基于間歇模式的SAR 成像仿真設(shè)計(jì)

劉亞奇, 潘鶴斌, 蘇皎陽, 張金強(qiáng), 付朝偉

(1.上海無線電設(shè)備研究所, 上海 201109;2.上海目標(biāo)識(shí)別與環(huán)境感知工程技術(shù)研究中心,上海 201109;3.中國航天科技集團(tuán)有限公司交通感知雷達(dá)技術(shù)研發(fā)中心, 上海 201109;4.海軍裝備部駐上海地區(qū)第六軍事代表室, 上海 201109)

0 引言

合成孔徑雷達(dá)(synthetic aperture radar,SAR)是一種高分辨率的有源微波遙感成像雷達(dá),雷達(dá)圖像中含有豐富的信息,可用于目標(biāo)多種特性的測量。SAR 自帶照射源,對(duì)天時(shí)、云霧和降水不敏感,可以在黑暗、云雨條件下工作。某些波段的電磁波可以穿透葉簇甚至地表等遮擋物,因此具有全天候、全天時(shí)、反偽裝等光學(xué)成像系統(tǒng)所不具備的優(yōu)點(diǎn)[1]。目前,SAR 已廣泛應(yīng)用于地球遙感、海洋研究、農(nóng)業(yè)/林業(yè)資源勘探、環(huán)境監(jiān)測、建筑/橋梁/車輛探測等民用領(lǐng)域,在軍事偵察、目標(biāo)監(jiān)測、精確制導(dǎo)等軍事領(lǐng)域也具有廣闊應(yīng)用前景,已成為當(dāng)今高速發(fā)展的研究熱點(diǎn)之一。

目前,SAR 已經(jīng)從最初的單一視角雷達(dá),發(fā)展成為多功能、多頻段、高分辨、多模式、多極化的雷達(dá)。為滿足不同的應(yīng)用需求,新的SAR 成像模式被提出,相應(yīng)地對(duì)SAR 所提供信息的質(zhì)量和容量也提出了更高的要求。

單發(fā)單收體制SAR 中掃描模式SAR(ScanSAR)仍然是實(shí)現(xiàn)寬測繪帶最經(jīng)典且高效的方法[2]。ScanSAR 通過周期性切換天線波束的視角,得到由子測繪帶拼接而成的寬測繪帶的雷達(dá)圖像,滿足了一次作業(yè)就能得到監(jiān)測區(qū)域大面積、寬測繪帶圖像的需求[3]。這種工作模式實(shí)現(xiàn)了測繪帶寬相對(duì)于條帶模式幾倍的擴(kuò)展,但同時(shí)也面臨犧牲方位向分辨率的問題。

因此,滿足匹配導(dǎo)航需求的SAR 成像體制設(shè)計(jì)是目前的重要研究領(lǐng)域,未來還將發(fā)展更多的工作模式。對(duì)于先進(jìn)的機(jī)動(dòng)平臺(tái)匹配導(dǎo)航應(yīng)用系統(tǒng),必然以高性能的SAR 成像算法為基礎(chǔ)。雖然國內(nèi)在該方面研究已經(jīng)取得長足的進(jìn)步和顯著的成果,但是成像性能還存在不足,且現(xiàn)有SAR 子孔徑成像算法難以滿足實(shí)際應(yīng)用要求,SAR 成像算法還有待改善[4-6]。

本文在對(duì)國內(nèi)外機(jī)動(dòng)平臺(tái)SAR 成像研究成果充分認(rèn)識(shí)和分析的基礎(chǔ)上,結(jié)合匹配導(dǎo)航的需求,提出一種適用于機(jī)動(dòng)平臺(tái)的SAR 實(shí)時(shí)成像體制。以匹配導(dǎo)航對(duì)SAR 圖像的需求為最基本的設(shè)計(jì)輸入,采用間歇(Burst)模式,解決SAR 成像大幅寬與實(shí)時(shí)性的矛盾。首先對(duì)SAR 各指標(biāo)逐層進(jìn)行分解,討論技術(shù)指標(biāo)與系統(tǒng)參數(shù)之間的制約關(guān)系,進(jìn)而給出系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)方法。在此基礎(chǔ)上提出一種機(jī)動(dòng)平臺(tái)平飛段大斜視實(shí)時(shí)成像算法,并給出適用于機(jī)動(dòng)平臺(tái)的雷達(dá)實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)仿真流程。

