曾 濤

(北京理工大學信息與電子學院 北京 100081)

1 引言

雙基地合成孔徑雷達(Bistatic Synthetic Aperture Radar,BiSAR)系統(tǒng)通常是指空間中收發(fā)天線分置于不同平臺的 SAR系統(tǒng)。與傳統(tǒng)單基地SAR(Monostatic SAR,monoSAR)系統(tǒng)相比，BiSAR系統(tǒng)具有不可比擬的優(yōu)勢，例如接收機“靜默”工作帶來的隱蔽性好、安全性高、抗干擾能力強；可以獲取目標多視角散射信息，利于目標數(shù)據(jù)融合；部署靈活，配置多變，甚至可以利用導航衛(wèi)星、通信衛(wèi)星系統(tǒng)等作為外輻射源。

上世紀70年代末，美國率先開展進行了BiSAR系統(tǒng)的研究工作，通過理論研究和一系列機載和星機BiSAR實驗[1－4]，初步解決了諸多BiSAR系統(tǒng)難題，并驗證了BiSAR技術的可行性。然而由于技術問題和缺乏有效的成像算法，限制了上個世紀90年代后期的BiSAR研究。進入新世紀以來，隨著機載和星載 SAR技術的不斷進步，全球范圍內(nèi)掀起了BiSAR研究熱潮，尤其是歐洲地區(qū)[5－12]。近10年以來，德國應用科學研究所(Forschungsgesellschaft für Angewandte Naturwissenschaften,FGAN)和德國宇航局(German Aerospace Center,DLR)陸續(xù)開展了一系列機載、星載和星-地等幾何配置下的BiSAR實驗，得到了非常好的實驗結(jié)果[5,9]。英國各大科研機構(gòu)[8,13,14]，如 UCL(University College London),UoB(University of Birmingham)等大學，開展了機載、基于非雷達外輻射源等幾何配置下的BiSAR實驗；西班牙加泰羅尼亞理工大學[16]實現(xiàn)了基于干涉應用的靜止接收 BiSAR 實驗(SABRINA: SAR Bistatic Fixed Receiver for Interferometric Applications)。此外，意大利、法國等國家的科研機構(gòu)也積極開展了BiSAR系統(tǒng)的科研工作[11,17,18]。與此同時，在上述 BiSAR實驗的推動下，BiSAR成像算法的研究工作也逐漸深入、不斷完善，如基于 Smile算子[19]，LBF算子[20,21]、級數(shù)反轉(zhuǎn)算子[22]等思想的成像算法。

在國內(nèi)，電子科技大學[23]、北京理工大學[24,25]、中國科學院電子學研究所[26－28]等科研院所也陸續(xù)開展了機載雙基地、星地雙基地等幾何配置的BiSAR實驗和成像算法、干涉處理等方面的研究工作。

本文從BiSAR系統(tǒng)的實驗角度入手，深入剖析BiSAR系統(tǒng)的發(fā)展脈絡，由簡單到復雜，逐步引入BiSAR系統(tǒng)發(fā)展中的各類難題和解決思路，試圖從本質(zhì)上揭示 BiSAR系統(tǒng)研究的內(nèi)在邏輯性和科學動力。文章第2節(jié)討論了世界范圍內(nèi)各個科研小組所開展的各類 BiSAR實驗，從不同側(cè)面論述了BiSAR系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理的特點；第 3節(jié)分析了BiSAR系統(tǒng)成像處理算法的發(fā)展脈絡與趨勢；第4節(jié)總結(jié)了全文。

2 BiSAR系統(tǒng)綜述

2.1 機載BiSAR系統(tǒng)

機載BiSAR系統(tǒng)無疑是BiSAR研究工作的起點。一方面，相比于星載系統(tǒng)，構(gòu)建機載BiSAR實驗系統(tǒng)比較簡單；另一方面，機載BiSAR系統(tǒng)包含了所有BiSAR系統(tǒng)可能面臨的技術挑戰(zhàn)，包括信號同步和數(shù)據(jù)處理等方面。因此，從機載BiSAR研究出發(fā)，逐個突破關鍵技術是雷達界開展BiSAR研究工作的基本思路。

1977年，美國Xonics公司的理論和仿真研究證實了BiSAR成像的可能性[1]。1979年初到1984年間，Goodyear公司、Xonics公司與美國國防部、空軍等單位簽訂研究合同，開展一系列機載BiSAR實驗并獲得了BiSAR圖像[1]；Auterman在1984年發(fā)表的文獻中首次公開提到了BiSAR實驗，并公布了3幅BiSAR圖像(Willow Run機場附近區(qū)域的SAR圖像)，這些實驗結(jié)果完成了機載BiSAR成像的概念驗證。

