鄧云凱 禹衛(wèi)東 張 衡 王 偉 劉大成 王 宇

(中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院 北京 100190)

(中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

1 引言

合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar,SAR)作為一種主動(dòng)式微波成像傳感器，通過發(fā)射寬帶調(diào)頻信號(hào)和脈沖壓縮技術(shù)實(shí)現(xiàn)距離向高分辨率，通過方位合成孔徑技術(shù)獲得方位向高分辨率。與光學(xué)及高光譜遙感手段相比，SAR具備全天時(shí)、全天候的成像能力，獲得的圖像能夠反映目標(biāo)微波散射特性，而且具有一定的穿透性，是獲取地物信息的一種重要技術(shù)手段[1-18]。星載SAR是以衛(wèi)星等空間飛行器為運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，具備全球觀測(cè)能力，在全球軍事偵察、環(huán)境遙感、自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)及行星探測(cè)等領(lǐng)域發(fā)揮了不可替代的作用。

從1978年美國(guó)發(fā)射第1顆SAR衛(wèi)星SEASAT開始，星載SAR逐漸成為對(duì)地觀測(cè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，很多國(guó)家都陸續(xù)開展了星載SAR技術(shù)研究并制定了相應(yīng)的星載SAR衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)展規(guī)劃。進(jìn)入21世紀(jì)以來，世界上多個(gè)航天強(qiáng)國(guó)相繼部署了各自的星載SAR衛(wèi)星系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)了SAR衛(wèi)星的更新?lián)Q代，如歐空局(ESA)發(fā)射了接替EnviSAT的Sentinel-1[19]。近十幾年來，星載合成孔徑雷達(dá)在系統(tǒng)體制、成像理論、系統(tǒng)性能、應(yīng)用領(lǐng)域等方面均取得了巨大發(fā)展，SAR圖像的幾何分辨率從初期的百米提升至亞米級(jí)。從早期單一的工作模式，到現(xiàn)在的多模式SAR；從固定波束掃描角(條帶模式)到波束掃描(聚束模式，滑動(dòng)聚束模式)，再發(fā)展到二維波束掃描模式(Sentinel的TOPS模式，TecSAR的馬賽克模式等)；從傳統(tǒng)單通道接收到新體制下多通道接收，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高分辨率與寬測(cè)繪帶；從單一頻段、單一極化方式發(fā)展到多頻多極化；從單星觀測(cè)發(fā)展到多星編隊(duì)或多星組網(wǎng)協(xié)同觀測(cè)，實(shí)現(xiàn)多基地成像與快速重訪。目前，新體制星載SAR技術(shù)的研究與應(yīng)用已成為我國(guó)對(duì)地觀測(cè)領(lǐng)域的重點(diǎn)發(fā)展方向。

本文將圍繞星載SAR技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)展開論述。主要從高幾何分辨率、高分辨率寬測(cè)繪帶成像、輕小型化、高時(shí)間分辨率、多基地、智能化等方面探討未來星載SAR的發(fā)展趨勢(shì)。

2 高分辨率SAR成像

空間幾何分辨率是星載SAR系統(tǒng)的核心性能指標(biāo)，直接反應(yīng)了SAR系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)與地物的描述能力，高分辨率能夠更為精細(xì)地反映目標(biāo)特征信息，便于目標(biāo)識(shí)別和特征提取，在航天軍事偵察、地形測(cè)繪及災(zāi)害評(píng)估等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。近20年來，為了使星載SAR系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高分辨率成像，各國(guó)專家學(xué)者們一直在不懈地尋找新的雷達(dá)工作體制和方法，因此，高分辨率星載SAR一直是國(guó)際星載SAR技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)。

美國(guó)的的“長(zhǎng)曲棍球”(Lacrosse)是世界上首次達(dá)到0.3 m分辨率的SAR衛(wèi)星，作為其換代系統(tǒng)的FIA (Future Imagery Architecture Radar,FIARadar)的最高分辨率優(yōu)于0.3 m。TerraSAR-X衛(wèi)星是德國(guó)的軍民兩用衛(wèi)星，利用該衛(wèi)星的凝視聚束試驗(yàn)?zāi)Ｊ娇蓪?shí)現(xiàn)方位0.24 m分辨率成像。HRWS(High-Resolution Wide-Swath)是德國(guó)正在規(guī)劃的下一代SAR成像衛(wèi)星，預(yù)計(jì)可實(shí)現(xiàn)最高0.25 m分辨率SAR成像。因此，縱觀國(guó)際所有高分辨率SAR衛(wèi)星系統(tǒng)，最高分辨率已優(yōu)于0.3 m。

圖1為不同分辨率下地物目標(biāo)的SAR圖像[12]，可明顯看出高分辨率對(duì)于實(shí)現(xiàn)目標(biāo)確認(rèn)和描述的重要性。

以航天軍事偵察為例，分辨率直接反映了系統(tǒng)的偵察能力，美國(guó)經(jīng)過大量試驗(yàn)后得出了雷達(dá)圖像分辨率與能夠偵察的典型軍事目標(biāo)之間的關(guān)系。表1列舉了一些典型地物目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)、識(shí)別、確認(rèn)和描述所需的分辨率。

從表1數(shù)據(jù)中不難發(fā)現(xiàn)當(dāng)SAR成像的分辨率提高到0.3 m時(shí)，可以確認(rèn)絕大多數(shù)的軍事目標(biāo)。如圖2所示，針對(duì)坦克目標(biāo)，1.0 m分辨率可發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，0.3 m可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)確認(rèn)，但是，若要實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行更加精細(xì)地描述，SAR成像的分辨率需進(jìn)一步提高。

在距離向，星載SAR主要通過發(fā)射大帶寬信號(hào)來提高分辨率。然而，信號(hào)帶寬的大幅增加對(duì)系統(tǒng)收發(fā)射頻鏈路、超寬帶天線的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)以及宇航級(jí)高速數(shù)字器件均提出了較高的要求。對(duì)此，也可采用多子帶工作方式避免大帶寬信號(hào)收發(fā)，從而降低系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)難度[12,20,21]。在方位向，星載SAR主要利用聚束和滑動(dòng)聚束模式增加雷達(dá)合成孔徑時(shí)間，提高方位分辨率。

分辨率越高，需要的雷達(dá)發(fā)射信號(hào)帶寬越大、合成孔徑長(zhǎng)度越長(zhǎng)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)就變得更加復(fù)雜。此外，受軌道彎曲、地球曲率及高程的影響，必須對(duì)雷達(dá)波束進(jìn)行精確的兩維指向控制，進(jìn)而保證對(duì)目標(biāo)的準(zhǔn)確照射時(shí)長(zhǎng)，而且目標(biāo)與雷達(dá)間的相干歷程在整個(gè)場(chǎng)景內(nèi)沿距離和方位兩維空變，這對(duì)高分辨率星載SAR精確信號(hào)建模與成像聚焦處理提出較大挑戰(zhàn)。

3 高分辨率寬幅成像

傳統(tǒng)星載SAR系統(tǒng)參數(shù)間存在復(fù)雜的相互制約關(guān)系，其成像幾何指標(biāo)方位分辨率與成像幅寬無(wú)法同時(shí)提高，表現(xiàn)為最小天線面積、二維模糊[22]以及等效噪聲后向散射系數(shù)(Noise Equivalent Sigma Zero,NESZ)[23]等指標(biāo)約束，并共同構(gòu)成對(duì)星載SAR的系統(tǒng)性能約束。

圖1 不同分辨率SAR圖像對(duì)比(X波段，分辨率自左至右分別為0.1 m,0.5 m和2.0 m，場(chǎng)景分別為電塔和農(nóng)田，中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院(下文簡(jiǎn)稱AIR-CAS)航天微波遙感系統(tǒng)部供圖)Fig.1 SAR image comparison between different resolution (tower and farm at X band,the resolution are 0.1 m,0.5 m and 2.0 m.Images are provided by the Department of Space Microwave Remote Sensing System,AIR-CAS)

表1 SAR圖像分辨率與典型軍事目標(biāo)關(guān)系(m)Tab.1 The relationship between the resolution and typical military targets (m)

圖2 不同分辨率下坦克的圖像(圖片數(shù)據(jù)來源美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室)Fig.2 Tank at different resolution (Images are from the United States Sandia National Lab.)

圖3所示為傳統(tǒng)體制SAR向新工作模式的發(fā)展趨勢(shì)，為突破傳統(tǒng)星載SAR的系統(tǒng)性能約束，獲取高分辨率寬幅成像能力，各國(guó)科學(xué)家充分挖掘了星載SAR系統(tǒng)在空間域、時(shí)間域、頻率域和編碼域的多自由度特征，陸續(xù)提出新的工作體制，大大拓展了系統(tǒng)成像能力，主要包括：方位多波束、變脈沖重復(fù)頻率(Pulse Repetition Frequency,PRF)、俯仰向數(shù)字波束形成(Digital BeamForming,DBF)、多發(fā)多收(Multiple-Input,Multiple-Output,MIMO)等。

圖3 傳統(tǒng)體制SAR向新工作模式的發(fā)展Fig.3 SAR development from the traditional mode to the new ones

目前，方位向多波束在與其它工作體制或模式相結(jié)合時(shí)的高魯棒性信號(hào)重構(gòu)、誤差估計(jì)等方面仍需進(jìn)一步研究；變PRF技術(shù)需深入研究時(shí)變收發(fā)時(shí)序設(shè)計(jì)、缺失數(shù)據(jù)恢復(fù)、數(shù)據(jù)均勻化重建等問題；DBF技術(shù)在SAR中的應(yīng)用已被德國(guó)DLR、美國(guó)NASA和中國(guó)AIR-CAS等多個(gè)研究機(jī)構(gòu)通過試驗(yàn)完成初步驗(yàn)證，但若實(shí)現(xiàn)在星載SAR中的工程應(yīng)用，仍需解決高相干性合成算法、高效處理架構(gòu)、高精度幅相標(biāo)定等工程技術(shù)問題；MIMO-SAR需重點(diǎn)解決實(shí)用化正交波形設(shè)計(jì)、高精度回波分離等問題。下面本文對(duì)各主要工作體制分別進(jìn)行介紹。

