洪 文 王彥平 林 赟 譚維賢 吳一戎

(微波成像技術(shù)國家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100190)

(空間信息處理與應(yīng)用系統(tǒng)技術(shù)中國科學(xué)院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100190)

(中國科學(xué)院電子學(xué)研究所 北京 100190)

1 引言

合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar，SAR)采用微波波段，具有全天時(shí)全天候高分辨成像能力。SAR通常發(fā)射大時(shí)間帶寬積信號(hào)，如線性調(diào)頻信號(hào)，通過脈沖壓縮，獲得距離向高分辨率。其平臺(tái)通常沿直線飛行，天線側(cè)視照射觀測(cè)場(chǎng)景，以均勻的時(shí)間間隔發(fā)射信號(hào)，利用平臺(tái)與目標(biāo)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，形成多普勒帶寬，實(shí)現(xiàn)方位向的高分辨率。近20年來，機(jī)載、星載SAR的系統(tǒng)技術(shù)和成像處理技術(shù)發(fā)展飛速，SAR已成為對(duì)地觀測(cè)的最重要手段之一。

距離-多普勒成像是SAR的基本成像原理，目標(biāo)聚焦于零多普勒-最近斜距處，這使得常規(guī)的直線飛行SAR僅具備2維成像能力，獲取的是3維場(chǎng)景在方位-斜距平面的2維投影圖像。SAR 2維圖像僅反映方位和斜距信息，無法獲得3維位置信息，也無法對(duì)同一距離和方位、但不同高度的目標(biāo)進(jìn)行分離。SAR 2維圖像存在幾何形變和疊掩問題，尤其在地形起伏區(qū)域，如山區(qū)，或具有垂直結(jié)構(gòu)的區(qū)域，如森林區(qū)、城市區(qū)等，圖像的頂?shù)椎怪?、透視縮短、疊掩等問題尤為嚴(yán)重，屬于SAR的困難測(cè)繪區(qū)，難以準(zhǔn)確反映目標(biāo)的幾何和散射信息，給SAR圖像判讀解譯帶來極大困難。

SAR 3維成像突破了常規(guī)SAR斜距-方位2維頻率信息獲取局限，通過孔徑設(shè)計(jì)，將場(chǎng)景的頻率信息獲取拓展到3維，能夠?qū)崿F(xiàn)3維分辨，獲取觀測(cè)場(chǎng)景散射中心在3維空間中的分布，從根本上解決疊掩問題和透視縮短、頂?shù)椎怪玫葞缀涡巫儐栴}，更直觀、準(zhǔn)確地描述3維觀測(cè)場(chǎng)景的幾何和散射信息，為SAR成像技術(shù)帶來了更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。

SAR 3維成像研究開始于20世紀(jì)90年代初，最初在地面可控實(shí)驗(yàn)環(huán)境下開展機(jī)理、算法與實(shí)驗(yàn)研究，最具代表性的包括：美國海上作戰(zhàn)中心(Naval Surface Warfare Center， NSWC)的Knaell[1]對(duì)曲線SAR 3維成像機(jī)理和算法進(jìn)行了研究；美國紐約州立大學(xué)(State University of New York， SUNY)的Soumekh等人[2，3]對(duì)圓跡SAR和多基線圓跡SAR 3維成像開展了暗室實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲?。粴W洲執(zhí)行委員會(huì)聯(lián)合研究中心(Joint Research Centre of The European Commission， JRC)的Fortuny等人[4，5]研究了柱面孔徑、球面孔徑等多種SAR 3維成像模式。上述學(xué)者都通過可控實(shí)驗(yàn)獲得了典型目標(biāo)的3維圖像，驗(yàn)證了SAR 3維成像的可行性，奠定了SAR 3維成像的理論基礎(chǔ)。20世紀(jì)90年代末，德國宇航中心(German Aerospace Center， DLR)開展了世界首次機(jī)載多基線SAR層析成像試驗(yàn)[6]，采用L波段E-SAR系統(tǒng)在不同高度多次飛行，在方位合成孔徑的基礎(chǔ)上，形成了俯仰方向的合成孔徑，實(shí)現(xiàn)了自然場(chǎng)景散射中心在高度維的分辨，是自然場(chǎng)景3維成像效果的首次展示，為SAR對(duì)地觀測(cè)打開了新的視野，是SAR成像技術(shù)發(fā)展的重要里程碑。

SAR 3維成像有多種實(shí)現(xiàn)方式，可以是曲線孔徑、平面孔徑、曲面孔徑等，這些孔徑以不同的形式將傳統(tǒng)直線孔徑寬帶SAR的距離-方位2維頻率信息獲取拓展到3維，實(shí)現(xiàn)對(duì)觀測(cè)場(chǎng)景的3維分辨。面向?qū)嶋H應(yīng)用需求和當(dāng)下數(shù)據(jù)獲取的可實(shí)現(xiàn)性，在對(duì)地觀測(cè)領(lǐng)域發(fā)展出了一系列典型的SAR 3維成像工作模式，如圖1所示，包括：(1)適用于飛機(jī)、衛(wèi)星平臺(tái)的多基線層析SAR(Multi-Baseline SAR， MBSAR)，主要應(yīng)用方向?yàn)橹脖粎^(qū)的垂直結(jié)構(gòu)獲取、城市建筑3維信息提??；(2)適用于飛機(jī)平臺(tái)的陣列下視SAR(Downward-Looking SAR， DLSAR)，利用陣列在垂直于飛行航跡的方向形成實(shí)孔徑，實(shí)現(xiàn)跨航向的分辨，獲取平臺(tái)正下方觀測(cè)區(qū)域的3維圖像，主要應(yīng)用方向?yàn)轱w機(jī)輔助起飛著陸、城市3維測(cè)繪等；(3)適用于飛機(jī)平臺(tái)和地球同步軌道衛(wèi)星平臺(tái)的圓跡SAR(Circular SAR， CSAR)和多基線圓跡SAR(Multi-Baseline CSAR， MBCSAR)，通過平臺(tái)圍繞觀測(cè)區(qū)域作圓周飛行，獲取觀測(cè)區(qū)域360°全方位3維散射信息，主要應(yīng)用方向?yàn)橹攸c(diǎn)目標(biāo)的精細(xì)3維成像。上述新體制SAR 3維成像模式的獨(dú)特應(yīng)用潛力已在國內(nèi)外多次機(jī)載、星載實(shí)驗(yàn)中得到初步展示。隨著數(shù)據(jù)獲取和數(shù)據(jù)處理技術(shù)的不斷進(jìn)步，SAR 3維成像技術(shù)將得到快速發(fā)展，并逐步邁向應(yīng)用，同時(shí)，更多新體制SAR 3維成像模式也將不斷涌現(xiàn)，未來在森林遙感、城市遙感、偵察監(jiān)視等民用和軍事應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

圖1 典型SAR 3維成像模式Fig. 1 Typical 3-D SAR imaging mode

本文對(duì)國內(nèi)外SAR 3維成像技術(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)行概述，首先介紹了SAR 3維成像的基本概念和典型SAR 3維成像模式，然后分析了國內(nèi)外研究進(jìn)展，重點(diǎn)對(duì)作者所在研究團(tuán)隊(duì)的研究成果進(jìn)行了闡述，最后對(duì)SAR 3維成像技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)和展望。

2 3維SAR的概念

SAR 3維成像是指通過發(fā)射寬帶信號(hào)、形成合成孔徑或?qū)嵖讖降确绞将@取被觀測(cè)對(duì)象在3維波數(shù)空間中的3維頻率信息，且在3個(gè)正交方向都具有一定帶寬，通過成像處理能夠獲得3維分辨圖像的成像模式。

