谷昕煒,陳 杰,楊 威,王鵬波
(北京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院,北京 100083)
合成孔徑雷達(SAR)是一種主動微波遙感測繪工具,它不受光照、云層等因素影響,可以全天時、全天候工作,甚至具有穿透某些特殊地物的能力,在地形測繪、目標(biāo)識別等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1]。
現(xiàn)有的星載、機載SAR系統(tǒng)無法滿足全球性大尺度觀測的應(yīng)用需求。機載SAR飛行高度較低、控制靈活,擅長對小塊區(qū)域進行快速高分辨率成像,但是缺點是成像帶寬較小,同時飛機的飛行還會受到能源、天氣和空域等條件的約束;而星載SAR的軌道高度可由幾百千米高至上萬千米,雖然具有較大的成像帶寬,但由于受到衛(wèi)星軌道的限制,仍需要耗費極長的時間才能完成一次地球表面的完整照射。
進入21世紀(jì),逐漸有科學(xué)家提出了月基合成孔徑雷達(Lunar-SAR)的概念,以月球為SAR平臺進行全球性大尺度觀測。因為在月球表面只需要2°的天線波束寬度,即可覆蓋整個地球。Moccia對月基SAR的可行性進行了分析,計算了系統(tǒng)的總體設(shè)計要求和成像性能,給出了分辨率和帶寬的理論表達式[2]。Fornaro對月基SAR的潛力和性能做了詳盡地分析和闡述,并提出了干涉式月基SAR的概念[3]。郭華東院士基于月基SAR的成像潛能,提出了面向全球變化探測的研究需求[4],并給出了GCOLB-SAR(GlobalChangeObservationLunarbasedSAR)的設(shè)計概念,詳盡地分析了其時間、空間覆蓋性[5],并在后續(xù)的研究中對其多普勒特性和干涉性一一做出了解釋[6]。
月基SAR作為一種未來技術(shù),雖然目前已經(jīng)有較多的可行性及應(yīng)用領(lǐng)域方面的研究和預(yù)測,但計算機回波仿真成像研究仍然缺乏成果。本文結(jié)合已有研究及真實的月球運動模型,給出了完整的月基SAR回波仿真及成像結(jié)果展示,驗證了月基SAR的可行性,并對月基SAR的系統(tǒng)設(shè)計,調(diào)整調(diào)試提供了可靠的支持。
月球是地球的一顆天然衛(wèi)星,與人造衛(wèi)星相同,其所有的運動都可以用開普勒三定律來描述,而潮汐鎖定現(xiàn)象的存在,使月基SAR的實現(xiàn)成為可能。但月球遠超過其他人造衛(wèi)星的超大斜距為系統(tǒng)設(shè)計和回波仿真帶來了由量變到質(zhì)變的設(shè)計難度。
Seasat是一顆典型的低軌SAR衛(wèi)星,其軌道高度約為800km,離地心距離約為7 171km[7]。而月心到地心的距離約為380 000km,約是地球半徑的60倍,同樣是其他低軌衛(wèi)星的數(shù)十倍[8]。這意味著月基雷達任何微小的抖動和誤差都極有可能導(dǎo)致波束中心偏離地球,或者引入極強的星下點回波。
另一方面,月球半徑有1 737km,這便不能將月球簡單地看作質(zhì)點,其自轉(zhuǎn)速度必須在仿真過程加以考慮[9]。同時月球的自轉(zhuǎn)軸與公轉(zhuǎn)軸不平行,相當(dāng)于一個天然滾轉(zhuǎn)角。最后,月基SAR實現(xiàn)的是從一顆星體表面到另一顆星體表面的照射,星體自身半徑和二者之間的距離都對照射軌跡有著較大的影響,所以往往被忽略的天體章動和平動現(xiàn)象,也必須加入到仿真模擬中[10]。
月基SAR系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計,主要面臨以下2個難點:
① 地球的自轉(zhuǎn)角速度約是月球公轉(zhuǎn)角速度的27.3倍,這意味著系統(tǒng)的方位向多普勒帶寬主要來源于地球自轉(zhuǎn)。而由于地球曲率的影響,地表不同位置的點速度矢量有著很大的差別,所以雖然月基SAR的研究是為了獲取更大的觀測帶,但系統(tǒng)的波束寬度設(shè)計需要特別謹(jǐn)慎,以避免頻域模糊問題[11]。
