李春升 于 澤 陳 杰

(北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院 北京 100191)

1 引言

星載合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar,SAR)作用距離遠(yuǎn)，覆蓋范圍廣，能夠?qū)崿F(xiàn)對全球海洋和陸地的全天候、全天時監(jiān)視與監(jiān)測，獲取反映地物后向散射特性的高分辨率圖像，是一種重要的空間遙感信息獲取工具[1-3]。

美國于1978年6月發(fā)射了世界上首顆SAR衛(wèi)星-“SEASAT-1”衛(wèi)星[4]。之后四十余年，歐盟、加拿大、日本、德國、中國、以色列等國家都相繼發(fā)射了各自的SAR衛(wèi)星。目前在軌的SAR衛(wèi)星，突破了精密軌道控制、天線2維掃描、高精度成像處理和定標(biāo)等一系列平臺、載荷和地面關(guān)鍵技術(shù)，可服務(wù)于海洋、減災(zāi)、水利及氣象等多個行業(yè)及業(yè)務(wù)部門，是實施海洋開發(fā)、陸地環(huán)境資源監(jiān)測和防災(zāi)減災(zāi)的重要技術(shù)支撐。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，星載SAR向著高分辨率寬測繪、多方位信息獲取、高時相對地觀測、3維地形測繪等方向發(fā)展，將能夠提供更為廣闊、更為豐富、更為細(xì)致的目標(biāo)信息[5]。對于任何星載SAR系統(tǒng)和工作模式，獲取高質(zhì)量的圖像始終都是提升SAR應(yīng)用效能的前提。

星載SAR圖像的生產(chǎn)涉及到數(shù)據(jù)獲取、成像處理和圖像后處理等多個環(huán)節(jié)。在地面處理系統(tǒng)中，首先由成像處理算法對原始回波進(jìn)行精確的2維匹配濾波，生成單視復(fù)圖像；然后，進(jìn)行輻射和幾何校正等操作，生成更為高級的產(chǎn)品。對單視復(fù)圖像進(jìn)行評估，可以獲得反映星載SAR系統(tǒng)和成像處理算法性能的成像質(zhì)量指標(biāo)；對后續(xù)的高級圖像產(chǎn)品進(jìn)行評估，可以進(jìn)一步得到影響SAR應(yīng)用效能的圖像質(zhì)量指標(biāo)。雖然成像質(zhì)量指標(biāo)(包括空間分辨率、旁瓣比、等效噪聲系數(shù)、模糊度、定位精度等)一般是利用專門的定標(biāo)場或在地物環(huán)境完全已知的條件下進(jìn)行測量，但是其具有普遍性意義，所代表的系統(tǒng)性能在其它環(huán)境和條件下也成立。而圖像質(zhì)量指標(biāo)(動態(tài)范圍、均值、方差、等效視數(shù)、輻射分辨率等)反映的僅僅是一幅SAR圖像的質(zhì)量好壞。

目前，主要有3種方式提升星載SAR的成像質(zhì)量和圖像質(zhì)量：(1)采用先進(jìn)的平臺和載荷技術(shù)，提升衛(wèi)星軌道和平臺姿態(tài)的控制及測量精度，改善有效載荷特性，減小信號在發(fā)射、傳輸和接收過程中所引入的系統(tǒng)誤差[6]；(2)提出新的工作模式，消除傳統(tǒng)工作模式所存在的弊端，例如：用TOPSAR模式替代ScanSAR模式，從而弱化雷達(dá)圖像中所存在的“扇貝效應(yīng)”[7]；(3)開發(fā)地面處理技術(shù)，通過成像處理和圖像處理，對方位模糊、斑點噪聲、旁瓣等進(jìn)行處理，減小各種干擾因素對圖像質(zhì)量的影響。

本文將基于“觀測在天，成像在地”的理念，首先闡述星載SAR對地觀測系統(tǒng)的成像機(jī)理。然后從天地一體化的角度，探討如何從衛(wèi)星軌道、平臺姿態(tài)、有效載荷、地面處理等環(huán)節(jié)提升星載SAR成像質(zhì)量。最后，對星載SAR圖像后處理方法進(jìn)行總結(jié)和對比，給出高分辨星載SAR圖像相干斑去除、方位模糊抑制等處理結(jié)果。

2 星載SAR對地觀測系統(tǒng)成像機(jī)理

如圖1所示，星載SAR對地觀測系統(tǒng)具備“觀測在天、成像在地”的特點，其組成分為天、地兩部分，即有效載荷和地面處理系統(tǒng)。其中，有效載荷發(fā)射相干信號，接收來自地面的回波信號，量化成數(shù)字信號，與衛(wèi)星星歷等輔助數(shù)據(jù)組成數(shù)據(jù)流，在星上存儲，并適時下傳至地面；地面處理系統(tǒng)對下傳數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼、成像處理、幾何校正和輻射校正等操作，生成各級圖像產(chǎn)品。

2.1 星載SAR有效載荷

圖2給出了星載SAR有效載荷的基本結(jié)構(gòu)，主要包括中央電子設(shè)備和天線子系統(tǒng)[8]。

圖1 星載SAR對地觀測示意圖Fig.1 Observation geometry of spaceborne SAR

圖2 星載SAR有效載荷基本結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Diagram of the basic structure of the spaceborne SAR payload

中央電子設(shè)備子系統(tǒng)根據(jù)地面遙控指令，選擇星載SAR工作模式，控制和監(jiān)測各分機(jī)的狀態(tài)。作為有效載荷的核心子系統(tǒng)，其組成包括射頻單元、數(shù)據(jù)形成器、內(nèi)定標(biāo)單元、雷達(dá)配電器、以及軟件(含雷達(dá)控制監(jiān)測軟件、FPGA軟件)等，具體功能如下：

