星源照射雙/多基地SAR成像

武俊杰 孫稚超 呂 爭(zhēng) 楊建宇 李財(cái)品 孫華瑞 陳天夫 趙良波 任 航

①(電子科技大學(xué) 成都 611731)

②(中國(guó)空間技術(shù)研究院遙感衛(wèi)星總體部 北京 100094)

③(中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院 西安 710100)

④(中國(guó)資源衛(wèi)星數(shù)據(jù)與應(yīng)用中心 北京 100094)

1 引言

合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar,SAR)是一種高分辨成像雷達(dá)，具有全天時(shí)、全天候的成像能力，已經(jīng)在災(zāi)害監(jiān)測(cè)、資源勘查、地形測(cè)繪、軍事偵察等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

隨著SAR技術(shù)的快速發(fā)展，其搭載的平臺(tái)也日趨多樣化，除了傳統(tǒng)的有人機(jī)載平臺(tái)，逐漸衍生出星載SAR、彈載SAR、無(wú)人機(jī)SAR、地基SAR等不同技術(shù)，以適應(yīng)不同的成像任務(wù)需求。

雙/多基地SAR收發(fā)分置、協(xié)同工作，收發(fā)站可裝載于不同的平臺(tái)，包括衛(wèi)星、飛機(jī)、導(dǎo)彈等，相比傳統(tǒng)單基SAR，具有隱蔽性好、觀測(cè)視角豐富、接收站輕量靈活等優(yōu)勢(shì)[1-3]。并且可以突破單基SAR在成像視向上的限制，具備前、后、下視等成像能力。國(guó)內(nèi)外針對(duì)機(jī)載雙基SAR已經(jīng)開(kāi)展了大量的研究，在成像機(jī)理、成像方法、收發(fā)同步、試驗(yàn)驗(yàn)證等方面取得了突出的成果。

星源照射雙/多基地SAR，是一種利用衛(wèi)星作為照射源，接收站安裝于衛(wèi)星、臨近空間、飛機(jī)、地面等多種平臺(tái)，對(duì)地物進(jìn)行成像、檢測(cè)、識(shí)別的新體制雷達(dá)成像技術(shù)。與機(jī)載照射源相比，星載照射源軌道高，可以為接收平臺(tái)提供相對(duì)大范圍的波束覆蓋。

本文將針對(duì)星源照射雙/多基地SAR成像技術(shù)，介紹其系統(tǒng)組成與相關(guān)特性，分析星載照射源與不同接收平臺(tái)組合的構(gòu)型設(shè)計(jì)、回波模型、成像方法、收發(fā)同步及動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)，闡述國(guó)內(nèi)外在星源照射雙/多基地SAR方面的試驗(yàn)驗(yàn)證工作。最后，簡(jiǎn)要分析星源照射雙/多基SAR技術(shù)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

2 星源照射雙/多基地SAR系統(tǒng)組成與特性

星源照射雙/多基SAR，是將衛(wèi)星作為發(fā)射站，衛(wèi)星、飛機(jī)等平臺(tái)作為接收站的雙基SAR系統(tǒng)，能充分利用現(xiàn)有的衛(wèi)星資源，結(jié)合接收平臺(tái)的多種優(yōu)勢(shì)，在軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。

2.1 系統(tǒng)組成

廣義地講，星載照射源可以是SAR衛(wèi)星，也可以是導(dǎo)航衛(wèi)星、通信衛(wèi)星、廣播電視衛(wèi)星等，只要信號(hào)形式、功率強(qiáng)度等滿足要求，并且衛(wèi)星與接收站的協(xié)同能夠形成合適的大孔徑，就可以為雙基SAR成像提供必要的條件，如圖1所示。

圖1 星源照射雙/多基地SAR系統(tǒng)Fig.1 The configuration of bi/multi-static SAR system with spaceborne illuminators

星源照射雙/多基SAR系統(tǒng)又可分為同構(gòu)系統(tǒng)和異構(gòu)系統(tǒng)。同構(gòu)系統(tǒng)是指收發(fā)站裝載在相近的平臺(tái)上，比如低軌星載雙基SAR、高軌星載雙基SAR。異構(gòu)平臺(tái)是指收發(fā)站分別裝載在不同的平臺(tái)上，比如衛(wèi)星照射飛機(jī)接收的星機(jī)雙基SAR、衛(wèi)星照射地面接收的星地雙基SAR、高軌衛(wèi)星照射低軌衛(wèi)星接收的高低軌雙基SAR等，如圖2所示。

圖2 星源照射雙/多基地 SAR 系統(tǒng)分類Fig.2 The classification of bi/multi-static SAR system with spaceborne illuminators

采用不同的星載照射源，對(duì)應(yīng)的雙/多基地SAR系統(tǒng)也具有不同的成像能力與特點(diǎn)。例如，利用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System,GNSS)作為照射源的雙基SAR系統(tǒng)，無(wú)需專門SAR衛(wèi)星。導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)具有全球覆蓋的特性，可為成像系統(tǒng)提供隨時(shí)隨地可用的信號(hào)來(lái)源。英國(guó)伯明翰大學(xué)Cherniakov教授的研究團(tuán)隊(duì)[4,5]，在2002年提出了以GNSS為照射源的星地雙基SAR對(duì)地觀測(cè)的構(gòu)想。之后，國(guó)內(nèi)外也開(kāi)展了若干相關(guān)的試驗(yàn)驗(yàn)證。然而，由于衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)帶寬與功率受限，現(xiàn)階段基于GNSS的雙/多基SAR仍面臨成像結(jié)果分辨率與信噪比較低的難題[2]。

20世紀(jì)70年代以來(lái)，星載SAR技術(shù)以其獨(dú)特的成像能力和優(yōu)勢(shì)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。按照軌道高度劃分，星載SAR包括低軌SAR (Low Earth Orbit-SAR,LEO-SAR)、中軌SAR (Medium Earth Orbit-SAR,MEO-SAR)和高軌SAR (Geosynchronous Earth Orbit-SAR,GEO-SAR)。自1978年首顆星載SAR衛(wèi)星Seasat-A發(fā)射以來(lái)，美國(guó)、中國(guó)、日本等國(guó)均發(fā)射了多顆SAR衛(wèi)星，將人類帶入了一個(gè)對(duì)地全天時(shí)、全天候、高分辨率觀測(cè)的新時(shí)代。

隨著星載SAR技術(shù)的發(fā)展，人們逐漸意識(shí)到用它的發(fā)射信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)雙基地SAR成像是可能的。早在20世紀(jì)80年代中期，美國(guó)空軍(USAF)和國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)[6]就聯(lián)合開(kāi)展了COVIN REST計(jì)劃，旨在利用接收站的靜默特性，提升其隱蔽行動(dòng)的能力。該計(jì)劃以航天飛機(jī)搭載L波段SIR(Shuttle Imaging Radar)作為照射源，以CV-990飛機(jī)作為接收站，進(jìn)行了國(guó)際上第1次星源照射的雙基地SAR試驗(yàn)驗(yàn)證，獲得了愛(ài)荷華州Sioux城的20 m左右分辨率的雙基地圖像。

在不同的SAR衛(wèi)星作為照射源組成的雙基SAR系統(tǒng)中，LEO-SAR的發(fā)射信號(hào)落地功率密度相對(duì)較高，可用衛(wèi)星資源多，但重訪時(shí)間長(zhǎng)。GEO-SAR衛(wèi)星照射源軌道高度約為36000 km，軌道周期為1 d，可以實(shí)現(xiàn)三分之一的全球覆蓋，而且每天可以對(duì)某一區(qū)域進(jìn)行數(shù)小時(shí)的持續(xù)照射，具有較高的時(shí)間分辨率以及更廣的波束覆蓋。MEO-SAR的軌道高度介于LEO-SAR和GEO-SAR之間，可作為二者性能的折中選擇。

對(duì)于接收平臺(tái)而言，機(jī)載接收平臺(tái)機(jī)動(dòng)靈活，可以提升成像系統(tǒng)的實(shí)時(shí)任務(wù)響應(yīng)能力。低軌衛(wèi)星也可以作為接收站，與衛(wèi)星照射源配合，通過(guò)編隊(duì)飛行形成雙基干涉SAR體制。與單基多通道干涉相比，收發(fā)分置可以突破平臺(tái)尺寸限制，形成長(zhǎng)達(dá)數(shù)公里的干涉基線，從而大幅度提高干涉測(cè)量精度，對(duì)地表形變監(jiān)測(cè)、高精度數(shù)字高程地圖(Digital Elevation Map,DEM)測(cè)量、國(guó)土測(cè)繪等應(yīng)用具有重要的價(jià)值。目前，在軌運(yùn)行的星載雙基干涉SAR系統(tǒng)包括德國(guó)的TanDEM-X[7]和中國(guó)的陸探一號(hào)(LT-1)[8]。陸探一號(hào)的兩顆衛(wèi)星分別于2022年1月和2月成功發(fā)射。該系統(tǒng)由中國(guó)航天科技集團(tuán)八院總研制，中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院為載荷總體，是全球首個(gè)用于地表形變干涉測(cè)量的L波段雙星星座。此外，采用GEO-SAR發(fā)射，多顆LEO衛(wèi)星組網(wǎng)接收可以組成GEO-LEO雙/多基SAR系統(tǒng)，顯著降低LEO衛(wèi)星的成本和功耗，實(shí)現(xiàn)接收衛(wèi)星小型化。接收站也可以裝載在地面固定或運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上，以實(shí)現(xiàn)固定場(chǎng)景的持續(xù)監(jiān)視等應(yīng)用。

