GEO SAR波束誤差綜合補償方法

倪崇 張慶君 劉杰 唐治華 鄭鋼鐵

(1 中國空間技術(shù)研究院遙感衛(wèi)星總體部，北京 100094)(2 清華大學 航天航空學院，北京 100084)

與衛(wèi)星光學遙感器相比，星載合成孔徑雷達(SAR)是一種先進的主動微波探測手段，具有全天候、全天時的優(yōu)勢。星載SAR波束性能是SAR的主要性能參數(shù)，由于在軌熱變形等因素會引起天線結(jié)構(gòu)變化，從而造成實際天線波束性能的變化，因此需要對波束誤差進行補償。波束誤差包含：常值誤差，指具有時不變和恒值特性的誤差；長周期誤差，指大于天周期的長期慢變誤差；短周期誤差，指天周期內(nèi)快變誤差。

已經(jīng)成功發(fā)射的星載SAR均處于200～1000 km的低地球軌道(LEO)。關(guān)于上述3種波束誤差，LEO SAR普遍采用的補償措施包括：在衛(wèi)星上加強機械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性設(shè)計，以補償短周期誤差；在地面開展波束方向圖測量，以補償常值誤差和長周期誤差；在應(yīng)用端采用基于遙感數(shù)據(jù)域的誤差補償方法，可在一定范圍內(nèi)補償總誤差。目前，處在研究熱點的地球同步軌道(GEO)SAR運行在36 000 km軌道高度，比LEO SAR的軌道高2個數(shù)量級，導致其合成孔徑時間變長、波足速度變慢、幅寬變大，使得LEO SAR常用的波束誤差補償方法已無法直接應(yīng)用到GEO SAR上，需要做適當?shù)母倪M。

基于GEO SAR的軌道特點，本文主要對已成功應(yīng)用于LEO SAR的基于星上補償、地面測量和遙感數(shù)據(jù)域誤差提取的方法進行改進，并將3種措施綜合使用，以更好地用于補償GEO SAR的波束誤差，獲取高質(zhì)量圖像。

1 GEO SAR和LEO SAR的比較

SAR的成像原理決定了SAR必須搭載于運動平臺，主要包括衛(wèi)星、飛機和飛艇等。其中，星載SAR依據(jù)衛(wèi)星軌道高度不同，可以分為LEO SAR(軌道高度160～2000 km)、中地球軌道(MEO)SAR(軌道高度大于2000 km)和GEO SAR(軌道高度36 000 km)。

從1978年美國發(fā)射第1顆裝載SAR的海洋衛(wèi)星(SeaSat)開始，俄羅斯、ESA、日本、德國、意大利、加拿大、中國等紛紛發(fā)射了各自的LEO SAR衛(wèi)星[1-2]。但是，LEO SAR具有一定的局限性，如對特定區(qū)域的覆蓋面積小、重訪周期長、實時性差。GEO SAR概念在1978年被首次提出[3]。GEO SAR運行在36 000 km的軌道高度，其軌道實際是傾斜地球同步軌道(IGSO)，具有一定的傾斜角度，星下點軌跡為“8”字形，因此可獲得與地面目標的相對運動，實現(xiàn)2維SAR成像。后來，一般沿襲1978年提出的名字，將這種運行在IGSO的SAR稱為GEO SAR。相對于LEO SAR，GEO SAR具有大幅寬、高重訪的明顯優(yōu)勢。目前，尚無在軌運行的GEO SAR，但GEO SAR正逐漸成為世界各國關(guān)注的焦點，美國[4]、英國[5]、意大利[6]、俄羅斯[7]和中國[8-9]等都在開展GEO SAR研究，各國公開的GEO SAR參數(shù)如表1所示。

表1 GEO SAR參數(shù)

GEO SAR比LEO SAR的軌道高2個數(shù)量級，導致合成孔徑時間、波足速度、幅寬也都相差2個數(shù)量級。以波束寬度0.1°為例，GEO SAR和LEO SAR參數(shù)的典型值如表2所示。由于這些差別，LEO SAR常用的波束誤差補償方法已無法直接應(yīng)用到GEO SAR上，有必要專門開展研究。

表2 GEO SAR與LEO SAR的比較

2 波束誤差綜合補償方法

目前，已有幾十顆LEO SAR衛(wèi)星成功發(fā)射，關(guān)于LEO SAR波束誤差的研究比較多，主要集中在3個不同的環(huán)節(jié)。①星上加強天線結(jié)構(gòu)設(shè)計，確保波束指向穩(wěn)定度(短周期誤差)滿足要求；②地面開展波束方向圖測量，提取波束的常值誤差和長周期誤差；③在應(yīng)用終端，利用遙感圖像開展基于遙感數(shù)據(jù)域的自適應(yīng)分析進行誤差補償，這種措施不區(qū)分誤差種類，可在一定范圍內(nèi)補償總誤差。