1 雷達(dá)實(shí)時(shí)成像體制設(shè)計(jì)

1.1 Burst模式SAR指標(biāo)體系

Burst模式SAR 各部分參數(shù)相互耦合、互相影響,因此在討論雷達(dá)實(shí)時(shí)成像設(shè)計(jì)流程之前,有必要建立該雷達(dá)的指標(biāo)體系。Burst模式SAR指標(biāo)體系主要包含牽引指標(biāo)、雷達(dá)波形參數(shù)、天線參數(shù)、波位參數(shù)、飛行參數(shù)等部分。

SAR 設(shè)計(jì)的核心是建立其指標(biāo)體系,并對(duì)各相關(guān)參數(shù)關(guān)系深刻理解和把握。各相關(guān)參數(shù)相互耦合,且上下級(jí)參數(shù)間具有制約關(guān)系。Burst模式SAR 指標(biāo)體系如圖1所示。利用該指標(biāo)體系可以更清晰地說明基于Burst模式的SAR 實(shí)時(shí)成像體制的設(shè)計(jì)思路及各參數(shù)間的相互關(guān)系。

圖1 Burst模式SAR 指標(biāo)體系

1.2 Burst模式SAR成像原理

在設(shè)計(jì)Burst模式SAR 時(shí),算法誤差及計(jì)算效率是選擇成像算法時(shí)的重要考慮因素。在實(shí)際應(yīng)用中,傳統(tǒng)的SAR 主要有兩種工作方式:一種是聚束模式,一種是條帶模式。聚束模式下方位分辨率可以很高,但是距離測繪帶寬度受限,且方位測繪帶也不連續(xù)。條帶模式下測繪范圍能夠完全覆蓋目標(biāo)區(qū)域,并保證相鄰條帶之間足夠的重疊寬度。

目前SAR 多采用平板天線,不能進(jìn)行波束掃描,SAR 成像只能采用條帶模式。由于條帶模式數(shù)據(jù)量大,擬采用Burst模式降低數(shù)據(jù)量、提高實(shí)時(shí)性。根據(jù)分辨率、測繪帶寬、噪聲等效后向散射系數(shù)、成像延遲等要求以及雷達(dá)相關(guān)參數(shù),設(shè)計(jì)了一種Burst模式SAR 成像流程,如圖2所示。雷達(dá)開機(jī)工作一段時(shí)間后(小于合成孔徑時(shí)間)轉(zhuǎn)入待機(jī)狀態(tài),待機(jī)期間進(jìn)行信號(hào)處理,然后再次開機(jī),如此循環(huán)多次。對(duì)雷達(dá)錄取的多個(gè)Burst數(shù)據(jù)單獨(dú)進(jìn)行SAR 成像處理,最后對(duì)多個(gè)Burst圖像進(jìn)行拼接,獲取滿足指標(biāo)要求的SAR 圖像。

圖2 Burst模式SAR 成像流程示意圖

1.3 Burst模式SAR成像幾何模型

建立匹配中心航向坐標(biāo)系oxyz,原點(diǎn)o為地面某一點(diǎn),x軸水平指向預(yù)定航行方向,y軸沿地表法線方向,指天為正,z軸由右手法則確定。Burst模式SAR 成像幾何模型[7-8]如圖3所示。

圖3 Burst模式SAR 成像幾何模型

圖3中,H表示飛行高度,v表示飛行速度,RS表示雷達(dá)斜距,R0表示雷達(dá)最近斜距,θ表示雷達(dá)下視角,θ0表示零多普勒面下視角,φ表示雷達(dá)斜視角,?表示雷達(dá)方位角。設(shè)雷達(dá)工作于Burst模式,點(diǎn)目標(biāo)Pn(xn,yn,zn)為Burst成像場景中心點(diǎn),即Burst時(shí)間中心時(shí)刻的波束中心指向該點(diǎn)。

2 Burst模式SAR 典型參數(shù)設(shè)計(jì)

(1) 測繪帶寬度

測繪帶寬度

式中:θf為測繪帶遠(yuǎn)端下視角;θn為測繪帶近端下視角。根據(jù)雷達(dá)距離向波束寬度,測繪帶寬度隨雷達(dá)波束中心下視角的變化情況如圖4所示。隨著雷達(dá)波束中心下視角的增大,測繪帶寬度增大。但是,雷達(dá)波束中心下視角的增大將導(dǎo)致斜距增大,進(jìn)而導(dǎo)致回波信號(hào)信噪比降低。測繪帶寬度應(yīng)綜合考慮脈沖重復(fù)頻率和信噪比后確定。

