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(1.南京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院， 江蘇南京 211106；2.南京航空航天大學(xué)雷達(dá)成像與微波光子技術(shù)教育部重點實驗室， 江蘇南京 211106)

0 引言

環(huán)視掃描合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar, SAR)是一種能夠?qū)崿F(xiàn)廣域觀測的新模式SAR。不同于條帶、聚束等經(jīng)典模式只能獲得沿航跡一側(cè)的場景信息，環(huán)視掃描SAR的天線以地面垂線為軸線作360°圓錐掃描，能對飛行航跡下方的環(huán)狀區(qū)域進(jìn)行高效觀測。這種模式雖然增加了雷達(dá)的可觀測范圍，卻仍然受到傳統(tǒng)SAR系統(tǒng)的最小天線面積約束，即高分辨率和寬測繪帶的指標(biāo)不能同時滿足，由于星載SAR的軌道高、飛行速度快，這一問題較之機(jī)載SAR更為突出。

寬測繪帶一直是SAR技術(shù)的重要研究方向，采用經(jīng)典的條帶工作模式很難達(dá)到測繪應(yīng)用中帶寬幾百公里的要求，對此需要研究出新的掃描模式或工作體制。其中多通道技術(shù)在高分辨率寬測繪帶雷達(dá)上得到了廣泛應(yīng)用，文獻(xiàn)[1]提出采用方位多波束解多普勒模糊實現(xiàn)了寬測繪帶；文獻(xiàn)[2]提出了多維波形編碼與數(shù)字波束形成(Digital Beam Forming, DBF)技術(shù)相結(jié)合的方法；文獻(xiàn)[3]提出了一種方位向多波束和距離向多層掃描結(jié)合的新型工作模式(MAB-ScanSAR)，還有一些學(xué)者也提供了類似的解決方案[4-6]，基本思想都是基于DBF技術(shù)的多發(fā)多收模式，雖然有效，但缺點是對系統(tǒng)要求高且信號處理過程復(fù)雜。而單發(fā)單收體制雷達(dá)中掃描模式SAR(ScanSAR)[7]仍然是實現(xiàn)寬測繪帶最經(jīng)典而高效的方法，在這種工作模式下，雷達(dá)平臺沿航跡飛行時，對距離向上的多個子帶進(jìn)行周期性掃描，使得測繪帶寬實現(xiàn)了相對于條帶模式幾倍的擴(kuò)展，但同時也要付出犧牲方位向分辨率的代價。

本文將在機(jī)載環(huán)視掃描SAR的研究基礎(chǔ)之上，探索引入ScanSAR工作特點的寬測繪帶星載環(huán)視掃描SAR成像方案，特別是，通過合理地設(shè)置天線掃描速度和劃分子孔徑成像，可以達(dá)到不損失方位向分辨率而測繪帶寬提升的效果。

1 星載環(huán)視掃描SAR幾何模型

星載環(huán)視掃描SAR的幾何關(guān)系如圖1所示。

衛(wèi)星以速度va沿軌道飛行，假設(shè)零時刻衛(wèi)星位于O點，星下點位于O′點，飛行高度為H，瞄準(zhǔn)點(波束中心與地表的交點)位于C點，下視角為γ，多普勒錐角為α，地平面斜視角為θr；衛(wèi)星飛行過程中天線勻速旋轉(zhuǎn)，掃描航跡下方環(huán)狀區(qū)域，掃描速度為ΩM，設(shè)定順時針轉(zhuǎn)動θr為負(fù)，反之為正；βr,βa分別為距離向波束寬度和方位向波束寬度，波束地面足印可近似為一個扇形區(qū)域(實際為橢圓)，扇形弧對應(yīng)的圓心角為φa。對此有

(1)

式中，Wa為方位向瞬時覆蓋寬度，Wr為距離向測繪帶寬度，Re為地球半徑。X波段星載SAR在軌道高度475 km、常用下視角10°～60°時，測繪帶寬為10～40 km，可見傳統(tǒng)環(huán)視掃描模式的測繪帶寬遠(yuǎn)達(dá)不到寬測繪帶的標(biāo)準(zhǔn)。

2 結(jié)合ScanSAR的成像模式設(shè)計

環(huán)視掃描SAR與條帶模式SAR一樣，在掃描過程中只能形成一個測繪帶，而ScanSAR通過周期性地切換天線俯仰角可以生成若干個子帶，使SAR的測繪帶寬得到幾倍的增長。波束掃過所有子帶完成一次循環(huán)的回歸時間記為TR，兩個回歸時間之間的波束覆蓋區(qū)若適當(dāng)重疊，則可以生成連續(xù)圖像。在第i個子帶內(nèi)的駐留時間記為Tbi，若忽略天線波束指向的切換時間，且假設(shè)每個子帶的駐留時間相同，則有TR=Ns·Tb，Ns為子帶數(shù)。各子帶的回波信號作全孔徑聚焦處理后，經(jīng)輻射校正和圖像拼接可得到完整的SAR成像結(jié)果。