SAR成像觀測(cè)可由下圖的信息球來統(tǒng)一表達(dá)[7]，如圖2所示。該信息球?qū)?維波數(shù)域角度SAR信息獲取進(jìn)行了表達(dá)，圖中，半徑為發(fā)射信號(hào)頻率，方位角和俯仰角為雷達(dá)相對(duì)于觀測(cè)目標(biāo)的觀測(cè)視角，分別代表了SAR的觀測(cè)頻率和觀測(cè)角度。觀測(cè)頻率由SAR的發(fā)射信號(hào)決定，僅能獲取有限的頻率帶寬內(nèi)的目標(biāo)信息，而觀測(cè)角度分布的差異則體現(xiàn)了各種SAR成像模式的不同之處。下面將在信息球中介紹典型SAR 3維成像模式。

A對(duì)應(yīng)于多基線SAR 3維成像，在一定高度對(duì)觀測(cè)對(duì)象進(jìn)行多次飛行觀測(cè)，在形成航跡向合成孔徑的基礎(chǔ)上，又形成了高度向合成孔徑，從而構(gòu)成一個(gè)平面矩形孔徑，實(shí)現(xiàn)對(duì)觀測(cè)對(duì)象的3維分辨，多應(yīng)用于對(duì)地觀測(cè)。

圖2 信息球Fig. 2 Information sphere

B對(duì)應(yīng)于平視條件下的多基線SAR 3維成像，即觀測(cè)位于平臺(tái)正前方，是A的一種特例，主要在微波暗室可控環(huán)境中進(jìn)行，在目標(biāo)高精度診斷、人體表面微波成像等方面具有廣泛應(yīng)用。

C對(duì)應(yīng)于陣列下視SAR 3維成像，跨航向陣列實(shí)孔徑與航跡向合成孔徑結(jié)合，形成了水平的矩形合成孔徑。其平臺(tái)主要為飛機(jī)，在城市測(cè)繪、軍事偵查中具有重要的應(yīng)用潛力。

D對(duì)應(yīng)于圓跡SAR 3維成像，通過平臺(tái)的圓周運(yùn)動(dòng)獲取同一入射角，不同方位角的目標(biāo)信息，合成孔徑為圓形。在不同高度進(jìn)行相同半徑的圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，則形成圓柱曲面形合成孔徑。主要平臺(tái)為飛機(jī)、地基、地球同步軌道平臺(tái)等，在高分辨率軍事偵查、近景人體表面微波成像方面具有廣泛應(yīng)用潛力。

E對(duì)應(yīng)于曲線SAR 3維成像，通過平臺(tái)非規(guī)則曲線運(yùn)動(dòng)，形成曲線合成孔徑，圓跡SAR是曲線SAR中的特例。

F對(duì)應(yīng)于前視觀測(cè)模式，將陣列天線實(shí)孔徑與合成孔徑相結(jié)合，對(duì)前下方區(qū)域進(jìn)行觀測(cè)，形成了與水平面有一定夾角的矩形合成孔徑。主要平臺(tái)為飛機(jī)或?qū)椀龋趹?yīng)急救援、輔助導(dǎo)航等方面具有重要應(yīng)用潛力。

G是一種對(duì)空觀測(cè)天線陣列，將合成孔徑和實(shí)孔徑相結(jié)合，對(duì)空中目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在預(yù)警和目標(biāo)跟蹤等方面具有重要應(yīng)用潛力。

本文對(duì)目前最具代表性的3維成像模式：多基線SAR，陣列下視SAR，圓跡SAR和多基線圓跡SAR開展了3維分辨理論研究，下面分別給出以上3維成像模式的頻譜支撐集和點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)[8]。

(1) 多基線SAR數(shù)據(jù)采集位置構(gòu)成的平面合成孔徑位于目標(biāo)的側(cè)上方，如圖3所示，在3維波數(shù)域中的頻譜支撐集近似為矩形體，且呈一定傾角。對(duì)應(yīng)的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)為有一定傾角的3維sinc函數(shù)，3維分辨率分別由斜距、方位、垂直于斜距方向，這3個(gè)正交方向的信號(hào)帶寬決定。

(2) 陣列下視SAR數(shù)據(jù)采集位置構(gòu)成的平面合成孔徑位于目標(biāo)的正上方，頻譜支撐集近似為矩形體，如圖4所示，對(duì)應(yīng)的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)為3維sinc函數(shù)。3維分辨率由斜距、陣列向、航跡向3個(gè)正交方向的信號(hào)帶寬決定。

(3) 圓跡SAR數(shù)據(jù)采集位置構(gòu)成的圓周形合成孔徑位于目標(biāo)的正上方，頻譜支撐為圓臺(tái)曲面，如圖5所示。其點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)在水平面上為貝塞爾函數(shù)，在高度向上近似為sinc函數(shù)。平面分辨率由圓臺(tái)曲面在水平面的圓環(huán)形投影的直徑?jīng)Q定，理論值可達(dá)亞波長(zhǎng)量級(jí)，高程分辨率由圓臺(tái)曲面在垂直向的投影帶寬決定。由于其頻譜支撐集為曲面，具有稀疏性，點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)的旁瓣水平較高。多基線圓周SAR的頻譜支撐集為扇環(huán)繞kz軸旋轉(zhuǎn)而成的體，如圖6所示，可有效改善頻譜稀疏性，降低旁瓣水平。

圖3 多基線SAR的數(shù)據(jù)采集天線相位中心分布、頻譜支撐集和點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)Fig. 3 The antenna phase center distribution， spectrum support and point spread function of multi-baseline SAR

圖4 陣列下視SAR的數(shù)據(jù)采集天線相位中心分布、頻譜支撐集和點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)Fig. 4 The antenna phase center distribution， spectrum support and point spread function of downward-looking array SAR

圖5 圓跡SAR的數(shù)據(jù)采集天線相位中心分布、頻譜支撐集和點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)Fig. 5 The antenna phase center distribution， spectrum support and point spread function of circular SAR

圖6 多基線圓跡SAR的數(shù)據(jù)采集天線相位中心分布、頻譜支撐集和點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)Fig. 6 The antenna phase center distribution， spectrum support and point spread function of multi-baseline circular SAR

SAR 3維成像的本質(zhì)是對(duì)目標(biāo)的觀測(cè)在3個(gè)正交方向都具有頻率帶寬，3維分辨率由這3個(gè)正交方向的帶寬決定。上述典型3維成像模式在發(fā)射寬帶信號(hào)的基礎(chǔ)上，通過數(shù)據(jù)采集天線相位中心的曲線分布、曲面分布、平面分布，實(shí)現(xiàn)頻譜支撐集的3維分布。SAR 3維成像還有其他多種方式，例如，僅發(fā)射單頻信號(hào)，通過俯仰和方位的多角度觀測(cè)，在3維波數(shù)域中以發(fā)射信號(hào)為半徑的球面上，形成曲面支撐集，理論上也能實(shí)現(xiàn)3維分辨。