圖4 測繪帶寬度隨雷達(dá)波束中心下視角的變化

(2) 脈沖重復(fù)頻率及波位參數(shù)

脈沖重復(fù)頻率應(yīng)大于多普勒頻率帶寬,同時(shí)需要考慮發(fā)射信號(hào)干擾、底視回波干擾、方位模糊度和距離模糊度的影響。

發(fā)射信號(hào)干擾對(duì)脈沖重復(fù)頻率的限制應(yīng)滿足

式中:Frac(·)為取小數(shù)函數(shù);Rn為測繪帶近端斜距;Rf為測繪帶遠(yuǎn)端斜距;fpr為脈沖重復(fù)頻率;c為電磁波波速;τp為發(fā)射脈沖寬度;τrp為保護(hù)時(shí)間;Int(·)為取整函數(shù)。

底視回波干擾對(duì)脈沖重復(fù)頻率的限制應(yīng)滿足

式中:τ0為底視回波持續(xù)時(shí)間;Z0為非負(fù)整數(shù)。

綜合考慮發(fā)射信號(hào)干擾、底視回波干擾、方位及距離模糊度和信噪比等影響因素,設(shè)計(jì)4個(gè)波位的波束中心下視角。根據(jù)波束中心下視角與脈沖重復(fù)頻率的函數(shù)關(guān)系繪制斑馬圖,如圖5所示?？梢钥闯?其中3條縱向深灰色區(qū)域?yàn)楸荛_發(fā)射信號(hào)干擾和底視回波干擾的有效脈沖重復(fù)頻率和波束中心下視角區(qū)域,圖中小方框?qū)?yīng)4個(gè)波位的脈沖重復(fù)頻率。

圖5 Burst模式SAR 斑馬圖

(3) 地距分辨率

地距分辨率ρrg主要與發(fā)射信號(hào)帶寬Br和雷達(dá)入射角η有關(guān),其計(jì)算公式為

式中:Wr為距離向加窗處理展寬系數(shù)。設(shè)計(jì)各波位發(fā)射信號(hào)帶寬時(shí),應(yīng)使4個(gè)波位均滿足分辨率要求,且不同波位的分辨率基本一致。

(4) 方位向分辨率

方位向分辨率

式中:λ為雷達(dá)工作波長;θa為方位向波束寬度;Ka為方位向加窗處理展寬系數(shù)。對(duì)于Burst成像模式,θa受到Burst時(shí)間的影響,因此方位向分辨率與Burst時(shí)間有關(guān)。雷達(dá)開機(jī)時(shí)間越短,方位向分辨率越低,數(shù)據(jù)量越小,但是信噪比越低。綜合考慮上述因素,且要求4個(gè)波位的方位向分辨率相同,對(duì)方位向分辨率進(jìn)行設(shè)計(jì)。4個(gè)波位對(duì)應(yīng)的方位向分辨率及Burst時(shí)間、Burst方位向測繪長度、Burst間隔時(shí)間等相關(guān)參數(shù)仿真結(jié)果如圖6 所示。其中,Burst 間隔時(shí)間為上一個(gè)Burst雷達(dá)待機(jī)時(shí)刻與下一個(gè)Burst雷達(dá)開機(jī)時(shí)刻之間的時(shí)間間隔。

(5) 方位模糊度

方位模糊度

式中:Ga(·)為方位向天線方向圖函數(shù);fD為多普勒頻率;fDc為多普勒中心頻率;m為模糊區(qū)編號(hào),實(shí)際應(yīng)用中一般取[-10,10];Bps和Bpe分別為方位向成像處理器的起始頻率和截止頻率。對(duì)于每一Burst時(shí)間,方位向中心和邊緣處的目標(biāo)分別被方位向天線以不同角度照射,導(dǎo)致方位模糊度不同。

(6) 距離模糊度

距離模糊度

式中:σ0(·)為目標(biāo)的后向散射系數(shù)函數(shù);τ為時(shí)間周期;Gr(·)為距離向天線方向圖函數(shù);Ri,m表示第個(gè)m模糊區(qū)的第i個(gè)下視角對(duì)應(yīng)的雷達(dá)斜距;ηi,m表示第m個(gè)模糊區(qū)的第i個(gè)下視角對(duì)應(yīng)的雷達(dá)入射角;Ri,0,ηi,0 表示信號(hào)區(qū)第i個(gè)下視角對(duì)應(yīng)的雷達(dá)斜距和入射角。