德國宇航局(DLR)和法國宇航局(ONERA)于2002年開展了歐洲最早機載X波段BiSAR實驗[17]，其主要目的是探討 BiSAR系統(tǒng)在干涉處理中的潛力，例如降低時間去相干和大氣相位的影響以提高DEM 精度。實驗中的發(fā)射信號帶寬為 100 MHz，實驗前對各類同步問題做了詳細的研究和設計，完成了BiSAR成像和干涉處理，得到初步的干涉結(jié)果(見圖 1)，可以看到建筑物都表現(xiàn)為較大高程的藍色，圖上方的高速路表現(xiàn)為較低高程的綠色。

2003年10月，德國FGAN利用已有的兩套X波段雷達系統(tǒng) AER-II和 PAMIR開展了機載BiSAR 實驗[5]。該實驗采用連續(xù)采集的方式進行回波記錄(沒有記錄直達波信號)，天線波束照射同步則通過事先精確地設計和飛行員高超的駕駛技巧來保證。實驗采用的發(fā)射帶寬為300 MHz，采集了多個雙基地角條件下的場景回波信號并利用差分GPS接收機記錄了發(fā)射和接收平臺的軌跡歷史。圖2所示為所獲得的BiSAR圖像，成像算法采用BP算法，并且完成了運動補償處理。與目標場景光學圖片(左圖)對比可見，該實驗成功獲取了目標場景的BiSAR圖像。雖然該實驗獲得了大帶寬和大雙基地角條件下的BiSAR圖像，但是文獻中并沒有提到頻率同步的相關處理方法。

2004年，英國QinetiQ公司在國防研究局的資助下利用機載 ESR雷達作為發(fā)射機，直升機載ADAS雷達作為接收機，首次完成平飛機載聚束式的 BiSAR 實驗[8]，并且成功將自聚焦算法應用到BiSAR成像處理中。該實驗采用天線聚束照射和高精度的銫原子鐘解決了波束同步和時間同步帶來的問題，而頻率同步是通過地面測試的方法保證發(fā)射機和接收機的振蕩器的頻率和相位噪聲滿足BiSAR系統(tǒng)的實驗要求。該實驗的成像算法采用PFA(Polar Format Algorithm)算法和RMA(Range Migration Algorithm)算法，并且利用了簡單PGA(Phase Gradient Autofocus)自聚焦處理來提高圖像質(zhì)量。在圖3所示成像結(jié)果中，雙基地角大約為50°，發(fā)射機和接收機的波束照射方向差別較大，圖中左下角幾棵大樹的聚焦結(jié)果可以看到，這些大樹存在兩個陰影區(qū)域，分別對應發(fā)射機和接收機，兩個陰影區(qū)域相對于大樹的聚焦位置的夾角大約和雙基地角相當。

圖1 機載BiSAR干涉實驗結(jié)果

圖2 FGAN開展的機載BiSAR成像結(jié)果

在國內(nèi)，電子科技大學[23]的學者率先開展了BiSAR系統(tǒng)理論研究工作，討論了系統(tǒng)的同步處理，提出修正RD成像算法和時變階梯變換算法實現(xiàn)系統(tǒng)回波聚焦，并且于2007年3月組織了機載BiSAR飛行實驗，通過實測數(shù)據(jù)的成像處理，獲得了國內(nèi)第1幅機載BiSAR圖像(圖4)。

綜上所述，通過上述機載BiSAR實驗的研究與驗證，突破了BiSAR系統(tǒng)的信號同步處理以及成像處理算法等關鍵技術，為星載BiSAR系統(tǒng)的研究提供了充分的技術儲備。

圖3 BiSAR系統(tǒng)聚束模式成像結(jié)果

目前，隨著單基地機載 SAR能力的進一步提升，如多波段、多極化、高分辨、干涉等(表1)，使得單基地機載SAR在地形測繪、目標分類與識別方面的能力顯著提升。通過引入雙基地角度這一維度，可以實現(xiàn)對目標區(qū)域進行雙基地多波段、雙基地多極化等多維度的觀測，進一步挖掘目標在雙基地多維度觀測下的散射機理，為目標幾何結(jié)構(gòu)的解譯、目標分類與識別提供新的技術途徑與方法。因此，基于機載多功能 SAR系統(tǒng)的雙基地實驗與處理方法研究是未來機載BiSAR的主要趨勢之一。

2.2 星載BiSAR系統(tǒng)