3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

SAR 3維成像的研究始于20世紀(jì)90年代初，美國和歐洲的專家學(xué)者，包括Knaell， Soumekhm，Chan T K， Fortuny等人[1-5，9]對(duì)圓形孔徑、曲線孔徑、曲面孔徑等多種形式的SAR 3維成像模式開展了成像機(jī)理、3維分辨率理論和成像算法的研究，通過暗室實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，獲得了簡(jiǎn)單目標(biāo)的3維分辨圖像，驗(yàn)證了SAR 3維成像的可行性，奠定了SAR 3維成像的理論基礎(chǔ)。隨著機(jī)載SAR平臺(tái)的發(fā)展，2000年左右，德宇航利用機(jī)載實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)E-SAR開展了多基線3維成像實(shí)驗(yàn)[6]，獲取了自然場(chǎng)景的3維分辨圖像，驗(yàn)證了SAR 3維成像在對(duì)地觀測(cè)中的可行性和應(yīng)用潛力。此后，在對(duì)地觀測(cè)領(lǐng)域，面向?qū)嶋H應(yīng)用需求和數(shù)據(jù)獲取的可實(shí)現(xiàn)性，發(fā)展出了一些列SAR 3維成像模式，主要包括：多基線SAR、陣列下視SAR、圓跡SAR和多基線圓跡SAR。本文后續(xù)將重點(diǎn)對(duì)上述典型3維成像模式的研究進(jìn)展進(jìn)行介紹。

經(jīng)過20多年的快速發(fā)展，SAR 3維成像技術(shù)日趨成熟，并逐步邁向應(yīng)用，且隨著SAR技術(shù)領(lǐng)域的不斷進(jìn)步，新的SAR 3維成像模式不斷涌現(xiàn)，一直以來，SAR 3維成像技術(shù)是國際研究熱點(diǎn)，國外的歐空局(European Space Agency， ESA)、德宇航、德國弗勞恩霍夫高頻物理與雷達(dá)技術(shù)研究所(Fraunhofer Institute for High Frequency Physics and Radar Techniques， FHR)、法國宇航局(The French Aerospace Lab， ONERA)、瑞典國防研究院(Swedish Defense Research Agency， FOI)、意大利米蘭理工大學(xué)(Polytechnic University of Milan)、意大利那不勒斯大學(xué)(University of Naples Parthenope)等高校和機(jī)構(gòu)引領(lǐng)了SAR 3維成像技術(shù)的發(fā)展。我國在新體制SAR 3維成像技術(shù)的理論和成像處理技術(shù)方面處于國際領(lǐng)先地位，中國科學(xué)院電子學(xué)研究所、清華大學(xué)、中國民航大學(xué)、中科院空間中心、電子科技大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、空軍工程學(xué)院、國防科技大學(xué)、上海交通大學(xué)、香港中文大學(xué)、中科院對(duì)地觀測(cè)與數(shù)字地球科學(xué)中心、武漢大學(xué)、西安電子科技大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、中國航天科工二十三所等多家高校和研究機(jī)構(gòu)都在持續(xù)開展新體制SAR 3維成像技術(shù)研究。

多基線SAR方面，國際先進(jìn)技術(shù)已具備滿足3維成像要求的機(jī)、星載多基線數(shù)據(jù)獲取能力，成功實(shí)現(xiàn)了城市的3維重建和植被區(qū)的垂直結(jié)構(gòu)獲取。我國也已具備機(jī)、星載多基線SAR的3維成像處理能力，已利用國外機(jī)、星載數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了城市的3維重建和植被區(qū)的垂直結(jié)構(gòu)獲取。在數(shù)據(jù)獲取方面，我國自主研發(fā)的航空遙感機(jī)載平臺(tái)，具備多航過數(shù)據(jù)采集能力，目前處于測(cè)試和科學(xué)實(shí)驗(yàn)階段；2016年發(fā)射的高分三號(hào)星載SAR的重軌數(shù)據(jù)的相干性已得到初步驗(yàn)證，上述平臺(tái)都將為多基線SAR研究提供數(shù)據(jù)。

陣列下視SAR方面，國際上頂尖機(jī)構(gòu)已成功研制了線陣系統(tǒng)，并安裝于小型無人機(jī)平臺(tái)，開展了飛行實(shí)驗(yàn)，但3維成像結(jié)果未見公布。我國多家高校和研究機(jī)構(gòu)成功研制了陣列天線，開展了地面實(shí)驗(yàn)，獲取了下視3維圖像，然而，將陣列搭載于飛機(jī)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)下視3維成像，還面臨受限于陣列尺寸跨航向分辨率低、下視陣列多通道3維運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償困難等技術(shù)難題，目前還未見實(shí)際機(jī)載陣列下視SAR的3維成像結(jié)果。

圓跡SAR和多基線圓跡SAR方面，國外于2004年左右已有機(jī)載圓跡SAR實(shí)驗(yàn)報(bào)道，但未見360°圖像公布，2011年，中科院電子所與德宇航同期獲得機(jī)載圓跡SAR全方位圖像，國內(nèi)外多家機(jī)構(gòu)已具備圓跡SAR數(shù)據(jù)獲取和成像處理能力，然而，隨著頻段增高，其運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償難度大大增加，且成像對(duì)地形更為敏感，高波段圓跡SAR成像技術(shù)仍在發(fā)展中。國外已公布了機(jī)載多基線圓跡SAR 3維成像結(jié)果，國內(nèi)雖已開展了多基線圓跡SAR數(shù)據(jù)獲取實(shí)驗(yàn)，但還未見公開成像結(jié)果。

下面，具體對(duì)上述典型SAR 3維成像模式的主要研究進(jìn)展進(jìn)行介紹。

3.1 多基線SAR

20世紀(jì)90年代末，德國宇航局Reigber等人提出了多基線SAR 3維成像的概念，并利用機(jī)載SAR實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)E-SAR開展了世界首次機(jī)載3維成像實(shí)驗(yàn)，給出了多基線數(shù)據(jù)的相位校正預(yù)處理方法，并利用譜估計(jì)的方法解決了基線非規(guī)則、欠采樣帶來的柵瓣問題，獲得了距離向2.3 m、方位向1 m和高程向3 m分辨率的L波段3維微波圖像。他們公開了高程-地距2維剖面圖，圖中散射中心在高度向可分辨，可以準(zhǔn)確地獲得角反射器、汽車、建筑等目標(biāo)的高度信息[6]。而在植被區(qū)，由于L波段的穿透性，樹冠、樹干和地面各分層結(jié)構(gòu)均有散射回波，3維成像能夠獲得植被的垂直結(jié)構(gòu)信息。首次的機(jī)載SAR 3維成像實(shí)驗(yàn)展示了SAR 3維成像在對(duì)地觀測(cè)中的重要應(yīng)用潛力。

此后，陸續(xù)有星載多基線SAR實(shí)驗(yàn)報(bào)道，澳大利亞阿德雷德大學(xué)的She等人[10]利用ERS-1(European Remote sensing Satellite)星載SAR對(duì)德國波恩地區(qū)的9景重航過復(fù)圖像進(jìn)行3維成像。2005年，F(xiàn)ornaro等人[11]采用ERS-1/2 30條重航過數(shù)據(jù)，對(duì)San Paolo露天運(yùn)動(dòng)場(chǎng)進(jìn)行3維成像，后又利用63條重航過數(shù)據(jù)獲得了該地區(qū)效果更好的3維成像結(jié)果[12]。這些實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了星載SAR重航過的3維成像能力，但是受基線跨度和航跡數(shù)目的限制，經(jīng)典譜估計(jì)方法的高程向重建結(jié)果存在分辨率較低、旁瓣較高和模糊較嚴(yán)重等問題。