可見(jiàn)，不同平臺(tái)的組合可以形成多種星源照射的雙/多基地SAR系統(tǒng)，以滿足不同的成像任務(wù)需求。還可以整合多種平臺(tái)組合的優(yōu)勢(shì)，構(gòu)成基于星源照射的雙/多基SAR對(duì)地觀測(cè)體系，實(shí)現(xiàn)收發(fā)平臺(tái)的性能互補(bǔ)。

2.2 成像性能

成像雷達(dá)最重要的性能指標(biāo)包括空間分辨性能、輻射分辨性能、成像場(chǎng)景大小等。

空間分辨性能主要包含距離分辨率、方位分辨率、分辨率夾角3個(gè)指標(biāo)，它直接反映了雙基SAR系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)與地物的描述能力。高分辨率能夠更為精細(xì)地反映目標(biāo)特征信息，便于特征提取和目標(biāo)識(shí)別。

與傳統(tǒng)單基SAR不同，雙基SAR的空間分辨率除了與帶寬等系統(tǒng)參數(shù)有關(guān)外，還與空間構(gòu)型、收發(fā)站運(yùn)動(dòng)矢量等緊密相關(guān)。目前針對(duì)雙基SAR系統(tǒng)空間分辨率的研究，主要是利用矢量梯度法[9]、模糊函數(shù)法[10]和k空間[11]等方法來(lái)推導(dǎo)空間分辨率公式。文獻(xiàn)[12,13]分析了星機(jī)雙基SAR的二維分辨率，導(dǎo)出了距離、方位分辨率以及分辨方向夾角的表達(dá)式。除此之外，文獻(xiàn)[13]還對(duì)GEO多基分辨率進(jìn)行了分析，推導(dǎo)出了陣列維模糊函數(shù)并給出了陣列維分辨率的表達(dá)式。圖3給出了GEO星機(jī)雙基SAR地面距離向分辨率與接收站散射角(即接收站到目標(biāo)點(diǎn)連線與地面法線的夾角)θR和 地面投影雙基角φ的關(guān)系。圖中發(fā)射站入射角為θT=57°。在接收站散射角θR不變的情況下，當(dāng)?shù)孛嫱队半p基角φ=0°時(shí)距離分辨率最優(yōu)，而當(dāng)φ=180°時(shí)距離分辨率最差。圖4給出了地面方位向分辨率與地面投影雙基角φ和速度方向投影夾角ψ的關(guān)系，其中接收站散射角θR=45°。圖中紅色的“山脊”區(qū)域表示方位向分辨率惡化的雙基成像構(gòu)型區(qū)域；而藍(lán)色“山谷”區(qū)域?yàn)榉直媛矢纳茀^(qū)域，最優(yōu)分辨率約1.5 m。圖3和圖4所采用的系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。發(fā)射站為傾斜軌道GEO-SAR衛(wèi)星，軌道傾角為53°，軌道半長(zhǎng)軸長(zhǎng)度為42164 km。

圖3 地面距離分辨率與幾何構(gòu)型的關(guān)系[14]Fig.3 The relationship between ground range resolutions and bistatic configurations[14]

圖4 地面方位分辨率與幾何構(gòu)型的關(guān)系[14]Fig.4 The relationship between ground azimuth resolutions and bistatic configurations[14]

表1 GEO星機(jī)雙基SAR系統(tǒng)仿真參數(shù)Tab.1 The simulation parameters of geosynchronous spaceborne/airborne bistatic SAR

根據(jù)公開(kāi)文獻(xiàn)，目前設(shè)計(jì)的GEO-SAR的信號(hào)帶寬一般要小于在軌的大部分LEO-SAR，因此GEO星機(jī)雙基SAR的距離向分辨率相對(duì)較低。而GNSS的信號(hào)帶寬比GEO-SAR的還要小，所以距離分辨率更低。有學(xué)者提出通過(guò)多接收站或子帶融合的方法來(lái)提高分辨率[15]。方位分辨率方面，GEO照射源相對(duì)于目標(biāo)點(diǎn)的角速度通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于機(jī)載接收站相對(duì)于目標(biāo)點(diǎn)的角速度，因此其方位分辨率主要由接收站的角速度矢量決定。而LEO星機(jī)雙基SAR中，LEO發(fā)射站也能提供較高的角速度，對(duì)方位分辨率也會(huì)有較大的影響。另外，分辨方向夾角只與雙基SAR系統(tǒng)的空間構(gòu)型、收發(fā)站運(yùn)動(dòng)矢量相關(guān)，不受系統(tǒng)參數(shù)的影響[16]。

輻射分辨率也是成像雷達(dá)主要的性能指標(biāo)，主要衡量雷達(dá)區(qū)分地物輻射能量細(xì)微變化的能力。在圖像視數(shù)相同的情況下，星機(jī)雙基SAR的輻射分辨性能主要受成像信噪比決定[17]。成像信噪比是雷達(dá)在成像范圍內(nèi)感興趣目標(biāo)的信號(hào)功率與噪聲功率的比值，是影響雷達(dá)圖像質(zhì)量的重要技術(shù)指標(biāo)。高的成像信噪比可以提高系統(tǒng)的輻射分辨率，有利于圖像的識(shí)別與解譯。在星載SAR設(shè)計(jì)階段，為了能夠獲取足夠信噪比的信號(hào)，需要足夠大的天線尺寸。對(duì)于星機(jī)雙基SAR，接收站作用距離遠(yuǎn)小于衛(wèi)星照射源，可以大幅提升成像信噪比，還可以降低對(duì)接收平臺(tái)天線增益的要求。

需要注意的是，在信噪比計(jì)算公式中，空間分辨率和歸一化雷達(dá)散射截面積是與雙基SAR成像空間幾何結(jié)構(gòu)有關(guān)的參數(shù)，導(dǎo)致星源照射雙基SAR的成像信噪比也與系統(tǒng)的幾何構(gòu)型緊密相關(guān)。圖5給出了HH極化模式下典型的隨機(jī)粗糙表面的成像信噪比同雙基角和散射角的關(guān)系，均方根高度δh=1.002 cm，復(fù)介電常數(shù)εr=7，相關(guān)長(zhǎng)度L=21.34 cm，仿真參數(shù)在表1給出。可以看出，成像信噪比隨幾何構(gòu)型參數(shù)的變化而劇烈變化。因此，在設(shè)計(jì)雙基SAR的成像空間幾何構(gòu)型的時(shí)候應(yīng)該綜合考慮其對(duì)空間分辨率和輻射分辨率的影響。

圖5 HH極化星機(jī)雙基SAR成像信噪比特性[14]Fig.5 The property of SNR for spaceborne/airborne bistatic SAR with HH polarization[14]

雙基SAR的成像場(chǎng)景大小由收發(fā)雙站的波束共同照射范圍和持續(xù)時(shí)間決定。對(duì)于星源照射雙基SAR來(lái)說(shuō)，星載照射源的波束覆蓋范圍可達(dá)數(shù)十公里至數(shù)百公里，通常大于機(jī)載接收站的波束覆蓋范圍。所以，某個(gè)時(shí)刻的波束重疊面積主要受接收站影響。

然而，LEO-SAR衛(wèi)星地面波束腳印移動(dòng)速度約為7600 m/s，遠(yuǎn)大于機(jī)載接收站的波束移動(dòng)速度。因此，在二者配合成像時(shí)，需要設(shè)計(jì)合理的空間構(gòu)型與波束掃描模式以實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)時(shí)間的收發(fā)波束共同覆蓋，從而提高系統(tǒng)的成像場(chǎng)景大小。

2.3 成像模式

現(xiàn)有 SAR 系統(tǒng)的工作模式主要有條帶模式(Stripmap Mode)、聚束模式(Spotlight Mode)以及掃描模式(Scan Mode)等[18]。然而對(duì)于收、發(fā)波束運(yùn)動(dòng)速度差異顯著的星機(jī)雙基SAR而言，若收發(fā)站均采用條帶模式，其成像場(chǎng)景大小和成像分辨性能可能會(huì)受到一定的限制。

前文提到，LEO-SAR衛(wèi)星波束腳印速度遠(yuǎn)大于機(jī)載平臺(tái)，若收發(fā)平臺(tái)均采用條帶成像模式，則波束共同照射時(shí)間較短，可成像范圍縮小，限制了星源照射雙基SAR的成像能力。因此，需要設(shè)計(jì)合理的收發(fā)站的波束指向與掃描方式，提升系統(tǒng)的分辨性能與成像范圍。

為降低衛(wèi)星波束的移動(dòng)速度，可讓衛(wèi)星工作在滑動(dòng)聚束(Sliding Spotlight Mode)或聚束模式[19]?；瑒?dòng)聚束是條帶與聚束的結(jié)合，可在場(chǎng)景面積和方位分辨率間進(jìn)行折中，是一種比較靈活的工作模式[20]。為保證星機(jī)雙基SAR收發(fā)波束的重疊時(shí)間和覆蓋范圍滿足要求，德國(guó)錫根大學(xué)Gebhardt的團(tuán)隊(duì)[21]提出改變系統(tǒng)的工作模式，通過(guò)收發(fā)平臺(tái)波束指向的合理控制增加成像區(qū)域的長(zhǎng)度。其中，星載照射源工作于“正向滑動(dòng)聚束模式”，從而降低衛(wèi)星波束腳印移動(dòng)速度；接收平臺(tái)通過(guò)工作在“反向滑動(dòng)聚束模式”(Inverse Sliding Spotlight Mode)，以加快飛機(jī)波束腳印移動(dòng)速度。通過(guò)這兩種措施，可大幅提升成像區(qū)域的長(zhǎng)度。另外，還有研究人員提出，采用增大收發(fā)站方位向波束寬度的方法來(lái)達(dá)到提高波束重疊時(shí)間、擴(kuò)大成像場(chǎng)景范圍的目的[22]。