2.2.1 星地BiSAR系統(tǒng) 星地BiSAR系統(tǒng)是指利用在軌SAR衛(wèi)星作為發(fā)射源，地面靜止接收的BiSAR系統(tǒng)。西班牙加泰羅尼亞理工大學的學者于2006年提出了SABRINA系統(tǒng)概念[16]，首次將星地BiSAR系統(tǒng)應用到干涉和形變檢測領域，并采用ENVISAT等雷達衛(wèi)星作為發(fā)射機，設計了干涉BiSAR實驗。發(fā)射機采集了分別位于前向散射區(qū)和后向散射區(qū)時目標場景的回波，結(jié)合相應的數(shù)據(jù)處理方法得到了較好的實驗結(jié)果(圖 5)。圖中的左側(cè)邊緣(后向散射區(qū))和右側(cè)邊緣(前向散射區(qū))分別對應一座高地，因此其測得的高程較大。

北京理工大學于 2006年開始研究基于低軌SAR衛(wèi)星作為發(fā)射機，靜止接收的BiSAR系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理[24,25.29,30]，包括成像處理、干涉處理和極化合成等方向，并于 2010年開展了基于我國遙感 1號SAR雷達衛(wèi)星作為發(fā)射機，靜止接收的BiSAR系列實驗，目標場景選擇在北京市良鄉(xiāng)地區(qū)，記錄了發(fā)射機直達波信號用作同步處理，數(shù)據(jù)采集方法為連續(xù)采集，成功實現(xiàn)了雙極化數(shù)據(jù)和干涉數(shù)據(jù)的采集。實驗中，遙感1號雷達衛(wèi)星的天線照射存在小前斜角，因此采用修正NCS算法進行成像處理，并利用自聚焦處理進一步提高成像質(zhì)量，圖6所示為場景區(qū)域的光學圖和BiSAR圖像，可見聚焦效果良好。

通過進一步的對干涉數(shù)據(jù)進行處理，得到目標區(qū)域DEM結(jié)果如圖7所示?？梢钥吹?，由于實驗中天線較為指向南方，南方回波較強；樓房比周圍區(qū)域高40～45 m，實際測量中樓房高14層，每層3 m，與測量結(jié)果相符；城鐵站比周圍區(qū)域高12～18 m，實際測量城鐵站比周圍平地高16 m，與測量結(jié)果基本相符。

圖4 國內(nèi)第1幅機載BiSAR實驗圖像

圖5 SABRINA系統(tǒng)的實驗結(jié)果

圖6 星地BiSAR實驗圖像

圖7 星地BiSAR干涉實驗結(jié)果

此外，中國科學院電子學研究所利用國內(nèi)的遙感衛(wèi)星也開展了相關的星地雙基地干涉實驗，但相關處理結(jié)果尚未見發(fā)表。

2.2.2 星機BiSAR系統(tǒng) 最初的星機BiSAR研究工作于 1984年在美國完成[2－4]。1984年 10月，由美國“挑戰(zhàn)者”號航天飛機搭載SIR-B成像雷達與型號為CV-990的飛機上搭載的一部L波段雷達共同構(gòu)成了一套雙基地雷達實驗系統(tǒng)，其中，飛機上搭載的兩幅天線分別用于接收回波以及發(fā)射機的直達波。該實驗成功獲取了目標區(qū)域BiSAR成像結(jié)果，驗證了直達波信號可以應用于同步處理，但是其分辨率并沒有達到預計要求。此后，90年代中期，美國空軍研究實驗室(AFRL)和噴氣推進實驗室(JPL)進行了星機 BiSAR實驗，發(fā)射機采用歐洲航天局(ESA) ERS-1 和美國 SIR-C 兩顆單基地 SAR 衛(wèi)星，接收機安置在美國國家航空航天局(NASA)的DC-8飛機上。在航天飛機發(fā)射之前，利用 ERS-1衛(wèi)星做了實驗，并給出了一幅由ERS-1作發(fā)射機獲得的阿拉斯加地區(qū)的BiSAR圖像，系統(tǒng)頻率同步通過接收衛(wèi)星直達波與其地面回波共同完成，第1次驗證了星機BiSAR的可行性，從而催生了一種新的BiSAR 成像體制。