(1)射頻單元由基準(zhǔn)頻率源、線性調(diào)頻源、接收通道等組成?；鶞?zhǔn)頻率源為各分系統(tǒng)和單機(jī)提供高度相干的基準(zhǔn)信號，包括射頻信號、中頻信號、采樣頻率信號和定時頻率信號。線性調(diào)頻源根據(jù)控制指令產(chǎn)生符合指標(biāo)要求的線性調(diào)頻信號，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后調(diào)制到射頻上，然后放大至天線子系統(tǒng)所需的功率電平，作為發(fā)射信號輸送給天線子系統(tǒng)。接收通道對回波信號進(jìn)行低噪聲放大、下變頻和濾波，得到中頻信號；再由可控增益中頻放大鏈路進(jìn)行中頻信號放大，以適應(yīng)雷達(dá)接收動態(tài)輸出要求；最后，通過濾波、正交解調(diào)和視頻放大完成視頻信號的輸出。

(2)數(shù)據(jù)形成器主要由ADC信號采集、高速數(shù)據(jù)緩存、數(shù)據(jù)壓縮、增益控制、數(shù)據(jù)格式化打包等模塊組成。數(shù)據(jù)形成器接收來自監(jiān)控定時器的指令和外部輔助數(shù)據(jù)，根據(jù)指令要求完成接收機(jī)正交I/Q視頻回波信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換，對窄帶視頻信號進(jìn)行數(shù)字濾波，并對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，與外部輔助數(shù)據(jù)及其它輔助數(shù)據(jù)打包傳送給數(shù)傳分系統(tǒng)。

(3)雷達(dá)計算機(jī)完成對SAR有效載荷各模塊的控制和監(jiān)測。它一方面通過總線接收星務(wù)計算機(jī)發(fā)出的遙控指令和衛(wèi)星輔助數(shù)據(jù)；另一方面執(zhí)行遙控指令，對各模塊進(jìn)行控制，同時把各模塊的監(jiān)測參數(shù)送給星務(wù)計算機(jī)。雷達(dá)計算機(jī)還與天線子系統(tǒng)的波控分機(jī)通過串行數(shù)據(jù)總線進(jìn)行通訊，對天線陣面進(jìn)行波位設(shè)置，接收天線子系統(tǒng)的遙測參數(shù)。

(4)內(nèi)定標(biāo)單元主要完成系統(tǒng)幅相性能的標(biāo)定，以保證系統(tǒng)性能及輻射精度。通過分析和處理定標(biāo)數(shù)據(jù)，可以得到SAR系統(tǒng)(除天線波導(dǎo)子陣之外的發(fā)射通路和接收通路)總增益的相對變化量、收發(fā)通道幅相的變化。同時，定標(biāo)數(shù)據(jù)還復(fù)制了SAR系統(tǒng)的線性調(diào)頻發(fā)射信號，可以為成像處理提供參考，用于系統(tǒng)誤差的校正。

(5)雷達(dá)配電器完成整個中央電子設(shè)備的配電工作。

天線子系統(tǒng)具有兩維波束掃描能力，方位和距離向波束寬度與副瓣電平可以按波位設(shè)計要求進(jìn)行展寬和賦形，滿足聚束、條帶及掃描等成像模式的使用；能夠放大發(fā)射信號并向指定空域輻射電磁能量，并對回波信號進(jìn)行接收與低噪聲放大。SAR天線類型有拋物面和平面相控陣兩種。它們的區(qū)別主要在于輻射波束形成和角度掃描的方式。拋物面天線主要包括反射面和饋源系統(tǒng)。平面相控陣天線則是由天線陣、饋電網(wǎng)絡(luò)和波控器等組成(如圖2所示)。各個部分的具體功能如下：

(1)天線陣由陣面輻射單元與發(fā)射/接收(T/R)組件組成。陣面輻射單元把饋送來的激勵信號高效率地轉(zhuǎn)化為微波信號，并輻射到自由空間，同時收集來自自由空間的微波信號，并將其轉(zhuǎn)化為電信號。T/R組件既可以工作在發(fā)射狀態(tài)，也可以工作在接收狀態(tài)。當(dāng)T/R組件工作在發(fā)射狀態(tài)時，經(jīng)饋電網(wǎng)絡(luò)送來的低功率信號，經(jīng)過移相器移相后，送到功率放大器，放大后的大功率信號通過環(huán)流器后經(jīng)輻射單元向外輻射。當(dāng)T/R組件工作在接收狀態(tài)時，輻射單元接收的回波信號，經(jīng)環(huán)流器、隔離器、限幅器、低噪聲放大器、數(shù)字衰減器、開關(guān)和移相器，送到接收饋電網(wǎng)絡(luò)中。

(2)饋電網(wǎng)絡(luò)向輻射單元饋送需要的激勵信號，同時接收輻射單元送來的信號，合成接收信號。

(3)波控器實現(xiàn)波束掃描以及對天線系統(tǒng)的監(jiān)測和幅相校正。

2.2 星載SAR地面處理系統(tǒng)

不同于天基光學(xué)對地觀測成像，星載SAR的回波數(shù)據(jù)類似于隨機(jī)噪聲，必須對其進(jìn)行處理才能獲得圖像。早期的地面處理系統(tǒng)采用光學(xué)器件來實現(xiàn)SAR聚焦成像。但由于成像精度差、難以做到自動化處理，逐漸被淘汰。自SEASAT衛(wèi)星之后，數(shù)字信號處理逐漸成為SAR成像的主流技術(shù)。

經(jīng)過解調(diào)，孤立點目標(biāo)的回波信號s0(τ,η)可以表示為[9]

其中，A0為復(fù)常數(shù)，τ為距離向時間，η為方位向時間，ηc為波束中心穿越時刻，c為光速，f0為雷達(dá)載頻，Kr為發(fā)射脈沖調(diào)頻率，2R(η)為不同方位向時刻接收信號的雙程斜距，wr(·)和wa(·)分別為距離向和方位向天線方向圖。