在城市測(cè)繪應(yīng)用方面，Zhu等人[13]于2010年提出了基于L1 范數(shù)正則化的星載多基線SAR成像方法，利用25 景TerraSAR-X 1 m分辨率聚束數(shù)據(jù)，對(duì)柏林城區(qū)進(jìn)行3維重建?；贚1 范數(shù)正則化的稀疏重建方法利用了城市中建筑散射中心分布在垂直斜距面方向的稀疏性，相比于譜估計(jì)方法具有更強(qiáng)的解疊掩能力，即高程向的超分辨能力。通過稀疏重建處理。意大利那不勒斯大學(xué)的Budillo等人[14]也在同期開展了同一研究，先后利用15 景的ERS1-2數(shù)據(jù)與13 景的COSMO-SKYMED數(shù)據(jù)，分別對(duì)城市體育場(chǎng)及城市建筑群進(jìn)行了基于L1 范數(shù)正則化的稀疏3維成像。

在森林監(jiān)測(cè)應(yīng)用方面，歐空局預(yù)計(jì)于2021年發(fā)射世界首顆P波段星載SAR-BIOMASS，多基線SAR是其主要工作模式。任務(wù)是利用P波段的穿透性及衛(wèi)星重航過的3維成像能力，獲取植被區(qū)的垂直結(jié)構(gòu)，估計(jì)生物量，為氣候等環(huán)境變化提供與碳排放相關(guān)的數(shù)據(jù)。針對(duì)這一衛(wèi)星任務(wù)，歐空局從2008年開始，開展了一系列機(jī)載BIOMASS實(shí)驗(yàn)。在植被區(qū)多基線3維成像方面，針對(duì)森林區(qū)域散射中心在垂直視線方向分布不稀疏的情況，德國宇航局Aguilera等人[15]首先利用小波基對(duì)高程向進(jìn)行稀疏表征，然后通過基于L1正則化的稀疏重建技術(shù)實(shí)現(xiàn)了森林區(qū)域的稀疏3維重建，有效降低了高程向模糊，提升了3維成像質(zhì)量。隨后，Aguilera等人[16]還將稀疏重建技術(shù)應(yīng)用于極化多基線SAR 3維成像中，通過解決混合范數(shù)最優(yōu)化問題，實(shí)現(xiàn)了同時(shí)對(duì)不同極化通道的高分辨率3維重建。

3.2 陣列下視SAR

1999年，德國宇航局的Gierull[17]提出了機(jī)載下視成像雷達(dá)的概念，利用跨航向的陣列實(shí)孔徑和航跡向合成孔徑，形成2維孔徑，僅需發(fā)射單頻信號(hào)即可實(shí)現(xiàn)正下方觀測(cè)場(chǎng)景的2維成像，避免了常規(guī)SAR存在的左右模糊和陰影等問題。

2004年，法國宇航局的Giret等人[18]以寬帶發(fā)射信號(hào)代替單頻信號(hào)，通過增加距離向分辨，將機(jī)載下視成像雷達(dá)的概念從2維拓展到3維。2006年，該研究機(jī)構(gòu)Nouvel等人[19]開始研制Ka波段陣列下視DRIVE實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有側(cè)視2維觀測(cè)和下視3維觀測(cè)2種工作模式。2006年至2010年，該機(jī)構(gòu)利用DRIVE系統(tǒng)開展了下視機(jī)載飛行試驗(yàn)，并公開了1 km高度平面上的航跡-跨航2維成像結(jié)果，但相關(guān)3維成像結(jié)果未曾公開。

2006年，德國FHR開始研制機(jī)載陣列雷達(dá)系統(tǒng)ARTINO[20]。該系統(tǒng)采用Ka波段FMCW工作體制以降低系統(tǒng)對(duì)功率和體積的要求，并采用兩端密集發(fā)射-中間稀疏接收的稀疏線陣構(gòu)型，安裝于小型無人機(jī)平臺(tái)。他們于2010年開展了首次數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)，但相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果并未公布。

2013年，中科院電子所研制了Ku波段全極化塔吊下視陣列實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，開展了首次塔吊陣列下視實(shí)驗(yàn)，獲取了地面目標(biāo)3維圖像。詳見本文的第4節(jié)。

3.3 圓跡SAR &多基線圓跡SAR

2004年開始，法國宇航局(ONERA)、德國宇航局(DLR)、瑞典國防研究院(FOI)以及中科院電子所等研究機(jī)構(gòu)相繼開展了圓跡SAR機(jī)載飛行試驗(yàn)，挖掘圓跡SAR全方位觀測(cè)在對(duì)地觀測(cè)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

2007年，法國宇航局利用圓跡SAR的多角度觀測(cè)幾何獲取了N?mes城區(qū)斗獸場(chǎng)附近區(qū)域的數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model， DEM)[21]，精度達(dá)2 m。

2009年，德國宇航局利用E-SAR系統(tǒng)，開展了L波段全極化機(jī)載圓跡SAR飛行實(shí)驗(yàn)，并于2011年IGARSS會(huì)議上公開了全極化360°圓跡SAR圖像，這也是圓跡SAR對(duì)地觀測(cè)全方位高分辨成像效果的首次展示[22]。2011年，中科院電子所開展了國內(nèi)首次機(jī)載圓跡SAR實(shí)驗(yàn)，與德宇航同期獲取了P波段全極化360°圓跡SAR圖像。相比于常規(guī)SAR單一角度觀測(cè)圖像，圓跡SAR圖像在分辨率、相干斑抑制、目標(biāo)幾何特征完整性等方面的質(zhì)量大大提升，顯示了更為精細(xì)和豐富的地物信息。

在對(duì)地觀測(cè)中，由于目標(biāo)的各向異性散射特性，單軌跡圓跡SAR的3維分辨成像能力較弱。早在90年代，美國紐約州立大學(xué)的M. Soumekh[3]就提出了ECSAR(Elevation CSAR)模式，即多基線圓跡SAR模式，在全方位觀測(cè)的同時(shí)，解決各向異性目標(biāo)的疊掩問題。2013年，德宇航提出了全息SAR(holographic SAR)的概念[23]，也是通過多基線圓跡SAR實(shí)現(xiàn)的，并在林區(qū)開展了L波段全極化多基線圓跡SAR實(shí)驗(yàn)，利用19條軌跡數(shù)據(jù)處理獲得了林區(qū)的3維圖像。

4 研究團(tuán)隊(duì)3維成像技術(shù)研究

在國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、國家預(yù)研項(xiàng)目的支持下，中科院電子所微波成像新概念新體制新技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)持續(xù)開展新體制SAR 3維成像技術(shù)研究，是國內(nèi)最早開展相關(guān)研究的團(tuán)隊(duì)。相關(guān)項(xiàng)目支持主要有：國家自然科學(xué)基金(以下簡(jiǎn)稱NSFC)青年基金項(xiàng)目“多基線SAR層析的解析建模與數(shù)據(jù)處理技術(shù)”[2007-2009]，國家863計(jì)劃項(xiàng)目“下視陣列天線3維成像合成孔徑雷達(dá)”[2007-2010]， NSFC杰青項(xiàng)目“合成孔徑雷達(dá)3維成像”[2008-2011]， NSFC重大項(xiàng)目“多維度微波成像基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)”[2009-2012]，總裝重點(diǎn)探索項(xiàng)目“地球同步軌道圓跡SAR”[2010-2012]，高分專項(xiàng)“分布式陣列SAR”[2011-2017]， NSFC青年基金“人體表面微波極化全息成像方法與實(shí)驗(yàn)”[2011-2013]，中科院重點(diǎn)部署項(xiàng)目創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)國際合作伙伴計(jì)劃“陣列天線3維稀疏微波成像方法與實(shí)驗(yàn)研究”[2013-2016]，NSFC青年基金“基于回波數(shù)據(jù)的圓跡SAR高精度3維成像處理方法研究”[2013-2015]， NSFC面上項(xiàng)目“機(jī)載陣列下視SAR高分辨率成像模型與處理方法研究”[2014-2017]， NSFC重點(diǎn)項(xiàng)目“多角度SAR成像理論與方法”[2015-2019]， NSFC青年基金“直升機(jī)載陣列快拍成像雷達(dá)模型與方法研究”[2015-2017]， NSFC面上項(xiàng)目“圓跡SAR目標(biāo)方位散射特征提取方法研究”[2016-2019]， NSFC青年基金項(xiàng)目“多基線圓跡SAR成像處理方法研究”[2016-2018]， NSFC重點(diǎn)國際合作研究項(xiàng)目城市基礎(chǔ)設(shè)施3維形變監(jiān)測(cè)的雷達(dá)成像模型與方法研究[2019-2023]。