3.1 方位多波束

方位多波束技術(shù)主要包括單相位中心方位多波束(Single Phase Center Multiple Azimuth Beams,SPC-MAB)技術(shù)[24]與偏置相位中心方位多波束(Displaced Phase Center Multiple Azimuth Beams,DPC-MAB)[5,25]技術(shù)。SPC-MAB技術(shù)使用方位向?qū)挷ㄊ蛘呦嗷ヅB的多個(gè)窄波束發(fā)射信號(hào)以獲取大的多普勒帶寬，接收時(shí)在方位向形成具有共同相位中心的多個(gè)不同指向的子接收波束，如圖4(a)所示，但其存在波束間串?dāng)_，會(huì)惡化方位模糊。DPC-MAB技術(shù)更加成熟。如圖4(b)所示，天線在方位向劃分為多個(gè)接收子孔徑，從而在每個(gè)采樣時(shí)刻均可獲取多個(gè)方位空間位置的回波采樣。因此，SPC-MAB與DPC-MAB本質(zhì)上均是以空間采樣換取時(shí)間采樣實(shí)現(xiàn)高分辨率寬幅成像。

方位多波束信號(hào)處理主要包括多普勒解模糊和幅相校正。其中，多普勒解模糊主要是通過對(duì)模糊的多個(gè)通道回波進(jìn)行信號(hào)處理，以恢復(fù)出單通道低模糊的方位多普勒信號(hào)。而幅相校正則是為了對(duì)實(shí)際多通道SAR中出現(xiàn)的幅度相位誤差進(jìn)行校正。

圖4 兩種方位多波束技術(shù)Fig.4 Two types of technologies of multiple azimuth beams

DLR的Gebert等人[5]對(duì)多通道信號(hào)的多普勒解模糊處理技術(shù)做了深入研究，提出了通用的通道矩陣求逆的多通道信號(hào)重建方法，但是該方法難以緩解方位模糊與信噪比的矛盾，特別是非均勻PRF的情況。由此，在Gebert等人的研究基礎(chǔ)上，Cerutti-Maori等人[26]提出了最大信號(hào)模糊噪聲比方法。此外，國(guó)內(nèi)學(xué)者也針對(duì)該矛盾作了相關(guān)研究[27-31]。西安電子科技大學(xué)劉保常等人[27]提出了改進(jìn)DBF重構(gòu)方法；AIR-CAS對(duì)方位模糊與信噪比的矛盾也做了深入研究，先后提出了基于天線方向圖的最小方位模糊優(yōu)化法[28]，針對(duì)高度非均勻采樣情況提出了IMPMMSE方法[29]，以及基于多目標(biāo)優(yōu)化模型下的方位多通道重構(gòu)方法[30]。

通道幅相校正主要包括兩類方法：內(nèi)部校正方法[32]和基于多通道原始數(shù)據(jù)校正方法?；诙嗤ǖ涝紨?shù)據(jù)的通道均衡校正方法，包括經(jīng)典的通道均衡校正方法，如二維自適應(yīng)校正方法[33]、子空間投影法[34,35]和方位功率譜法[36]，以及近些年提出的一些新穎的通道均衡校正方法，如基于距離向互相關(guān)的通道失配校正方法等[37-40]。

目前，DPC-MAB技術(shù)已經(jīng)在實(shí)際機(jī)載和星載SAR系統(tǒng)中得到應(yīng)用。高分三號(hào)是我國(guó)首顆具備方位向多通道成像能力的SAR衛(wèi)星，其超精細(xì)條帶模式采用方位向雙通道實(shí)現(xiàn)高分辨率寬幅成像。圖5為高分三號(hào)雙通道成像結(jié)果，且通道誤差校正后，假目標(biāo)低于-50 dB。

3.2 變脈沖重復(fù)頻率(PRF)

變PRF體制是為了實(shí)現(xiàn)超寬幅連續(xù)成像而被提出來的，通過改變雷達(dá)PRF可使回波盲區(qū)的位置持續(xù)改變，從而將盲區(qū)分散在整個(gè)成像帶內(nèi)，如圖6(b)所示。通過這種技術(shù)，距離向幅寬可擴(kuò)展為接收窗的數(shù)倍，結(jié)合俯仰向多波束可實(shí)現(xiàn)超大幅寬成像。

圖5 高分三號(hào)SAR衛(wèi)星超精細(xì)條帶模式成像結(jié)果(數(shù)據(jù)由中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院航天微波遙感系統(tǒng)部提供)Fig.5 The ultra-fine strip mode imaging results of Gaofen-3 satellite (Images are provided by the Department of Space Microwave Remote Sensing System,AIR-CAS)

圖6 變PRF模式工作原理Fig.6 The operating principle of PRF variation technology

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，PRF變化方式將決定方位信號(hào)丟失形式并直接影響到該成像體制的系統(tǒng)靈敏度、模糊度等性能指標(biāo)。在信號(hào)處理方面，方位向變PRF引入的非均勻采樣使得該體制信號(hào)模型區(qū)別于傳統(tǒng)星載SAR體制，多脈沖信號(hào)回波分離、盲區(qū)內(nèi)缺失數(shù)據(jù)的恢復(fù)和高效高精度的非均勻重采樣方法均是信號(hào)處理中需要解決的主要問題。

不同的PRF變化周期使得盲區(qū)沿方位向的分布不同，周期越短，盲區(qū)沿方位向分布越均勻，聚焦后不同位置處目標(biāo)的性能也更加一致[42]。因此，在文獻(xiàn)[43]中設(shè)計(jì)了很短的PRF變化周期，并采用多通道重構(gòu)技術(shù)，將包含缺失數(shù)據(jù)的方位向非均勻采樣數(shù)據(jù)重構(gòu)為均勻采樣數(shù)據(jù)，仿真表明這種算法將顯著放大噪聲，影響最終的成像質(zhì)量。文獻(xiàn)[44]提出一種改進(jìn)的多通道重建算法，通過減少處理頻帶的個(gè)數(shù)增大自由度，利用線性約束最小功率(Linearly Constrained Minimum Power,LCMP)法則最小化帶外模糊信號(hào)和噪聲的功率，進(jìn)而提高成像質(zhì)量。這種方法需要較高的過采樣率，會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)率和距離模糊比的增加。DLR也提出過一種基于高過采樣率的變PRF信號(hào)處理方法[45]，其中的脈沖重復(fù)間隔(Pulse Repetition Interval,PRI)呈周期性線性變化，可以保證不連續(xù)丟失兩個(gè)采樣，對(duì)應(yīng)的盲區(qū)分布如圖7所示。在信號(hào)處理時(shí)可根據(jù)天線方向圖對(duì)應(yīng)的功率譜密度信息，直接獲得對(duì)均勻采樣數(shù)據(jù)的最優(yōu)線性無(wú)偏(Best Linear Unbiased,BLU)估計(jì)。DLR進(jìn)一步探討了變PRF體制的星上處理方案以降低數(shù)據(jù)率[46]，并擬于Tandem-L中采用這一體制實(shí)現(xiàn)3 m/350 km的成像能力。

原中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所針對(duì)低過采樣率下變PRF體制提出了一種結(jié)合缺失數(shù)據(jù)迭代自適應(yīng)方法(Missing data Iterative Adaptive Approach,MIAA)的譜估計(jì)和重采樣處理方法[47]，并且基于HJ-1-C星載SAR數(shù)據(jù)，根據(jù)設(shè)計(jì)的PRF序列，丟失部分?jǐn)?shù)據(jù)，直接成像結(jié)果如圖8(a)所示。采用譜估計(jì)恢復(fù)缺失數(shù)據(jù)后的成像結(jié)果如圖8(b)所示，可以看到由于缺失數(shù)據(jù)引起的假目標(biāo)得到了良好抑制。鑒于該方法巨大的潛力，DLR進(jìn)行了持續(xù)深入研究[48]，將BLU插值與MIAA譜估計(jì)方法結(jié)合起來，一方面利用了MIAA可對(duì)線譜實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確估計(jì)的能力，另一方面利用了BLU對(duì)均勻面目標(biāo)具有最小二乘意義下的最佳估計(jì)性能。

此外，星載SAR在方位大角度掃描成像時(shí)，針對(duì)有效數(shù)據(jù)隨距離徙動(dòng)量增加而降低的問題[49]，將PRF沿方位時(shí)間連續(xù)緩慢變化，可使得接收窗的變化與瞬時(shí)斜距的變化保持一致，從而顯著降低系統(tǒng)冗余數(shù)據(jù)，如圖9所示。該體制尤其適用于斜視聚束/滑聚模式[50-52]，能夠在保證高分辨率成像的同時(shí)增加有效幅寬。

圖7 周期性線性變化的脈沖重復(fù)間隔(PRI)及其對(duì)應(yīng)的盲區(qū)分布[41]Fig.7 Pulse repetition intervals with periodic linear variation and corresponding blind ranges[41]

圖8 基于星載SAR模擬變PRF模式數(shù)據(jù)的成像結(jié)果Fig.8 Imaging results based on simulated data with PRF variation of spaceborne SAR