TerraSAR-X星載SAR平臺于2007年7月升空，是最先進的全新一代X波段星載SAR系統(tǒng)，利用TerraSAR-X作為發(fā)射機開展了一系列BiSAR實驗，獲得了非常好的結(jié)果，極大地推動了BiSAR系統(tǒng)的研究工作。2007年11月，德國宇航局(DLR)開展了以TerraSAR-X作為發(fā)射機，F(xiàn)-SAR機載雷達作為接收機的星機BiSAR實驗[12]，其中，兩個平臺平行飛行并采用雙通道連續(xù)采集的方法實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集。該實驗利用了場景中布置的3個X波段的應答器用作后續(xù)的定標和同步處理，結(jié)合了直達波和參考點目標完成了頻率同步處理，成像處理算法采用了雙基地 BP算法進行成像處理，成像結(jié)果如圖8所示。通過應答器響應的2維分辨率分析，結(jié)果顯示系統(tǒng)聚焦結(jié)果非常好，分辨率和理論設計完全吻合。該成像結(jié)果是公開發(fā)表的第1幅聚焦良好的星機BiSAR聚焦結(jié)果，并且發(fā)射帶寬達到了100 MHz，實現(xiàn)了地表目標的高分辨。

2008年底和2009年初，德國夫瑯和費高頻物理和雷達技術研究所(Fraunhofer Institute for High Frequency Physics and Radar Techniques,FHR)，聯(lián)合傳感器系統(tǒng)中心(the Center for Sensorsystems,ZESS)和錫根大學(University of Siegen)開展了以TerraSAR-X作為外輻射源，PAMIR (Phased Array Multifunctional Imaging Radar)機載雷達系統(tǒng)作為接收機的系列BiSAR實驗[9]，將星機BiSAR系統(tǒng)的研究推到了新的高度。該實驗的突出特點是同時提出并實現(xiàn)了星機天線的雙滑動聚束照射模式進行數(shù)據(jù)采集，從而得到了方位向?qū)挿鶊鼍俺上窠Y(jié)果，同時分析了BiSAR圖像和monoSAR圖像的特點，得到了令人振奮的結(jié)果。在 2008年的第 1次星機BiSAR實驗中，收發(fā)平臺以近平行軌跡同向飛行，TerraSAR-X照射方式為滑動聚束模式，照射范圍可以達到 5 km×10 km,PAMIR照射方式為經(jīng)典條帶模式，但是其方位向天線采用子陣照射模式(1/3全陣列)，波束寬度大約為6°，目的在于得到較寬的方位向場景覆蓋范圍，發(fā)射帶寬為150 MHz。在2009年初開展的第2次星機BiSAR實驗中，收發(fā)平臺同樣采用近平行軌跡同向飛行，TerraSAR-X照射方式為滑動聚束模式，PAMIR照射方式為全孔徑照射，波束寬度為2.5°，采用逆滑動聚束模式(即波足移動速度大于飛機平臺本身的速度)，采集到更寬的方位向場景回波；同時發(fā)射帶寬增加到 300 MHz。

圖9所示為實驗1的成像結(jié)果，成像范圍為4 km×1.4 km，其中圖9(a)表示利用雙基地BP成像算法得到的聚焦結(jié)果；圖 9(b)表示利用頻域成像算法-擴展 Loffeld雙基地公式(Extended Loffeld’s Bistatic Formula,ELBF)進行聚焦處理得到的成像結(jié)果；圖 9(c)表示場景的光學圖像?？梢钥吹?，三者的吻合度非常高，表明了系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理算法的可靠性。

圖10所示為實驗 2的成像結(jié)果，成像范圍為5.4 km×1.6 km，相比于實驗1的場景范圍較大，聚焦處理采用雙基地 BP成像算法?？梢钥吹?，利用逆滑動聚束模式可以獲得較寬的方位向場景范圍，并且保證了距離向幅寬。

分析BiSAR和monoSAR圖像間的透視收縮和疊掩效應可以觀察到非常有趣的現(xiàn)象，實驗結(jié)果如圖11所示。圖11(a)所示為PAMIR單基地SAR圖像；圖11(b)表示PAMIR圖像(紅色)和雙基地圖像(綠色)的彩色合成圖，可以看到建筑的頂部出現(xiàn)綠色，這說明它們在雙基地圖像中的聚焦位置更加靠前，即兩者中目標雙基地投影較長；圖 11(c)表示TerraSAR-X圖像(紅色)和雙基地圖像(綠色)的采樣合成圖，可以看到建筑的頂部出現(xiàn)紅色，這說明它們在雙基地圖像中的聚焦位置比較靠后，即兩者中目標雙基地投影較短；圖11(d)表示TerraSAR-X圖像(紅色)和PAMIR圖像(綠色)的采樣合成圖，可以看到建筑的頂部出現(xiàn)紅色，這說明它們在TerraSAR-X圖像中的聚焦位置比較靠前，即兩者中目標TerraSAR-X投影較長。