借鑒ScanSAR的掃描思想，令環(huán)視掃描SAR的天線在作圓錐掃描的同時，也在各個子帶間周期性切換。Ns=3的掃描時序如圖2所示，將Ns個子帶合成的整個測繪帶看作由一個寬波束照射而成，φa對應(yīng)的扇形為合成的寬波束照射區(qū)。因此，這種新環(huán)視掃描模式下的成像核心仍然是劃分子孔徑成像，其基本思路是選取相鄰兩個子孔徑的共同成像區(qū)域等效為聚束照射區(qū)域。圖2(a)中步驟①～③完成第一個子孔徑時間Tsub的照射，圖2(b)中④～⑥完成下一個子孔徑時間的照射，波束指向按圖中數(shù)字標(biāo)記在3個測繪帶之間交替進(jìn)行，陰影區(qū)為每次掃描各子帶的完全照射區(qū)域，可以看出相鄰子成像區(qū)有重疊，達(dá)到分辨率均勻的基本要求。因為照射鄰近子帶所需成像參數(shù)差異較小，此時假設(shè)每個子帶的駐留時間相等，即Tb=Tsub/Ns。這種處理方式也將ScanSAR中的回歸時間和環(huán)視掃描SAR中的子孔徑時間相聯(lián)系，有TR=Tsub，且最終測繪帶寬近似為傳統(tǒng)環(huán)視掃描SAR的Ns倍。

由于子帶共享子合成孔徑時間，方位向分辨率降為預(yù)設(shè)的Ns倍。即預(yù)設(shè)子帶方位分辨率為ρa(bǔ)時，由

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得到

(3)

(4)

式中，α為多普勒錐角:

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圖3為合成的寬波束地面足印掃描幾何圖，由于衛(wèi)星高速向前飛行，瞄準(zhǔn)點連線在地面呈螺旋狀分布。

定義波束地面斜視角θr以刻畫掃描情況，在一個Tsub時間內(nèi)，θr由θr1增加到θr2，且有|θr2|-|θr1|=ΩM·Tsub。圖中的斜線交叉區(qū)為兩個子孔徑時間的公共成像區(qū)，其覆蓋面積由天線掃描角速度ΩM決定，若天線掃描速度過大，則公共區(qū)較小，相鄰的成像區(qū)之間會存在場景間斷；若天線掃描速度過小，則公共區(qū)較大，又致使大面積的場景重疊，這兩種情況都不利于后續(xù)的圖像拼接。在滿足方位向分辨率要求的一個Tsub時間內(nèi)，令天線恰好掃過波束足印寬度φa的一半可以使相鄰成像區(qū)之間既不存在間斷也不出現(xiàn)重疊現(xiàn)象，成像效率達(dá)到最高，即令

(6)

綜合式(4)、式(5)、式(6)，可得

(7)

理論上說，ΩM是時變的，也就是天線必須非勻速旋轉(zhuǎn)掃描。這有兩方面原因，其一是Ω0表征了相對于每一個子成像區(qū)中心的等效旋轉(zhuǎn)角速度，它隨時間變化；其二是SAR的方位分辨率ρa(bǔ)與多普勒錐角α有關(guān)，聚束照射模式下回波信號的多普勒帶寬近似為

(8)

α越小，Bd越小，因此ρa(bǔ)隨著斜視角的增大而惡化，若要使整個圖像的分辨率均勻，此時天線也必須作非勻速旋轉(zhuǎn)。由式(7)可知為使圖像達(dá)到相同的ρa(bǔ)，斜視情況下的天線旋轉(zhuǎn)角速度應(yīng)比正側(cè)視情況下更慢?？紤]到實際雷達(dá)系統(tǒng)實現(xiàn)這一條件的復(fù)雜性，以及本文重點在于成像方案和算法的驗證，仿真中仍采用固定旋轉(zhuǎn)角速度。

3 成像處理流程

圖4為完整的成像算法流程，包括每個子帶的子圖成像、幾何失真校正和圖像拼接?？紤]到單個子帶的處理流程在機(jī)載和彈載SAR中已有應(yīng)用[8-9]，下文主要將其擴(kuò)展至星載SAR成像處理。