如式(1)所示，回波信號的形成是衛(wèi)星平臺、有效載荷、空間傳播等多個環(huán)節(jié)共同作用的結(jié)果。各個環(huán)節(jié)中不可避免地存在誤差因素。其中空間段影響因素主要包括衛(wèi)星定軌、平臺姿態(tài)、中央電子設(shè)備和天線；傳輸段影響主要指對流層延遲等大氣效應(yīng)。這些因素共同影響了式(1)中發(fā)射信號的形式、瞬時斜距R(η)的精度、天線方向圖wr(·)和wa(·)的幅相特性，使得實際回波數(shù)據(jù)和理論模型無法吻合，進(jìn)而降低算法的有效性、影響成像質(zhì)量。具體影響情況如下：

(1)衛(wèi)星定軌是指獲取衛(wèi)星位置信息的過程。定軌誤差主要影響瞬時斜距R(η)的精度。R(η)是構(gòu)造方位向匹配濾波器的重要參數(shù)。它的偏差會使方位向匹配濾波失配，導(dǎo)致分辨率損失和旁瓣抬升。同時，R(η)也是利用距離-多普勒方程和地球模型方程計算目標(biāo)位置的重要先驗信息。因此，定軌誤差也會影響目標(biāo)的定位精度。

(2)衛(wèi)星平臺的姿態(tài)抖動會使得天線波束指向隨之抖動，通過天線方向圖wr(·)和wa(·)對回波信號產(chǎn)生附加調(diào)制，在成像結(jié)果中產(chǎn)生成對回波。當(dāng)成對回波位于主瓣或離主瓣較近的旁瓣之間時，分辨率、峰值旁瓣比和積分旁瓣比等指標(biāo)存在退化的情況。

(3)中央電子設(shè)備通常由3個回路構(gòu)成：發(fā)射回路、接收回路和內(nèi)定標(biāo)回路。SAR系統(tǒng)發(fā)射信號通常被認(rèn)為是理想的Chirp信號，回波信號則是經(jīng)過延時和幅度調(diào)制的多個Chirp信號之和。成像處理算法往往也是基于這一假設(shè)進(jìn)行設(shè)計的。然而，中央電子設(shè)備的發(fā)射和接收通道存在幅相誤差，使得發(fā)射信號和接收回波無法與理想情況完全一致。此外，接收通道視頻段會發(fā)生非線性飽和失真，對回波信號進(jìn)行限幅，最終在SAR圖像中產(chǎn)生寄生旁瓣，掩蓋弱小目標(biāo)。

(4)天線的誤差因素主要來自于電性能和結(jié)構(gòu)性能兩方面。電性能方面，高分辨率星載SAR寬帶發(fā)射信號的應(yīng)用使得色散效應(yīng)難以避免，波束指向和波束寬度會發(fā)生波動；結(jié)構(gòu)性能方面，陣元位置發(fā)生偏移后，將破壞陣面的平整度和天線輻射場的方向性。這些因素都會經(jīng)由非理想天線方向圖對發(fā)射信號和回波信號進(jìn)行幅相調(diào)制，最終影響成像質(zhì)量。

(5)電磁波在經(jīng)過大氣對流層時會發(fā)生折射，有別于回波信號模型中假設(shè)的直線傳播。雖然兩者之間的差異對瞬時斜距R(η)造成的影響非常微小，但是仍舊會對亞米級高分辨率星載SAR的成像分辨能力產(chǎn)生影響。

SAR成像處理的核心思想是：在解除方位-距離耦合的基礎(chǔ)上對回波數(shù)據(jù)進(jìn)行精確的匹配濾波，獲取高質(zhì)量的高分辨圖像。成像處理算法在設(shè)計2維匹配濾波器時，通常會對式(1)所示的回波模型作3點假設(shè)[10]：星載SAR停走假設(shè)、瞬時斜距的雙曲函數(shù)形式、電磁波直線傳播。對于高分辨率星載SAR而言，這3點假設(shè)與實際情況產(chǎn)生的差異足以引起成像質(zhì)量的退化。

以上分析表明，可以采用兩種技術(shù)途徑來提升星載SAR成像質(zhì)量：(1)在空間段，提高衛(wèi)星平臺的定軌精度和姿態(tài)測量精度，控制有效載荷產(chǎn)生的幅相誤差等非理想因素；(2)在地面段，改進(jìn)成像處理算法，通過模型修正、誤差補(bǔ)償提升成像質(zhì)量。

此外，即使衛(wèi)星平臺、有效載荷以及地面處理系統(tǒng)的性能指標(biāo)都滿足要求，成像結(jié)果中依然會存在強(qiáng)點旁瓣、斑點噪聲、方位模糊等星載SAR所特有的現(xiàn)象。需要開發(fā)相應(yīng)的圖像后處理模塊，采用先進(jìn)濾波技術(shù)對旁瓣、模糊等進(jìn)行抑制，進(jìn)一步提升圖像質(zhì)量。

3 星載SAR成像質(zhì)量提升方法

本節(jié)將從高精度數(shù)據(jù)獲取和高分辨成像處理兩個方面闡述星載SAR成像質(zhì)量提升方法。

3.1 星載SAR高精度數(shù)據(jù)獲取技術(shù)

高精度原始回波數(shù)據(jù)的獲取是星載SAR成像質(zhì)量的重要保障。若要獲得0.2 m分辨率星載SAR圖像，定軌位置誤差需要控制在亞米級，測速誤差優(yōu)于0.001 m/s，姿態(tài)測量誤差優(yōu)于0.005°。

(1)SAR衛(wèi)星軌道高精度測定技術(shù)