2009年 11月，德國 FHR機構(gòu)開展了以TerraSAR-X為發(fā)射機，PAMIR作為接收機的前視BiSAR實驗[31]，在實驗中，發(fā)射機工作于滑動聚束模式，照射的目標場景范圍大約為5 km×10 km，時間大約為3 s。接收機包括雷達波和直達波天線，直達波天線位于飛機頂部，數(shù)據(jù)采集方法采用基于脈沖同步的方法，該實驗第1次實現(xiàn)了前視BiSAR系統(tǒng)的成像處理，為基于BiSAR系統(tǒng)的飛機盲降應用做好了準備工作。

成像處理算法采用雙基地BP算法，圖12所示為前視BiSAR實驗成像結(jié)果，可以看到，成像結(jié)果中包括了機場、村莊和自然場景，聚焦效果較好。

2.2.3 星載BiSAR系統(tǒng) 隨著2010年7月德國第2顆X波段星載雷達衛(wèi)星的升空，即TerraSAR-X的復制衛(wèi)星，TanDEM-X系統(tǒng)(以下記首顆TerraSAR-X衛(wèi)星為TSX，第2顆為TDX)終于完成部署，為后續(xù)一系列如星載 BiSAR、干涉 SAR等研究做好準備。德國宇航局(DLR)于2010年8月開展了基于TanDEM-X系統(tǒng)的星載BiSAR實驗[10]，兩顆雷達衛(wèi)星處于前后跟隨模式，但是存在很小跨軌基線，實驗時，前方TSX處于小后斜視照射模式，跟隨TDX則處于小前斜視照射模式；此外，整個實驗不僅包含了成像實驗也包括了干涉實驗，而且成功獲取了目標場景BiSAR圖像和干涉結(jié)果，表明星載BiSAR實驗和數(shù)據(jù)處理的良好性能，充分驗證了星載BiSAR系統(tǒng)的可行性。

圖10 星機BiSAR系統(tǒng)(TerraSAR-X/PAMIR)實驗2成像結(jié)果(BP算法)

圖11 SAR圖像的投影縮短和疊掩效應比較

圖12 星機前視BiSAR系統(tǒng)(TerraSAR-X/PAMIR)成像結(jié)果

在成像實驗中，TSX天線照射模式為后斜視0.8°，發(fā)射和接收雷達波，TDX天線的照射模式為前斜視0.8°，工作于接收雷達波模式，同步信號通過TDX上搭載的直達鏈路(SyncLink)采集信號，從而獲取時鐘偏差等信息。經(jīng)過上述的數(shù)據(jù)采集模式，實驗采集到的數(shù)據(jù)包括一組后斜視模式的單基地SAR回波數(shù)據(jù)和一組等效正側(cè)視模式的BiSAR回波數(shù)據(jù)，兩者數(shù)據(jù)在多普勒頻域不存在頻譜重疊，這意味著兩組數(shù)據(jù)不能用于干涉處理，因此這時干涉數(shù)據(jù)獲取只能依賴雙航過的方法采集。圖13表示BiSAR實測數(shù)據(jù)的成像結(jié)果，成像場景位于南美洲巴西首府-巴西利亞，從圖像中心可以看到類似飛機造型的城市特點，圖中黃色部分對應城區(qū)場景，白色部分對應自然場景。

圖13 星載BiSAR系統(tǒng)(TanDEM-X)成像結(jié)果

為了更好的分析BiSAR圖像的特點，圖14給出了單基地圖像和BiSAR圖像的比較圖，其中綠色部分表示BiSAR圖像，粉色表示monoSAR圖像。從圖14中可以明顯地觀察到兩處不同點。首先，在城市中心單基地散射遠強于雙基地散射，但在湖畔區(qū)，雙基地散射明顯增強，該特點說明即使對于非常小的雙基地角(該實驗中為1.6°)，目標的散射特性也可以發(fā)生非常明顯的變化，因而會對SAR目標分類帶來好處。其次，從圖14中右下角可以看出，湖面區(qū)存在場景中某強散射中心的模糊成像結(jié)果，并且單雙基地模糊的距離向位置出現(xiàn)偏差，這是因為雙基地模式此時處于等效正側(cè)照射，而單基地處于斜視模式。因此，利用該特點可以反解模糊信號的位置，從而對SAR圖像解模糊帶來新的思路。