(7) 噪聲等效后向散射系數(shù)

噪聲等效后向散射系數(shù)

式中:α為地面坡度;k為玻耳茲曼常數(shù);T為接收機(jī)噪聲溫度;F為系統(tǒng)噪聲系數(shù);Latm為大氣傳輸損耗;Lsys為系統(tǒng)損耗;Laz為方位向損耗;PT為峰值發(fā)射功率;GT為發(fā)射天線增益;GR為接收天線增益;M為多視數(shù)。對(duì)于每一Burst時(shí)間,方位向中心和邊緣處的目標(biāo)分別被方位向天線以不同角度照射,對(duì)應(yīng)不同的方位向損耗及不同的噪聲等效后向散射系數(shù)。

3 Burst模式SAR 實(shí)時(shí)成像算法

3.1 算法流程

結(jié)合慣導(dǎo)測量數(shù)據(jù)與雷達(dá)回波數(shù)據(jù),設(shè)計(jì)機(jī)動(dòng)平臺(tái)Burst模式SAR 實(shí)時(shí)成像算法。首先估計(jì)Burst回波的多普勒參數(shù),然后結(jié)合擴(kuò)展線性調(diào)頻變標(biāo)(extended chirp s caling,ECS)算法[9]得到子孔徑圖像,最后校正子孔徑圖像偏移并經(jīng)多視處理,得到Burst模式SAR 圖像。算法流程如圖7所示。

圖7 Burst模式SAR 實(shí)時(shí)成像算法流程圖

多普勒參數(shù)估計(jì)包括多普勒中心頻率估計(jì)與多普勒調(diào)頻率估計(jì),估計(jì)過程中需要利用慣導(dǎo)數(shù)據(jù)和回波數(shù)據(jù)。利用多普勒中心頻率估計(jì)結(jié)果fDc,結(jié)合非迭代圖像偏置算法[10]可以進(jìn)行多普勒調(diào)頻率估計(jì),此處不再贅述。

3.2 子孔徑成像處理

單個(gè)點(diǎn)目標(biāo)的基帶回波信號(hào)

式中:tr為距離向快時(shí)間;ta為方位向慢時(shí)間;A0為一個(gè)復(fù)常數(shù)(后續(xù)推導(dǎo)忽略);ωr(·)為發(fā)射脈沖包絡(luò);Rs(·)為雷達(dá)至點(diǎn)目標(biāo)的瞬時(shí)斜距;ωa(·)為方位向雙程天線方向圖函數(shù);tac為方位向慢時(shí)間中心;fc為雷達(dá)載頻;Kr為信號(hào)的線性調(diào)頻率。

采用ECS算法完成回波數(shù)據(jù)的子孔徑成像,具體流程如圖8 所示,詳細(xì)過程參見文獻(xiàn)[11]。圖中FFT/IFFT 表示快速傅里葉變換/逆變換。

圖8 ECS算法成像處理流程

3.3 Burst模式成像處理

由于單幅Burst模式SAR 圖像的理論方位向分辨率遠(yuǎn)高于實(shí)際應(yīng)用要求,容易想到采用子孔徑劃分,結(jié)合勻速直線模型,分別構(gòu)造匹配濾波函數(shù)進(jìn)行方位向聚焦。但是該方法需要獲取每個(gè)子孔徑內(nèi)飛行器的平均速度,運(yùn)算量大且難以實(shí)現(xiàn)。

本文利用勻速直線模型對(duì)Burst數(shù)據(jù)進(jìn)行方位向匹配濾波。以中心子孔徑作為參考,偏離中心的子孔徑存在附加線性相位誤差,僅會(huì)導(dǎo)致子孔徑圖像的偏移,而不會(huì)散焦。

對(duì)各子孔徑圖像進(jìn)行整體偏移校正。先估計(jì)各子孔徑圖像相對(duì)于中心子孔徑圖像的偏移量,按照子孔徑序號(hào)對(duì)估計(jì)結(jié)果做線性擬合,再根據(jù)擬合的偏移量值校正各子孔徑圖像的二維偏移。此時(shí)殘余的子孔徑圖像偏移量已不再影響B(tài)urst成像效果,經(jīng)多視處理即可得到Burst模式SAR圖像

