、精度盡可能高。Deramp Chirp Scaling （DCS）算法就是這樣一種算法。這是因?yàn)榫凼絊AR 模式的多普勒帶寬雖然很大，但是每個(gè)點(diǎn)目標(biāo)多普勒歷程和多普勒帶寬均相等。所以，要使方位向的信號(hào)帶寬降低，可以通過在原始信號(hào)方位向上減去一個(gè)固定調(diào)頻率的chirp 相位，從而對(duì)PRF不需要過高要求。DCS 算法是對(duì)Chirp Scaling 算法的改進(jìn)，把Deramp 過程加在原Chirp Scaling 算法之前，去除一個(gè)固定調(diào)頻率的二次相位，能過這種方式使信號(hào)帶寬降低。在Deramp 的計(jì)算過程之后再用Chirp Scaling 算法進(jìn)行成像處理。因此，聚束成像模式可以采用瞬時(shí)多普勒帶寬Ba作為脈沖重復(fù)頻率的選擇依據(jù)。

另外，從圖像處理來說，高方位向分辨率需要具有高距離向分辨率與之相匹配，而高距離向分辨率需要大信號(hào)帶寬。因此，從工程實(shí)際來說，采用聚束成像模式，SAR 信號(hào)帶寬至少應(yīng)該大于100M。

根據(jù)聚束成像模式的工作原理，聚束式SAR 需要長時(shí)間照射同一小塊固定的區(qū)域，使得偵收站與波束主瓣的相對(duì)空間位置變化不大，也即偵收信號(hào)的發(fā)射天線增益變化不大，從而其相對(duì)幅度變化不大。

綜上所述，由聚束成像模式的工作原理和多普勒特征，可以形成總結(jié)出星載聚束SAR 成像模式脈沖參數(shù)特點(diǎn)。在單次偵照任務(wù)期間，具體表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

①脈沖重復(fù)間隔呈階梯狀下降（或上升）；

②瞬時(shí)帶寬保持不變，而且至少100M 以上（現(xiàn)有衛(wèi)星情形）；

③脈沖相對(duì)幅度變化不大；

④脈沖寬度保持不變；

⑤平均功率保持不變。

其中，由于瞬時(shí)多普勒帶寬Ba是隨時(shí)間單調(diào)下降的，且對(duì)其量化后使得脈沖重復(fù)間隔（脈沖重復(fù)頻率的倒數(shù)）呈階梯狀上升，若脈沖重復(fù)間隔呈階梯狀下降則聚束合成孔徑雷達(dá)采用的是后斜視方式。

5 結(jié)語

聚束模式成像是通過改變天線波束指向，使天線波束中心視角隨衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)方向不斷轉(zhuǎn)動(dòng)變化，從而實(shí)現(xiàn)較長時(shí)間聚集照射同一區(qū)域的一種成像模式。聚束成像模式是實(shí)現(xiàn)方位向高分辨力的一種有效手段，可以獲得比條帶成像模式難以達(dá)到的超高分辨力圖像，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)重點(diǎn)目標(biāo)精細(xì)成像。論文通過對(duì)星載SAR 聚束成像模式的空間幾何特點(diǎn)和多普勒頻率特征的分析和研究，對(duì)比了星載SAR 聚束成像模式與星載SAR條帶成像模式和機(jī)載SAR聚束成像模式的差異，總結(jié)了星載SAR 聚束成像模式特點(diǎn)，對(duì)于SAR 聚束成像模式影像產(chǎn)品的應(yīng)用具有參考價(jià)值。