3.3 俯仰向DBF

前面兩節(jié)本文介紹了方位多波束和變PRF技術(shù)，它們可以大大拓展星載SAR的成像幅寬。然而星載SAR系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)寬幅成像需要在俯仰向具有較寬的波束，而寬波束又對(duì)應(yīng)較小的天線高度，這會(huì)明顯降低發(fā)射和接收增益，惡化系統(tǒng)靈敏度，降低圖像信噪比，最終無(wú)法滿足實(shí)際應(yīng)用需求。作為一種重要的系統(tǒng)工作體制，俯仰向DBF技術(shù)[53]可在寬波束發(fā)射的同時(shí)實(shí)現(xiàn)高增益掃描接收，從而大大提升系統(tǒng)信噪比，獲得真正滿足應(yīng)用需求的高分辨率寬幅成像。因此，俯仰向DBF是星載SAR實(shí)現(xiàn)高分辨率寬幅成像的關(guān)鍵技術(shù)。俯仰向DBF技術(shù)以俯仰向小孔徑天線進(jìn)行寬幅照射，以俯仰向多通道天線接收回波，如圖10所示，各通道信號(hào)分別接收與采集，并在數(shù)字域通過信號(hào)處理生成數(shù)字窄波束掃描接收回波，實(shí)現(xiàn)高增益接收，大幅提升系統(tǒng)信噪比性能。

俯仰向DBF接收技術(shù)需要在星上實(shí)時(shí)處理多個(gè)通道的數(shù)據(jù)，最后只需存儲(chǔ)數(shù)字波束合成后輸出的一路信號(hào)，所以該技術(shù)需要占用大量的數(shù)字處理資源。因此，如何實(shí)現(xiàn)星上高效高精度實(shí)時(shí)波束合成是實(shí)現(xiàn)星上DBF的關(guān)鍵。

圖9 大斜視聚束SAR成像幾何，(a)和(b)分別展示了PRF固定和變化時(shí)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)情況Fig.9 The acquisition geometry of highly squint spotlight mode SAR

針對(duì)DBF技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，國(guó)際上德國(guó)DLR和中國(guó)AIR-CAS都做了大量研究工作[13-15,17,53-55]。在傳統(tǒng)的處理框架中，DBF-SAR系統(tǒng)中每一個(gè)通道的信號(hào)都需經(jīng)過中頻采樣與數(shù)字解調(diào)，然后在數(shù)字域加權(quán)之后合成。為克服脈寬延展損失的影響，需要在對(duì)各個(gè)通道的數(shù)據(jù)流加權(quán)之后引入FIR時(shí)延濾波器，總體框架如圖11所示。Dn表示第n個(gè)通道的FIR延時(shí)量。隨著俯仰向通道數(shù)的增多，消耗的系統(tǒng)資源會(huì)大幅增加。

為了降低系統(tǒng)復(fù)雜度，AIR-CAS提出了一種高效的數(shù)字處理架構(gòu)[11,15]。該架構(gòu)調(diào)整正交解調(diào)和波束形成的順序，首先在實(shí)數(shù)域?qū)χ蓄l信號(hào)進(jìn)行延時(shí)和加權(quán)，然后將所有通道的數(shù)據(jù)合成為兩路信號(hào)，最后做擴(kuò)展的數(shù)字域正交解調(diào)得到DBF輸出的基帶信號(hào)?？傮w框架如圖12所示。

圖10 俯仰向DBF掃描接收示意圖Fig.10 The sketch of DBF scan on receive in elevation

圖11 傳統(tǒng)DBF-SAR系統(tǒng)處理框架Fig.11 The traditional processing framework of DBF-SAR system

圖12 改進(jìn)的DBF-SAR系統(tǒng)處理框架Fig.12 The modified processing framework of DBF-SAR system

通過對(duì)兩種方案所需的乘法次數(shù)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，隨著通道數(shù)的增多，兩個(gè)方案需要的乘法器次數(shù)呈線性增長(zhǎng)。但是改進(jìn)DBF處理方案需要的乘法器次數(shù)大大低于傳統(tǒng)DBF方案，因此改進(jìn)方案可以有效地降低系統(tǒng)復(fù)雜度，節(jié)約系統(tǒng)成本。該方案將應(yīng)用于我國(guó)后續(xù)高分寬幅星載SAR論證與研制。各國(guó)學(xué)者對(duì)星載SAR俯仰向DBF接收技術(shù)不僅進(jìn)行了廣泛的理論研究，還進(jìn)行了多種形式的試驗(yàn)驗(yàn)證[56,57]，為未來高性能星載SAR系統(tǒng)的工程實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。AIR-CAS航天微波遙感系統(tǒng)部研發(fā)了一套X波段16通道高分辨率DBF-SAR系統(tǒng)，并于2019年12月開展了機(jī)載飛行試驗(yàn)，圖13為獲取的圖像。針對(duì)俯仰向16通道DBF SAR系統(tǒng)，理論信噪比提升約12 dB。通過對(duì)數(shù)字波束形成前后的兩幅圖像進(jìn)行對(duì)比可見，高增益數(shù)字波束使得系統(tǒng)信噪比得到了顯著提升，通過圖像評(píng)測(cè)，DBF技術(shù)使圖像信噪比提升11.2 dB。

3.4 MIMO SAR技術(shù)

多發(fā)多收合成孔徑雷達(dá)(MIMO-SAR)[58]是近些年來提出了一種新體制SAR。依據(jù)多個(gè)收發(fā)天線之間的位置和布局關(guān)系，MIMO-SAR可分為分布式和緊湊式兩大類[59]。分布式MIMO[60]是指多個(gè)收發(fā)天線之間稀疏布陣，各條信道之間近似獨(dú)立，如圖14(a)所示；緊湊式MIMO-SAR[61]是指所有收發(fā)單元位于同一平臺(tái)上或相互之間非常靠近(如圖14(b)所示)，該模式接收的都是目標(biāo)同一方向上的散射信息，因而各收發(fā)通道相關(guān)性很強(qiáng)。MIMO-SAR系統(tǒng)通過更多的收發(fā)陣元獲得更為豐富的系統(tǒng)自由度，并以此突破傳統(tǒng)SAR體制限制，實(shí)現(xiàn)高分辨率寬幅成像跨越發(fā)展和多模式協(xié)同。

MIMO-SAR自由度的提升主要體現(xiàn)在額外的相位中心，作為一個(gè)示例，圖15給出了緊湊式MIMO-SAR相位中心變化情況。相對(duì)于方位N通道的N個(gè)方位相位中心，MIMO-SAR則有2N-1個(gè)相位中心?？梢姡琈IMO-SAR擁有更多的自由度，不僅能獲得遠(yuǎn)多于實(shí)際天線數(shù)目的等效觀測(cè)通道，還可顯著提升功率孔徑積，為解決傳統(tǒng)SAR面臨的高分辨率與寬幅間的矛盾以及多任務(wù)協(xié)同等實(shí)際問題提供了更為有效的技術(shù)途徑。

針對(duì)多個(gè)發(fā)射波形下的回波分離是MIMO-SAR實(shí)現(xiàn)的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)。依據(jù)發(fā)射波形特征，MIMO-SAR可進(jìn)一步分為分時(shí)同頻、同時(shí)分頻和同時(shí)同頻3大類：第1類主要設(shè)計(jì)分時(shí)同頻的正交信號(hào)，通過時(shí)序控制，在不同的脈沖重復(fù)周期(PRI)內(nèi)發(fā)射多路同頻信號(hào)，如乒乓模式的全極化干涉SAR系統(tǒng)[62]和ARTINO下視三維成像系統(tǒng)[63]，這種方法用時(shí)間資源換取空間資源，往往導(dǎo)致系統(tǒng)PRF過高，對(duì)幅寬構(gòu)成限制；第2類主要通過頻率分集來隔離同時(shí)發(fā)射的多路信號(hào)，再運(yùn)用子帶拼接實(shí)現(xiàn)高分辨率[64]，如德國(guó)FGAN-FHR開發(fā)的機(jī)載PAMIR系統(tǒng)[65]。這種方法雖能降低發(fā)射端帶寬，但仍是全帶寬接收，并不能降低系統(tǒng)成本，另外，可獲得的有效相位中心數(shù)目并不多于單發(fā)多收SAR系統(tǒng)，因此性能有限；第3種的主要目的是實(shí)現(xiàn)同時(shí)同頻的回波分離，利用波形編碼的正交條件來設(shè)計(jì)MIMOSAR的正交波形，由于同時(shí)同頻MIMO-SAR在時(shí)間、空間、頻率、極化等多個(gè)維度內(nèi)的自由度更高，是更為嚴(yán)格意義上的多發(fā)多收合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)，所以是國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究重點(diǎn)[58]。

2008年，DLR的Krieger等人[66]提出了“多維波形編碼”的概念(如圖16所示)，即綜合利用空間維、時(shí)間維及頻率維的調(diào)制來抑制并行觀測(cè)通道模糊能量。文獻(xiàn)[58]指明了MIMO-SAR波形設(shè)計(jì)誤區(qū)，細(xì)化了多維波形編碼思路，設(shè)計(jì)了短時(shí)移正交(Short-Term-Shift-Orthogonal,STSO)波形，然后利用空域?yàn)V波抑制模糊能量；之后，Rommel等人[60]又提出了正交波形波束形成MIMO-SAR，其作為NASA下一代的機(jī)載L波段SAR模式，在未來也將以DBSAR-2系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)的飛行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

圖13 機(jī)載DBF-SAR成像結(jié)果(數(shù)據(jù)由中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院航天微波遙感系統(tǒng)部提供)Fig.13 The imaging results of single channel and 16-channels with DBF processing in elevation (Images are provided by the Department of Space Microwave Remote Sensing System,AIR-CAS)

圖14 MIMO-SAR分類示意圖Fig.14 The classification diagram of MIMO-SAR

利用波形編碼在碼域?qū)崿F(xiàn)MIMO可為未來星載SAR技術(shù)發(fā)展提供廣闊的前景。AIR-CAS已對(duì)SAR波形設(shè)計(jì)進(jìn)行了大量研究，可以實(shí)現(xiàn)模糊抑制、能量無(wú)損旁瓣抑制等，且研發(fā)了非線性波形發(fā)生器，應(yīng)用于我國(guó)《國(guó)家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃(2015-2025)》首個(gè)衛(wèi)星型號(hào)工程-陸地探測(cè)一號(hào)SAR衛(wèi)星(LT-1)[67-69]。

