基于星載合成孔徑雷達的環(huán)掃成像模式設(shè)計

李詩潤，劉 昕，楊娟娟，王萬林，牛文博

(中國空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

星載合成孔徑雷達(synthetic aperture radar,SAR)由于能夠全天時、全天候?qū)Φ赜^測，已經(jīng)成為對地觀測衛(wèi)星的重要手段。自1978年美國成功發(fā)射第一顆合成孔徑雷達衛(wèi)星Seasat-1以來，在世界上掀起了主動式微波遙感對地觀測衛(wèi)星的熱潮。歐洲、日本、俄羅斯、加拿大、中國等國家和地區(qū)相繼發(fā)射了自己的合成孔徑雷達成像衛(wèi)星[1]。SAR在國土資源測量、海洋水文觀測、環(huán)境災(zāi)害監(jiān)視、地形測繪、軍事偵察以及其它領(lǐng)域發(fā)揮了越來越重要的作用。

隨著應(yīng)用領(lǐng)域的擴大及星載SAR技術(shù)的發(fā)展，多種新型SAR成像模式在星載領(lǐng)域得到了演示驗證與實際的應(yīng)用，除了傳統(tǒng)的條帶模式外，滑動聚束模式、掃描模式、馬賽克模式等新模式相繼出現(xiàn)[2]，其中，滑動聚束模式通過增加方位向波束駐留時間提高了方位分辨率，但成像區(qū)域較小，且無法連續(xù)觀測；掃描模式通過距離向波束掃描增加了觀測帶寬度，但降低了方位分辨率[3]；馬賽克模式綜合了滑動聚束模式與掃描模式的優(yōu)點，在距離與方位上形成若干個高分辨率子圖像，而后再將這些子圖像拼接合成為一幅較大范圍的高分辨率圖像[4]。在衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計中，一般根據(jù)不同應(yīng)用對成像分辨率和觀測帶寬度的不同需求來選擇成像模式，但無論哪種模式，通常的觀測帶寬度僅為幾十公里或上百公里，由于衛(wèi)星飛行速度快，重訪周期長，對于具有廣域海面目標搜索或大面積地形測繪的應(yīng)用需求來說，衛(wèi)星的工作效率較低，時效性不強，這是制約當前多數(shù)微波遙感衛(wèi)星應(yīng)用的主要問題，例如國際上著名的SAR衛(wèi)星SIR-C、ALOS、RadarSat-2等[5]均基于衛(wèi)星獲取的數(shù)據(jù)開展了海上目標檢測的測試，但均停留在數(shù)據(jù)研究及試驗?zāi)Ｊ?，無法作為衛(wèi)星的應(yīng)用模式[6-8]。

本文主要研究了一種基于星載合成孔徑雷達的環(huán)掃成像模式設(shè)計，簡稱環(huán)掃SAR成像，這種模式最大特點是天線能夠繞衛(wèi)星的垂直軸快速旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)環(huán)掃成像，利用合成孔徑雷達的成像原理，能夠在一次成像過程中獲取大面積的環(huán)狀目標區(qū)域圖像信息，通過合理的參數(shù)設(shè)計，可以實現(xiàn)對上千公里以上的范圍進行連續(xù)觀測，有效獲取場景內(nèi)的有用信息，如大范圍內(nèi)的船只搜索或地形輪廓測量等；首先介紹了環(huán)掃SAR成像的幾何模型與成像原理，然后對環(huán)掃SAR成像參數(shù)進行了分析，最后通過計算機仿真與環(huán)掃成像在軌獲取的圖像結(jié)果進行了有效驗證。

1 環(huán)掃SAR成像原理

1.1 幾何模型

在傳統(tǒng)的成像模式中，合成孔徑雷達的天線波束默認指向衛(wèi)星的星下點方向，通過衛(wèi)星的擺動實現(xiàn)側(cè)視成像，或者天線在安裝時其法線與衛(wèi)星的星下點方向具有一定的傾角，通過天線的波束掃描能力來實現(xiàn)側(cè)視成像，如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)成像幾何模型—正側(cè)視條帶SARFig.1 Traditional imaging geometric model-positive side view strip SAR

在環(huán)掃SAR成像模式中，雷達天線在衛(wèi)星平臺上傾斜安裝，并且具有繞衛(wèi)星+z軸360°的掃描能力，將雷達天線的法線方向與衛(wèi)星的星下點方向(衛(wèi)星+Z方向)稱之為雷達下視角φ，將天線波束方向投影到地面上矢量與衛(wèi)星星下點運行方向的夾角定義為方位角θ，天線波束掃描的角速度定義為ω，整個成像幾何模型如圖2所示。

圖2 環(huán)掃SAR成像幾何模型Fig.2 The circular scanning SAR-imaging geometric model

通過合理的幾何模型設(shè)計，可以將多個環(huán)形成像區(qū)域進行無縫拼接，從而將成像區(qū)域由數(shù)十公里拓寬為上千公里，這是傳統(tǒng)的成像模式無法企及的優(yōu)點。