相對(duì)地，GEO-SAR波束覆蓋寬、波束腳印速度與機(jī)載平臺(tái)相當(dāng)。相較LEO星機(jī)雙基SAR，GEO照射源與機(jī)載接收站配合時(shí)波束同步較為容易，可以實(shí)現(xiàn)大范圍的成像。為了充分利用GEO-SAR照射源波束覆蓋范圍廣這一優(yōu)勢(shì)，機(jī)載接收站可以采用逆滑動(dòng)聚束模式實(shí)現(xiàn)方位向大場(chǎng)景成像，或者掃描模式實(shí)現(xiàn)距離向幅寬的提升。

按照接收站的視線方向，星源照射雙基SAR可以分為側(cè)視、斜視、前視、下視以及后視等不同模式。需要指出的是，由于收發(fā)分置，通過(guò)合理的構(gòu)型設(shè)置，可以使接收站具備對(duì)飛行正前方場(chǎng)景的成像能力[1]，解決了單基SAR無(wú)法前視成像的問(wèn)題，在飛行器自主著艦著陸、精確打擊、物資空投等方面有廣闊的應(yīng)用前景。圖6給出了典型雙基構(gòu)型下GEO星機(jī)雙基SAR的距離多普勒等值線?？梢钥闯?，機(jī)載接收站的前視、斜視、側(cè)視、下視、后視區(qū)域均可實(shí)現(xiàn)等距離等多普勒線較好的分割，從機(jī)理上具備了二維高分辨的成像能力。

圖6 GEO星機(jī)雙基SAR的等距離等多普勒線[23]Fig.6 The contour of range-Doppler for geosynchronous spaceborne/airborne bistatic SAR[23]

按照收發(fā)站的數(shù)量，星源照射雙/多基SAR還可以分為一發(fā)一收、一發(fā)多收、多發(fā)一收和多發(fā)多收等。例如，GEO星機(jī)多角度成像模式由GEO-SAR照射、多個(gè)機(jī)載接收平臺(tái)采用不同的飛行軌跡，通過(guò)路徑規(guī)劃，使其在同一時(shí)刻以不同的方向接收感興趣目標(biāo)區(qū)域的回波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)場(chǎng)景的不同角度成像，可同時(shí)獲取目標(biāo)的多角度信息，有利于目標(biāo)識(shí)別與解譯[24]，在高價(jià)值目標(biāo)信息獲取方面具有很大的應(yīng)用潛力，如圖7所示。

圖7 GEO星機(jī)多角度成像模式示意圖[25]Fig.7 The diagram of multi-angle imaging modes for geosynchronous spaceborne/airborne bistatic SAR[25]

3 星源照射雙/多基地SAR關(guān)鍵技術(shù)

本節(jié)將從構(gòu)型設(shè)計(jì)、成像方法、同步技術(shù)、動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)等方面分析星源照射雙/多基地SAR的相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 構(gòu)型設(shè)計(jì)

同傳統(tǒng)單基SAR相比，雙基SAR的空間分辨率和成像信噪比同幾何構(gòu)型息息相關(guān)。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)滿足成像性能需求的收發(fā)幾何構(gòu)型至關(guān)重要。可以說(shuō)，構(gòu)型設(shè)計(jì)是雙基SAR相對(duì)于單基SAR而言衍生出的一個(gè)新的問(wèn)題。

在星機(jī)雙基SAR中，由于照射源的運(yùn)動(dòng)受到軌道特性限制，在特定成像時(shí)刻對(duì)某一成像場(chǎng)景來(lái)說(shuō)，其空間位置和速度通常是固定的，調(diào)整衛(wèi)星軌道參數(shù)或波束指向會(huì)造成系統(tǒng)成本和能量消耗的增加，在實(shí)際應(yīng)用中難以實(shí)現(xiàn)。因此，在構(gòu)型設(shè)計(jì)中，通常通過(guò)改變接收站的位置和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)來(lái)調(diào)整雙基構(gòu)型[26]，從而達(dá)到設(shè)想的成像目的。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)不同的場(chǎng)景和任務(wù)需求，提出了多種構(gòu)型設(shè)計(jì)方案。在構(gòu)型設(shè)計(jì)中，涉及到的優(yōu)化函數(shù)有：圖像信噪比、二維分辨率的大小及夾角、地面動(dòng)目標(biāo)的信雜噪比、波束連續(xù)覆蓋能力、測(cè)高精度等。

為了得到滿足指定成像分辨率與信噪比需求的GEO星機(jī)雙基SAR的空間構(gòu)型，電子科技大學(xué)Sun等人[14]首次提出將雙基SAR構(gòu)型設(shè)計(jì)問(wèn)題建模為非線性方程組，然后轉(zhuǎn)化為多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，并采用非支配排序遺傳算法(Non-dominated Sorted Genetic Algorithm-II,NSGA-II)進(jìn)行求解，得到了多個(gè)滿足不同場(chǎng)景下成像需求的構(gòu)型。北京理工大學(xué)Cui等人[27]根據(jù)最佳輸出信雜比準(zhǔn)則，建立了動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)性能與GEO星機(jī)雙基SAR的構(gòu)型參數(shù)之間的解析關(guān)系模型，并導(dǎo)出了最優(yōu)信雜噪比的雙基構(gòu)型。此外，研究人員還針對(duì)星機(jī)雙基SAR的前視成像性能[28]、熱點(diǎn)區(qū)域的連續(xù)波束覆蓋能力[29]以及動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)性能[30]等方面開(kāi)展了構(gòu)型設(shè)計(jì)的研究。

當(dāng)接收站采用無(wú)人機(jī)(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)平臺(tái)時(shí)，需要預(yù)先設(shè)計(jì)UAV的飛行路徑，此時(shí)，除應(yīng)考慮UAV平臺(tái)的導(dǎo)航性能外，還需要考慮雙基SAR的成像性能?？梢园裊AV路徑規(guī)劃問(wèn)題分解為導(dǎo)航段和任務(wù)段兩個(gè)階段，并進(jìn)行分段協(xié)同搜索[31]，使用約束多目標(biāo)差分進(jìn)化算法，生成滿足成像和導(dǎo)航任務(wù)需求的無(wú)人機(jī)飛行路徑[23]。

除了星機(jī)雙基SAR的構(gòu)型設(shè)計(jì)，星載雙/多基地SAR的編隊(duì)構(gòu)型設(shè)計(jì)也受到了廣泛的關(guān)注。文獻(xiàn)[32]研究了GEO-LEO雙基SAR的構(gòu)型與軌道參數(shù)設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮了地面分辨率、二維分辨率夾角以及噪聲等效后向散射系數(shù)等成像性能。歐空局[33]提出Cartwheel任務(wù)由3顆星構(gòu)成，組成共面繞飛構(gòu)型，一方面可以通過(guò)衛(wèi)星的相位均勻分布使系統(tǒng)垂直基線的變化更加平緩；另一方面，共面繞飛構(gòu)型也大大降低了構(gòu)型控制成本。

國(guó)內(nèi)也在星載多基地SAR編隊(duì)飛行構(gòu)型設(shè)計(jì)方面開(kāi)展了深入研究。目前，針對(duì)一發(fā)多收的主星帶輔星系統(tǒng)的研究較多，主要包括分布式干涉SAR(Interferometric SAR,InSAR)測(cè)高[34]和特定SAR成像任務(wù)的編隊(duì)構(gòu)型優(yōu)化。InSAR測(cè)高精度[35]主要受到衛(wèi)星軌道根數(shù)和基線空間分布的影響[36]，通過(guò)粒子群算法[37]、希爾方程[38]等方法求解多基構(gòu)型，可以實(shí)現(xiàn)測(cè)高精度優(yōu)化。此外，在GEO-SAR基礎(chǔ)上，通過(guò)增加僅接收信號(hào)的從星，可構(gòu)成伴隨式星座。通過(guò)設(shè)置適當(dāng)?shù)木庩?duì)構(gòu)型，形成多個(gè)相位中心，可在完成成像任務(wù)的同時(shí)降低系統(tǒng)成本[39]。

3.2 成像方法

SAR成像方法的目的是基于原始回波數(shù)據(jù)以及系統(tǒng)參數(shù)和平臺(tái)運(yùn)動(dòng)信息，通過(guò)信號(hào)處理，生成反映地物場(chǎng)景和目標(biāo)散射分布信息的雷達(dá)圖像。它是SAR技術(shù)中的核心關(guān)鍵之一。針對(duì)單基SAR，經(jīng)過(guò)幾十年的大量研究，人們提出了非常多的SAR成像處理方法。從而可以從看似雜亂無(wú)序的回波中快捷地得到高精度的雷達(dá)圖像，為后續(xù)的圖像解譯奠定了基礎(chǔ)。

與單基SAR不同，雙基SAR在獲取回波的過(guò)程中，信號(hào)從發(fā)射到接收，涉及到位置和運(yùn)動(dòng)特性存在差異的兩個(gè)平臺(tái)。換一個(gè)角度看，雙基SAR合成的天線大孔徑綜合了收發(fā)兩個(gè)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，因此合成孔徑的形式、分布等與單基SAR也有非常大的差異?；谝陨显?，星源照射雙基SAR的回波模型、回波特性以及相應(yīng)的成像方法與單基SAR也大大不同。

3.2.1 星源照射雙基SAR距離模型

在SAR成像中，距離模型指的是在合成孔徑時(shí)間內(nèi)天線相位中心到目標(biāo)散射點(diǎn)的距離隨慢時(shí)間或脈沖序列變化的過(guò)程。該模型是回波建模、性能分析、成像處理等的基礎(chǔ)。對(duì)于雙基SAR而言，距離模型為收發(fā)站各自距離模型的和。下面分別從照射源和接收站兩個(gè)方面進(jìn)行闡述。