目前對(duì)MIMO-SAR系統(tǒng)還處于理論研究階段，進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用仍需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。

4 星載雙/多基SAR

圖15 MIMO-SAR構(gòu)成多相位中心Fig.15 MIMO-SAR forms multiple phase centers

圖16 多維正交波形概念示意圖Fig.16 The diagram of multidimensional orthogonal waveform encoding concept

自2000年伊始，雙/多基SAR憑借其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，日益獲得研究者的重視。從2004年開始，每年的SAR領(lǐng)域最權(quán)威的兩個(gè)國(guó)際會(huì)議IGARSS和EUSAR都會(huì)設(shè)立一個(gè)關(guān)于雙基SAR的分會(huì)[70,71]。由于多基SAR收發(fā)分置的系統(tǒng)屬性，和單基SAR相比，多基SAR具備多項(xiàng)獨(dú)特優(yōu)勢(shì)：(a)收發(fā)分置，視角可變。可獲取目標(biāo)多角度散射特性信息，實(shí)現(xiàn)多角度融合；(b)基線配置機(jī)動(dòng)靈活。根據(jù)不同觀測(cè)區(qū)域的測(cè)量精度要求，靈活調(diào)整發(fā)射端和接收端的基線距離，獲取地面高程和地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)信息；(c)靜默接收，隱蔽性強(qiáng)。接收機(jī)無(wú)需發(fā)射電磁波，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中不易被對(duì)方的偵查裝置偵查到；(d)系統(tǒng)構(gòu)型多樣，收發(fā)系統(tǒng)可搭載于衛(wèi)星、飛機(jī)、地面裝置等。未來可實(shí)現(xiàn)“一星發(fā)射多星接收”的分布式多基SAR系統(tǒng)，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)高分辨率與超寬幅成像。

多基SAR作為一種高度靈活的遙感技術(shù)，將會(huì)在軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測(cè)、動(dòng)態(tài)地球測(cè)量和海洋監(jiān)視等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。擁有3個(gè)或多個(gè)只接收衛(wèi)星的多基SAR系統(tǒng)將進(jìn)一步拓展天基雷達(dá)遙感的觀測(cè)維度。例如，垂直航跡多基線干涉可用于獲取亞米級(jí)精度的DEM。

多基多功能SAR成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，多個(gè)航天大國(guó)相繼提出了各自的多基SAR系統(tǒng)任務(wù)規(guī)劃，并開展了相關(guān)理論研究[1,41,72-79]，如圖17所示。其中，LT-1包括兩顆先進(jìn)的L波段全極化SAR衛(wèi)星。另外，歐洲HRWS,SESAME[77](Sentinel-1 SAR Companion Multistatic Explorer)兩個(gè)多基SAR計(jì)劃均采用1顆主星結(jié)合多顆只接收小衛(wèi)星構(gòu)型多星SAR構(gòu)型，用于實(shí)現(xiàn)高分寬幅、干涉地形測(cè)繪等任務(wù)。

雙/多基SAR在擁有諸多優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，存在多個(gè)技術(shù)挑戰(zhàn)。首先，多基系統(tǒng)收發(fā)平臺(tái)分置帶來空間、時(shí)間和相位同步問題[78]，如圖18所示。將接收端和發(fā)射端采用了各自獨(dú)立的基準(zhǔn)頻率，其差異性會(huì)引入時(shí)間同步誤差(圖18(a))和相位同步誤差(圖18(b))，導(dǎo)致成像性能下降，無(wú)法實(shí)現(xiàn)高精度干涉測(cè)量。發(fā)射波束和接收波束照射方式與精度將會(huì)影響空間同步性能(圖18(c))，導(dǎo)致相干性下降。其次，雙基SAR斜距歷程也從單基SAR的“單根式”轉(zhuǎn)換為“雙根式”，成像參數(shù)空變性嚴(yán)重，進(jìn)一步增加了雙/多基SAR高精度成像的難度[80,81]。另外，將方位多通道體制應(yīng)用于分布式多基SAR系統(tǒng)構(gòu)成分布式多相位中心成像模式，產(chǎn)生新的問題[79]。這里針對(duì)星載雙基SAR同步技術(shù)和成像進(jìn)行探討，之后給出國(guó)際上幾個(gè)多基SAR任務(wù)規(guī)劃。

4.1 雙/多基SAR同步

時(shí)間同步包括兩個(gè)方面：時(shí)間同步的建立和時(shí)間同步的保持。每次開機(jī)成像時(shí)，雙/多基SAR通過安裝的GNSS模塊，接收同一組GNSS衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)，同時(shí)使用星間相對(duì)狀態(tài)測(cè)量分系統(tǒng)同步GNSS模塊輸出的PPS秒脈沖，實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步的建立；GNSS模塊還用于馴服晶振，實(shí)現(xiàn)多個(gè)平臺(tái)時(shí)間同步的保持，使用該方法的時(shí)間建立和保持誤差控制可在45 ns以內(nèi)。

圖17 星載SAR發(fā)展趨勢(shì)與典型星載SAR系統(tǒng)/概念示意圖Fig.17 Illustration of spaceborne SAR development trend and typical spaceborne SAR systems/concepts

圖18 時(shí)間、相位、波束3同步問題Fig.18 Three synchronization problems:time synchronization,phase synchronization and beam synchronization

DLR的Eineder博士[76]針對(duì)一個(gè)發(fā)射平臺(tái)、兩個(gè)接收平臺(tái)的多基SAR系統(tǒng)提出了一種相位同步方法，兩個(gè)接收平臺(tái)之間通過連續(xù)對(duì)傳同步信號(hào)實(shí)現(xiàn)相位同步，該方法進(jìn)一步研究并應(yīng)用于一發(fā)兩收的雙基SAR系統(tǒng)[82]，如圖19(a)所示。文獻(xiàn)[83]中提出一種利用在交替雙基模式下，基于數(shù)據(jù)估計(jì)相位同步誤差的方法，如圖19(c)。針對(duì)星-機(jī)模式、星-地模式或者機(jī)-地模式可以利用直達(dá)波實(shí)現(xiàn)相位同步[84]，如圖19(d)。DLR的Younis博士等人[82]針對(duì)星載雙星系統(tǒng)提出了一種雙向?qū)髅}沖信號(hào)的方法實(shí)現(xiàn)雙星SAR相位同步，如圖19(b)，該方法需要建立專門的同步鏈路。TanDEM-X衛(wèi)星采用該方法，在每個(gè)衛(wèi)星上安裝6個(gè)同步天線，首次實(shí)現(xiàn)星載雙基SAR同步，如圖20所示[78]。但是TanDEM-X采用的同步方法需要周期性地打斷SAR成像過程。成像過程中斷，造成SAR數(shù)據(jù)缺失問題，因此需要在成像處理中進(jìn)行數(shù)據(jù)重構(gòu)，而且為了降低缺失數(shù)據(jù)的影響，同步頻率較低[85]。

為了避免同步過程中斷成像過程，進(jìn)而產(chǎn)生數(shù)據(jù)缺失問題，原中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所提出了一種非中斷的相位同步方法，并應(yīng)用于LT-1星載雙基SAR系統(tǒng)[86-89]。為實(shí)現(xiàn)雷達(dá)信號(hào)和同步信號(hào)的分離，設(shè)計(jì)了同步收發(fā)器控制同步信號(hào)的發(fā)射和接收。在LT-1系統(tǒng)中采用4個(gè)四臂螺旋天線作為同步天線，如圖21(b)所示，具有寬波束收發(fā)能力。為避免同步信號(hào)和SAR信號(hào)的時(shí)間窗沖突，同步信號(hào)在上一個(gè)回波接收窗之后，下一個(gè)雷達(dá)信號(hào)發(fā)射窗之前的空閑時(shí)間進(jìn)行同步信號(hào)的傳輸，從而無(wú)需打斷成像過程，最大同步頻率達(dá)PRF/2，進(jìn)而得到高相位同步精度。

采用該方案，在LT-1地面測(cè)試系統(tǒng)中，實(shí)測(cè)相位同步精度優(yōu)于0.3°[87]。

4.2 多基SAR協(xié)同成像

TerraSAR-X/TanDEM-X是全球首個(gè)雙星編隊(duì)SAR系統(tǒng)，且單星方位向具有兩個(gè)接收通道，具備分布式多相位中心數(shù)據(jù)獲取能力。2016年，DLR的T.Kraus等人[90,91]利用TerraSAR-X/TanDEM-X開展了沿航跡方向的多基SAR成像實(shí)驗(yàn)。

圖19 雙/多基SAR相位同步方法Fig.19 The phase synchronization schemes for bistatic/multistatic SAR system

圖20 TanDEM-X使用的同步天線和同步時(shí)序Fig.20 The antenna and timing diagram used for TanDEM-X

在實(shí)驗(yàn)中，TerraSAR-X和TanDEM-X工作于追逐雙基模式，兩星沿航跡間隔10 s獲取同一場(chǎng)景的雷達(dá)數(shù)據(jù)，且均采用方位兩通道接收模式，從而構(gòu)成4個(gè)相位中心，如圖22所示。經(jīng)過重構(gòu)處理獲得等效高PRF的雷達(dá)信號(hào)，方位模糊大幅下降，如圖23的對(duì)比圖所示，說明多基SAR分布式相位中心體制可用于實(shí)現(xiàn)高分辨率寬幅成像。

除了這種由雙星構(gòu)成的特殊多基SAR成像模式，DLR的Nida Sakar研究了一種沿航跡多基SAR系統(tǒng)[79]，如圖24所示，由具備發(fā)射和接收功能的主星以及N-1個(gè)只接收的小衛(wèi)星構(gòu)成。

圖21 LT-1雙基SAR系統(tǒng)與同步系統(tǒng)中的螺旋天線Fig.21 The LT-1 bistatic SAR system and the applied quadrifilar helix antenna