高精度定軌技術(shù)可以獲取精準(zhǔn)的SAR衛(wèi)星位置和速度信息。從70年代開始，衛(wèi)星精密跟蹤技術(shù)得到全面迅速的發(fā)展。從傳統(tǒng)觀測技術(shù)的改進(jìn)到新技術(shù)的發(fā)明，以及相應(yīng)觀測網(wǎng)的建立，使得衛(wèi)星軌道的跟蹤觀測精度和定軌精度都得到了大幅度地提高。目前，用于高精密定軌的跟蹤手段有4種[11,12]，包括衛(wèi)星激光測距技術(shù)(Satellite Laser Ranging,SLR)、多普勒定軌和無線電定位集成技術(shù)(Doppler Orbitography and Radiolocation Integrated Satellite,DORIS)、精密測距和測速技術(shù)(Precise Range And Rangerate Equipment,PRARE)、全球定位技術(shù)(Global Positioning System,GPS)。其中，利用星載GPS對低軌衛(wèi)星進(jìn)行定軌具有諸多優(yōu)點[13]：(1)不受氣候條件影響，可以全天候觀測；(2)觀測精度高，數(shù)據(jù)密集，對低軌衛(wèi)星實現(xiàn)全弧段覆蓋；(3)與SLR,DORIS等其它主流觀測手段相比，設(shè)備簡單，故障率低，費(fèi)用較低。

大量全球覆蓋的GPS觀測信息促使定軌方法得到了充分發(fā)展。國內(nèi)外低軌衛(wèi)星的GPS定軌方法主要?dú)w結(jié)為以下4種：(1)僅僅考慮衛(wèi)星位置的運(yùn)動學(xué)精密定軌；(2)在運(yùn)動學(xué)基礎(chǔ)上，采用了先驗力模型的簡化運(yùn)動學(xué)定軌；(3)以衛(wèi)星受力為主，其它觀測技術(shù)為輔的動力學(xué)精密定軌；(4)考慮了經(jīng)驗力模型參數(shù)的簡化動力學(xué)精密定軌。在實際應(yīng)用中，上述方法可用于實時定軌和事后定軌。兩者的差異主要在于輸入數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)時效性和定軌精度，如表1所示。

表1 實時定軌和事后定軌比較Tab.1 Comparison between real-time and precise orbit determination

(2)SAR衛(wèi)星平臺姿態(tài)高精度測量技術(shù)

SAR衛(wèi)星采用星敏感器計算衛(wèi)星姿態(tài)來保證姿態(tài)的指向精度。除了星敏感器自身的測量誤差外，星敏感器光學(xué)測量基準(zhǔn)與整星控制基準(zhǔn)之間的安裝偏差、有效載荷與整星基準(zhǔn)之間的安裝偏差以及星敏感器與基準(zhǔn)之間的慢變熱變形引起的姿態(tài)偏差，都會影響到計算的精度。為此在進(jìn)行姿態(tài)測量時，要盡可能地修正上述誤差源。

目前，主流的姿態(tài)測量方法是星敏感器和陀螺組合法[14]。通過兩個星敏感器的雙矢量定姿提高光軸測量方向的星敏感器測量精度，再利用擴(kuò)展卡爾曼濾波方法進(jìn)行姿態(tài)確定，修正陀螺的漂移并抑制星敏感器的高頻噪聲，輸出慣性系下的高精度姿態(tài)信息。引入軌道遞推誤差模型，最終得到軌道系下的衛(wèi)星高精度姿態(tài)信息。

(3)中央電子設(shè)備發(fā)收通道幅相補(bǔ)償與動態(tài)調(diào)整技術(shù)

利用無線延遲試驗或者內(nèi)定標(biāo)技術(shù)，可以獲得反映發(fā)收通道特性的測試數(shù)據(jù)或者內(nèi)定標(biāo)數(shù)據(jù)，并構(gòu)建發(fā)收通道的幅頻和相頻特性模型。基于所構(gòu)建的模型，設(shè)計距離向匹配濾波器，對回波信號進(jìn)行通道幅相補(bǔ)償，提升成像處理的聚焦性能。某SAR系統(tǒng)的信號帶寬為600 MHz，脈沖寬度為12 μs，采樣率為700 MHz。表2給出了對該SAR系統(tǒng)回波數(shù)據(jù)未補(bǔ)償和補(bǔ)償后的結(jié)果。經(jīng)過幅相補(bǔ)償，分辨率、峰值旁瓣比、積分旁瓣比等指標(biāo)均有顯著的提升。

對于接收通道，當(dāng)信號動態(tài)范圍與系統(tǒng)動態(tài)范圍不匹配時，往往會發(fā)生飽和失真。接收機(jī)高頻段和視頻段飽和均會造成對信號包絡(luò)部分的限幅，在成像結(jié)果中產(chǎn)生寄生旁瓣，導(dǎo)致場景內(nèi)不同目標(biāo)的相對強(qiáng)度關(guān)系發(fā)生變化。此外，視頻段飽和失真還會造成與真實目標(biāo)頻譜相混疊的高次諧波，影響真實目標(biāo)的成像質(zhì)量[15]。在實際SAR系統(tǒng)中，高頻段動態(tài)范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于視頻段動態(tài)范圍，信號在高頻段發(fā)生飽和的概率較小。因此，視頻段飽和更值得關(guān)注。

造成視頻段飽和的主要因素是接收機(jī)增益(MGC)設(shè)置不當(dāng)。目前主要有兩類方法構(gòu)建星載SAR系統(tǒng)全球MGC庫。一種方法是通過大量的在軌觀測，獲取全球典型觀測場景和地物目標(biāo)的后向散射數(shù)據(jù)，進(jìn)一步根據(jù)雷達(dá)方程反演MGC值；另一種方法是基于回波數(shù)據(jù)的統(tǒng)計特性，以最大量化失真比為準(zhǔn)則，從飽和信號中反演接收機(jī)MGC，調(diào)整A/D量化輸入信號的動態(tài)范圍，使得A/D量化達(dá)到最佳狀態(tài)，提升星載SAR成像質(zhì)量。