1.2 最優(yōu)覆蓋設(shè)計

在環(huán)掃SAR成像過程中，一旦雷達天線波束在地面的瞬時覆蓋范圍確定以后，整個環(huán)掃覆蓋模型的變化主要是由天線的掃描角速度決定，當連續(xù)兩圈的波束覆蓋在星下點運動方向恰好實現(xiàn)拼接時，可以獲得最優(yōu)的覆蓋設(shè)計，如圖3所示。

圖3 最優(yōu)波束設(shè)計示意圖Fig.3 The schematic diagram of optimal beam design

(1)

式(1)中，ω為天線旋轉(zhuǎn)掃描的角速度(°/s)；VB為衛(wèi)星星下點在地球表面上的運行速度(km/s)；Wr為雷達天線波束在地球表面上沿距離方向上的覆蓋寬度(km)。

由傳統(tǒng)SAR成像幾何模型可知，天線波束在地球表面上的覆蓋范圍與衛(wèi)星的軌道高度及天線的波束張角等參數(shù)相關(guān)，如圖4所示。

圖4 條帶SAR成像波束覆蓋圖Fig.4 The strip SAR-imaging beam coverage

(2)

式(2)中，H為衛(wèi)星的軌道飛行高度(km)；RE為地球的半徑(km)；θr為雷達天線的距離向波束寬度(°)，η為雷達天線中心法線方向的下視角(°)。將式(2)代入式(1)，便可以得出在滿足最優(yōu)波束覆蓋時的雷達天線的旋轉(zhuǎn)角速度如下式。

(3)

當雷達天線的旋轉(zhuǎn)角速度滿足式(3)時，雷達天線波束的連續(xù)多圈覆蓋在星下點運動方向恰好實現(xiàn)拼接，若旋轉(zhuǎn)角速度過小會出現(xiàn)漏掃的情況，若旋轉(zhuǎn)角速度過大會出現(xiàn)覆蓋過度重疊的情況。

2 環(huán)掃SAR成像參數(shù)分析

對于環(huán)掃SAR成像來說，圖像的二維空間分辨特性與成像幅寬是最為關(guān)鍵的成像參數(shù)，下面對環(huán)掃SAR的空間分辨率與成像幅寬展開分析。

2.1 空間分辨率

通常情況下SAR圖像的空間分辨特性是二維的，用距離向分辨率和方位向分辨率來進行表征，對于環(huán)掃SAR成像模式，距離向分辨率與其他成像模式的實現(xiàn)方法一致，采用脈沖壓縮的方式實現(xiàn)，因此距離向分辨率由下式確定：

(4)

式(4)中，c為電磁波的傳播速度(m/s)，Br為發(fā)射信號帶寬(Hz)，θi為雷達波束在目標處的入射角(°)，若雷達天線在衛(wèi)星上的安裝傾角固定，在衛(wèi)星姿態(tài)不變的情況下，雷達波束相對于地面目標的入射角不變，則距離向分辨率為固定值。

環(huán)掃SAR成像模式的方位向分辨率和傳統(tǒng)條帶模式不同，與雷達天線的掃描方位角相關(guān)，不同方位角處的分辨率不同，如圖5所示[9-10]。

假設(shè)雷達波束內(nèi)的兩個目標A和B，兩個目標到天線中心的距離相同、掃描角相同，方位角相差Δα，波束掃過目標的視在速度為v(m/s)。

圖5 環(huán)掃SAR成像波束圖Fig.5 The circular scanning SAR-imaging beam

A點處多普勒中心頻率為：

fdA=(2vcosψ)/λ=(2vcosαsinη)/λ

(5)

B點處的多普勒中心頻率為：

fdB=(2vcosψB)/λ=[2vcos(α+Δα)sinη]/λ

(6)

假設(shè)角度很小，則A、B兩個點目標的多普勒頻差為：

Δfd=fdA-fdB≈2vsinαsinη·Δα/λ

(7)

脈沖積累時間為Td，可分辨的多普勒頻譜寬度Δf=1/Td，由式(7)可知，對應(yīng)的角度分辨率為：

(8)

因此，方位向分辨率為:

(9)

從式中可以看出，環(huán)掃SAR的方位分辨率隨著方位角不斷變化，在左右正側(cè)視的位置(α為90°或270°)分辨率最好，在前后視的位置(α為0°或180°)分辨率最差，接近于無窮大[9]。

一般情況下，環(huán)掃SAR模式的成像幅寬可達上千公里，成像范圍內(nèi)的方位向分辨率的變化為幾十米至數(shù)百米，由于分辨率差異、成像場景的差異將整幅圖像拼接后的視覺效果將會受到一定影響。但環(huán)掃SAR的應(yīng)用通常為廣域范圍內(nèi)的目標檢測，例如對海洋、沙漠、草原等單一場景內(nèi)包含的大型目標進行搜索，目標檢測可以不用獲得拼接完整的圖像，而是根據(jù)方位角的變化進行子圖像的劃分，此時每個子圖像內(nèi)的分辨率基本相同，處理獲得子圖像后直接進行目標檢測，子圖像的大小可以根據(jù)系統(tǒng)的工作參數(shù)進行動態(tài)調(diào)整，以確保設(shè)置合理的檢測參數(shù)。