在圖24所示的沿航跡多基SAR系統(tǒng)中，為實(shí)現(xiàn)高分辨率與寬幅成像，系統(tǒng)的PRF為單星正常工作情況下的1/N。在這種模式下，傳統(tǒng)的處理方法僅能實(shí)現(xiàn)數(shù)百米的沿航跡基線和低分辨率條件下的信號(hào)重構(gòu)處理。對(duì)此，文獻(xiàn)[79]給出了一種距離多普勒分布式相位中心信號(hào)重構(gòu)方法：在二維頻域通過參考重構(gòu)濾波器完成初步信號(hào)重構(gòu)，在距離-多普勒域完成殘余距離向空變重構(gòu)。圖25給出了該重構(gòu)算法流程。文獻(xiàn)[79]基于該方法，實(shí)現(xiàn)了X波段條件下，沿航跡基線達(dá)15 km，幾何分辨率達(dá)亞米級(jí)的分布式多基SAR成像。

對(duì)于沿航跡多基SAR系統(tǒng)，AIR-CAS研究了一種多基俯仰向多波束體制[92]，如圖26所示，采用“一主多輔”配置，多星同軌，主星發(fā)射并接收，輔星僅接收，主星分時(shí)發(fā)射子脈沖到相互毗連的子測(cè)繪帶，接收時(shí)各星分別接收對(duì)應(yīng)子測(cè)繪帶的回波，且脈沖重復(fù)頻率滿足奈奎斯特采樣率的要求。該體制小衛(wèi)星僅接收，可有效降低成本；且成像能力分置到多顆小衛(wèi)星上，可完成高分寬幅成像任務(wù)。

然而，除了多基SAR系統(tǒng)共有的同步等問題，該體制使得各星模糊區(qū)可能落到其它子帶上，造成強(qiáng)距離模糊，嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能。為解決距離模糊問題，提出了一種不使用DBF及波形編碼技術(shù)，通過模糊信號(hào)估計(jì)器獲得距離模糊信號(hào)的方法，并在信號(hào)中去除，如圖27所示。

圖22 分布式相位中心成像構(gòu)型[91]Fig.22 The multistatic SAR imaging geometry of distributed phase centers[91]

圖23 重構(gòu)處理前后的成像結(jié)果對(duì)比[91]Fig.23 Comparison of the imaging results with/without reconstruction[91]

圖24 一種沿航跡多基SAR系統(tǒng)[79]Fig.24 An along-track multistatic SAR constellation geometry[79]

圖25 沿航跡分布式多基SAR信號(hào)重構(gòu)[79]Fig.25 Block diagram of the reconstruction algorithm for multistatic SAR constellations with large along track baseline[79]

這里給出面目標(biāo)的仿真結(jié)果說明該方法的有效性。仿真采用2顆SAR衛(wèi)星，間距500 m，面目標(biāo)仿真結(jié)果見圖28，從左至右依次為不加模糊，加強(qiáng)模糊，強(qiáng)模糊消除后的結(jié)果?？梢钥吹侥：蟮慕Y(jié)果接近于不加模糊的情況。通過對(duì)比可見采用本方法可有效消除星載多基俯仰向多波束模式下的距離模糊。圖29示意了圖28中強(qiáng)點(diǎn)的方位與距離切片，可以看到模糊消除效果明顯，模糊消除后主瓣寬度與峰值旁瓣比都幾乎等于不加模糊的情況。

圖26 多基距離多波束體制示意圖Fig.26 Multistatic synthetic aperture radar with multiple elevation beams

分布式多基SAR系統(tǒng)構(gòu)型豐富多樣，沿航跡多基SAR模式僅是其中的一種。圖30所示為AIR-CAS提出的一種多星協(xié)同成像系統(tǒng)示意圖，主星同時(shí)具備信號(hào)收發(fā)功能，輔星采用小衛(wèi)星平臺(tái)，主輔星運(yùn)行在不同的軌道上。該系統(tǒng)可同時(shí)具備沿航跡基線和垂直航跡基線。通過基線優(yōu)化設(shè)計(jì)，一方面，單次航過可得到多條垂直有效基線，采用多基線干涉技術(shù)可實(shí)現(xiàn)高精度高程測(cè)量；另一方面，多條沿航跡基線可以實(shí)現(xiàn)高精度的動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)，如獲得洋流的運(yùn)動(dòng)矢量等。其次，通過多星協(xié)同獲取觀測(cè)數(shù)據(jù)，可在較少的航過時(shí)間內(nèi)，積累較多的觀測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)重點(diǎn)區(qū)域的快速高分辨率三維成像。

4.3 星載多基SAR系統(tǒng)規(guī)劃

近幾年，一些先進(jìn)的國(guó)外研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)提出關(guān)于多基SAR編隊(duì)的概念構(gòu)型與技術(shù)。HRWS是德國(guó)宇航局提出的一項(xiàng)多基合成孔徑雷達(dá)任務(wù)[93]，如圖31所示。該系統(tǒng)計(jì)劃基于MirrorSAR的概念開展，其中主星自發(fā)自收，輔星接收?qǐng)鼍暗幕夭ㄐ盘?hào)通過射頻組件傳回主星解調(diào)、記錄。

HRWS多基SAR系統(tǒng)預(yù)計(jì)在軌驗(yàn)證先進(jìn)的數(shù)字波束形成技術(shù)，發(fā)射帶寬高達(dá)1200 MHz的線性調(diào)頻信號(hào)(最高分辨率0.255 m)，四星編隊(duì)飛行完成對(duì)已有數(shù)字高程模型的更新和提升(5個(gè)月完成全球高程測(cè)量，相對(duì)高程精度優(yōu)于2 m，像素網(wǎng)格4 m)，驗(yàn)證新的高分寬幅成像模式。

圖27 強(qiáng)距離模糊估計(jì)與消除流程Fig.27 Procedure of the estimation and removal for the strong range ambiguities

圖28 強(qiáng)距離模糊估計(jì)與消除的面目標(biāo)仿真結(jié)果Fig.28 Simulation results for the estimation and removal of the strong range ambiguities with area target

圖30 多星協(xié)同成像系統(tǒng)示意圖Fig.30 Illustration of a multistatic cooperative SAR imaging system

另一項(xiàng)有代表性的概念構(gòu)型是由德國(guó)宇航局和歐洲航天局聯(lián)合開展的SAOCOM-CS任務(wù)[94]。通過在太空中將已經(jīng)運(yùn)行的SAR平臺(tái)與一個(gè)或多個(gè)其他衛(wèi)星相伴隨來構(gòu)建雙基SAR串聯(lián)衛(wèi)星編隊(duì)，如圖32所示。

SAOCOM-CS系統(tǒng)中SAOCOM-1b是一顆阿根廷的L波段全極化SAR衛(wèi)星，ESA計(jì)劃發(fā)射一顆只接收的伴飛小衛(wèi)星，構(gòu)成雙極化、單航過L波段干涉SAR系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)可變雙基角散射測(cè)量、單航過干涉和相干立體測(cè)量等功能。

5 多維度觀測(cè)

圖31 HRWS系統(tǒng)工作示意圖[93]Fig.31 Illustration of the HRWS mission[93]

得益于SAR成像利用的電磁波信息具有的頻率、幅度、相位、極化等特性，可從SAR圖像中提取出觀測(cè)目標(biāo)的多維度信息。如利用極化SAR技術(shù)可用于獲取地物的取向、形狀、粗糙度、介電常數(shù)等物理特性；干涉SAR技術(shù)可用于獲取場(chǎng)景的高精度數(shù)字高程模型(DEM)、洋流測(cè)速、冰川位移、地表形變監(jiān)測(cè)等；SAR極化干涉技術(shù)在森林高度和生物量反演、地物覆蓋分類、農(nóng)作物參數(shù)反演和城市建筑識(shí)別與高度估計(jì)等應(yīng)用領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用；SAR層析技術(shù)可實(shí)現(xiàn)城市的三維重建和森林的垂直結(jié)構(gòu)反演。

5.1 多極化

傳統(tǒng)的單極化成像雷達(dá)采用單一的極化通道發(fā)射和接收電磁波，只能獲得地物對(duì)某種單一極化電磁波的散射特性，而丟失了包含在散射波極化特性中其它有關(guān)地物信息的分量。雷達(dá)信號(hào)的極化方式主要分為線極化、圓極化和橢圓極化。全極化SAR通過發(fā)射和接收不同極化方式的電磁波，組成完備的極化基，獲得極化散射矩陣。極化散射矩陣含地物目標(biāo)散射回波信號(hào)的幅度和相對(duì)相位信息，使人們可以對(duì)目標(biāo)的物理特性進(jìn)行深入分析、提取，為更加深入地研究目標(biāo)的散射特性提供依據(jù)。

高分三號(hào)是我國(guó)首顆全極化SAR衛(wèi)星，最高分辨率達(dá)1 m，采用交替發(fā)射線極化(H極化和V極化)信號(hào)，獲取四極化信息。為了降低交叉極化的距離模糊，提高圖像質(zhì)量，在GF-3衛(wèi)星SAR系統(tǒng)采用了脈沖交替與波形編碼聯(lián)合的高隔離低模糊技術(shù)。圖33所示為GF-3獲取的大連地區(qū)全極化條帶圖像，通過極化特征分解與合成，可見不同地物的散射特征差異，如圖33中標(biāo)注的海冰區(qū)域和城市區(qū)域。

為了獲取地物目標(biāo)四極化信息，星載SAR通常需要付出更多的系統(tǒng)資源(功耗、重量、數(shù)據(jù)率和成本)，而且會(huì)降低觀測(cè)效能(幅寬和可視范圍)。