研究團(tuán)隊(duì)的主要研究成果包括：提出了信息球的概念，能夠?qū)AR 3維成像觀測(cè)模式進(jìn)行統(tǒng)一表達(dá)；提出了稀疏微波成像的概念，并將稀疏成像引入多基線SAR，獲取了林區(qū)和建筑的3維重建圖像；研制了多通道陣列SAR系統(tǒng)，開展了國內(nèi)首次下視SAR塔吊實(shí)驗(yàn)，獲取了地面目標(biāo)3維圖像；開展了國內(nèi)首次圓跡SAR機(jī)載實(shí)驗(yàn)，成功獲得首幅全方位高分辨圓跡SAR對(duì)地觀測(cè)圖像。

下面，將對(duì)研究團(tuán)隊(duì)的研究成果進(jìn)行具體介紹。

4.1 多基線SAR

研究團(tuán)隊(duì)將現(xiàn)代信號(hào)處理中的譜估計(jì)方法引入多基線SAR[24，25]，以實(shí)現(xiàn)垂直視線方向的高分辨率。在微波暗室條件下開展了多基線SAR 3維成像實(shí)驗(yàn)，通過天線在方位向和高度向上的運(yùn)動(dòng)形成對(duì)目標(biāo)觀測(cè)的方位向-高度向2維合成孔徑。高度方向上共進(jìn)行了12條軌跡的平行觀測(cè)，觀測(cè)對(duì)象為10個(gè)金屬球，分布于3個(gè)方位向位置上，如圖7所示，紅框內(nèi)的4個(gè)金屬球在斜距面處于等方位-等距離的疊掩位置。圖8為成像處理結(jié)果，其中，圖8(a)為常規(guī)2維成像圖，可以看到，紅圈內(nèi)的散射中心為4個(gè)金屬球疊掩在一起，無法區(qū)分；圖8(b)為基于FFT 3維成像的疊掩金屬球方位切片，可以看到，通過多基線處理實(shí)現(xiàn)了解疊掩；圖8(c)為基于譜估計(jì)方法Yule-Walker的方位切片，可看到疊掩方向的分辨率得到提升。

圖7 暗室多基線SAR觀測(cè)的目標(biāo)場(chǎng)景Fig. 7 The object of the multi-baseline SAR experiment in the chamber

圖8 暗室多基線3維SAR成像結(jié)果Fig. 8 3-D imaging results of the multi-baseline SAR experiment carried out in the chamber

圖9 利用TerraSAR數(shù)據(jù)的多基線SAR 3維重建結(jié)果Fig. 9 3-D reconstruction of the Pangu building using the TerraSAR-X multi-baseline data

針對(duì)多基線SAR軌跡非均勻、欠采樣等問題，研究團(tuán)隊(duì)引入了基于L1正則化的稀疏微波成像方法[26-29]，利用觀測(cè)場(chǎng)景在垂直視線方向的稀疏性，降低對(duì)基線數(shù)量、跨度和均勻性的要求。圖9為利用TerraSAR的14條重航過數(shù)據(jù)對(duì)盤古大樓進(jìn)行3維重建的結(jié)果，其中，圖9(a)為基線分布示意圖，可以看到，基線分布非均勻且稀疏，圖9(b)為盤古大樓光學(xué)圖片，圖9(c)為基于L1正則化的稀疏3維重建結(jié)果。圖10為使用BioSAR 2008機(jī)載多基線數(shù)據(jù)，分別采用譜估計(jì)和基于L1正則化稀疏重建方法的對(duì)比結(jié)果。該數(shù)據(jù)是由德國宇航局E-SAR傳感器于2008年在瑞典北部森林區(qū)域獲取，包含6條重航過數(shù)據(jù)。由于植被在垂直視線方向不具有稀疏性，我們使用了小波基使垂直視線方向的信號(hào)稀疏化。圖10(a)為譜估計(jì)Beamforming算法的高程向重構(gòu)結(jié)果，圖10(b)為基于小波變換的L1正則化稀疏重建結(jié)果，可以看到Beamforming仍存在著高旁瓣和高程向模糊問題，而基于小波變換的L1正則化方法可實(shí)現(xiàn)對(duì)高程向旁瓣和模糊的有效抑制，有效提升了高程向重構(gòu)質(zhì)量。

4.2 陣列下視SAR

研究團(tuán)隊(duì)對(duì)陣列下視SAR的信號(hào)模型、分辨率理論、成像算法、陣列稀疏布局、陣列多通道幅相校正等方面進(jìn)行了深入研究，開展了暗室和塔吊實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[7，30-45]。

在成像算法方面，提出了基于波數(shù)域積分的3維成像方法[7]，開展了模擬下視3-D SAR進(jìn)行城區(qū)測(cè)繪的暗室實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證其能夠?qū)Σ煌叨绕矫嬷饘舆M(jìn)行2維成像。觀測(cè)對(duì)象由建筑模型和金屬球構(gòu)成，如圖11所示，其中，建筑A高度最高，建筑B次之，建筑C擺放位置最低。圖12為不同高度剖面圖像，從高到低依次看到建筑A房頂、建筑B房頂和金屬球，驗(yàn)證了算法的正確性。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)該算法需在陣列向大量補(bǔ)零，數(shù)據(jù)量和運(yùn)算量大的問題，提出偽極坐標(biāo)陣列下視SAR 3維成像算法[34-36]，提高了運(yùn)算效率；針對(duì)陣列長(zhǎng)度有限，跨航向分辨率低的問題，提出了無網(wǎng)格L1正則化稀疏重建方法[38-41]，實(shí)現(xiàn)跨航向的超分辨，同時(shí)，相比于常規(guī)基于網(wǎng)格L1正則化稀疏重建方法，散射中心位置重建更準(zhǔn)確。

圖10 BioSAR森林地區(qū)多基線SAR 3維重構(gòu)結(jié)果Fig. 10 3-D reconstruction of a forest area using the BioSAR multi-baseline data

圖11 模擬下視3-D SAR的成像幾何及建筑物模型Fig. 11 Geometry of the downward-looking SAR experiment and the building model

圖12 3維成像結(jié)果(2維剖面顯示)Fig. 12 3-D imaging results (shown by height slices)