2.2 成像幅寬

環(huán)掃SAR成像模式能夠在一次成像過程中獲取大面積的環(huán)狀目標區(qū)域圖像信息，主要滿足在廣域搜索場景下的大視場覆蓋范圍的應(yīng)用需求，因此，成像幅寬是其最為重要的指標，傳統(tǒng)的條帶SAR成像模式的地面幅寬Wr如1.2節(jié)中式(2)所示，而對于環(huán)掃SAR來說，定義衛(wèi)星飛過成像區(qū)域時左右兩側(cè)最遠距離之間的寬度為成像幅寬，也稱之為刈幅，表示為Sw，如圖6所示。

圖6 環(huán)掃SAR成像幅寬Fig.6 The circular scanning SAR-imaging width

結(jié)合圖4與式(2)關(guān)系可知:

(10)

3 仿真與驗證

3.1 計算機仿真

仿真條件如表1所列。

表1 環(huán)掃SAR仿真條件

按照表1中所列參數(shù)，本系統(tǒng)采用環(huán)掃SAR成像實現(xiàn)廣域搜索場景下的大面積成像，要實現(xiàn)成像幅寬大于2 200公里，由圖6與式(10)可知，當衛(wèi)星軌道高度與天線波束寬度確定后，成像幅寬主要取決于天線的下視角，此處取雷達下視角固定為59°，如圖7所示。

圖7 成像幅寬仿真結(jié)果Fig.7 Simulating results of the imaging-width

根據(jù)2.1節(jié)關(guān)于空間分辨率的分析，距離方向的分辨率取決于雷達發(fā)射信號帶寬，此處將發(fā)射信號帶寬設(shè)計為1 MHz，則距離向分辨率為175 m；方位向分辨率由式(9)可以得出與雷達掃描方位角的關(guān)系，如圖8所示。

圖8 方位分辨率仿真結(jié)果Fig.8 Simulating results of the azimuth-resolution

由圖8可以看出，當掃描方位角為90°和270°時，即左右正側(cè)視的位置，方位分辨率最高，優(yōu)于100 m，當掃描到其他角度時，分辨率逐漸變差，當掃描方位角為0°和180°時，即正前視、正后視時的分辨率最差，在[12°～168°]與[192°～348°]的方位角范圍內(nèi)可以滿足100～400 m的要求。

按照上文分析，可以通過式(3)求得在仿真條件下天線的最優(yōu)掃描速度，圖9給出了在3種不同掃描速度下的環(huán)掃成像的地面覆蓋足跡在STK軟件中的仿真結(jié)果，圖9(a)的掃描速度為18°/s，為最優(yōu)覆蓋足跡；圖9(b)的掃描速度為30°/s，此時地面覆蓋足跡存在比較大的重合，成像效率較低；圖9(c)的掃描速度為6°/s，此時出現(xiàn)了較大區(qū)域的漏掃。

圖9 不同掃描速度的覆蓋范圍Fig.9 The coverage of different scan speeds

3.2 驗證結(jié)果

根據(jù)前文對環(huán)掃SAR成像模式的分析，利用合成孔徑雷達成像的原理可以有效提升圖像的分辨率，圖10是某衛(wèi)星利用環(huán)掃SAR成像模式獲取到的數(shù)據(jù)驗證結(jié)果，數(shù)據(jù)處理采用了子孔徑的處理方法[10]，圖10為某梯田場景，圖10(a)為實孔徑處理結(jié)果，方位向分辨率約5公里，圖10(b)為合成孔徑處理結(jié)果，方位向分辨率提高至200 m左右。

圖10 環(huán)掃SAR成像結(jié)果—梯田場景Fig.10 The results of the circular scanning SAR-imaging—terrace scene

圖11為某島嶼沿岸海域內(nèi)目標分布的圖像，可以看出，經(jīng)過合成孔徑處理后，目標被聚合為一個點，利用圖像數(shù)據(jù)可以對海上目標在廣域范圍內(nèi)進行目標搜索與檢測。

圖11 環(huán)掃SAR成像結(jié)果—沿海場景Fig.11 The results of the circular scanning SAR-imaging—coastal scene

4 結(jié)論

傳統(tǒng)的SAR成像雷達由于衛(wèi)星速度快、重訪周期等限制，難以獲取大的成像幅寬，在廣域搜索等應(yīng)用領(lǐng)域無法發(fā)揮出優(yōu)勢，本文針對合成孔徑雷達的特點，創(chuàng)新性的提出一種環(huán)掃SAR成像模式，通過分析環(huán)掃SAR成像的原理，得出環(huán)掃SAR成像的幾何模型及最優(yōu)覆蓋設(shè)計，并分析了在環(huán)掃成像模式下的空間分辨率與成像幅寬的影響因素。通過具體的計算機仿真實例分析了成像幅寬及幾何分辨率的變化關(guān)系，并給出了環(huán)掃成像模式的實際在軌驗證結(jié)果。本文的工作目前主要集中在環(huán)掃成像雷達的工作原理及模式設(shè)計，后續(xù)工作希望針對此模式的具體應(yīng)用及雷達工作性能參數(shù)開展研究。