3.1 子圖成像算法

子圖的聚焦處理采用基于轉(zhuǎn)臺原理的線性距離多普勒(LRD)算法，它不僅能夠穩(wěn)定地實現(xiàn)大斜視角成像，并且計算量小、實時性高。LRD算法各步驟功能如下：

1) 距離脈壓，完成距離向的匹配濾波；

2) 空不變運動補(bǔ)償，包括逐脈沖的距離對準(zhǔn)(一般以成像區(qū)中心點為參考點)和相位補(bǔ)償兩部分；

3) 方位聚焦，經(jīng)過方位FFT得到聚焦后的距離多普勒域SAR圖像。

其中最為關(guān)鍵的步驟是運動補(bǔ)償，這種以固定點為參考的運動補(bǔ)償使得該算法具有一定局限性，即對除了成像區(qū)中心點外各點的運動補(bǔ)償存在殘余空變誤差，且誤差隨成像區(qū)尺寸和斜視角的增大而惡化，聚焦質(zhì)量會受到影響。本文所提寬測繪帶成像方案主要用于對大面積地表的觀測，分辨率要求通常在幾十米量級，故由LRD算法帶來的成像誤差可以暫時忽略不計。

3.2 幾何失真校正

圖像幾何失真指成像結(jié)果不是地面散射點分布的真實反映，它通常受到雷達(dá)平臺高度、波束視角及斜視角等諸多因素的影響，因此，成像結(jié)果的幾何失真校正應(yīng)以逐點校正為基礎(chǔ)，校正過程如下：

1) 在成像區(qū)域內(nèi)設(shè)置等間距的地面校正網(wǎng)格點，如圖5所示。校正點坐標(biāo)以地心慣性坐標(biāo)系為基準(zhǔn)，相鄰點間隔按照圖像分辨率(地距)要求放置。

2) 逐點判斷校正點是否在當(dāng)前波束照射范圍內(nèi)，若在，根據(jù)距離多普勒方程解算出該點在對應(yīng)子圖中的位置。

設(shè)任意校正點P在地心慣性坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為(xp,yp,zp)，子孔徑中心時刻雷達(dá)天線相位中心(APC)的坐標(biāo)為(xc,yc,zc)。用LRD算法成像，P點在成像結(jié)果中的距離向坐標(biāo)NrP取決于該點與參考點相對于孔徑中心時刻APC的距離之差，即

(9)

P點的方位向坐標(biāo)NaP取決于該點與參考點相對于APC的多普勒頻率之差，即

(10)

3) 在子圖中將(NaP,NrP)位置的信號取出，通常(NaP,NrP)不會是整數(shù)，要經(jīng)過插值操作將信號放入校正點(xp,yp,zp)對應(yīng)的圖像矩陣位置上，成像區(qū)內(nèi)所有校正點都要進(jìn)行以上坐標(biāo)定位換算，直到得到全部分辨單元(xp,yp,zp)?(NaP,NrP)的對應(yīng)關(guān)系，完成幾何失真校正。

3.3 環(huán)形圖像拼接

以上操作得到了校正后的子圖，最終的成像結(jié)果需進(jìn)行子圖的拼接，為了實現(xiàn)“邊掃描邊成像”并降低中間存儲量，圖像拼接采用與幾何失真校正相結(jié)合的方式，具體操作如下：

1) 根據(jù)星載SAR系統(tǒng)的已知參數(shù)，預(yù)先計算出天線掃描一周所覆蓋的地面面積，并通過在此范圍內(nèi)鋪設(shè)校正點來確定最終輸出圖像的大小和每個像素點對應(yīng)的地理坐標(biāo)位置。

2) 子圖成像后，根據(jù)3.2節(jié)校正單個子圖的幾何失真，同時將逐像素點得到的校正值直接放入1)中完整輸出圖像的對應(yīng)位置。

3) 隨著相鄰的子圖完成校正和存儲，最終的環(huán)形圖像也在這個過程中連續(xù)形成，任何時刻的中間成像結(jié)果都可以實時輸出。

4 仿真與分析

結(jié)合具體軌道參數(shù)對提出的寬測繪帶星載環(huán)視掃描SAR成像方案進(jìn)行點目標(biāo)和面目標(biāo)仿真驗證。軌道參數(shù)如下：長半軸6 585 km，偏心率 0.001 1，軌道傾角23.2°，近地點幅角90°，升交點赤經(jīng)0°，軌道高度475.7 km。