圖3給出了上述第2種方法對MGC反演后的仿真成像結(jié)果。該結(jié)果對應(yīng)的仿真場景是一個點面混合場景，包含了口字形面目標(biāo)區(qū)域和中心的正方形點陣目標(biāo)。圖3(a)是飽和SAR回波數(shù)據(jù)的成像結(jié)果，中心區(qū)域的正方形點陣目標(biāo)幾乎被面目標(biāo)的寄生旁瓣淹沒；圖3(b)是MGC反演后的成像結(jié)果，正方形點陣目標(biāo)更為清晰，表明接收機(jī)增益的調(diào)整有效地消弱了飽和效應(yīng)產(chǎn)生的寄生旁瓣。

表2 通道誤差補(bǔ)償前后脈沖壓縮性能Tab.2 Performance of pulse compression before and after compensating for channel error

(4)星載SAR天線系統(tǒng)優(yōu)化與方向圖預(yù)估技術(shù)

在SAR成像和圖像處理中，天線方向圖是重要的先驗信息。雖然可以通過對在軌SAR衛(wèi)星進(jìn)行實測，獲得精確的天線方向圖，但是，高分辨率SAR衛(wèi)星工作模式復(fù)雜，波位數(shù)量成百上千，使得天線方向圖全波位測試變得困難。因此，采用高精度模型預(yù)估天線方向圖，是更為可行的方法。這種方法可以用于SAR有效載荷總體性能的有效評估，也縮短了產(chǎn)品的研制周期，是目前國際星載SAR工程領(lǐng)域中較為推崇的一種方法。

在天線方向圖模型的構(gòu)建過程中，基于理想方向圖模型，考慮工程實現(xiàn)中的兩類關(guān)鍵誤差因素：(1)幅相誤差，主要指由于器件、內(nèi)部電路或裝配等原因造成的天線單機(jī)實測性能指標(biāo)與理論指標(biāo)存在的幅相誤差；(2)機(jī)電耦合誤差，包括天線機(jī)構(gòu)的展開精度、安裝面平面度、熱變形等因素引起的方向圖誤差。利用地面近場測試系統(tǒng)在不同階段通過原理樣機(jī)、電訊星和正樣實物來獲取基礎(chǔ)實測數(shù)據(jù)，分析實測數(shù)據(jù)與模型仿真結(jié)果的差異，不斷調(diào)整模型參數(shù)，改善天線方向圖模型的精度。

在預(yù)估天線方向圖的基礎(chǔ)上，建立SAR成像質(zhì)量指標(biāo)(脈沖響應(yīng)特性、模糊性能、等效噪聲系數(shù)等)與方向圖性能指標(biāo)(波束指向精度、副瓣電平、波束寬度、柵瓣電平等)的映射關(guān)系，對星載SAR天線系統(tǒng)的布局、方向圖性能等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。具體措施包括：(1)調(diào)整天線布局，優(yōu)化天線掃描柵瓣；(2)合理分解單機(jī)指標(biāo)，控制系統(tǒng)的幅相誤差；(3)控制展開精度和裝配精度，保證天線指向誤差控制在合理范圍；(4)利用天線熱控措施來保證天線陣面溫度的穩(wěn)定性和均勻性，進(jìn)而控制天線陣面溫度引起的幅相誤差。

圖3 MGC反演前后的成像結(jié)果Fig.3 Imaging results before and after MGC inversion

綜上所述，圖4給出了天線系統(tǒng)優(yōu)化和方向圖預(yù)估的總體技術(shù)路線，包括：(1)提取影響星載SAR成像質(zhì)量的天線方向圖指標(biāo)因素，如天線增益、波束指向、噪聲系數(shù)等；(2)建立影響方向圖技術(shù)指標(biāo)的各單機(jī)模型，分解各單機(jī)的技術(shù)指標(biāo)到單機(jī)模型中，對天線系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化；(3)建立影響成像質(zhì)量的重點因素模型，如熱變形、安裝誤差等模型，同時考慮T/R組件的失效模式；(4)將模塊、初樣電訊星、正樣測試數(shù)據(jù)與天線方向模型進(jìn)行對比，來驗證模型的正確性和精度；(5)通過迭代設(shè)計完善高分辨星載SAR天線方向圖模型。

3.2 星載SAR高分辨成像處理技術(shù)

(1)基于改進(jìn)運(yùn)動模型的星載SAR成像補(bǔ)償技術(shù)

SAR通過對回波數(shù)據(jù)進(jìn)行相位校正和同相疊加來獲得高分辨率圖像。成像質(zhì)量的好壞主要取決于兩點：成像參數(shù)的精度和成像算法的近似程度。其中，前者主要由各種測量器件的性能決定，后者則主要取決于算法中所采用的運(yùn)動模型的精度。經(jīng)典的成像算法，例如距離-多普勒算法[16]、Chirp Scaling算法[17]等，都是在對平臺運(yùn)動做了兩個基本假設(shè)的前提條件下得到的。這兩個假設(shè)分別是：停走假設(shè)和直線運(yùn)動假設(shè)。

在低分辨率條件下，這兩個假設(shè)引入的誤差可以忽略不計。但在高分辨率條件下，SAR衛(wèi)星合成孔徑時間長，停走假設(shè)和直線運(yùn)動假設(shè)將會在成像處理中引入較大的殘余相位，使得成像質(zhì)量衰退，無法滿足性能指標(biāo)要求。以0.3 m分辨率X波段星載SAR為例，二次和高階殘余相位可達(dá)300°，分辨率損失約4%。

John C.Curlander等人[9]分析了停走假設(shè)引入的斜距誤差，指出分辨率低于2 m的星載SAR系統(tǒng)可以采用停走假設(shè)。為了獲得X波段0.21 m分辨率圖像，Pau Prats-Iraola等人[10]指出在地面處理系統(tǒng)中必須對軌道曲率和發(fā)收期間衛(wèi)星運(yùn)動引入的殘余相位進(jìn)行補(bǔ)償。

圖4 星載SAR天線系統(tǒng)優(yōu)化和方向圖預(yù)估技術(shù)示意圖Fig.4 Diagram of optimization and pattern estimation technology for spaceborne SAR antenna system