② 月基SAR是一個大斜視系統(tǒng),所有的頻率參數(shù)都隨時間變化,所以觀測時間不宜設(shè)置過長,以免為成像帶來難度[12]。
基于以上考慮,仿真系統(tǒng)所采用的部分主要參數(shù)以及方位向頻率參數(shù)計算結(jié)果如表1所示。設(shè)計條件為月球位于地球北半球時,布設(shè)在月球赤道的雷達以正側(cè)視的姿態(tài)照射南半球,距離向場景中心為南緯15°。
表1Lunar-SAR仿真關(guān)鍵參數(shù)
參數(shù)及符號數(shù)值載波頻率f0/Hz5×109距離向調(diào)頻率Kr/(Hz/s)-1×1012脈沖持續(xù)時間Tr/s3×10-5仿真時間Ta/s70方位向采樣率PRF/Hz500距離向天線尺寸Lr/m12.2方位向天線尺寸La/m400場景中心緯度latitudesc南緯15°多普勒中心頻率fd/Hz530.038多普勒調(diào)頻率fr/(Hz/s)0.978
單一點目標(biāo)回波及脈沖壓縮結(jié)果如圖1和圖2所示,因為全場景數(shù)據(jù)量過于龐大,只給出場景中心2 000m×2 000m結(jié)果。圖中可以看到明顯的距離徙動現(xiàn)象。
圖1 單點目標(biāo)回波實部
圖2 回波脈沖壓縮
目前的絕大多數(shù)SAR成像算法如RD(RangeDopplerAlgorithm)、CS(ChirpScalingAlgorithm)等都是基于線性孔徑假設(shè)的,即假設(shè)SAR的成像帶展開是一個平行四邊形[13]。在實際應(yīng)用中,雖然無法嚴(yán)格滿足這一假設(shè),但常見的機載SAR、星載SAR飛行高度較低,在一定的誤差范圍內(nèi)可以進行近似處理[14]。但是月基SAR由于斜距過大,單一時刻的波束范圍即可包括半個地球,其相對運動更多依賴地球的自轉(zhuǎn)效應(yīng),是一種burst模式[15],無法滿足線性孔徑假設(shè),所以只能采取BP(Back-ProjectionAlgorithm)算法進行成像[16]。
單點目標(biāo)和9點目標(biāo)的成像結(jié)果如圖3和圖4所示,單點目標(biāo)距離向和方位向一維強度曲線如圖5和圖6所示。
圖3 單點目標(biāo)
圖4 9點目標(biāo)
圖5 距離向一維強度
圖6 方位向一維強度
根據(jù)成像及一維切片結(jié)果,可以看到方位向和距離向都得到了較好的壓縮,峰值旁瓣比也與-13dB的理論值較為吻合[17]。因為月球公轉(zhuǎn)軌道是橢圓的,除了近地點和遠地點,雷達都不是垂直照射,所以點目標(biāo)所表現(xiàn)出的大斜視特性也與理論模型相符[18]。
在雷達總體設(shè)計領(lǐng)域,計算機仿真是重要且必要的準(zhǔn)備工作之一,而有效成像更是其他后處理應(yīng)用的基礎(chǔ)。月基SAR的大斜距導(dǎo)致其在仿真模型上與傳統(tǒng)星載SAR有很大的差別,并表現(xiàn)出了不同的性質(zhì)。本文結(jié)合現(xiàn)有的研究成果,加以考慮幾乎所有的地月幾何關(guān)系,構(gòu)建了一整套Lunar-SAR仿真成像系統(tǒng)。在月球赤道布設(shè)合成孔徑雷達以burst模式對約1/6的地球表面積進行成像,并可通過調(diào)整天線尺寸、波束指向來調(diào)整雷達的覆蓋性;調(diào)整距離向信號帶寬、一次照射時間等來調(diào)整成像分辨率[19]。
另一方面,極大的數(shù)據(jù)量、雷達與場景間特殊的相對運動規(guī)律導(dǎo)致目前只能用BP算法進行成像,效率較低[20]。而成像結(jié)果表現(xiàn)出的分辨率和積分旁瓣比等也較理論值有所衰減。所以更快捷的成像算法,更深入的月基SAR特性分析等都是未來研究中十分重要的方向。
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