式中:Ms為子孔徑數(shù)量;FFT(·)表示快速傅里葉變換函數(shù);si(·)表示偏移量校正后的第i幅子孔徑圖像;|·|表示取模值運(yùn)算。實(shí)際劃分子孔徑數(shù)由方位向分辨率要求確定。

4 仿真實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用分析

以單幅Burst模式SAR 圖像的生成過程為例,分析本文算法的運(yùn)算效率,并以每秒浮點(diǎn)運(yùn)算次數(shù)(FLOPs)來表示其運(yùn)算量。設(shè)距離向及方位向的采樣點(diǎn)數(shù)分別為Nr,Na,每次距離向/方位向進(jìn)行FFT 和IFFT 的浮點(diǎn)運(yùn)算量為5NrNalog2Nr和5NrNalog2Na,一次復(fù)乘操作的浮點(diǎn)運(yùn)算量為6NrNa,則所提算法的運(yùn)算量如表1所示。其中,N為多普勒中心估計(jì)所用回波數(shù)據(jù)塊的距離單元數(shù),ΔN為多普勒調(diào)頻率估計(jì)中的距離向平均所用距離單元數(shù)。

表1 所提算法的運(yùn)算量匯總表

令Nr=2 048,Na=4 096,N=700,ΔN=50,Ms= 16,估算出的總運(yùn)算量約為5.5 GFLOPs。

在Matlab R2017a版本上處理1k B×4kB大小的Burst模式SAR 回波仿真數(shù)據(jù)。計(jì)算機(jī)硬件配置為Intel(R)Core(TM)i7-6700 CPU@3.40 GHz,生成單幅Burst模式SAR 圖像的總處理時(shí)長為2.746 s。參考Xilinx 公司Virtex7系列xc7vx690t型FPGA 處理板,其硬件加速比[12]一般在10以上,即實(shí)際硬件處理時(shí)間將小于0.27 s,能夠滿足機(jī)動(dòng)平臺(tái)Burst模式SAR 實(shí)時(shí)成像的要求。

利用仿真數(shù)據(jù)驗(yàn)證算法的可行性。在觀測場景內(nèi)設(shè)置9個(gè)點(diǎn)目標(biāo),斜視角為20°,機(jī)動(dòng)平臺(tái)按照最大過載進(jìn)行恒加速飛行。仿真所用的雷達(dá)參數(shù)見表2。

表2 仿真所用雷達(dá)參數(shù)

圖9為未進(jìn)行子孔徑圖像偏移校正的單幅Burst圖像直接進(jìn)行多視處理后得到的多視實(shí)圖像,圖中1～9分別表示9個(gè)目標(biāo)。

圖9 單幅Burst圖像多視處理后SAR 圖像

提取圖9中目標(biāo)1的成像結(jié)果進(jìn)行成像指標(biāo)分析。目標(biāo)1的方位向脈沖響應(yīng)和距離向脈沖響應(yīng)分別如圖10和圖11所示。進(jìn)行圖像拼接后得到多視Burst模式SAR 圖像。其成像指標(biāo)評(píng)估結(jié)果如表3所示。

表3 多視Burst模式SAR 成像指標(biāo)評(píng)估結(jié)果

圖10 圖像偏移校正前目標(biāo)1的二維脈沖響應(yīng)剖面圖

圖11 圖像偏移校正后目標(biāo)1的二維脈沖響應(yīng)剖面圖

由圖10、圖11及表3可知,經(jīng)過子孔徑偏移校正后,點(diǎn)目標(biāo)的二維脈沖響應(yīng)仿真結(jié)果更接近sinc函數(shù),二維分辨率和峰值旁瓣比指標(biāo)性能均有所提升,基本達(dá)到了理論值。

5 結(jié)論

結(jié)合匹配導(dǎo)航的需求,提出了一種適用于機(jī)動(dòng)平臺(tái)的Burst模式SAR 實(shí)時(shí)成像體制。采用Burst模式,解決SAR 成像大幅寬與實(shí)時(shí)性的矛盾,進(jìn)而給出系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)方法。在此基礎(chǔ)上提出一種機(jī)動(dòng)平臺(tái)平飛段大斜視實(shí)時(shí)成像算法,并給出適用于機(jī)動(dòng)平臺(tái)的雷達(dá)實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)仿真流程。所提算法對(duì)平臺(tái)存儲(chǔ)資源的需求低,實(shí)時(shí)性好,能夠滿足Burst模式SAR 成像體制需求。