在陣列系統(tǒng)研制和通道一致性校正方面，研制了由96個(gè)收發(fā)單元構(gòu)成的Ka陣列SAR系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)開展了暗室實(shí)驗(yàn)[42，43]。陣列SAR系統(tǒng)如圖13所示，實(shí)驗(yàn)時(shí)，陣列SAR裝載于直線軌道上，陣列天線沿跨航向布置，發(fā)射信號(hào)為步進(jìn)頻信號(hào)。數(shù)據(jù)采集時(shí)，由微波開關(guān)控制依次導(dǎo)通相應(yīng)收發(fā)單元完成跨航向回波采集，同時(shí)，陣列天線沿軌道運(yùn)動(dòng)，完成航跡向回波采集。觀測(cè)目標(biāo)分別為1個(gè)三面角反射器和1個(gè)由平面鋁板組成的字母IE。采用特顯點(diǎn)外定標(biāo)的方式對(duì)陣列多通道幅相一致性進(jìn)行校正，圖14為通道一致性校正前后三面角反射器數(shù)據(jù)的距離壓縮信號(hào)和2維成像結(jié)果，可以看到，校正前，由于各通道信號(hào)相參性差，圖像散焦嚴(yán)重，方位向難以分辨；校正后，角反射器聚焦良好。圖15為通道一致性校正前后字母IE板的3維成像結(jié)果，可以看到，IE字樣清晰可見。

陣列稀疏布局方面[30]，依據(jù)陣列收發(fā)組合和陣列收發(fā)信道特性，研究了等效相位中心均勻的收發(fā)分置和收發(fā)共用稀疏陣列布局，在此基礎(chǔ)上，研究了受限于載機(jī)安裝條件等效相位中心近似均勻的收發(fā)分置稀疏陣列布局，并對(duì)不同稀疏陣列布局方法性能進(jìn)行了綜合比較。表1為不同陣列稀疏優(yōu)化布局方案對(duì)比，可以看出等效相位中心均勻的稀疏陣列陣元安裝位置要求都比較嚴(yán)格，相位中心與稀疏陣列長(zhǎng)度比最小的是兩側(cè)接收中間發(fā)射收發(fā)分置稀疏陣列，陣列稀疏率都比較大，實(shí)際載機(jī)平臺(tái)可能會(huì)由于陣元安裝位置受載機(jī)平臺(tái)制約而出現(xiàn)等效相位中心近似均勻的情況。

2013年，研究團(tuán)隊(duì)研制了Ku波段全極化塔吊下視陣列實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，開展了國內(nèi)首次塔吊陣列下視SAR 3維成像實(shí)驗(yàn)，獲得了地面目標(biāo)的3維圖像[30，34]。

圖13 陣列SAR系統(tǒng)與暗室實(shí)驗(yàn)觀測(cè)目標(biāo)Fig. 13 Array SAR system the objects used in the experiment

圖14 通道一致性校正前后角反射器數(shù)據(jù)處理結(jié)果對(duì)比Fig. 14 Imaging results of the corner reflector with and without the multi-channel calibration

該原理驗(yàn)證裝置主要由發(fā)射分系統(tǒng)、接收分系統(tǒng)、線陣天線與微波網(wǎng)絡(luò)分系統(tǒng)、頻率源與定時(shí)分系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與記錄器、計(jì)算機(jī)監(jiān)控單元、供電模塊，以及POS、支撐機(jī)構(gòu)等組成，系統(tǒng)組成框圖如圖16所示。陣列天線由4排256個(gè)喇叭天線均布組成了全極化收、發(fā)陣列，如圖17所示，發(fā)射信號(hào)為調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)。

圖15 字母IE數(shù)據(jù)的通道一致性校正前后成像結(jié)果對(duì)比Fig. 15 Imaging results of the IE metal sheet with and without the multi-channel calibration

表1 不同陣列稀疏優(yōu)化布局方案對(duì)比Tab. 1 Comparation of different sparse array scheme

圖16 塔吊下視陣列原理驗(yàn)證系統(tǒng)組成框圖Fig. 16 System block diagram of the tower crane downward-looking array SAR system

在塔吊實(shí)驗(yàn)中，陣列天線安裝在與塔臂垂直的方向，波束向下，照射正下方區(qū)域，在平臺(tái)沿著塔臂勻速直線運(yùn)動(dòng)的過程中進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，如圖18(a)所示。觀測(cè)場(chǎng)景為放置于地面的1個(gè)孤立角反射器，和由7個(gè)角反射器構(gòu)成的呈3維立體構(gòu)型的三面角反射器陣，如圖18(b)所示。

塔吊陣列下視3維成像實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖19所示。其中，圖19(a)為3維圖像數(shù)據(jù)的3維等值面圖，可以看出，每個(gè)角反射器的散射中心呈3維分布，且清晰分辨，圖19(b)-圖19(d)分別為航跡-跨航平面、航跡-高程平面、跨航-高程平面3個(gè)平面的正射投影圖，可以看到各角反射器的散射中心3維分布，圖中，由于天線正下視照射，地面鏡面反射較強(qiáng)，形成較強(qiáng)的地面背景雜波，這也是機(jī)載下視SAR實(shí)際化應(yīng)用需要應(yīng)對(duì)的一個(gè)問題。

該原理驗(yàn)證裝置還具有較大升級(jí)空間，如可采用同時(shí)多發(fā)多收的最小冗余線陣設(shè)計(jì)、正交波形編碼信號(hào)、可構(gòu)建實(shí)時(shí)處理器等。

4.3 圓跡SAR與多基線圓跡SAR

研究團(tuán)隊(duì)對(duì)圓跡SAR的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)、分辨率理論、成像算法等成像機(jī)理進(jìn)行了深入研究，開展了金屬球暗室轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，圖20為3維成像結(jié)果，可以看到，對(duì)于散射各向同性的點(diǎn)目標(biāo)，圓跡SAR具有3維分辨能力[46-48]。

研究團(tuán)隊(duì)將圓跡SAR 3維成像應(yīng)用于地球同步軌道，提出了地球同步軌道圓跡SAR的概念[46，49-51]。對(duì)軌道參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，可形成近似圓形的合成孔徑，通過SAR系統(tǒng)凝視觀測(cè)，可對(duì)大面積區(qū)域進(jìn)行連續(xù)定點(diǎn)連續(xù)觀測(cè)，并獲取3維分辨圖像。地球同步軌道圓跡SAR在連續(xù)覆蓋區(qū)域、瞬時(shí)可視范圍和3維信息獲取方面，具有低軌衛(wèi)星無法比擬的優(yōu)勢(shì)，在對(duì)地觀測(cè)方面有重要的應(yīng)用前景。

研究團(tuán)隊(duì)對(duì)地球同步軌道圓跡SAR的分辨率指標(biāo)、時(shí)間覆蓋度等成像能力進(jìn)行了分析，對(duì)軌道模型、大面積快速3維成像算法等進(jìn)行了研究。圖21為地心慣性直角坐標(biāo)系下地球同步軌道圓跡SAR觀測(cè)幾何，衛(wèi)星軌跡位于赤道上方，在xoy平面上的投影近似為圓形。地球同步軌道圓周觀測(cè)中，觀測(cè)視角差異最大為圖21(a)中的角度，約為20°，目標(biāo)可認(rèn)為是各向同性的，因此，該觀測(cè)幾何下具有3維分辨能力。在L波段，500 MHz帶寬條件下，3維分辨率可達(dá)約0.3 m×0.3 m×0.3 m。由于觀測(cè)視角的差異，3維成像的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)朝向的空變性隨著目標(biāo)位置變化，但分辨率的空變性不大，圖22給出了不同位置目標(biāo)的3維點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)，可以看到明顯地旋轉(zhuǎn)，但3 dB分辨率差異不大。時(shí)間覆蓋度方面，在滿足0.3 m×0.3 m×0.3 m分辨率要求的條件下，單顆衛(wèi)星時(shí)覆蓋率為地球總面積的33%，4顆衛(wèi)星時(shí)，覆蓋率達(dá)到地球表面總面積的92%。