為了能夠?qū)崿F(xiàn)大場景、高分辨率成像，改進(jìn)SAR衛(wèi)星運(yùn)動模型，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)新的算法，是有效的技術(shù)路線之一。劉燕等人[18]對運(yùn)動模型進(jìn)行了修正，在直線假設(shè)的基礎(chǔ)上考慮了衛(wèi)星在信號發(fā)收過程中的位移，改進(jìn)了成像算法，可以獲取0.2 m分辨率、8 km(距離向)×4 km(方位向)幅寬的圖像；Yuan Wu等人[19]提出了等效加速度距離模型；于澤等人[20]基于連續(xù)直線運(yùn)動模型，考慮了軌道彎曲因素，提出了連續(xù)切線運(yùn)動模型，將每個發(fā)收期間的星載SAR運(yùn)動軌跡用軌道切線來近似，并假設(shè)SAR沿近似軌道連續(xù)運(yùn)動?；谶B續(xù)切線運(yùn)動模型，對回波數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償，能夠獲得更好的成像質(zhì)量。針對高分辨率星載SAR，參數(shù)如表3所示。圖5給出了35°視角下的點目標(biāo)仿真實驗結(jié)果。該點目標(biāo)沿方位向偏離場景中心7.5 km。表4的指標(biāo)評價結(jié)果表明，補(bǔ)償后距離向和方位向分辨率提升均優(yōu)于7%，點目標(biāo)響應(yīng)特性也恢復(fù)為標(biāo)準(zhǔn)的sinc函數(shù)。雖然補(bǔ)償前的距離向峰值旁瓣比和積分旁瓣較好，但這是以分辨率的損失為代價的。仿真結(jié)果表明，該補(bǔ)償算法在全場景內(nèi)的成像一致性較好，未發(fā)生明顯的輻射質(zhì)量不均勻和幾何畸變現(xiàn)象，能夠滿足高分辨率星載SAR系統(tǒng)的成像要求。

(2)對流層傳播效應(yīng)補(bǔ)償技術(shù)

由于大氣密度的變化，電磁波在經(jīng)過大氣對流層時會發(fā)生折射，造成對流層延遲，使得衛(wèi)星與目標(biāo)之間的視在距離和真實距離存在偏差，在回波相位中引入附加相位，進(jìn)而影響方位向成像質(zhì)量[21]。對于0.3 m分辨率SAR衛(wèi)星，在標(biāo)準(zhǔn)大氣參數(shù)下，對流層延遲可以使主瓣展寬1.39%～10.97%，峰值旁瓣比下降1.0～5.5 dB，積分旁瓣比下降范圍1.0～4.5 dB。為了補(bǔ)償對流層效應(yīng)對高分辨率星載SAR成像質(zhì)量的影響，可以采用指數(shù)與余弦函數(shù)相結(jié)合的模型[10]，也可以通過IGS(International GNSS Services)實測數(shù)據(jù)優(yōu)選適合高分辨率星載SAR的對流層天頂延遲模型和映射模型，估算不同視角下的對流層延遲量。

在對流層天頂延遲模型方面[22]，雖然EGNOS模型的輸入?yún)?shù)簡單，只包括觀測緯度、觀測日期和高程信息，但其引入的天頂延遲誤差至少有90%的幾率在-9～11 cm之間，可以滿足對地觀測的需求。在映射函數(shù)方面，國際公認(rèn)的模型有：CFa2.2,MTT,NMF與Ifadis。在15°～55°視角下，4個映射函數(shù)模型引起的對流層總延遲誤差相互之間不超過4 mm。考慮到NMF輸入?yún)?shù)簡單，推薦使用NMF映射函數(shù)。

表3 仿真參數(shù)Tab.3 Simulation parameters

圖5 停走誤差補(bǔ)償前后成像結(jié)果對比圖Fig.5 Comparison of imaging results before and after the compensation of stop-go phase error

表4 停走誤差補(bǔ)償前后成像質(zhì)量評估結(jié)果Tab.4 Imaging quality evaluation of point target before and after compensating for stop-go error

基于觀測場景的緯度、高度角、高程數(shù)據(jù)和觀測日期等參數(shù)，通過EGNOS模型獲取對流層天頂延遲量，利用NMF映射函數(shù)擬合得到本次觀測的對流層影響因子，進(jìn)一步計算距離向補(bǔ)償因子與方位向補(bǔ)償因子，并分別在成像處理的前段和末段進(jìn)行距離向和方位向補(bǔ)償因子的校正，可以得到對流層延遲效應(yīng)補(bǔ)償后的成像結(jié)果。表5給出了視角為15°,35°和55°時對流層延遲補(bǔ)償前后的對比結(jié)果。可以看出，高分辨率星載SAR對流層延遲補(bǔ)償方法可以有效地改善大視角范圍內(nèi)全場景的成像質(zhì)量。

4 星載SAR圖像質(zhì)量提升方法

(1)SAR圖像相干斑抑制技術(shù)

不同于光學(xué)圖像處理當(dāng)中所遇到的高斯噪聲、椒鹽噪聲等，SAR圖像中的相干斑噪聲是真實的電磁測量結(jié)果，是所有相干成像系統(tǒng)固有的原理性噪聲。這種乘性噪聲降低了圖像的輻射精度，造成了目標(biāo)識別率和圖像分割精度的下降[23]。

早期的相干斑抑制方法是以犧牲分辨率為代價的多視處理。此后，4類非多視處理的方法被提出。

第1類，是局部空域濾波方法[24]。其中的代表算法包括Kuan濾波和最大后驗濾波等。這類方法基于貝葉斯準(zhǔn)則和斑點噪聲模型，對圖像進(jìn)行空域濾波，在抑制噪聲的前提下保留了空間分辨性能。但是，由于斑點噪聲模型不適用于對邊緣強(qiáng)點和紋理細(xì)節(jié)的濾波操作，導(dǎo)致了邊緣細(xì)節(jié)等難以保持。