針對(duì)短合成孔徑低分辨率情形下的低軌星載照射源，通常用斜視距離模型(Conventional Hyperbolic Range Equation,CHRE)對(duì)距離的變化過(guò)程進(jìn)行描述[40]：

其中，v′表示等效雷達(dá)速度，θT0表示星載平臺(tái)的斜視角，RT0表示方位零時(shí)刻的斜距。該等效雷達(dá)速度通過(guò)以下方法計(jì)算得到[41]：

其中，λ表示雷達(dá)波長(zhǎng)，fdc表 示多普勒質(zhì)心，f1r表示多普勒調(diào)頻率，vs表示衛(wèi)星實(shí)際速度，vg表示星下點(diǎn)移動(dòng)速度。

針對(duì)高分辨情形下的低軌照射源、中軌照射源和高軌照射源，需要考慮衛(wèi)星在合成孔徑時(shí)間內(nèi)的彎曲軌跡。而CHRE的自由度較低，無(wú)法精確描述這種現(xiàn)象，需要進(jìn)一步研究具有更高精度的距離模型。此外，當(dāng)照射源采用聚束模式工作時(shí)，由于孔徑時(shí)間更長(zhǎng)，相應(yīng)地也需要更精確的距離模型。文獻(xiàn)[42]提出了針對(duì)聚束模式LEO衛(wèi)星的距離模型，在CHRE的基礎(chǔ)上添加兩個(gè)補(bǔ)償項(xiàng)，提高了距離模型的自由度，從而得到更高精度的距離模型。文獻(xiàn)[43]進(jìn)一步推導(dǎo)了適用于斜視滑動(dòng)聚束模式的LEO距離模型，引入了等效加速度，并考慮了等效速度的方位向空變性，將運(yùn)動(dòng)軌跡等效為勻加速直線模型，得到擴(kuò)展斜視距離模型(Expanded Squinted Range Model,ESRM)。文獻(xiàn)[44]提出了改進(jìn)斜視距離模型(Advanced Hyperbolic Range Equation,AHRE)，通過(guò)附加線性項(xiàng)來(lái)提升距離模型自由度，消除了3次相位誤差，提高了MEO-SAR照射源距離模型的精度。針對(duì)GEO衛(wèi)星，需要更多的自由度來(lái)提升距離模型的精度，因此文獻(xiàn)[45]提出了基于4階多項(xiàng)式擬合的距離模型。

對(duì)于接收平臺(tái)而言，如果機(jī)載平臺(tái)為勻速直線運(yùn)動(dòng)，也可以采用CHRE對(duì)其距離模型進(jìn)行描述：

其中，vr表示機(jī)載平臺(tái)飛行速度，θR0表示機(jī)載平臺(tái)的斜視角，RR0表示方位零時(shí)刻的斜距。然而，當(dāng)接收站高速高機(jī)動(dòng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，通常需要考慮平臺(tái)的三維及高階運(yùn)動(dòng)特性，如加速度[46]及急動(dòng)度[47]。采用矢量可以表示如下：

其中，rR,vR,aR與jR分別表示機(jī)動(dòng)接收站的位置矢量、速度、加速度與急動(dòng)度矢量，rp表示目標(biāo)點(diǎn)位置矢量。對(duì)于星載接收平臺(tái)，可以采用與前述星載照射源距離模型相同的方式進(jìn)行描述。

將以上不同類型發(fā)射與接收平臺(tái)的距離模型求和，就可以得到不同的星源照射雙基SAR的距離模型，其通用表達(dá)式如下：

需要注意的是，對(duì)于以GEO為照射源，以LEO衛(wèi)星或者高速高機(jī)動(dòng)平臺(tái)為接收站的雙基SAR，由于GEO照射源軌道高、距離遠(yuǎn)，高速高機(jī)動(dòng)平臺(tái)或者LEO衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)速度快，因此信號(hào)傳播過(guò)程中接收平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)不能忽略，導(dǎo)致“停走?！奔僭O(shè)不再適用。針對(duì)該問(wèn)題，文獻(xiàn)[46]提出了GEO照射源高速高機(jī)動(dòng)平臺(tái)接收的雙基SAR構(gòu)型下的“非停走停”距離模型：

其中，c為光速，τd表示信號(hào)的傳播延時(shí)。RR(t+τd)表示高速接收平臺(tái)的單程斜距模型，可以表示為

針對(duì)GEO-LEO雙基SAR，文獻(xiàn)[47]分析了LEO彎曲軌跡條件下的“非停走?！毖舆t量τd，表示為

其中，kR1和kR2表示接收站的1階、2階多普勒參數(shù)。將計(jì)算得到的“非停走?！毖舆t量，代入雙基距離模型中，就可以獲取適用于高軌照射，低軌或者高速高機(jī)動(dòng)平臺(tái)接收的雙基SAR距離模型。

3.2.2 星源照射雙基SAR回波頻譜模型

有了雙基SAR的距離模型以后，就可以很方便地獲得雙基SAR的時(shí)域回波模型。為了高效地在頻域?qū)夭ㄟM(jìn)行聚焦，還需要進(jìn)一步研究回波的二維頻譜模型及時(shí)頻混合模型。建立雙基SAR頻譜模型的主要問(wèn)題在于收發(fā)雙站距離模型中的雙根式形式使駐定相位點(diǎn)的求解非常困難。通過(guò)改進(jìn)Loffeld頻譜模型[48]，分別求解收發(fā)雙站各自的駐定相位點(diǎn)，然后再進(jìn)行加權(quán)求和得到最終的駐定相位點(diǎn)，可以得到二維頻譜。對(duì)于GEO星機(jī)雙基SAR，由于GEOSAR照射源相對(duì)于目標(biāo)場(chǎng)景的角速度很小，其多普勒貢獻(xiàn)遠(yuǎn)小于機(jī)載接收站，因此，電子科技大學(xué)Sun等人[49,50]提出將雙基距離歷史等效近似為一站固定式雙基SAR，從而將距離模型中的雙根式簡(jiǎn)化為單根式形式，導(dǎo)出頻譜模型。此外，也可采用Neo等人[51]提出的級(jí)數(shù)反演方法推導(dǎo)二維頻譜。雖然在理論上距離模型的階數(shù)越高，采用級(jí)數(shù)反演得到的頻譜模型也就越精確，但是過(guò)高的階數(shù)會(huì)導(dǎo)致回波頻譜模型變得復(fù)雜[52]，會(huì)影響后續(xù)成像算法的推導(dǎo)。

3.2.3 星源照射雙基SAR成像方法

星源照射雙基SAR成像方法要解決的核心問(wèn)題是回波信號(hào)的空變性，不同成像方法采用不同的技術(shù)途徑以解決空變性。通常，雙基SAR成像算法可以劃分為時(shí)域成像算法、頻域成像算法和波數(shù)域成像方法。時(shí)域成像方法為反向投影(Back Projection,BP)方法及其變式等。時(shí)域成像方法成像精度高，適用性廣，但算法復(fù)雜度高，效率低，因此通常不適用于線上實(shí)時(shí)處理。頻域成像方法主要包括距離多普勒方法(Range Doppler Algorithm,RDA)、調(diào)頻變標(biāo)方法(Chirp Scaling Algorithm,CSA)以及 ω-k方法等。頻域方法能夠有效提升成像處理的效率，但是一定程度上犧牲了算法的普適性和精度。波數(shù)域方法是指極坐標(biāo)格式算法(Polar Formatting Algorithm,PFA)方法，由于波數(shù)域與空間域具有傅里葉變換對(duì)的關(guān)系，能夠直接將SAR圖像投影到空間直角坐標(biāo)系中。但是該方法通常只適用于特定成像模式，如聚束模式。針對(duì)星源照射的雙基SAR，許多學(xué)者提出了不同的改進(jìn)方法以實(shí)現(xiàn)高精度成像。以下按照不同的照射源和接收平臺(tái)類型，闡述星源照射雙基SAR相關(guān)的成像方法。

(1) LEO星地雙基SAR成像方法

LEO星地雙基SAR為典型的一站固定雙基SAR，其方位分辨主要由LEO-SAR衛(wèi)星提供，相對(duì)于單基SAR，收發(fā)雙站與目標(biāo)點(diǎn)之間的相對(duì)位置會(huì)隨著方位時(shí)間改變，因此回波的二維空變特性更為顯著。目前，針對(duì)LEO星地雙基SAR成像方法的研究，主要集中在頻域成像方法的改進(jìn)方法。北京理工大學(xué)Zeng等人[53,54]通過(guò)CSA實(shí)現(xiàn)距離單元徙動(dòng)(Range Cell Migration,RCM)的均衡，消除了回波的距離向空變以及方位向的調(diào)頻斜率空變，然后利用非線性調(diào)頻變標(biāo)(Nonlinear Chirp Scaling,NLCS)均衡方位向的3階相位空變，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)方位向的一致壓縮。此外，將距離向均衡階數(shù)提升到3階后，能實(shí)現(xiàn)更精確的距離徙動(dòng)校正(Range Cell Migration Correction,RCMC)。也有學(xué)者利用壓縮感知對(duì)LEO星地雙基SAR回波數(shù)據(jù)進(jìn)行稀疏成像處理[55]。

當(dāng)LEO衛(wèi)星采用凝視聚束模式時(shí)，合成孔徑時(shí)間長(zhǎng)，分辨率高，因此需要更高精度的距離模型來(lái)推導(dǎo)回波頻譜，或者利用PFA成像，可避免復(fù)雜的頻譜推導(dǎo)。中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所Zhang等人[56]改進(jìn)了傳統(tǒng)雙基PFA成像方法，并利用非均勻快速傅里葉變換(Nonuniform Fast Fourier Transform,NUFFT)的高效性，可避免PFA二維插值操作，從而降低了算法復(fù)雜度。文獻(xiàn)[49]對(duì)滑動(dòng)聚束LEO星地雙基SAR成像方法進(jìn)行了研究，提出了適用于LEO衛(wèi)星彎曲軌跡的高精度距離模型，并基于此推導(dǎo)了回波頻譜。該方法針對(duì)滑動(dòng)聚束模式造成的多普勒質(zhì)心空變問(wèn)題，改進(jìn)了方位預(yù)處理方法，消除了雙基移變構(gòu)型和波束轉(zhuǎn)動(dòng)造成的頻譜混疊，實(shí)現(xiàn)了星地雙基SAR高精度成像。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)成像結(jié)果如圖8。