圖17 塔吊下視陣列天線Fig. 17 Antenna array of the system

圖18 塔吊陣列SAR下視實(shí)驗(yàn)Fig. 18 The tower crane downward-looking array SAR experiment

圖19 塔吊陣列SAR下視實(shí)驗(yàn)3維成像結(jié)果Fig. 19 3-D imaging results of the tower crane downward-looking array SAR experiment

圖20 金屬球暗室轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)。Fig. 20 Metal ball turn table experiment in the chamber

在圓跡SAR機(jī)載實(shí)驗(yàn)方面，研究團(tuán)隊(duì)開展了國內(nèi)首次機(jī)載圓跡SAR實(shí)驗(yàn)，獲得了全方位高分辨觀測(cè)圖像[52]。與地球同步軌道圓跡SAR的觀測(cè)幾何不同，機(jī)載圓跡SAR對(duì)目標(biāo)觀測(cè)的入射角更大，360°觀測(cè)時(shí)，則視角差異更大，實(shí)際場(chǎng)景的散射各向異性明顯。圖23為某一觀測(cè)場(chǎng)景在不同方位角下的圖像，可以看到，真實(shí)場(chǎng)景，尤其是人造目標(biāo)，散射各向異性明顯，圓跡觀測(cè)能夠獲得目標(biāo)更完整的輪廓信息，然而對(duì)各向異性目標(biāo)的3維分辨能力較弱。

圖21 地心慣性直角坐標(biāo)系下地球同步軌道圓跡SAR觀測(cè)幾何Fig. 21 Geo-CSAR geometry in the geocentric inertial cartesian coordinate

圖22 地球同步軌道圓跡SAR 3維成像點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)Fig. 22 3-D point spread function of Geo-CSAR

研究團(tuán)隊(duì)分析了各向異性散射特性對(duì)圓跡SAR 3維分辨能力的影響[46，53]，如圖24所示。對(duì)于各向同性目標(biāo)，在其真實(shí)高度平面成像，回波信號(hào)聚焦成強(qiáng)點(diǎn)，而在其他高度平面成像，由于圓跡SAR的斜距面隨著平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)不斷變化，根據(jù)零多普勒-最近斜距成像原理，信號(hào)能量擴(kuò)散為半徑與高度誤差成正比的圓環(huán)，形成旁瓣，因此能夠?qū)δ繕?biāo)進(jìn)行3維分辨；而對(duì)于各向異性目標(biāo)，尤其是散射方向性較強(qiáng)的人造目標(biāo)，因只在某個(gè)角度有散射回波，在各高度平面成像時(shí)，聚焦性能對(duì)高度不敏感，在垂直視線方向不具有分辨能力。

在實(shí)際場(chǎng)景圓跡SAR成像時(shí)，由于目標(biāo)各向異性，難以獲得3維分辨圖像，但是仍需要輔助的高度信息，否則，同一位置的目標(biāo)在不同觀測(cè)角度的投影位置不同，會(huì)形成上文所述的圓環(huán)形或弧形假目標(biāo)。如圖25所示，圖25(a)為錯(cuò)誤高度平面成像時(shí)，目標(biāo)投影呈環(huán)形的示意圖；圖25(b)為實(shí)際數(shù)據(jù)處理時(shí)，在錯(cuò)誤高度成像，目標(biāo)錯(cuò)位，形成環(huán)形假目標(biāo)；圖25(c)為正確高度成像時(shí)，目標(biāo)聚焦于正確位置。為解決成像對(duì)高度的敏感性問題，利用多角度圖像間的偏移與高程的正比關(guān)系，提取高程信息，用于圓跡SAR成像。圖26給出了基于圓跡SAR數(shù)據(jù)的DEM提取結(jié)果及利用DEM進(jìn)行圓跡SAR成像的結(jié)果，可以看到，圖像聚焦質(zhì)量良好。

圖23 真實(shí)場(chǎng)景的各向異性特性Fig. 23 Anisotropic properties of the real scene

圖24 散射各向異性對(duì)圓跡SAR 3維分辨能力的影響Fig. 24 The effect of anisotropic property to the 3-D resolving capability of circular SAR

圖25 高程對(duì)圓跡SAR成像的影響Fig. 25 Effect of height to the imaging of circular SAR

針對(duì)典型目標(biāo)的3維精細(xì)成像問題，研究了干涉圓跡SAR(Interferometric Circular SAR， InCSAR)[46，54-56]和多基線圓跡SAR的3維成像方法[37，57]。對(duì)于特定的無疊掩現(xiàn)象的情況下，可采用干涉圓跡SAR剔除錯(cuò)誤高度平面上的錯(cuò)位圖像，獲得目標(biāo)的3維結(jié)構(gòu)信息。其基本原理是對(duì)各高度平面逐層進(jìn)行干涉處理，在目標(biāo)真實(shí)高度，干涉相位為0，而在其他高度，兩通道的錯(cuò)位帶來干涉相位或低相干性予以剔除，從而增強(qiáng)圓跡SAR 3維成像能力。圖27為暗室坦克模型的干涉圓跡SAR 3維成像結(jié)果，可以看到，通過干涉處理，非正確高度處的投影圖像被剔除，目標(biāo)3維結(jié)構(gòu)信息清晰可見。相比于常規(guī)2維成像，全方位3維重建具有精細(xì)結(jié)構(gòu)描述能力，更利于目標(biāo)判讀解譯。

對(duì)于存在疊掩問題的情況下，研究團(tuán)隊(duì)采用多基線圓跡SAR 3維成像技術(shù)，利用多基線數(shù)據(jù)解疊掩。與常規(guī)多基線SAR不同的是，首先需要判斷目標(biāo)的散射方向，然后解疊掩。研究團(tuán)隊(duì)采用美國空軍實(shí)驗(yàn)室(AFRL)發(fā)布的Gotcha數(shù)據(jù)開展了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。該數(shù)據(jù)包含了8條X波段全極化圓跡SAR重軌數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景是一個(gè)停車場(chǎng)。對(duì)其中的HH極化8基線數(shù)據(jù)進(jìn)行了成像處理，并選取場(chǎng)景中的一輛汽車進(jìn)行3維成像。如圖28所示，圖28(a)為基線分布，圖28(b)為目標(biāo)汽車的光學(xué)照片，圖28(c)為以地平面為成像平面的單條軌跡2維成像結(jié)果。地平面2維圖像中可看到內(nèi)外兩個(gè)輪廓，經(jīng)過成像幾何分析可知，內(nèi)輪廓為汽車的底部，代表了汽車的真實(shí)輪廓；外輪廓為汽車的頂部，由于汽車頂部高度與成像平面高度的差異，頂部輪廓偏離真實(shí)位置，向外側(cè)擴(kuò)散，即產(chǎn)生幾何畸變，不能代表汽車的真實(shí)輪廓。圖28(d)和圖28(e)給出了多基線處理后，汽車的3維成像結(jié)果點(diǎn)云圖的側(cè)視圖和俯視圖，可以較清晰地看出車體的輪廓。