第2類，是變換域方法，例如小波域上的線性最小均方誤差濾波[25]。由于變換域能夠較好地區(qū)分邊緣紋理區(qū)域和均勻區(qū)域，該類方法能夠有效地保持紋理細(xì)節(jié)。但是，這類方法依然是基于圖像的局部特性，容易產(chǎn)生偽吉布斯效應(yīng)。

第3類方法主要根據(jù)圖像中各個像素的特性來進(jìn)行自適應(yīng)濾波[26]，包括基于偏微分方程(Partial Differential Equation,PDE)的同向異性濾波方法、非局部方法等。PDE方法是一種邊緣敏感的去噪方法，其核心在于求解偏微分方程。在反復(fù)迭代過程中，它能夠逐步消除圖像中的斑點噪聲，但也會損失紋理細(xì)節(jié)。而非局部方法利用圖像中相似像素或者相似像素塊進(jìn)行聯(lián)合濾波，能夠在抑制噪聲的同時，保留邊緣和細(xì)節(jié)。PPB(Probabilistic Patch-Based)算法由Deledalle等人[27]于2009年提出，是非局部方法的代表作，也是目前最有效的斑噪抑制方法之一。PPB算法根據(jù)像素點和參考點的相似度去選取像素，賦予不同的權(quán)重，利用相似像素和它們對應(yīng)的權(quán)重對參考點進(jìn)行濾波操作。SARBM3D(SAR Block-Matching 3D)算法也是非局部方法的代表之一[28]。與PPB算法不同的是，它根據(jù)像素塊與參考塊的相似度去選取像素塊，將相似的像素塊堆疊為一個3維的矩陣，然后進(jìn)行小波域上的最小均方誤差濾波。

第4類，是基于深度學(xué)習(xí)的相干斑抑制算法[29-31]。這些算法大都沿用了光學(xué)圖像去噪網(wǎng)絡(luò)，僅改動了訓(xùn)練和標(biāo)簽數(shù)據(jù)。其中，文獻(xiàn)[29]提出了基于DnCNN(Denoising Convolutional Neural Network)的ID-CNN(Image Despeckling Convolutional Neural Network)，采用Conv-BN-Relu(Convolutional layer -Batch Normalization layer -Rectified linear unit)級聯(lián)方式；文獻(xiàn)[30]提出了基于膨脹卷積的SARDRN(Dilated Residual Network)。此外，還有采用生成對抗網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行SAR圖像相干斑抑制的ID-GAN(Image Despeckling Generative AdversarialNetwork)[31]。由于缺乏無噪的真實SAR圖像作為標(biāo)簽數(shù)據(jù)，目前大都采用向光學(xué)圖像添加斑點噪聲的方式生成訓(xùn)練數(shù)據(jù)集，將對應(yīng)的光學(xué)圖像作為標(biāo)簽。然而，訓(xùn)練和測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計特性的差異，制約了深度學(xué)習(xí)方法的相干斑抑制性能。總的來說，基于深度學(xué)習(xí)的相干斑抑制算法仍處于研究初期，還有很大的提升空間。

表5 不同視角下目標(biāo)對流層延遲補(bǔ)償前后對比Tab.5 Evaluation results before and after tropospheric delay compensation with different looking angles

圖6給出了基于改進(jìn)PPB算法[32]的相干斑抑制結(jié)果。其中第1列為原始SAR圖像，第2列為濾波后的圖像。表6給出了定量化評價指標(biāo)。對圖6中的勻質(zhì)區(qū)域1，等效視數(shù)(ENL)由原始的0.9996和1.0420分別提升至36.3338和67.2727。同時，邊緣保持因子(EPI)也得到了較好地保持，兩幅圖的邊緣保持因子分別為0.9484和0.9480?？梢钥闯?，該算法無論是對于均勻區(qū)域的去噪還是紋理信息的保持都有較好的效果。

(2)SAR方位模糊抑制方法

方位模糊本質(zhì)上源于天線方位向主瓣和副瓣回波在頻域發(fā)生混疊。在星載SAR系統(tǒng)設(shè)計過程中，提升脈沖重復(fù)頻率可以減少方位模糊能量對成像質(zhì)量的影響。但是，受限于觀測幅寬和距離模糊度的指標(biāo)要求，脈沖重復(fù)頻率不能無限制提高，方位模糊總會存在于圖像中。對于動態(tài)范圍較大的觀測場景(譬如近岸區(qū)域)，方位模糊現(xiàn)象尤為明顯。由于混疊的模糊能量在SAR成像過程中也得到了部分聚焦，方位模糊會在SAR圖像中產(chǎn)生虛假目標(biāo)，影響目標(biāo)檢測與圖像解譯[33]。

目前，主要有4種方位模糊抑制方法。其一是Moreira等[34]提出的“同相相消法”。該方法利用星載SAR系統(tǒng)的先驗信息構(gòu)建一對理想濾波器，通過對消濾波結(jié)果的方法估計并抑制方位模糊。該方法僅適用于由孤立強(qiáng)散射點產(chǎn)生的方位模糊。為了能夠有效地抑制由分布式目標(biāo)產(chǎn)生的方位模糊，陳杰等人[35]提出了一種“圖像修補(bǔ)法”。該方法通過模糊地圖找到干擾嚴(yán)重的局部區(qū)域，并利用樣例修補(bǔ)技術(shù)進(jìn)行重建，即尋找待處理區(qū)域周圍最類似的像素塊予以替換。不過，該方法僅僅完成了紋理合成，難以保證重建內(nèi)容的準(zhǔn)確性。Guarnieri等人[36]提出了一類普適性更強(qiáng)的“頻域濾波法”。該方法的核心思想是：通過天線方向圖求得局部方位模糊度，構(gòu)建帶通濾波器來抑制方位模糊。雖然該方法能抑制方位模糊近15 dB，但存在方位向分辨率損失。此外，上述3種方法都有一個共同的假設(shè)，即觀測場景中任意兩個不同位置處的目標(biāo)所受的天線方位向方向圖加權(quán)是一致的。由于該假設(shè)僅對條帶模式有效，這些方法的適用范圍受到了限制。