為了解決系統(tǒng)資源和觀測(cè)效能限制難題，簡(jiǎn)縮極化將是一個(gè)很好的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式，它同時(shí)發(fā)射兩個(gè)正交線極化或者圓極化信號(hào)，在接收端通過雙線極化接收獲取地物散射信息。相對(duì)于四極化體制，簡(jiǎn)縮極化SAR系統(tǒng)的PRF不加倍，成像幅寬和可視范圍無(wú)需降低，且系統(tǒng)功耗、重量無(wú)需增加。雖然該種方式不能獲取完備四極化信息，犧牲了少量的極化分類精度，但換取了更高的極化SAR系統(tǒng)觀測(cè)效能(幅寬和可視范圍)，拓寬了極化SAR系統(tǒng)的應(yīng)用價(jià)值[95-97]。

影響全極化性能的另外一個(gè)重要因素是交叉極化距離模糊，通常會(huì)使系統(tǒng)可視范圍降低為單/雙極化系統(tǒng)的1/2以上。為降低交叉極化距離模糊，AIR-CAS提出了一種基于正交非線性調(diào)頻編碼的距離模糊抑制方法[98]，通過發(fā)射非線性調(diào)頻信號(hào)，改變時(shí)頻對(duì)應(yīng)關(guān)系與整個(gè)頻帶內(nèi)的能量分布。采用該方法，一方面可獲得相互對(duì)消(濾波)的非平坦頻譜，降低互相關(guān)能量；另一方面，可通過交替發(fā)射正交波形抑制距離模糊。該方法已應(yīng)用于LT-1號(hào)SAR的極化系統(tǒng)研制。采用該方法實(shí)現(xiàn)距離模糊抑制如圖34所示。

除采用交替發(fā)射線極化方式進(jìn)行地物信息探測(cè)外，圓極化、橢圓極化等極化方式同樣可用于SAR成像。LT-1是國(guó)內(nèi)第1個(gè)多模式極化SAR系統(tǒng)，不僅可以實(shí)現(xiàn)線極化，而且可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)縮極化、混合簡(jiǎn)縮極化、圓極化、橢圓極化和基于編碼的混合極化。通過研究發(fā)現(xiàn)，采用圓極化發(fā)射可平衡距離和方位模糊，甚至降低交叉極化模糊能量。2019年11月，AIR-CAS在內(nèi)蒙古開展了多模式極化SAR的機(jī)載飛行試驗(yàn)，獲取了高質(zhì)量的混合極化SAR分解圖像，如圖35所示。

圖33 高分三號(hào)全極化條帶1模式極化合成圖像(中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院航天微波遙感系統(tǒng)部供圖)Fig.33 Polarimetric synthesis image of GF-3 QPSI-1 mode (Images are provided by the Department of Space Microwave Remote Sensing System,AIR-CAS)

圖34 距離模糊抑制效果仿真Fig.34 Distributed scene simulation for range ambiguity suppression demonstration

當(dāng)前，深度學(xué)習(xí)技術(shù)為極化SAR圖像分類提供了新的手段，可以自主表示SAR圖像的空間和極化特征?；诙询B自動(dòng)編碼器、深度置信網(wǎng)絡(luò)和卷積網(wǎng)絡(luò)的方法也已被應(yīng)用于SAR圖像分類中。文獻(xiàn)[99]利用高分三號(hào)全極化SAR數(shù)據(jù)開展了基于深度學(xué)習(xí)的極化SAR分類應(yīng)用研究。圖36所示為采用Berkeley地區(qū)的全極化SAR圖像進(jìn)行的基于全卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及多尺度目標(biāo)融合的極化SAR圖像分類試驗(yàn)。從中可以看出，多尺度目標(biāo)融合極化分類方法保持了較為清晰的地物紋理特征。

圖35 機(jī)載P波段混合極化SAR(圓極化發(fā)射/雙線極化接收)極化分解圖像：紅色表示偶次散射，藍(lán)色表示表面散射，綠色表示體散射(AIR-CAS供圖)Fig.35 Polarimetric decomposition image of airborne P-band hybrid polarimetric SAR (circularly polarized on transmit and dual-circularly polarized on receive)Red for double-bounce scattering,blue for single-bounce scattering and green for volume scattering (Image provided by AIR-CAS)

未來，隨著高分三號(hào)后續(xù)衛(wèi)星以及LT-1 SAR衛(wèi)星的發(fā)射，國(guó)產(chǎn)多極化SAR衛(wèi)星數(shù)據(jù)會(huì)更加豐富，將為極化在地球觀測(cè)中的應(yīng)用提供充足的極化數(shù)據(jù)資源。

圖36 基于深度學(xué)習(xí)的全極化SAR分類(藍(lán)色：水體，紅色：建筑，綠色：植被)Fig.36 Classification result of quad-polarimetric SAR image based on deep learning(blue for water;red for buildings and green for vegetation)

5.2 干涉SAR(InSAR)技術(shù)

合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量利用SAR復(fù)圖像信息獲取地表高程和形變，是SAR圖像定量化遙感的一個(gè)非常重要的應(yīng)用領(lǐng)域。其按照數(shù)據(jù)獲取方式主要分為單航過干涉測(cè)量和重復(fù)航過干涉測(cè)量。單航過干涉測(cè)量主要采用雙/多基SAR(如TerraSAR-X/Tan-DEM-X雙基SAR)或雙天線SAR系統(tǒng)，其數(shù)據(jù)主要用于地表數(shù)字高程模型(DEM)的生成。重復(fù)航過干涉測(cè)量利用單顆衛(wèi)星重復(fù)航過或者同一軌道面上的多星組網(wǎng)重復(fù)觀測(cè)(例如ERS-1/2,Sentinel-1A/B星座)，其數(shù)據(jù)主要用于監(jiān)測(cè)地表形變。

(1)DEM生成 目前，已有多種方法可獲得DEM信息，包括星載/機(jī)載合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量、激光雷達(dá)測(cè)距LiDAR、雷達(dá)攝影測(cè)量等。不同的方法獲得的DEM信息的覆蓋范圍和精度均不同。其中，通過激光雷達(dá)測(cè)距獲得的DEM信息最為精確，但其采用點(diǎn)云的形式展現(xiàn)，不具備場(chǎng)景成像能力；雷達(dá)攝影測(cè)量采用成像幾何和圖像間的失配進(jìn)行地形解算，DEM分辨率和精度均受限。合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量基于干涉相位獲得地表高程信息，能夠以相對(duì)高的精度進(jìn)行大范圍的地表高程測(cè)量，因而成為全球DEM測(cè)量的主要技術(shù)手段。表2給出了國(guó)際通用DEM精度衡量標(biāo)準(zhǔn)[100]，針對(duì)不同的DEM源，從空間分辨率和絕對(duì)/相對(duì)垂直精度的角度給出界定。

SRTM是第1個(gè)星載地形測(cè)繪任務(wù)，其DEM產(chǎn)品滿足HRTI-2標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)繪區(qū)域覆蓋北緯60°到南緯56°之間約占全球陸地總面積80%的區(qū)域，到2003年底已經(jīng)全部繪制完成，目前在美國(guó)區(qū)域公開了分辨率為30 m、其他區(qū)域90 m的DEM數(shù)據(jù)。2010年，德宇航發(fā)射TanDEM-X與2007年發(fā)射的Terra SAR-X構(gòu)成全球首個(gè)星載雙基SAR系統(tǒng)，通過多基線干涉SAR技術(shù)，在3.5年的時(shí)間內(nèi)獲得了高精度的全球DEM，其DEM產(chǎn)品達(dá)到HRTI-3標(biāo)準(zhǔn)[101]。如圖37所示為德國(guó)Garzweiler煤礦DEM，從圖中可以看出TanDEM-X所獲得的DEM具備高空間分辨率和高精度的特征，從而顯示出高精度DEM數(shù)據(jù)在地形監(jiān)測(cè)中的重要作用[102]。

表2 DEM指標(biāo)劃分標(biāo)準(zhǔn)(m)Tab.2 Index classification criteria of DEM(m)

在精確DEM生成過程中，干涉圖濾波和相位解纏準(zhǔn)確性對(duì)獲取DEM的精度和可靠性會(huì)產(chǎn)生重要影響。DLR的Zhu等人[103]發(fā)現(xiàn)將Non-local濾波應(yīng)用于TSX/TDX雙星數(shù)據(jù)生成DEM過程中，可以實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的相干系數(shù)估計(jì)和更好的降噪效果，獲得了更高精度的DEM數(shù)據(jù)。

為實(shí)現(xiàn)HRTI-4甚至HRE-4的DEM標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)減低相位解纏的難度，特別是在復(fù)雜的地形情況下，研究者們提出了多通道InSAR技術(shù)(包括多基線InSAR[104]和多頻InSAR[105])。多頻技術(shù)需要同一個(gè)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)頻率相差比較大的兩套雷達(dá)系統(tǒng)，單星重量、復(fù)雜度和功耗需要大幅增加，這對(duì)研制周期和成本都將造成負(fù)擔(dān)。AIR-CAS針對(duì)多頻干涉開展了相關(guān)理論研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。2017年，開展了機(jī)載C和X波段雙頻干涉實(shí)驗(yàn)，并得到了試驗(yàn)場(chǎng)景的高精度DEM，如圖38所示。多基線技術(shù)通?？梢酝ㄟ^多基來實(shí)現(xiàn)。多基SAR可以通過一個(gè)主星帶多個(gè)被動(dòng)小衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)(如圖30)，單星系統(tǒng)簡(jiǎn)單，不存在場(chǎng)景和環(huán)境變換產(chǎn)生的去相干效應(yīng)，且通過長(zhǎng)短基線完成高精度相位解纏，獲取高干涉測(cè)量精度和空間分辨率。該類構(gòu)型正在被歐洲空間局和德國(guó)DLR等機(jī)構(gòu)科學(xué)家高度關(guān)注[77,93,94]。但是，多基SAR星間同步、編隊(duì)構(gòu)型將增加系統(tǒng)復(fù)雜度和難度。

圖37 德國(guó)Garzweiler煤礦DEM[102]Fig.37 Evolution of the Garzweiler mine in Germany[102]