點目標(biāo)仿真中使用的X波段SAR系統(tǒng)參數(shù)如表1所示，雷達(dá)天線以固定角速度ΩM順時針掃描下視角為10.4°，14.2°和18°的3個子帶，在地表相距2 km放置的點目標(biāo)相繼進(jìn)入波束照射范圍內(nèi)。為了直觀地看出各子帶，特意設(shè)置子帶間沒有重疊。成像處理時將全孔徑數(shù)據(jù)分成187個子孔徑，子孔徑數(shù)據(jù)經(jīng)過LRD處理，中間子帶在一個掃描周期中的12幀子圖如圖6所示。顯然，所用LRD算法能夠?qū)崿F(xiàn)任意天線波束指向的圖像聚焦，但存在明顯的幾何失真和斜視角旋轉(zhuǎn)(除正側(cè)視方向)，不能直接用于環(huán)形圖像的拼接輸出，且失真程度隨斜視角的增大而惡化，還發(fā)生了“卷繞”現(xiàn)象，因此在使用式(10)計算校正點坐標(biāo)時要注意“解模糊”的問題[9]。

表1 X波段星載環(huán)視掃描SAR系統(tǒng)參數(shù)

圖7(a)為完成了幾何失真校正的完整拼接圖像，內(nèi)外徑分別為173 km和71 km，總測繪帶寬達(dá)到102 km。同時圖7(b)也給出了傳統(tǒng)環(huán)視掃描SAR以下視角18°掃描一周的成像結(jié)果，可見利用本文提出的方法，在子孔徑時間內(nèi)進(jìn)行三層掃描使得測繪帶寬得到了兩倍的增加。圖7(a)中矩形框1所示正側(cè)視校正放大圖如圖8(a)所示，各點目標(biāo)聚焦良好且被校正到大地坐標(biāo)系下。圖8(b)為矩形框2所示斜視校正放大圖，幾何失真校正處理完成了解卷繞，斜視角旋轉(zhuǎn)得以恢復(fù)，且各點目標(biāo)符合預(yù)設(shè)位置和分布，但由于是斜視成像，分辨率有所下降；圖8(c)為矩形框3所示前視校正放大圖，此時距離信息完全與多普勒信息耦合，因此校正結(jié)果也只能區(qū)分距離遠(yuǎn)近，無法分辨方位向，但點目標(biāo)在距離向上仍保持了均勻分布的特點。

為進(jìn)一步檢驗圖像拼接效果，考慮利用一種基于圖像逆成像處理的高效回波模擬方法來進(jìn)行面目標(biāo)仿真[10]。地面場景用日本ALOS-2采集的熊本地震數(shù)據(jù)來模擬，如圖9所示，場景中相鄰像素間隔設(shè)為50 m×50 m。仿真掃描了高度475 km軌道上下視角為20°～35°的6個子帶，同點目標(biāo)仿真一樣，設(shè)置子帶間沒有重疊，成像區(qū)內(nèi)外徑分別為362 km和160 km，即測繪帶寬達(dá)到202 km。圖10為成像中間結(jié)果，由圖10(c)掃描一周的情況可見，沒有出現(xiàn)折疊和錯位等現(xiàn)象，相鄰子孔徑場景連續(xù)變化，只是在航跡前后方區(qū)域，受雷達(dá)體制限制，無法實現(xiàn)方位高分辨率。圖9和圖10(c)中矩形框的放大圖如圖11(a)和11(b)所示，可見多處強(qiáng)散射點聚焦質(zhì)量良好，散射特性相似，目標(biāo)相對位置準(zhǔn)確且由圖中的鐵軌可知沒有明顯的形變，說明了本文方法對面目標(biāo)成像的有效性。實際應(yīng)用中為了圖像的拼接效果，可以設(shè)置各子帶的照射范圍有部分重疊，成像結(jié)果中的黑線即可消去。

5 結(jié)束語

針對傳統(tǒng)星載環(huán)視掃描SAR成像模式觀測范圍十分有限的情況，結(jié)合ScanSAR模式，研究了在子帶間分配合成孔徑時間的寬測繪帶掃描模式和成像方案。點目標(biāo)和面目標(biāo)仿真實驗驗證了本文所提方案的有效性，與傳統(tǒng)環(huán)視掃描模式相比，在保證成像質(zhì)量的前提下能夠?qū)崿F(xiàn)測繪帶數(shù)倍的擴(kuò)展，為大面積海洋觀測和植被測繪等實際應(yīng)用提供了一定的依據(jù)。仿真中所采用的LRD算法僅用于本方案有效性的驗證，未來可以研究更高分辨率的寬測繪帶星載環(huán)視掃描SAR成像算法。