完成上述BiSAR成像實驗后，2010年10月在波多黎各的 Parque Nacionaldel Volcan Turrialba作為目標場景開展了單航過干涉實驗，該目標場景為典型緩慢起伏的山地地區(qū)，適合 DEM 獲取。該實驗采用基于脈沖間調(diào)整的方法進行數(shù)據(jù)獲取，即第1個脈沖，兩個雷達系統(tǒng)均工作于正側(cè)模式獲取數(shù)據(jù)，緊接著的第2個脈沖，TSX天線以后斜視0.9°的方式發(fā)射脈沖，TDX天線以前斜0.9°的方式接收數(shù)據(jù)，這樣所獲得的單基地數(shù)據(jù)和雙基地數(shù)據(jù)都是工作于正側(cè)視模式，多普勒頻域存在信號重疊，可以用于干涉處理?？傮w而言，該工作流程可以獲得一組單基地干涉數(shù)據(jù)和兩組雙基地干涉數(shù)據(jù)。但是該實驗中的數(shù)據(jù)采集方式會帶來如下不利之處：首先PRF需要加倍，意味著距離向幅寬減半；其次，上述數(shù)據(jù)采集方法導致無法采集收發(fā)同步數(shù)據(jù)。圖15所示為得到的結(jié)果，經(jīng)過和TSX多航過獲取得到的DEM結(jié)果相比，該結(jié)果的精度達到5 m精度，說明了該系統(tǒng)在單航過模式下的有效性。

圖14 星載單基地和雙基地SAR圖像對比

圖15 星載BiSAR單航過DEM結(jié)果

星載 BiSAR系統(tǒng)的研究工作可以進一步擴展到星載多基地 SAR(分布式或組網(wǎng))系統(tǒng)，這樣不僅可以研究在較大雙基地角模式下的目標響應，并且可以實現(xiàn)單航過干涉數(shù)據(jù)獲取，對抑制時間去相干和大氣相位等非理想源對高精度 DEM 獲取的影響至關重要，可進一步提高DEM精度。

2.3 基于外輻射源的BiSAR系統(tǒng)

外輻射源 BiSAR系統(tǒng)主要是指當發(fā)射機為非雷達系統(tǒng)時的BiSAR系統(tǒng)，如基于導航衛(wèi)星，通信衛(wèi)星等外輻射源的BiSAR系統(tǒng)。

2002年，伯明翰大學MISL(Microwave Integrated Systems Laboratory)實驗室和北京理工大學共同提出了 SS-BiSAR(Space-Surface BiSAR)系統(tǒng)概念[13,32]，發(fā)射機選用在軌導航衛(wèi)星，接收機位于地表附近，可以是機載平臺，靜止平臺或者車載平臺，包括至少兩個接收天線，一幅用于接收直達波信號，另一幅用于接收目標場景的回波信號。由于導航衛(wèi)星的設計初衷并不是作為雷達系統(tǒng)的外輻射源，因此該系統(tǒng)的突出特點是回波的低信噪比和距離向的低分辨，并且發(fā)射機斜距和接收機斜距在數(shù)值上的巨大不同也表明了該系統(tǒng)具有極度非對稱的拓撲關系。

為了驗證系統(tǒng)對真實場景成像的可行性，英國伯明翰大學和北京理工大學開展了一系列成像實驗，包括靜止接收模、車載接收、機載接收等模式。2011年3月23日開展的成像實驗[33]，選取發(fā)射機為GLONASS系統(tǒng) Cosmos 737衛(wèi)星，對應載頻為1601.7325 MHz，積累時間為300 s，接收機距離主目標190 m，靜止接收。整個系統(tǒng)布置于伯明翰大學電子電氣計算機工程學院大樓的頂層，直達波天線位于雷達波天線的近處；雷達波束指向?qū)γ鍹uirhead大樓，該大樓為成像實驗主要目標，原因在于該樓的體積很大，在面向工程學院大樓的一側(cè)從形狀上分為3個平面，最中間的一塊是金屬板，整個大樓的幾何結(jié)構(gòu)預示著可以較強地反射雷達波。

作為SAR成像處理的基本手段，BP算法可以用來初步驗證SS-BiSAR系統(tǒng)回波的正確性。圖16所示為采用 BP算法得到的成像結(jié)果，可以看到，該系統(tǒng)的目標響應主要對應離散的強散射點，如人造大樓等，自然場景的回波聚焦結(jié)果并不明顯，說明強散射點目標的響應淹沒了弱散射點目標的系統(tǒng)響應，這和基于外輻射源BiSAR本身的特點是符合的，即低距離分辨率和低信噪比。