圖6 原始SAR圖像和斑點噪聲抑制后的結(jié)果Fig.6 Results of speckle suppression

表6 斑點噪聲抑制指標(biāo)Tab.6 Speckle noise suppression performance

為了能夠在星載SAR所有工作模式下對方位模糊進(jìn)行抑制，吳有明等人[37]提出了一種基于自適應(yīng)譜截斷和外推的方法。該方法通過準(zhǔn)確估計方位模糊比函數(shù)，選取受方位模糊能量影響較少的頻譜，并對其進(jìn)行外推，獲得完整的頻譜。圖7(a)給出了原始的聚束模式星載SAR圖像。其中，紅色矩形框選區(qū)域受方位模糊干擾較強(qiáng)；圖7(b)是采用自適應(yīng)譜截斷和外推方法后的方位模糊抑制結(jié)果。定量評估結(jié)果表明，對紅色矩形框選區(qū)域中的方位模糊能量抑制達(dá)到了22.95 dB。同時，圖像的空間分辨率得到了較好地保持。

(3)星載SAR旁瓣抑制技術(shù)

從譜域成像的角度，SAR成像就是要獲取目標(biāo)空間頻譜的支撐區(qū)分布，而后通過傅里葉變換來重建觀測場景的圖像。支撐區(qū)的范圍與成像分辨率直接相關(guān)，其形狀與成像沖激響應(yīng)的旁瓣幅度和走向有著對應(yīng)關(guān)系。SAR圖像中強(qiáng)目標(biāo)旁瓣會掩蓋附近的弱目標(biāo)，使得弱目標(biāo)無法檢測出，降低了相鄰目標(biāo)之間的可區(qū)分性。

譜加權(quán)方法是傳統(tǒng)的SAR旁瓣抑制方法之一，通過在頻域?qū)Τ上窠Y(jié)果進(jìn)行加權(quán)來弱化頻譜邊緣處的不連續(xù)性，降低主瓣能量的泄漏。該方法以損失分辨率為代價來壓低旁瓣[38]。

譜變形技術(shù)基于旁瓣走向與空間頻譜支撐區(qū)形狀的映射關(guān)系，常以最大化旁瓣走向差異度為條件，通過不斷改變譜變形方式來搜索出最優(yōu)的聯(lián)合譜變形準(zhǔn)則。使用該準(zhǔn)則對空間頻譜支撐區(qū)進(jìn)行變形，可以得到2維/多維旁瓣走向同時發(fā)生改變的SAR圖像。在抑制旁瓣的同時，該方法通過主旁瓣分離來保持主瓣寬度，即分辨率。

基于稀疏重建理論[39]，能夠獲得優(yōu)異的旁瓣抑制性能，尤其是對孤立點目標(biāo)。同時，分辨率和相位也都得到了較好地保持。但是，重建性能易受噪聲影響。因此，該方法不太適用于城區(qū)等復(fù)雜場景的旁瓣抑制問題。

改變信號形式，也可以達(dá)到旁瓣抑制的效果[40,41]。非線性調(diào)頻信號的調(diào)頻率由脈沖兩端向中心處逐漸減小，其頻譜呈現(xiàn)為錐削狀。非線性調(diào)頻信號經(jīng)過匹配濾波后，旁瓣得到抑制，但是主瓣有所展寬。

空變切趾濾波算法(Spatially Variant Apodization,SVA)是一種非線性的自適應(yīng)加權(quán)算法[42]。對于圖像中的每個像素，它從一組升余弦類加權(quán)窗函數(shù)的處理結(jié)果中找到幅度最小值，在不改變主瓣的基礎(chǔ)上抑制旁瓣。鑒于SVA的魯棒性，該方法及其改進(jìn)方法在工程實際中大量應(yīng)用，取得了較好的結(jié)果。圖8(a)所示的單視復(fù)圖像經(jīng)SVA算法處理后，得到圖8(b)，峰值旁瓣比、積分旁瓣比平均改善約23.34 dB和22.15 dB，并且主瓣寬度基本保持不變。

圖7 方位模糊抑制效果Fig.7 Azimuth ambiguity suppression result

上述基于改進(jìn)PPB的相干斑抑制方法、基于自適應(yīng)譜截斷和外推的方位模糊抑制方法、SVA旁瓣抑制方法適用于所有的SAR工作模式，所能達(dá)到的性能指標(biāo)與待處理圖像的具體特征有關(guān)。SAR圖像質(zhì)量提升方法總結(jié)如圖9所示。

5 結(jié)束語

本文對以高精度數(shù)據(jù)獲取、高分辨率成像處理、圖像后處理為代表的星載SAR成像和圖像質(zhì)量提升技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)，給出了實驗結(jié)果。目前，星載SAR都是在空間段獲取數(shù)據(jù)、在地面段進(jìn)行高精度成像和圖像處理。隨著星上實時處理和大斜視成像技術(shù)的發(fā)展，星載SAR智能對地觀測機(jī)制也是提升星載SAR成像和圖像質(zhì)量的技術(shù)途徑之一?？梢酝ㄟ^星上大斜視粗成像獲取初步的圖像結(jié)果，結(jié)合遙感應(yīng)用需求動態(tài)調(diào)整有效載荷參數(shù)，使得數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理、遙感應(yīng)用形成閉環(huán)，不僅能夠獲取高質(zhì)量圖像，而且可以進(jìn)一步改善星載SAR的應(yīng)用效能。

圖8 SVA處理結(jié)果Fig.8 SVA result

圖9 SAR圖像質(zhì)量提升方法總結(jié)Fig.9 Summary of SAR image quality improvement methods