另外，不同的波段具備不同的植被穿透能力，得到不同層次的高程產(chǎn)品。TanDEM-X雷達(dá)系統(tǒng)工作于X波段，由于波長(zhǎng)僅為3.1 cm，電磁波不能穿過植被。因此，TanDEM-X任務(wù)獲得的是植被上層表面和城區(qū)頂層的高程數(shù)據(jù)。然而，對(duì)于低波段雷達(dá)，如L波段，則可描述植被覆蓋區(qū)域下層的地形特征，獲得數(shù)字地形模型DTM，如圖39所示。LT-1是我國(guó)將于2021年發(fā)射的雙基L波段SAR衛(wèi)星，得益于雙基構(gòu)型的低時(shí)間去相干特性以及高精度相位同步，LT-1將具備獲取全球高精度數(shù)字地形模型的能力。

圖38 機(jī)載雙頻干涉Fig.38 Airborne dual-frequency InSAR result

圖39 不同波段下的高程模型特征[106]Fig.39 Different elevation mode at different frequency[106]

(2)地表形變監(jiān)測(cè) 干涉地表形變監(jiān)測(cè)技術(shù)按照測(cè)量敏感度分為兩類，一類是以相位干涉為主的高敏感度測(cè)量，包括差分干涉(Differential InSAR,DInSAR)以及多時(shí)相干涉(Multi-Temporal InSAR,MTInSAR)；另一類是以高分辨率SAR影像信息變化檢測(cè)為主的強(qiáng)度測(cè)量，包括offset-tracking等方法，側(cè)重探測(cè)大尺度的地表形變?；谙辔恍畔⒌腟AR干涉形變測(cè)量技術(shù)是當(dāng)前最常用的SAR圖像形變提取技術(shù)。其基本原理是利用前后兩次目標(biāo)觀測(cè)的斜距差來描述雷達(dá)視線向的形變，由于形變與前后兩次測(cè)量的相位差直接相關(guān)，在較高的相位穩(wěn)定度條件下，形變可以達(dá)到優(yōu)于波長(zhǎng)量級(jí)的測(cè)量精度。基于強(qiáng)度信息的offset-tracking算法[107]多應(yīng)用于自然環(huán)境中的大尺度形變監(jiān)測(cè)，該算法利用互相關(guān)系數(shù)估計(jì)主從影像間的偏移量，進(jìn)而提取地面的二維形變場(chǎng)(方位向-斜距向)，對(duì)圖像的相位穩(wěn)定性要求較低。雖然其測(cè)量精度遠(yuǎn)低于InSAR，但其針對(duì)大梯度形變以及嚴(yán)重失相干環(huán)境下的形變測(cè)量，優(yōu)勢(shì)十分明顯，尤為適用于地震、滑坡、冰川等自然環(huán)境的形變監(jiān)測(cè)。

(a)DInSAR與MTInSAR。DInSAR可以獲波長(zhǎng)級(jí)的形變測(cè)量精度。但其結(jié)果易受時(shí)空失相干因素和大氣相位延遲的影響，對(duì)此，研究者們提出了MTInSAR技術(shù)[108]。MTInSAR技術(shù)方法較多，包括基礎(chǔ)的永久散射體(Persistent Scatterers,PS)方法[109]、短基線集(SBAS)算法[110]、SqueeSAR算法、分布式散射體(Distributed Scatterers,DS)算法等等。

豐富的研究數(shù)據(jù)推動(dòng)了InSAR形變監(jiān)測(cè)應(yīng)用，2019年，中科院電子所利用EnviSat、哨兵-1A和哨兵-1B數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)黃河三角洲區(qū)域2007～2010年和2015～2018年的地面沉降監(jiān)測(cè)[111]，如圖40所示。

文獻(xiàn)[112]利用高分三號(hào)SAR數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)北京城區(qū)的地表形變監(jiān)測(cè)，如圖41所示，驗(yàn)證了國(guó)產(chǎn)SAR衛(wèi)星在形變監(jiān)測(cè)方面的潛力。隨著我國(guó)在軌SAR衛(wèi)星數(shù)量的增多，特別是未來具有干涉能力的LT-1在軌運(yùn)行后，基于國(guó)產(chǎn)數(shù)據(jù)的形變監(jiān)測(cè)應(yīng)用將對(duì)我國(guó)的地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警和災(zāi)后救援產(chǎn)生重大的作用。

(b)Offset-tracking。傳統(tǒng)Offset-tracking的思路簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。包括兩個(gè)核心步驟：密集匹配和系統(tǒng)誤差去除。其中，密集匹配的核心在于互相關(guān)算法，通過尋找兩匹配窗口的歸一化互相關(guān)(Normalized Cross Correlation,NCC)峰值位置來計(jì)算主輔圖像間的相對(duì)偏移。

近年來，改進(jìn)的偏移量跟蹤方法被相繼提出，主要致力于提升測(cè)量精度[112-115]。這些方法大致可分為2類：一是利用強(qiáng)度之外的附加信息來輔助偏移跟蹤，如PolSAR[114]；二是提取點(diǎn)目標(biāo)(如建筑物、裸巖、角反射器等)進(jìn)行偏移估計(jì)，如PTOT[115],SPOT-CR[116]，均取得了較為成功的應(yīng)用。

2019年，AIR-CAS利用8幅高分三號(hào)數(shù)據(jù)，對(duì)2018年10月10日發(fā)生在西藏自治區(qū)昌都市江達(dá)縣和四川省甘孜藏族自治州白玉縣境內(nèi)的特大滑坡(金沙江白格滑坡)進(jìn)行了破壞前形變過程的回溯性分析。如圖42所示，估計(jì)結(jié)果反映了白格滑坡在2017年12月到2018年07月間已存在明顯的形變加速及形變擴(kuò)張趨勢(shì)，預(yù)示此處坡體存在很高的滑坡風(fēng)險(xiǎn)并有滑坡堵江的隱患。

圖40 利用SAR數(shù)據(jù)對(duì)黃河三角洲區(qū)域進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間序列形變監(jiān)測(cè)Fig.40 Vertical deformation rates over the Yellow River Delta during the period of 2007-2010 obtained from ASAR (a),2015-2018 obtained from S-1A (b)and 2016-2018 obtained from S-1B (c)datasets

圖41 利用高分三號(hào)數(shù)據(jù)獲取的北京地區(qū)地面沉降速率圖；右側(cè)曲線給出A,B,C 3點(diǎn)沉降量Fig.41 Linear deformation rates maps over Beijing using GF-3 SAR images.The curves show the deformation of area A,B and C

InSAR應(yīng)用與SAR衛(wèi)星技術(shù)相互促進(jìn)，共同進(jìn)步。InSAR應(yīng)用研究將推動(dòng)SAR衛(wèi)星技術(shù)的進(jìn)步，當(dāng)前InSAR應(yīng)用向著廣域監(jiān)測(cè)、高精度監(jiān)測(cè)和三維精細(xì)化監(jiān)測(cè)方向發(fā)展，這對(duì)衛(wèi)星技術(shù)提出了更高的要求。廣域監(jiān)測(cè)的需求要求SAR衛(wèi)星具備高分寬幅成像能力。高精度監(jiān)測(cè)要求SAR衛(wèi)星必須具備高輻射性能、高穩(wěn)定性、高時(shí)間分辨率，以及高精度軌道控制與測(cè)量系統(tǒng)。三維精細(xì)化監(jiān)測(cè)對(duì)于多星靈活協(xié)同觀測(cè)提出了更高的要求。SAR衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展必將推動(dòng)干涉測(cè)量技術(shù)邁進(jìn)新的時(shí)代。

5.3 極化干涉SAR技術(shù)

高品質(zhì)的極化干涉數(shù)據(jù)是進(jìn)行極化干涉理論研究和應(yīng)用研究的基礎(chǔ)。由于極化干涉技術(shù)巨大的應(yīng)用價(jià)值[117,118]，國(guó)外從20世紀(jì)90年代起就開始了機(jī)載極化干涉SAR系統(tǒng)研制工作。進(jìn)入21世紀(jì)，國(guó)外陸續(xù)發(fā)射了多顆具備極化干涉能力的SAR衛(wèi)星，如EnviSat,ALOS,RADARSAT-2,TerraSAR-X/TanDEM-X和ALOS-2等。受制于數(shù)據(jù)源的缺失，國(guó)內(nèi)的極化干涉研究起步較晚。中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院航天微波遙感系統(tǒng)部已于2017年成功獲取機(jī)載C波段西安閻良地區(qū)的極化干涉SAR數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)已經(jīng)用于極化干涉SAR理論與應(yīng)用研究中，如圖43所示。

圖42 利用高分三號(hào)SAR數(shù)據(jù)對(duì)金沙江白格滑坡滑前形變進(jìn)行監(jiān)測(cè)Fig.42 Deformation inversion of Baige landslide on Jinsha River before collapse using GF-3 SAR images

圖43 極化干涉多元素分解算法分解結(jié)果Fig.43 Multi-element decomposition result of PolInSAR image

目前，對(duì)于極化干涉SAR方面的研究主要集中在對(duì)于極化干涉圖像中各種地物類型的散射機(jī)理的研究。AIR-CAS利用獲取的機(jī)載極化干涉數(shù)據(jù)和相關(guān)公開數(shù)據(jù)，開展了極化干涉散射機(jī)制分解算法研究[119]。研究以極化分解算法為基準(zhǔn)，引入極化干涉最優(yōu)參數(shù)作為輔助參數(shù)，重新推導(dǎo)并得到適用于極化干涉數(shù)據(jù)的散射模型，將原有的四元素極化干涉分解方法擴(kuò)展到五元素甚至多元素分解方法[119]。該方法對(duì)于不同波段的數(shù)據(jù)都能夠得到較好的分解結(jié)果，較為準(zhǔn)確的反映地物的實(shí)際散射機(jī)理。研究采用的極化干涉分解算法主要包括極化干涉多元素分解方法和極化干涉七元素分解方法，得到的分解結(jié)果分別在圖44和圖45中給出。