圖27 干涉圓跡SAR 3維重建Fig. 27 3-D reconstruction of InCSAR

研究團(tuán)隊(duì)將多基線圓跡SAR模式用于近景人體表面成像[7，58]，在安全檢測(cè)領(lǐng)域有重要應(yīng)用。研制了一套工作在毫米波陣列雷達(dá)圓柱掃描人體表面3維成像試驗(yàn)系統(tǒng)，系統(tǒng)的成像幾何和實(shí)物照片如圖29所示。陣列天線垂直放置，數(shù)據(jù)采集時(shí)，由微波開關(guān)控制依次導(dǎo)通相應(yīng)收發(fā)單元完成陣列向回波采集，同時(shí)，陣列天線以一定半徑圍繞中軸旋轉(zhuǎn)，完成柱面回波采集。毫米波陣列雷達(dá)圓柱掃描系統(tǒng)可以穿透遮蔽物，對(duì)人體表面進(jìn)行全方位3維成像，探測(cè)體表隱蔽目標(biāo)。圖30為人體模型的3維圖像數(shù)據(jù)分別在正面、側(cè)面和背面的投影圖像，可以看到，該系統(tǒng)具有全方位高精度3維成像能力。

5 總結(jié)與展望

圖28 多基線圓跡SAR 3維成像結(jié)果Fig. 28 3-D imaging results of multi-baseline circular SAR

圖29 陣列雷達(dá)圓柱掃描3維成像試驗(yàn)系統(tǒng)Fig. 29 Cylindrical scanning array radar 3-D imaging system

圖30 人體模型3維成像結(jié)果Fig. 30 3-D imaging result of a mannequin with the cylindrical scanning array radar system

從2維成像拓展到3維成像是SAR成像技術(shù)的一次重要跨越。SAR 3維成像解決了常規(guī)SAR中的疊掩問題，能夠?qū)崿F(xiàn)3維分辨，從而在復(fù)雜場(chǎng)景下，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行3維定位、獲取垂直結(jié)構(gòu)信息等。為適應(yīng)不同的平臺(tái)，滿足不同的應(yīng)用需求，發(fā)展出了一系列新體制SAR 3維觀測(cè)模式，包括多基線SAR、陣列下視SAR、圓跡SAR、多基線圓跡SAR等。國內(nèi)外的機(jī)載、星載實(shí)驗(yàn)已驗(yàn)證了SAR 3維成像的可行性，展示了SAR 3維成像帶來的全新視野，展現(xiàn)了其在城市測(cè)繪、森林監(jiān)測(cè)、重點(diǎn)目標(biāo)精細(xì)監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域的重要應(yīng)用潛力。未來SAR 3維成像技術(shù)還將在以下幾個(gè)方面有進(jìn)一步的發(fā)展。

(1) 3維散射特征描述：目前已經(jīng)能夠獲取SAR 3維圖像數(shù)據(jù)，但如何對(duì)3維圖像的散射特征進(jìn)行描述仍是一個(gè)新的課題。如何將圖像統(tǒng)計(jì)分布、紋理特征等在SAR 2維圖像中常用的圖像散射特征拓展到3維？3維圖像又有哪些新的散射特征量？上述問題的深入研究對(duì)于深入理解SAR 3維圖像，并服務(wù)于目標(biāo)識(shí)別、分類等應(yīng)用具有重要意義。

(2) 復(fù)雜軌跡精細(xì)化處理：現(xiàn)有SAR 3維成像模式多采用較為規(guī)則的軌跡，例如，多基線SAR和陣列下視SAR都采用直線飛行、圓跡SAR和多基線圓跡SAR采用圓形軌跡。未來，研究機(jī)動(dòng)軌跡下的精細(xì)化3維成像數(shù)據(jù)獲取與數(shù)據(jù)處理方法能夠提升SAR 3維成像技術(shù)對(duì)復(fù)雜應(yīng)用環(huán)境的適應(yīng)能力，增強(qiáng)實(shí)用性。

(3) 多維度3維成像：多維度觀測(cè)是SAR技術(shù)發(fā)展的重要趨勢(shì)，SAR 3維成像技術(shù)已經(jīng)開始與SAR極化技術(shù)、SAR多角度成像技術(shù)相結(jié)合，并開始展現(xiàn)出了更為豐富的目標(biāo)信息。未來，與多極化、多角度、多波段、多尺度相結(jié)合的多維度SAR 3維成像是重要的發(fā)展方向，對(duì)觀測(cè)對(duì)象生物物理參數(shù)的準(zhǔn)確反演、提升目標(biāo)理解能力具有重要意義。

(4) 新的數(shù)據(jù)獲取方式：隨著SAR系統(tǒng)技術(shù)的不斷進(jìn)步，新的SAR 3維成像模式將不斷涌現(xiàn)。例如，隨著單系統(tǒng)成本的降低、多系統(tǒng)同步性能的提升，分布式SAR 3維成像或?qū)⒊蔀橄乱浑A段的一個(gè)研究熱點(diǎn)。分布式SAR 3維成像利用分布在空間中多個(gè)雷達(dá)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行相參數(shù)據(jù)采集，通過聯(lián)合數(shù)據(jù)處理實(shí)現(xiàn)3維分辨成像，在工作模式的靈活性、數(shù)據(jù)獲取的時(shí)效性、3維分辨能力提升、多維度信息獲取等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，在衛(wèi)星、飛機(jī)和地基平臺(tái)上都具有重要的應(yīng)用潛力。

致謝 本文的研究進(jìn)展主要源于中國科學(xué)院電子學(xué)研究所SAR成像新概念新體制新技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)。團(tuán)隊(duì)2005年開始致力于SAR 3維成像概念與模型的探索研究，10余年來陸續(xù)開展了以極化特征和多角度觀測(cè)為代表的多維度SAR成像機(jī)理、體制與方法研究，近年來以其高精度高效算法優(yōu)化、全息信息提取方法、及其面向未來敏捷平臺(tái)+數(shù)字掃描星/機(jī)基和分布式無人觀測(cè)平臺(tái)等的應(yīng)用研究。研究團(tuán)隊(duì)成功獲得2007年科技部“下視陣列天線3維成像SAR”前沿探索項(xiàng)目、2009年國家部委“同步軌道圓跡SAR”探索項(xiàng)目、2011年國家高分專項(xiàng)“分布式陣列SAR”新體制項(xiàng)目、2015年國家自然科學(xué)基金委(NSFC)重點(diǎn)項(xiàng)目“多角度SAR”項(xiàng)目、2017年國家部委“無人機(jī)載圓周SAR”關(guān)鍵技術(shù)項(xiàng)目和“星載SAR多角度成像”預(yù)研項(xiàng)目等多項(xiàng)國家級(jí)項(xiàng)目的持續(xù)立項(xiàng)，并在多項(xiàng)NSFC杰出青年/面上/青年基金、NSFC“多維度微波成像重大項(xiàng)目”、973項(xiàng)目“稀疏微波成像”等的共同支持下，在國內(nèi)率先完成第1幅360°全方位圓周SAR飛行試驗(yàn)和成像處理、陣列系統(tǒng)3維分辨成像可行性論證實(shí)驗(yàn)、近直線航跡寬角SAR及多角度特征研究、曲線軌跡單通道SAR-GMTI、稀疏微波成像方法及其在3維成像算法中的應(yīng)用等研究工作。上述工作依托中國科學(xué)院電子學(xué)研究所卓越的研究平臺(tái)，在模型方法研究、可行性驗(yàn)證、原型系統(tǒng)研制、科學(xué)實(shí)驗(yàn)等方面，與所內(nèi)外、國內(nèi)外多個(gè)優(yōu)秀團(tuán)隊(duì)研究人員進(jìn)行了持續(xù)、廣泛的交流與合作，在此一并表示衷心感謝，并對(duì)所有參研同事和研究生在長(zhǎng)期的科研活動(dòng)中所展現(xiàn)出的熱情、智慧、執(zhí)著和奉獻(xiàn)致以誠摯的敬意。