圖8 星地試驗(yàn)成像結(jié)果[49]Fig.8 The imaging result of spaceborne and ground-based bistatic SAR[49]

(2) LEO星機(jī)雙基SAR成像方法

相對(duì)于LEO星地雙基SAR，在LEO星機(jī)雙基SAR中，由于機(jī)載平臺(tái)也提供多普勒信息，因此距離方位耦合更為嚴(yán)重，高階多普勒參數(shù)對(duì)聚焦效果的影響更為顯著，需要進(jìn)一步考慮如何解決多普勒參數(shù)的高階空變性。對(duì)此，電子科技大學(xué)Wang等人[57]利用NLCS方法對(duì)方位空變的各階多普勒參數(shù)都進(jìn)行均衡，實(shí)現(xiàn)了方位向的一致聚焦。文獻(xiàn)[58]通過(guò)距離向與方位向變標(biāo)傅里葉逆變換(Scaled Inverse Fourier Transform,SIFT)，既解決了RCM的非線性空變，去除了距離與方位的耦合，也解決了多普勒參數(shù)的空變。

當(dāng)機(jī)載接收站采用大斜視或前視模式時(shí)，RCM的線性分量較大，距離方位具有較強(qiáng)的耦合性，在二維頻域中距離頻率與方位頻率存在較大的非線性耦合，并且RCM是空變的。為了消除耦合性，文獻(xiàn)[59]提出了兩步RCMC方法，先通過(guò)變標(biāo)均衡方位向RCM的空變，再通過(guò)插值消除距離向RCM的非線性空變，從而消除了距離方位耦合。文獻(xiàn)[60]在二維頻域中對(duì)相位中的空變向系數(shù)進(jìn)行線性化近似，將相位變?yōu)榉蔷鶆虿蓸拥亩S傅里葉變換形式，利用NUFFT實(shí)現(xiàn)了殘余空變相位的補(bǔ)償，提高了運(yùn)算效率。

當(dāng)LEO衛(wèi)星采用滑動(dòng)聚束、TOPS等成像模式時(shí)，多普勒質(zhì)心的空變性較為嚴(yán)重，導(dǎo)致TOPS模式和滑動(dòng)聚束模式的SAR圖像存在方位折疊問(wèn)題?？梢酝ㄟ^(guò)子孔徑劃分、方位預(yù)處理以及NLCS解決星機(jī)雙基SAR成像中的多普勒參數(shù)的空變性。另外，時(shí)域成像算法也能有效避免以上問(wèn)題，采用FBP[61]算法，通過(guò)方位向子孔徑劃分，對(duì)收發(fā)站均采用滑動(dòng)聚束模式的星機(jī)雙基SAR回波數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，也可以實(shí)現(xiàn)LEO星機(jī)雙基SAR的高精度聚焦，如圖9所示。

圖9 TerraSAR-X/F-SAR雙基SAR成像結(jié)果[61]Fig.9 The imaging result of TerraSAR-X/F-SAR bistatic SAR[61]

(3) GEO照射源雙基SAR成像方法

對(duì)于GEO星機(jī)雙基SAR，由于GEO照射源脈沖重復(fù)頻率(Pulse Repetition Frequency,PRF)低，GEO-SAR的發(fā)射信號(hào)PRF通常小于200 Hz，會(huì)導(dǎo)致回波方位頻譜混疊，出現(xiàn)虛假目標(biāo)，因此首先需要解決的是方位向頻譜模糊的問(wèn)題。

針對(duì)該問(wèn)題，電子科技大學(xué)Wu等人[62]提出方位向多通道接收技術(shù)，抑制多普勒模糊，并合理設(shè)計(jì)通道間隔，使方位向模糊信號(hào)比(Azimuth Ambiguity Signal Ratio,AASR)最小。此外，將稀疏恢復(fù)方法和多通道接收技術(shù)結(jié)合[63]，可以減少接收機(jī)系統(tǒng)的復(fù)雜度，提高GEO星機(jī)雙基SAR的成像效率，成像效果如圖10所示。

圖10 稀疏恢復(fù)效果對(duì)比[64]Fig.10 Comparison of sparse reconstruction results[64]

在成像方法部分，也可將多通道接收與加權(quán)FFBP成像方法結(jié)合[65]，實(shí)現(xiàn)高效成像。此外，電子科技大學(xué)Sun等人[50]提出使用一站固定式等效回波模型，通過(guò)將GEO星機(jī)雙基SAR回波模型等效為一站固定式雙基SAR，簡(jiǎn)化距離模型的表達(dá)形式，從而求解出二維頻譜，再利用 ω-k方法實(shí)現(xiàn)回波聚焦。文獻(xiàn)[66]提出了兩步NLCS方法處理多通道GEO星機(jī)雙基SAR數(shù)據(jù)。通過(guò)第1步NLCS均衡方位質(zhì)心，減少通道數(shù)；再利用第2步NLCS均衡方位向高階相位。

針對(duì)GEO星地雙基SAR，北京航空航天大學(xué)Guo等人[67]分析了其多普勒特性，并提出多普勒二階空變均衡方法，從而實(shí)現(xiàn)方位一致壓縮。

針對(duì)高速機(jī)動(dòng)平臺(tái)接收的GEO雙基SAR，通常采用凝視聚束模式，波束域的形狀呈現(xiàn)明顯的傾斜特性，此時(shí)如果采用常規(guī)的波束域映射，會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)的利用率降低[68]。文獻(xiàn)[46]采用KAM (K-set Affine Mapping)映射方式，使數(shù)據(jù)在二維波束域呈現(xiàn)矩形，可以顯著提高數(shù)據(jù)的利用率。并且由于高速機(jī)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度更快，相對(duì)于機(jī)載平臺(tái)能夠提供更高的多普勒，因此其多普勒質(zhì)心空變更為嚴(yán)重，文獻(xiàn)[69]通過(guò)預(yù)處理方法去除方位頻譜的混疊。

(4) 星載雙基SAR成像方法

對(duì)于星載雙基SAR，如LuTan-1,TanDEMX[26]，對(duì)圖像進(jìn)行干涉處理并獲取高程信息是十分重要的，因此需要成像方法具有相位保留能力。Li等人[70]提出了保相的改進(jìn)RD方法，基于LT-1的系統(tǒng)參數(shù)，推導(dǎo)了精確的頻譜模型，并結(jié)合雙通道波束重構(gòu)改進(jìn)了RD的處理流程，得到了保留了相位信息的雙基SAR圖像。

3.3 同步技術(shù)

合成孔徑雷達(dá)要實(shí)現(xiàn)精確的二維成像，必須具備對(duì)回波幅度、時(shí)延和多普勒信息的精準(zhǔn)測(cè)量能力。這就要求發(fā)射子系統(tǒng)和接收子系統(tǒng)具有統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)和頻率基準(zhǔn)[71]，即時(shí)頻同步。此外，發(fā)射與接收的天線波束印跡需要在待成像地域?qū)崿F(xiàn)較好的重疊，以保證回波數(shù)據(jù)的接收，即空間同步。

對(duì)于空間同步，通常可根據(jù)目標(biāo)位置和收發(fā)平臺(tái)的位置解算波束指向，通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)整波束指向?qū)崿F(xiàn)收發(fā)波束腳印對(duì)準(zhǔn)。對(duì)于GEO星機(jī)雙基SAR系統(tǒng)，由于GEO軌道高以及波束腳印面積大，雙基平臺(tái)的波束不需要復(fù)雜的實(shí)時(shí)調(diào)整，就能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的波束重疊。對(duì)于GNSS星機(jī)雙基SAR系統(tǒng)，地球表面幾乎任何位置都能接收到GNSS星座的信號(hào)，接收平臺(tái)可以隨時(shí)隨地接收目標(biāo)場(chǎng)景的回波，因此通常不需要特定的空間同步方法。而對(duì)于LEO星機(jī)雙基SAR，收發(fā)平臺(tái)速度差異大，LEO衛(wèi)星波束腳印面積遠(yuǎn)小于高軌衛(wèi)星，方位向通常只有幾公里的范圍，因此LEO星機(jī)雙基SAR的空間同步是十分重要的。在LEO星機(jī)雙基SAR試驗(yàn)中[71]，通常根據(jù)成像區(qū)域坐標(biāo)，計(jì)算衛(wèi)星的到達(dá)時(shí)刻，并提前部署機(jī)載接收站在預(yù)定時(shí)刻到達(dá)指定區(qū)域，對(duì)目標(biāo)場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)波束覆蓋。