圖16 BP算法的外輻射源BiSAR實驗圖像

典型的基于外輻射源 BiSAR系統(tǒng)為基于導航衛(wèi)星的BiSAR系統(tǒng)，其突出優(yōu)勢在于目標區(qū)域的時空連續(xù)覆蓋，從而使得系統(tǒng)的應用較為廣泛，例如測繪、檢測等；但是由于發(fā)射機為非雷達衛(wèi)星，因此系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的難度非常大，主要體現(xiàn)在距離分辨率低和信噪比差兩個方面。對于這兩個問題的最終解決決定了基于導航衛(wèi)星 BiSAR系統(tǒng)在實際生活中應用的深度和廣度。

從上述不同類別的BiSAR實驗歷程可以看到，經(jīng)過 10多年的研究，BiSAR系統(tǒng)的各個難題已經(jīng)得到了很大程度的解決，尤其是在同步處理和成像方面，系統(tǒng)成熟度越來越高，特別是 TerraSAR-X星載SAR平臺的升空，從更加廣闊的層面提升了我們對BiSAR系統(tǒng)的認識。此外，對于BiSAR系統(tǒng)的研究已經(jīng)擴展到對基于非雷達衛(wèi)星 BiSAR系統(tǒng)的研究上，該類系統(tǒng)具有較好的應用前景?？傊珺iSAR系統(tǒng)后續(xù)實驗的開展應該充分借鑒已有的成熟技術，盡快實現(xiàn)BiSAR技術的實用化。

3 BiSAR成像處理

BiSAR系統(tǒng)的種種優(yōu)勢是以系統(tǒng)的復雜性大大提高為代價的，尤其是在數(shù)據(jù)處理方面。由于發(fā)射機和接收機的物理分離，發(fā)射和接收采用兩套電子設備，同步處理成為首當其沖的難題[29,34－40]，主要包括3方面：波束同步、時間同步和頻率同步。從上述BiSAR各類實驗可以看到，同步問題已經(jīng)得到了一定程度的解決，例如波束同步不僅可以通過嚴格的波位設計來保證，并且可以利用比較復雜的波束追趕法來實現(xiàn)；時間同步既可以通過跟蹤直達波、高精度銫原子鐘、連續(xù)采集等發(fā)法直接實現(xiàn)，也可以采用基于數(shù)據(jù)的自適應思路處理；頻率同步可以利用高精度頻率源保證，但是直達波同步已經(jīng)成為非常流行的處理方法。

除去同步處理之外，高效、精準的成像處理是BiSAR系統(tǒng)實現(xiàn)的另一大難題，其困難主要來源于兩方面。首先，目標的斜距歷史是目標到發(fā)射機與到接收機的斜距之和，是一個雙根號表達式，如果將駐定相位原理應用到系統(tǒng)多普勒頻譜相位的求解中，則得不到駐點的解析表達式，從而得不到解析的回波頻域表達式。其次，發(fā)射機與接收機位于不同運動平臺，導致目標場景內(nèi)不同位置目標回波聚焦參數(shù)的變化非常嚴重，即聚焦參數(shù)隨目標位置空變，這里的空變性一般表現(xiàn)為2維空變，即不僅不同距離門內(nèi)的方位向聚焦處理需要不同的多普勒參數(shù)，同一距離門內(nèi)的聚焦處理也需要不同的多普勒參數(shù)。對于 BiSAR系統(tǒng)成像處理，德國的 Ender教授[41]提出將其分為5個階段解決的思路，從易到難分別為：單基地模式、跟隨模式(Tandem case)、空不變模式(Translational Invariant case)、等速模式(Constant Velocity case)和一般軌跡模式(General case)。經(jīng)過10多年的研究工作，對上述5個階段已經(jīng)提出了不同的 BiSAR 成像算法[41－60]進行解決。

單基地SAR成像算法的研究工作不需贅述。對于Tandem模式的解決方法為SMILE處理[19,43]。其基本思路是：首先利用短時處理-SMILE算子將BiSAR回波數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為單基地SAR模型下的數(shù)據(jù)，然后采用單基地的成像算法進行聚焦處理。但該算法只適應于Tandem模式的BiSAR系統(tǒng)的成像處理，由于實際條件下，發(fā)射機與接收機很難保證前后航跡一致，并且基線不變，因此該算法的輸入條件非?？量?。