目前，尚無在軌運行的GEO SAR衛(wèi)星，公開可查的國內(nèi)外文獻主要集中在GEO SAR原理和系統(tǒng)設(shè)計等方面的研究，沒有涉及到GEO SAR波束誤差補償?shù)南嚓P(guān)研究。本文在LEO SAR波束誤差補償措施的基礎(chǔ)上，針對表2中列出的GEO SAR與LEO SAR的不同，分別對現(xiàn)有的LEO SAR波束誤差補償措施進行改進，使其能夠適用于GEO SAR波束誤差補償需求。①針對GEO SAR對波束指向穩(wěn)定度要求高，對天線采取基于主被動聯(lián)合的振動抑制措施；②針對GEO SAR波足速度慢，采用衛(wèi)星平臺姿態(tài)擺動來配合波束方向圖的測量；③針對GEO SAR幅寬大，提出基于分塊處理的數(shù)據(jù)域波束誤差補償措施。

為了能最大限度地補償波束誤差，改善圖像質(zhì)量，本文將星上、地面、應(yīng)用3個環(huán)節(jié)的改進措施有序綜合起來實施。首先，針對波束指向易受衛(wèi)星上活動部件擾動和天線桿件熱變形等因素影響，可在衛(wèi)星上對天線采取主被動聯(lián)合振動抑制措施，實現(xiàn)波束指向穩(wěn)定度控制，補償短周期誤差；然后，在地面采用基于衛(wèi)星平臺姿態(tài)擺動配合的波束方向圖測量方法，補償常值誤差和長周期誤差；最后，在應(yīng)用環(huán)節(jié)采用基于分塊處理的數(shù)據(jù)域波束誤差提取，補償殘余的誤差。實施過程如圖1所示。

圖1 波束誤差補償方法實施過程

2.1 GEO SAR波束指向穩(wěn)定度控制

SAR的波束指向穩(wěn)定度是指由衛(wèi)星上的敏感器噪聲、姿態(tài)耦合、控制參數(shù)變化及天線桿件熱變形等引起的波束指向短周期誤差，即波束指向變化的抖動特性。SAR成像對波束指向穩(wěn)定度σ(短周期誤差)的要求[10]為

(1)

式中：Ts為合成孔徑時間；A為抖動幅度。

在LEO SAR中，由式(1)計算得到波束指向穩(wěn)定度的要求，通過配置高強度天線結(jié)構(gòu)和優(yōu)化衛(wèi)星平臺控制策略達到穩(wěn)定度的要求。從表2可知，GEO SAR的合成孔徑時間比LEO SAR的合成孔徑時間高2個數(shù)量級，例如，A為0.001°時，GEO SAR的波束指向穩(wěn)定度要求達1×10-5量級，此時僅依靠加強結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化衛(wèi)星平臺控制策略已無法滿足要求，需要對天線采取振動抑制措施才能達到這一穩(wěn)定度要求。

在GEO SAR天線結(jié)構(gòu)上采取主動與被動一體化振動主動控制措施[11]，并將主被動一體化振動控制作動器同時作為熱變形控制作動器使用，即采用多功能作動器，將天線結(jié)構(gòu)的形變視為零頻結(jié)構(gòu)振動來進行控制。主被動一體化作動器的輸出特性是改變張力，既可以作為張力索的一部分，也可以作為支撐桿件的一部分，還可以植入天線復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的內(nèi)部空腔中，從而實現(xiàn)對多種天線結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性。天線振動抑制系統(tǒng)組成示意如圖2所示。

圖2 天線振動抑制系統(tǒng)組成示意

2.2 GEO SAR波束方向圖測量

對于常值誤差和長周期誤差，一般采用地面測量方向圖的措施進行補償。其中：常值誤差可以通過1次測量獲得；長周期誤差可以通過定期多次(頻次根據(jù)需求而定，例如1年1次)測量來修正。LEO SAR可選用亞馬遜雨林測量方向圖[12]，而GEO SAR大部分軌道位置觀測不到亞馬遜雨林，因此需要采用標準反射器測量法。如圖3所示，在SAR的觀測條帶內(nèi)，選擇廣闊而均勻的試驗場地，使用已經(jīng)精密校準過的測試接收機，記錄來自SAR入射電波的功率密度的時間歷程，從而獲得波束方向圖。由于GEO SAR波足速度較慢，在衛(wèi)星可開機時間內(nèi)無法覆蓋整個波束的測量，例如，波足速度vb為70 m/s，波束寬度對應(yīng)地面要掃過的幅寬W為1000 km，衛(wèi)星可開機時間t為600 s，則波足在地面滑過的距離vb·t為42 km，小于幅寬W，因此需要衛(wèi)星平臺姿態(tài)擺動來配合波束方向圖的測量，如圖4所示。衛(wèi)星平臺擺動的角速度為

圖3 標準反射器測量法示意

圖4 基于衛(wèi)星平臺姿態(tài)擺動的波束方向圖測量示意

(2)