對(duì)于時(shí)頻同步，時(shí)頻同步系統(tǒng)需要為收/發(fā)站提供時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)和頻率基準(zhǔn)信號(hào)，并保證時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)的時(shí)間同步精度、頻率基準(zhǔn)信號(hào)的穩(wěn)定度。星源照射雙基SAR的時(shí)頻同步通常采用直達(dá)波同步方法，采用兩個(gè)通道分別接收直達(dá)波和回波信號(hào)，并使用門控采集與數(shù)字鎖相環(huán)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)收發(fā)平臺(tái)的時(shí)頻同步[71]。中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所Zhang等人[56]在2015年，開(kāi)展了星地雙基成像試驗(yàn)，采用基于直達(dá)波的時(shí)間和相位同步，實(shí)現(xiàn)了相位誤差的校正。而對(duì)于星載雙基SAR而言，收發(fā)平臺(tái)可以通過(guò)通信鏈路交換時(shí)鐘和頻率信息，來(lái)實(shí)現(xiàn)同步。Tan-DEM-X通過(guò)一種稱為“同步鏈路”的方式將收發(fā)雙站之間的同步信號(hào)進(jìn)行差分，得到補(bǔ)償相位，從而實(shí)現(xiàn)了時(shí)頻同步[26]。對(duì)于GNSS照射源的雙基SAR而言，通常也采用直達(dá)波實(shí)現(xiàn)時(shí)頻同步[26]，如圖11所示。還可以采用雙向時(shí)間傳遞法[1]、衛(wèi)星共視法[72,73]等方法實(shí)現(xiàn)時(shí)頻同步。

圖11 GNSS星載雙基SAR直達(dá)波同步系統(tǒng)[5]Fig.11 The direct-signal synchronous system for bistatic SAR with GNSS illuminators[5]

3.4 動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)

除了實(shí)現(xiàn)對(duì)靜止地物場(chǎng)景的成像以外，星源照射雙基SAR還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)和定位。

1997年，美國(guó)的MITRE公司Guttrich等人[74]提出用靜止軌道GEO衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)，并采用高空無(wú)人飛機(jī)作為接收平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)大范圍的場(chǎng)景監(jiān)視以及實(shí)時(shí)的動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)。

隨著國(guó)內(nèi)外學(xué)者的不斷研究，越來(lái)越多的單基SAR動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)方法被推廣運(yùn)用到星源照射雙基SAR動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)中。例如，通過(guò)將空時(shí)自適應(yīng)處理[75]和偏置相位中心天線技術(shù)[76]應(yīng)用于雙基SAR，可以檢測(cè)和定位淹沒(méi)在強(qiáng)地雜波中的緩慢移動(dòng)目標(biāo)。然而，當(dāng)目標(biāo)快速移動(dòng)時(shí)，難以準(zhǔn)確估計(jì)目標(biāo)的位置和速度參數(shù)，導(dǎo)致目標(biāo)的方位位置模糊。

北京理工大學(xué)的Zhang等人[77]提出了GEO星機(jī)雙基地多通道SAR (GEO-SABM SAR)，利用GEO-SAR作為照射源，機(jī)載平臺(tái)多通道接收，利用速度SAR技術(shù)抑制地雜波并增強(qiáng)信噪比，實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)和定位。在GEO-LEO雙基SAR構(gòu)型下，利用方位Chirp-Fourier變換域?qū)Χ嗤ǖ阑€進(jìn)行補(bǔ)償，可有效地抑制雜波，并進(jìn)行動(dòng)目標(biāo)成像[78]。

然而除了雜波之外，雷達(dá)平臺(tái)沿航跡方向的速度分量會(huì)造成目標(biāo)方位向散焦，而沿斜距方向的速度分量會(huì)引起多個(gè)假目標(biāo)的出現(xiàn)。文獻(xiàn)[79]分析了運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的方位多通道脈沖響應(yīng)，提出了一種GEOSA-BiSAR多通道重建方法，在方位向的多通道原始數(shù)據(jù)融合前，先進(jìn)行距離徙動(dòng)校正(RCMC)和方位向非線性調(diào)頻變標(biāo)處理(ANLCS)，以消除斜距變化帶來(lái)的影響，同時(shí)降低原始數(shù)據(jù)的多普勒帶寬；然后通過(guò)信號(hào)強(qiáng)度比(Signal Intensity Ratio,SIR)對(duì)斜距方向的動(dòng)目標(biāo)速度分量進(jìn)行估計(jì)，可以較好地完成對(duì)虛假目標(biāo)的抑制。對(duì)于海面上艦船動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)結(jié)果，與傳統(tǒng)檢測(cè)算法的對(duì)比，如圖12所示，可以看出該算法抑制了虛假目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)。

圖12 海面動(dòng)目標(biāo)成像結(jié)果比較[79]Fig.12 Comparison of the imaging results of the distributed moving target[79]

北京理工大學(xué)的Cui等人[80]提出了一種自適應(yīng)的動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)方法，建立了精確的GEO SA-BiSAR多通道信號(hào)模型，并提出了修正的自適應(yīng)空間濾波器完成雜波抑制和波束形成，可以對(duì)運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行估計(jì)。針對(duì)GEO星機(jī)雙基SAR的動(dòng)目標(biāo)三維速度估計(jì)問(wèn)題，可通過(guò)分?jǐn)?shù)階傅里葉變換(Fractional Fourier Transform,FrFT)對(duì)多普勒質(zhì)心和頻率進(jìn)行估計(jì)[81]，從而獲得運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的三維速度。

前面提到的GEO星機(jī)雙基SAR中的PRF模糊問(wèn)題同樣會(huì)導(dǎo)致動(dòng)目標(biāo)回波的方位向欠采樣，從而造成虛假目標(biāo)。針對(duì)此問(wèn)題，電子科技大學(xué)An等人[82]提出了基于稀疏分離的GEO雙基SAR動(dòng)靜目標(biāo)成像檢測(cè)方法，將動(dòng)目標(biāo)和靜止目標(biāo)建模為聯(lián)合速度估計(jì)和稀疏分解問(wèn)題，然后使用粒子群優(yōu)化算法(Particle Swarm Optimization,PSO)和交替方向乘子法(Alternate Direction Multiplier Method,ADMM)聯(lián)合優(yōu)化求解，實(shí)現(xiàn)動(dòng)靜目標(biāo)同時(shí)成像和動(dòng)目標(biāo)速度估計(jì)，結(jié)果如圖13所示。

圖13 GEO SA-BiSAR的非稀疏分布式成像場(chǎng)景模擬[82]Fig.13 Nonsparse distributed imaging scene simulations for GEO SA-BiSAR[82]

4 星源照射雙/多基地SAR試驗(yàn)驗(yàn)證

除理論方法研究以外，目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)星源照射雙/多基地SAR還開(kāi)展了若干地面和飛行試驗(yàn)驗(yàn)證，照射源主要涉及星載SAR和GNSS等不同系統(tǒng)。

4.1 SAR衛(wèi)星為照射源的試驗(yàn)驗(yàn)證

早在20世紀(jì)80年代，美國(guó)就開(kāi)展了國(guó)際上第1次星機(jī)雙基SAR飛行試驗(yàn)驗(yàn)證。利用“挑戰(zhàn)者號(hào)”航天飛機(jī)搭載SIR-B (Shuttle Imaging Radar)雷達(dá)作為照射源，發(fā)射L波段信號(hào)，以CV-990飛機(jī)作為接收站，采用條帶成像模式和直達(dá)波同步方法，驗(yàn)證了星機(jī)雙基SAR的可行性[6]。1992年，美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)使用歐洲遙感一號(hào)衛(wèi)星(European Remote Sensing Satellite 1,ERS-1)作為照射源[83]，一架美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)的飛機(jī)作為接收站，以俄克拉荷馬城區(qū)為成像區(qū)域，開(kāi)展了星機(jī)雙基SAR試驗(yàn)。合成孔徑時(shí)間為3 s，使用一種改進(jìn)的RD算法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到了分辨率為12 m的星機(jī)雙基SAR成像結(jié)果，并將此結(jié)果與對(duì)應(yīng)的單基SAR成像結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析了單/雙基成像結(jié)果的區(qū)別。

在2007年4月和11月，西班牙加泰羅尼亞理工大學(xué)(Universitat Politècnica de Catalunya,UPC)[84]分別利用ERS-2和ENVISAT衛(wèi)星為照射源，以自行研制的SABRINA系統(tǒng)固定在建筑物樓頂作為接收站，這是C波段第1個(gè)用于雙基SAR干涉測(cè)量的接收系統(tǒng)，開(kāi)展了星地雙基干涉SAR試驗(yàn)。兩次試驗(yàn)采用不同的構(gòu)型，分別獲取兩片區(qū)域的前向和后向散射信號(hào)，最后將得到的DEM高程圖疊加到相應(yīng)的衛(wèi)星正射影像上，如圖14所示。

圖14 SABRINA系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果[84]Fig.14 The test results of SABRINA system[84]

2007年11月，德國(guó)宇航中心(German Aerospace Center,DLR)開(kāi)展了星機(jī)雙基地SAR試驗(yàn)。該試驗(yàn)以TerraSAR-X衛(wèi)星作為照射源，搭載機(jī)載雷達(dá)系統(tǒng)F-SAR的飛機(jī)作為接收站。照射源采用滑動(dòng)聚束模式，接收站使用條帶模式，利用直達(dá)波進(jìn)行時(shí)頻同步，使用BP算法對(duì)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到的成像結(jié)果如圖15所示[85]。這是第1次X波段的星機(jī)雙基SAR試驗(yàn)，此次試驗(yàn)驗(yàn)證了移變模式下星機(jī)雙基SAR成像的可行性。除此之外，雙基地SAR可以靈活地調(diào)整構(gòu)型，獲取目標(biāo)區(qū)域不同角度的散射系數(shù)，還可得到更高的信噪比的成像結(jié)果，與單基SAR成像結(jié)果形成互補(bǔ)。

圖15 德國(guó)DLR星機(jī)雙基SAR試驗(yàn)成像結(jié)果[85]Fig.15 Imaging results of German DLR spaceborne/airborne bistatic SAR experiment[85]