對于BiSAR系統(tǒng)TI模式成像處理的研究比較多。Ender在文獻[41,42,44]利用對目標位置的變換，使得 BiSAR系統(tǒng)回波頻譜相位可以表示為頻域測量參量的線性函數(shù)，然后采用變量變換的方法實現(xiàn)回波頻譜重采樣而完成聚焦處理。該算法的突出優(yōu)點在于得到了BiSAR回波頻譜的相位的解析表達式，但是其變量變換公式中含有目標的位置信息使得該變換只能完成參考點附近的小范圍的聚焦處理，并且聚焦參數(shù)的求解需要采用數(shù)值計算方法。該處理算法已經(jīng)成功應用到機載 BiSAR成像處理中(圖17)。西電的學者在文獻[49]中提出了 BiRMA 成像算法實現(xiàn)TI模式下的回波聚焦處理，通過提出半雙基地角和雙基地斜距和的概念得到了系統(tǒng)回波的頻譜解析表達式。

BiSAR系統(tǒng)CV模式是指發(fā)射機和接收機各自的速度矢量在回波接收過程中保持不變，但是大小可以不同。LBF給出了該模式的成像處理方法。文獻[20,21]利用三次駐定相位原理，將時域回波轉(zhuǎn)換到頻域，然后進行聚焦處理。如前所述，由于雙根號的斜距模型的存在，使得利用駐定相位原理不能獲取BiSAR系統(tǒng)的斜距模型的解析駐點，但是如果將駐點分為發(fā)射機相關和接收機相關的兩個部分，分別利用駐定相位原理獲取對應的發(fā)射機和接收機對應的頻譜，最后再利用一次駐定相位原理，得到雙基地畸變項對應的頻譜，進而完整的BiSAR系統(tǒng)回波頻譜表達式。基于LBF得到回波2維頻譜表達式后，文獻[46]采用修正 CS成像處理，提出了BiSAR系統(tǒng)的聚焦方法；文獻[21,47]采用變量替換的方法實現(xiàn)BiSAR系統(tǒng)的聚焦，而且該處理思路已經(jīng)成功應用到星機BiSAR系統(tǒng)的成像處理中，獲得了聚焦良好的雷達圖像(圖9b)。

圖17 機載BiSAR成像實驗結(jié)果

對于一般模式的 BiSAR系統(tǒng)成像處理，文獻[22,48,57]基于級數(shù)反轉(zhuǎn)思想的思路，通過給出了精度無窮高BiSAR系統(tǒng)點目標回波的2維解析頻譜表達式，提出了BiSAR成像處理算法?？紤]到級數(shù)反轉(zhuǎn)的思想和BiSAR系統(tǒng)的拓撲關系無關，基于級數(shù)反轉(zhuǎn)思想可以獲得所有 BiSAR系統(tǒng)的點目標回波的2維解析頻譜表達式，從而解決了BiSAR系統(tǒng)成像處理的解析頻譜獲取的難題。然而，當上述處理方法應用到大場景的回波聚焦時，其處理能力會下降。當然，時域BP算法[50－52]，基于泰勒級數(shù)的近似算法[51,56,59]，基于數(shù)值方法抽取聚焦參數(shù)然后成像(Numeric SAR,NuSAR)[60]等都可以用來實現(xiàn)BiSAR系統(tǒng)一般模式下的成像處理。雖然BP算法已經(jīng)成功應用在多組BiSAR實驗數(shù)據(jù)處理中，上述算法都存在效率和精度不高的問題。

綜上所述，雖然處理效率低下，BP算法仍然是目前在BiSAR實驗數(shù)據(jù)處理中應用最廣泛的成像算法；基于級數(shù)反轉(zhuǎn)的算法可以得到一般BiSAR模式回波的解析頻譜，但是其表達式極其復雜；并且現(xiàn)有成像算法對聚焦參數(shù)空變性的處理均存在局限性，如何給出一個高效，精確和適應性強的BiSAR成像處理算法仍舊是雷達科技人員的一個研究熱點。

4 結(jié)束語

隨著各類對地觀測需求的不斷增加，對新一代SAR系統(tǒng)提出了更高的要求，包括多視角觀測、抗干擾性能和在強打擊條件下的生存能力等。BiSAR系統(tǒng)可以滿足上述需求，這正是BiSAR系統(tǒng)研究在最近10多年來快速發(fā)展的內(nèi)在原因。

國外關于 BiSAR系統(tǒng)的研究已經(jīng)非常深入，并且研制出性能良好的 BiSAR實驗系統(tǒng)，獲得了非常理想的結(jié)果。但是隨著單基地機載和星載SAR功能的增強，如多波段、多極化、高分辨等，使得未來基于雙基地的多波段、多極化、高分辨等多維度融合下的 BiSAR實驗、數(shù)據(jù)處理與分析及圖像解譯等將成為主要研究熱點，并將進一步推動BiSAR的發(fā)展。

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