式中：R為斜距。

2.3 GEO SAR數(shù)據(jù)域波束誤差補償

星上補償、地面測量的精度是有限的，存在殘余誤差，在接收到遙感數(shù)據(jù)后，可采用自聚焦算法提取殘余的波束誤差。自聚焦是利用SAR數(shù)據(jù)本身提取誤差，可補償電波傳播、系統(tǒng)誤差等因素影響造成的相位畸變。自聚焦算法并不區(qū)分誤差種類和周期，可以補償包含波束誤差在內(nèi)的各類誤差。當誤差值在一定范圍內(nèi)時，自聚焦算法會收斂，因此，本文先采用星上和地面的補償措施對常值誤差、長周期誤差和短周期誤差分別進行補償，最后用自聚焦算法來補償殘余誤差?，F(xiàn)有的自聚焦算法可劃分為兩大類：參數(shù)模型法，主要是經(jīng)典的子孔徑相關(guān)(MD)算法[13]；非參數(shù)模型法，主要是經(jīng)典的相位梯度自聚焦(PGA)算法[14]。MD算法運算量相對較小，對二次相位誤差的估計比較穩(wěn)健，缺點是隨著相位誤差階數(shù)的增大估計精度降低。PGA算法基于圖像中某些特顯點的散焦狀況進行自聚焦處理，從而使整個圖像的散焦情況得到改善，對低階、高階及隨機誤差都能夠較好地進行補償。

跟LEO SAR相比，GEO SAR波足速度慢、幅寬大，1個合成孔徑時間內(nèi)不能覆蓋整個幅寬，因此在進行自聚焦處理時，可將整幅圖像分成M個子圖像。

(3)

式中：Ts為合成孔徑時間；「?表示向上取整。

以PGA算法為例，將圖像分塊后，從每個子圖像提取出誤差值，將每個子圖像的誤差合成為總的誤差項，應(yīng)用到整幅圖像的聚焦處理，處理過程見圖5。

圖5 基于分塊的自聚焦算法實現(xiàn)過程

(1)計算圖像的分塊數(shù)，將整個圖像分成M個子圖像。

(2)對每個子圖像分別進行如下操作。①對子圖像數(shù)據(jù)進行中心移位，即尋找每個距離行上的最強反射點，將其移至中心，以去掉目標點的多普勒頻率偏移；②加窗，作用是去掉對相位誤差估計無用的數(shù)據(jù)，僅保留目標點由于相位誤差造成的模糊區(qū)域，即誤差的支撐域，加窗能提高待處理區(qū)域中的信雜比；③將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為距離壓縮域，依據(jù)一定的最優(yōu)準則，對相位梯度進行估計；④對相位梯度進行積分，得到所估計的相位誤差，在距離壓縮域中將其補償?shù)簦缓筮€原至圖像域，即完成了1次算法循環(huán)；⑤對算法進行迭代執(zhí)行，直至估計偏差足夠小為止。

(3)將每個子圖像的誤差合成為總的誤差項。

(4)利用總誤差項對整幅圖像進行聚焦處理。

3 波束誤差補償措施使用建議

關(guān)于本文所提到的3個補償措施，星上和地面環(huán)節(jié)的補償都需要增加硬件設(shè)備；應(yīng)用環(huán)節(jié)補償需要在原成像流程中嵌入自聚焦算法，增加圖像處理時間。目前，在軌運行的LEO SAR已將地面波束方向圖測量作為在軌測試的必選項目，因此建議GEO SAR采用本文的改進措施，也將地面波束方向圖測量作為必選項目。星上和應(yīng)用環(huán)節(jié)的補償措施作為可選項目，根據(jù)不用的需求靈活配置(見表3)。

表3 GEO SAR波束誤差補償措施使用建議

(1)若對時效性要求較高，可考慮增加基于主被動聯(lián)合振動抑制的波束指向穩(wěn)定度控制措施，因為該補償措施只增加硬件成本，但不增加處理時間，時效性較好。

(2)若需要控制硬件成本，可考慮增加基于分塊處理的GEO SAR數(shù)據(jù)域波束誤差補償措施，因為該補償措施只增加處理時間，沒有增加硬件成本。

(3)若對圖像質(zhì)量要求高，建議按照圖1的過程，采取所有的補償措施，圖像質(zhì)量是最佳的，代價是增加了硬件成本和處理時間。

4 結(jié)束語

本文提出了一種適合于GEO SAR的波束誤差綜合補償方法，從星上、地面和應(yīng)用3個環(huán)節(jié)分別采取措施，可最大限度地補償波束誤差，為GEO SAR工程實施提供參考。本文的方法是在現(xiàn)有LEO SAR常用方法的基礎(chǔ)上改進而來的，隨著國內(nèi)外對GEO SAR的研究逐步深入，將來若有在軌運行的GEO SAR衛(wèi)星，可獲取真實的GEO SAR數(shù)據(jù)，屆時可結(jié)合GEO SAR衛(wèi)星的在軌運行情況和真實數(shù)據(jù)特點，驗證本文方法的有效性，并可繼續(xù)深入研究針對性更強的適用于GEO SAR的波束誤差補償方法。