2009年，德國(guó)夫瑯和費(fèi)高頻物理和雷達(dá)技術(shù)研究所(FGAN-FHR)開(kāi)展了星機(jī)雙基SAR成像試驗(yàn)，同樣使用TerraSAR-X作為照射源，接收站為Transall C-160飛機(jī)，配備了FGAN-FHR研制的機(jī)載相控陣多功能成像雷達(dá)(Phased Array Multifunctional Imaging Radar,PAMIR)。該次試驗(yàn)首次采用逆滑動(dòng)聚束模式，在這種模式下，收發(fā)站波束分別使用不同的滑動(dòng)因子，可以增加天線波束重疊時(shí)間，提升成像分辨率，合成孔徑時(shí)間約為3.6 s，試驗(yàn)使用直達(dá)波進(jìn)行時(shí)頻同步，使用改進(jìn)的BP算法進(jìn)行成像處理，如圖16所示[86]。

圖16 德國(guó)FHR雙基后視SAR成像結(jié)果[86]Fig.16 Imaging results of German FHR bistatic SAR experiment with back-looking mode[86]

2013年，美國(guó)圣地亞實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展了星地雙基SAR成像試驗(yàn)[87]，分別以COSMO-SkyMed和TerraSAR-X衛(wèi)星作為照射源，接收站固定在Manzano山頂，海拔為340 m，到成像場(chǎng)景中心的斜距為3.68 km。接收站為雙通道，分別對(duì)應(yīng)直達(dá)波天線和回波接收天線，照射源采用聚束模式以獲取更高的方位分辨率，回波數(shù)據(jù)使用PFA算法進(jìn)行處理，距離分辨率和方位分辨率分別為0.708 m和1.641 m，成像結(jié)果如圖17所示。

圖17 美國(guó)圣地亞實(shí)驗(yàn)室星地雙基SAR成像試驗(yàn)結(jié)果[87]Fig.17 Imaging results of spaceborne and ground-based bistatic SAR experiment conducted by US Sandia laboratory Laboratory[87]

在國(guó)內(nèi)，北京理工大學(xué)Wang等人[88]于2010年開(kāi)展了星地雙基SAR成像試驗(yàn)，以我國(guó)的遙感1號(hào)衛(wèi)星(YaoGan-1,L波段)作為照射源，地面固定站接收回波信號(hào)，使用改進(jìn)的CS算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，該算法可以應(yīng)用于空變較強(qiáng)的雙基SAR構(gòu)型，試驗(yàn)使用直達(dá)波進(jìn)行同步。從圖18所示的單雙基成像結(jié)果對(duì)比可以看出，在該雙基構(gòu)型下，能觀測(cè)到場(chǎng)景中更豐富的植被信息。但是由于觀測(cè)角度和遮擋的原因，雙基構(gòu)型下人造建筑物的散射強(qiáng)度要弱于單基成像結(jié)果，如紅框中所示[88]。

2012年，Zeng等人[89]又利用中國(guó)遙感3號(hào)衛(wèi)星(L波段)為照射源，地面固定站接收回波信號(hào)，進(jìn)行了星地雙基干涉SAR試驗(yàn)。通過(guò)橢球投影模型推導(dǎo)出了一種新的干涉相位與地形高度的轉(zhuǎn)換關(guān)系，可以獲得更為精確的DEM高程圖。并使用該方法對(duì)北京理工大學(xué)良鄉(xiāng)東部地區(qū)的DEM進(jìn)行了重構(gòu)，得到目標(biāo)的平均相對(duì)高度與實(shí)際測(cè)量高度的偏差在1 m內(nèi)，驗(yàn)證了雙基地干涉法生成高精度DEM的可行性。

2013年，中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所Wang等人[90]開(kāi)展了星地雙基SAR試驗(yàn)，該試驗(yàn)首次將俯仰向波束形成技術(shù)(Digital Beamforming in Elevation,DBE)用于雙基構(gòu)型，可獲得高增益的窄波束，并在不降低接收天線增益的情況下增大測(cè)繪帶。試驗(yàn)以TerraSAR-X作為照射源，地面固定接收站位于海拔為270 m的山頂上，由5個(gè)通道接收回波，剩余的一個(gè)通道接收直達(dá)波信號(hào)以完成數(shù)據(jù)同步。照射源采用滑動(dòng)聚束模式以獲得更長(zhǎng)的相干積累時(shí)間和更高的方位分辨率，成像場(chǎng)景大小為5 km×5 km，成像結(jié)果如圖19所示。圖19(a)為單通道獲取的圖像，由于天線增益較低，導(dǎo)致圖像信噪比較低。圖19(b)為5通道DBF處理后的圖像，通過(guò)該技術(shù)可以形成高增益的窄波束，使得圖像的信噪比提升了6.5 dB左右。

圖19 單通道和5通道DBF獲取的圖像對(duì)比[90]Fig.19 Comparison of imaging results between single channel DBF and five channel DBF[90]

2015年，中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所Zhang等人[56]成功開(kāi)展了聚束模式的星地雙基SAR成像試驗(yàn)。此次試驗(yàn)以TerraSAR-X衛(wèi)星作為照射源，固定接收站設(shè)置在海拔為341 m的山頂。利用直達(dá)波進(jìn)行同步，并通過(guò)FR均衡方法提升了信噪比。試驗(yàn)采用在高斯網(wǎng)格下的二維非均勻快速傅里葉變換的PFA算法解決了波束轉(zhuǎn)動(dòng)帶來(lái)的方位向頻譜混疊問(wèn)題，并在成像之后，進(jìn)行波前彎曲校正和地理坐標(biāo)重定位，如圖20所示[56]。圖20(c)是在圖20(a)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行波前彎曲校正和地理坐標(biāo)重定位后的圖像，圖中紅色箭頭標(biāo)注的是成像場(chǎng)景中的一條公路。可以看出圖20(a)中的公路存在明顯的彎曲，而經(jīng)過(guò)波前彎曲校正和地理坐標(biāo)重定位后，彎曲問(wèn)題得到明顯改善，成像質(zhì)量接近BP算法處理得到的圖像。

圖20 成像結(jié)果對(duì)比[56]Fig.20 Comparison of imaging results[56]

2020年，電子科技大學(xué)與中國(guó)空間技術(shù)研究院合作，開(kāi)展了國(guó)內(nèi)首次星源照射雙基SAR成像試驗(yàn)，使用GF-3號(hào)SAR衛(wèi)星作為照射源，利用直達(dá)波進(jìn)行時(shí)頻同步。試驗(yàn)使用改進(jìn)BP算法進(jìn)行成像處理，成像結(jié)果與光學(xué)遙感圖像的對(duì)比如圖21所示[91,92]。

圖21 成像結(jié)果與光學(xué)遙感圖像對(duì)比[91]Fig.21 Comparison of imaging results with optical remote sensing images[91]

德國(guó)宇航局還于2010年發(fā)射TanDEM-X衛(wèi)星，可與TerraSAR-X衛(wèi)星采用編隊(duì)飛行的方式，形成一個(gè)單軌雙天線(TerraSAR-X/TanDEM-X,TSX/TDX)系統(tǒng)，可對(duì)地球進(jìn)行觀測(cè)，得到精確的DEM高程圖。除此之外還能很好地克服大氣延遲、軌道誤差等引起的相位噪聲[93]。

我國(guó)分別于2022年1月和2月成功發(fā)射陸探一號(hào)的兩顆衛(wèi)星，是第1個(gè)具備提供整個(gè)中國(guó)連續(xù)地形圖像能力的SAR衛(wèi)星星座，形變測(cè)量精度可達(dá)毫米級(jí)，在地表形變測(cè)量、地形制圖、地質(zhì)災(zāi)害(滑坡、泥石流、地震、火山)監(jiān)測(cè)等方面具有很大應(yīng)用潛力，同時(shí)可對(duì)森林生物量進(jìn)行測(cè)量，是實(shí)現(xiàn)碳循環(huán)監(jiān)測(cè)提供有效技術(shù)手段[1]。目前陸探一號(hào)衛(wèi)星已經(jīng)實(shí)現(xiàn)在軌成像，圖像質(zhì)量?jī)?yōu)異。

4.2 GNSS為照射源的試驗(yàn)驗(yàn)證

針對(duì)以GNSS衛(wèi)星作為照射源的雙/多基地SAR，英國(guó)伯明翰大學(xué)[94]在2005年前后，以俄羅斯全球?qū)Ш叫l(wèi)星定位系統(tǒng)(Global Orbiting Navigation Satellite System,GLONASS)為照射源，使用位于建筑物頂部并能沿軌道進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的車廂作為接收站，完成了GNSS星地雙基SAR的試驗(yàn)驗(yàn)證，但是由于GLONASS系統(tǒng)以及處理技術(shù)的限制，所獲得成像結(jié)果的距離分辨率僅達(dá)到56 m。為了進(jìn)一步提升成像質(zhì)量，2013年，伯明翰大學(xué)又以歐盟的伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為照射源，分別使用汽車和AS355直升機(jī)作為接收站，進(jìn)行了GNSS星機(jī)雙基和星地雙基SAR成像試驗(yàn)，利用直達(dá)波信號(hào)進(jìn)行同步，使用BP算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將距離分辨率提升到了25.2 m，方位分辨率提升到了20 m[4]，星機(jī)雙基SAR成像結(jié)果如圖22所示。

北京理工大學(xué)Zeng等人[95]于2015年，以我國(guó)北斗-2全球?qū)Ш叫l(wèi)星作為照射源，接收站固定在一建筑物頂部，開(kāi)展了GNSS星地雙基SAR成像試驗(yàn)。為了改善發(fā)射信號(hào)落地功率密度低導(dǎo)致圖像信噪比不足的問(wèn)題，提出一種照射源多航過(guò)數(shù)據(jù)相干融合的方法。圖23(a)為單次航過(guò)的成像結(jié)果，圖23(b)為圖22航過(guò)進(jìn)行相干融合后的結(jié)果?？梢钥闯?，相干融合后的圖像質(zhì)量得到了明顯的提升，與單航過(guò)相比，信噪比提升約10.7 dB。

圖22 伯明翰大學(xué)GNSS星載/機(jī)載雙基SAR成像試驗(yàn)結(jié)果[4]Fig.22 The results of GNSS spaceborne/airborne bistatic SAR experiment conducted by Birmingham University[4]

圖23 圖像相干融合結(jié)果[95]Fig.23 Results of coherent fusion image[95]

2015年，英國(guó)伯明翰大學(xué)和中國(guó)國(guó)防科技大學(xué)合作，Zhang等人[96]開(kāi)展了以GLONASS衛(wèi)星為照射源的星地雙基SAR成像試驗(yàn)，合成孔徑時(shí)間為300 s。該試驗(yàn)使用了一種新的同步成像一體化算法，通過(guò)同步預(yù)處理抵消了直達(dá)波信號(hào)中導(dǎo)航信號(hào)的影響，然后根據(jù)系統(tǒng)的幾何特性，對(duì)同步相位誤差進(jìn)行補(bǔ)償，最后使用BP算法對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行處理，將目標(biāo)區(qū)域的SAR成像結(jié)果疊加到衛(wèi)星光學(xué)圖片上如圖24所示，可以看出成像結(jié)果與實(shí)際場(chǎng)景的匹配度較好，但是場(chǎng)景中存在部分弱散射目標(biāo)被強(qiáng)散射目標(biāo)淹沒(méi)的情況。

圖24 伯明翰大學(xué)和國(guó)防科技大學(xué)GNSS星地雙基SAR成像試驗(yàn)結(jié)果[96]Fig.24 Spaceborne and ground-based bistatic SAR experiment conducted by Birmingham University and National University of Defense Technology[96]

2014年，為了改善GNSS信號(hào)帶寬較窄導(dǎo)致距離分辨率低的問(wèn)題，伯明翰大學(xué)和北京航空航天大學(xué)合作[97]，通過(guò)將伽利略導(dǎo)航衛(wèi)星E5頻帶的信號(hào)進(jìn)行融合，理論上可以將GNSS雙基SAR的距離分辨率提升到6 m。

2019年，北京航空航天大學(xué)Zhou等人[98]以全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)為照射源，接收站置于3 m高的足球場(chǎng)主席臺(tái)上，以大學(xué)內(nèi)的建筑為成像區(qū)域，開(kāi)展了GNSS星機(jī)雙基SAR成像試驗(yàn)，成功獲取了300秒合成孔徑時(shí)間的數(shù)據(jù)，使用一種新的成像算法對(duì)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對(duì)徙動(dòng)單元進(jìn)行校正后，引入一個(gè)3次相位因子來(lái)均衡同一徙動(dòng)單元的多普勒調(diào)頻率，最后進(jìn)行方位向相位補(bǔ)償和幾何校正，得到的成像結(jié)果和光學(xué)圖像對(duì)比如圖25所示，通過(guò)觀察圖中的強(qiáng)散射點(diǎn)區(qū)域，可以看出足球場(chǎng)東部的鐵絲網(wǎng)、排球場(chǎng)東部的鋼絲網(wǎng)、游泳館邊緣、體育館邊緣、體育館塔尖和教學(xué)樓邊緣(圖中標(biāo)記為1-6)與光學(xué)圖中的位置一致，且該算法成像精度與BP算法近似，而計(jì)算效率提升近10倍。

圖25 光學(xué)圖像與成像結(jié)果的對(duì)比[98]Fig.25 Comparison between the optical image and the radar image[98]

從以上對(duì)目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開(kāi)展的星源照射雙基SAR成像試驗(yàn)，尤其是星機(jī)、星地雙基SAR成像試驗(yàn)來(lái)看，主要以LEO-SAR衛(wèi)星作為發(fā)射源，以飛機(jī)或地面固定站作為接收站，對(duì)一站固定式雙基SAR進(jìn)行成像試驗(yàn)驗(yàn)證。目前，典型的星源照射雙/多基地SAR系統(tǒng)和計(jì)劃如表2所示。

表2 星源照射雙/多基SAR典型系統(tǒng)/試驗(yàn)介紹Tab.2 Typical system introduction of bi/multi-static SAR system with spaceborne illuminators

5 未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

綜上所述，星源照射雙/多基地SAR目前已積累了大量的研究成果，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了其可行性和成像能力。隨著平臺(tái)、載荷的發(fā)展，面對(duì)更高的應(yīng)用需求，星源照射雙/多基SAR將在以下幾個(gè)方面進(jìn)一步發(fā)展。

5.1 空間分辨與成像幅寬進(jìn)一步提升

高分辨、大幅寬成像可顯著提升SAR系統(tǒng)對(duì)感興趣目標(biāo)的信息獲取能力，為大范圍地質(zhì)測(cè)繪、高精度偵察與目標(biāo)識(shí)別等應(yīng)用提供了技術(shù)基礎(chǔ)。星源照射雙基SAR的收發(fā)站配置靈活，可采用不同的成像模式實(shí)現(xiàn)成像分辨率和幅寬的進(jìn)一步提升。

首先，星載發(fā)射站波束覆蓋范圍廣，通過(guò)合理的設(shè)計(jì)收發(fā)雙站的構(gòu)型與成像模式，可以充分地利用發(fā)射站的波束覆蓋，實(shí)現(xiàn)更大的成像幅寬。此外，還可以采用多接收站編隊(duì)飛行，提升星源照射雙/多基SAR的空間分辨率。

5.2 多基接收與信息融合，獲取更豐富的目標(biāo)信息

基于星源照射的多機(jī)協(xié)同成像檢測(cè)技術(shù)，將在災(zāi)害救援、國(guó)土測(cè)繪、戰(zhàn)術(shù)偵察等領(lǐng)域發(fā)揮重要的應(yīng)用價(jià)值。在接收多基的情況下，地物的散射信息，可同時(shí)被多個(gè)接收站利用，在解決好時(shí)、頻、空同步問(wèn)題后，各接收站協(xié)同工作、信息共享，可獲得目標(biāo)區(qū)各個(gè)角度的豐富信息。

各個(gè)接收站的信息融合是提升多基性能的關(guān)鍵，需要針對(duì)不同空間構(gòu)型，構(gòu)建高精度成像算法，充分利用不同角度的散射信息，消除成像過(guò)程中，由地勢(shì)變化產(chǎn)生的散射體位置偏移，進(jìn)而得到高精度成像結(jié)果。

5.3 星座照射提升全球觀測(cè)能力

為了彌補(bǔ)單平臺(tái)的成像能力的缺陷，采用多顆衛(wèi)星組成星座可以顯著提升系統(tǒng)的成像能力。例如，LEO-SAR可以實(shí)現(xiàn)全球覆蓋，但是重訪周期長(zhǎng)，且波束覆蓋范圍較小。采用多LEO衛(wèi)星組網(wǎng)可以降低重訪周期并提升成像幅寬。此外，GEO-SAR雖然重訪時(shí)間短、波束覆蓋范圍廣，但是無(wú)法實(shí)現(xiàn)全球覆蓋。也需要采用多顆GEO-SAR分布在不同經(jīng)度上實(shí)現(xiàn)全球覆蓋。因此，SAR衛(wèi)星星座是未來(lái)的重要發(fā)展方向。

基于星座照射的雙/多基地SAR成像系統(tǒng)，發(fā)射星座可以為接收站提供重訪周期更短、功率密度更高、可用帶寬更大、覆蓋范圍更廣的波束照射，為未來(lái)的SAR成像應(yīng)用提供更優(yōu)質(zhì)的照射源。

5.4 全球變化的動(dòng)態(tài)觀測(cè)與環(huán)境、資源等數(shù)據(jù)的更有效獲取

星載雙基SAR可以形成穩(wěn)定、可變的垂直航跡基線，實(shí)現(xiàn)單航過(guò)長(zhǎng)基線InSAR和層析SAR，完成地表高度的高精度反演。此外，隨著天線技術(shù)的發(fā)展，波束形成技術(shù)可以支持更多不同的成像模式，從而顯著提升系統(tǒng)的成像幅寬和空間分辨率。再結(jié)合多極化、多視角、多頻段等信息，可以大大提升系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)信息的獲取能力，可廣泛應(yīng)用于全球變化的動(dòng)態(tài)觀測(cè)，例如，地表形變與城市沉降監(jiān)測(cè)、三維植被、冰層結(jié)構(gòu)反演、大氣測(cè)量、洋流監(jiān)測(cè)等。

6 結(jié)語(yǔ)

星源照射雙/多基地SAR是雷達(dá)探測(cè)領(lǐng)域的重要研究方向之一，20世紀(jì)80年代受到國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注。本文首先介紹了國(guó)內(nèi)外星源照射雙/多基地SAR的系統(tǒng)組成。然后，分析了星源照射雙/多基地SAR的關(guān)鍵技術(shù)，包括構(gòu)型設(shè)計(jì)、成像方法、同步技術(shù)和動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)。從不同平臺(tái)組合的角度出發(fā)，分別分析了星載、地面及機(jī)載平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)特性與回波模型，并對(duì)LEO星機(jī)雙基SAR、GEO/MEO星機(jī)雙基SAR等不同平臺(tái)組合模式的成像方法以及動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)方法進(jìn)行詳細(xì)分析，對(duì)比了方法之間的異同和優(yōu)勢(shì)。最后介紹了國(guó)內(nèi)外在星源照射雙/多基地SAR方面的試驗(yàn)驗(yàn)證工作。未來(lái)，對(duì)于星源照射雙/多基地SAR，我們預(yù)計(jì)將在高分辨、大幅寬星機(jī)雙基成像、多無(wú)人機(jī)多任務(wù)協(xié)同成像、成像識(shí)別一體化等方向繼續(xù)深入研究。