根據(jù)研究得到的分解結(jié)果，以分解得到的散射能量作為輸入，可以得到有效地分類結(jié)果。對(duì)于散射特性相似的地物(森林和與雷達(dá)視線方向存在大型傾斜角度的建筑物區(qū)域)，可以得到準(zhǔn)確的分類結(jié)果，與實(shí)際地物類型相符。

目前，極化干涉SAR技術(shù)正在朝著多基線、多頻率的方向發(fā)展。星載極化干涉SAR系統(tǒng)已經(jīng)從單極化工作模式發(fā)展到了多極化工作模式，而衛(wèi)星的重復(fù)航過也有可能產(chǎn)生多基線的極化干涉數(shù)據(jù)。

圖44 極化干涉七元素分解算法分解結(jié)果(數(shù)據(jù)來源：DLR機(jī)載L波段極化干涉SAR試驗(yàn))Fig.44 Seven-element decomposition result of PolInSAR image(data provided by DLR airborne L-band PolInSAR)

計(jì)劃發(fā)射的BIOMASS[120],TanDEM-L,LT-1等系統(tǒng)都將產(chǎn)生可用于對(duì)地觀測(cè)的極化干涉數(shù)據(jù)。雙頻段的NISAR系統(tǒng)也在研制之中。未來，這些多頻段、全極化、高分辨率干涉圖像可以被應(yīng)用于地物分類、海冰監(jiān)測(cè)和樹高反演等多個(gè)方面，必然會(huì)大大促進(jìn)極化干涉SAR信息提取技術(shù)的發(fā)展。

5.4 TomoSAR技術(shù)

圖45 極化干涉分類結(jié)果(數(shù)據(jù)來源：DLR機(jī)載L波段極化干涉SAR試驗(yàn))Fig.45 Classification result of PolInSAR image (data provided by DLR airborne L-band PolInSAR)

隨著星載SAR傳感器的不斷增加，星載SAR數(shù)據(jù)積累日益豐富。SAR技術(shù)開始了從二維散射信息到高程再到三維特征獲取的演化。1995年，美國(guó)地面作戰(zhàn)中心的Knaell提出了SAR層析(SAR Tomography,TomoSAR)技術(shù)實(shí)現(xiàn)SAR目標(biāo)的三維重建[121]。經(jīng)過20多年的發(fā)展，TomoSAR技術(shù)在城市的三維重建和森林的垂直結(jié)構(gòu)獲取中做出大量成果[122,123]，為城市監(jiān)測(cè)管理和森林生物量的反演提供了重要的數(shù)據(jù)支持。

TomoSAR技術(shù)利用同一地區(qū)的多幅SAR圖像數(shù)據(jù)，利用空間多基線在垂直于方位-距離平面的高度向上形成合成孔徑，具有高度向上的分辨和成像能力，如圖46所示，解決了SAR圖像的疊掩問題，并且還可以利用數(shù)據(jù)的多時(shí)間基線，估計(jì)SAR視線方向的形變速率信息。

TomoSAR主要有兩個(gè)難點(diǎn)。首先，目前尚未有多星編隊(duì)SAR系統(tǒng)可同時(shí)提供多條空間垂直基線，TomoSAR技術(shù)研究通?；陂L(zhǎng)時(shí)間的重復(fù)軌道觀測(cè)累積數(shù)據(jù)。其次，長(zhǎng)時(shí)間數(shù)據(jù)積累導(dǎo)致信號(hào)中存在較大的大氣相位誤差，導(dǎo)致三維重建失敗。

為提高TomoSAR的處理效率，一方面，研究者們開始了分布式SAR星座的研究，如圖30所示，1次航過獲得多個(gè)有效基線，從而可以在較少的航過次數(shù)后積累豐富的數(shù)據(jù)。另一方面，人們也開始針對(duì)特定場(chǎng)景研究基于小數(shù)據(jù)集的三維重建。然而，小數(shù)據(jù)集情況下，高程模糊情況嚴(yán)重，虛假目標(biāo)容易出現(xiàn)。對(duì)此，文獻(xiàn)[124]提出了一種基于等高線重構(gòu)的TomoSAR方法。圖47展示了利用6幅高分三號(hào)的重軌條帶數(shù)據(jù)，對(duì)北京地區(qū)高樓的三維重建結(jié)果?？梢钥闯?，該方法很好地抑制了虛假目標(biāo)的出現(xiàn)，得到了更好的重建結(jié)果。

針對(duì)TomoSAR重建過程中的大氣相位誤差大的問題，已有多種大氣相位估計(jì)方法被相繼提出并應(yīng)用，包括：永久散射體干涉測(cè)量技術(shù)(PS-InSAR)、小基線技術(shù)(SBAS)和基于相位梯度自聚焦的誤差估計(jì)方法。文獻(xiàn)[125]提出了一種基于雙層參考網(wǎng)的TomoSAR大氣誤差校正和三維重建方法，與空時(shí)濾波法相比，雙層參考網(wǎng)方法可以不用對(duì)大氣相位進(jìn)行估計(jì)而直接實(shí)現(xiàn)誤差校正，是一種有效的大氣相位校正方法，對(duì)比結(jié)果如圖48所示。

未來的多星分布式SAR將成為現(xiàn)實(shí)，實(shí)現(xiàn)單航過獲取多基線數(shù)據(jù)，且縮短重訪周期，大大縮短數(shù)據(jù)積累時(shí)間，將能夠進(jìn)一步促進(jìn)快速三維重建技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

5.5 動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)與成像技術(shù)

圖46 星載TomoSAR示意圖Fig.46 The geometry of TomoSAR imaging

圖47 小數(shù)據(jù)集三維重建結(jié)果對(duì)比Fig.47 The comparison of 3D reconstruction results using small data stacks

利用星載SAR可以實(shí)現(xiàn)大范圍區(qū)域內(nèi)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的有效監(jiān)視，運(yùn)動(dòng)目標(biāo)包括：洋流、海面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)、地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)等。此外，相對(duì)于傳統(tǒng)星載SAR模式下的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)監(jiān)視，高分寬幅模式下的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)監(jiān)視需求也越來越迫切。

(1)洋流測(cè)速 基于星載SAR數(shù)據(jù)的洋流速度測(cè)量通常采用沿航向的兩景觀測(cè)數(shù)據(jù)。2000年，美國(guó)開展了SRTM航天測(cè)繪任務(wù)，由于天線安裝等技術(shù)上的原因，SRTM除了具有垂直航跡方向的基線外，其沿航跡方向的天線間隔為7 m，由于采用一發(fā)兩收的模式，因此沿航跡的基線長(zhǎng)度為3.5 m，對(duì)應(yīng)的測(cè)速靈敏度約為38.5 m/s/2π。如圖49所示利用SRTM系統(tǒng)X波段數(shù)據(jù)對(duì)德國(guó)瓦登海地區(qū)的洋流進(jìn)行了徑向速度反演[126]。

高分三號(hào)衛(wèi)星具備沿航跡分布的兩個(gè)通道，因此也可以用來實(shí)現(xiàn)洋流流速的反演，圖50給出了高分三號(hào)獲取某區(qū)域的洋流測(cè)速結(jié)果圖，測(cè)速精度達(dá)到0.2 m/s。

圖48 檢測(cè)到的PS點(diǎn)的高度[125]Fig.48 The elevations of detected PS[125]

圖49 SRTM洋流測(cè)速結(jié)果圖[126]Fig.49 Retrieval of surface velocity fields from SRTM data[126]

(2)地面動(dòng)目標(biāo)檢測(cè) 地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)(GMTI)面臨比較棘手的問題是地雜波抑制。最早的星載SAR-GMTI算法基于單通道SAR系統(tǒng)，原理簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，但檢測(cè)能力有限。隨后，人們研究了兩通道星載SAR-GMTI算法，主要有DPCA(Displaced Phase Center Antenna)算法、ATI(Along Track Interferometry)算法、DPCA與ATI聯(lián)合算法等[127]。兩通道SAR-GMTI算法雖可有效抑制雜波，但受到系統(tǒng)自由度的限制，無(wú)法精確估計(jì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)參數(shù)。因此，研究人員提出了多通道SAR-GMTI算法，主要有雜波干涉抑制(Clutter Suppression Interferometry,CSI)算法和空時(shí)自適應(yīng)處理(Space Time Adaptive Processing,STAP)算法等[128]。

近十年來，結(jié)合星載SAR-GMTI模式的特點(diǎn)，研究人員對(duì)傳統(tǒng)的SAR-GMTI算法進(jìn)行了有針對(duì)性的改進(jìn)和優(yōu)化。2008年，Ender教授在文獻(xiàn)[129]中提出可以通過天線子孔徑的交替發(fā)射和接收來形成多個(gè)等效相位中心，從而提升星載SAR-GMTI性能。2011年，Suchandt研究員提出了交通流量快速檢測(cè)算法，并用TerraSAR-X的星載SAR-GMTI兩通道數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證[130]。2012年，Cerutti-Maori教授[131]提出了成像STAP算法(Imaging STAP,ISTAP)，該算法利用STAP在方位頻域?qū)崿F(xiàn)雜波抑制后，采用速度搜索方案對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行聚焦成像，并用RadarSat-2的多通道星載SAR-GMTI數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，從處理結(jié)果可以看出，ISTAP算法可以提高運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)概率，但是運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的定位精度一般[131]。

圖51中給出了高分三號(hào)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)模式處理結(jié)果，動(dòng)目標(biāo)測(cè)速精度優(yōu)于2 m/s。

星載SAR-GMTI系統(tǒng)在系統(tǒng)虛警概率、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)概率、定位精度等方面，與實(shí)際應(yīng)用需求還有一定的差距，仍需進(jìn)一步研究動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)與優(yōu)化方法。未來多通道星載SAR的通道數(shù)將繼續(xù)增加，且沿航跡分布式多基SAR將為動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)提供更加有利的條件。

6 小型化SAR衛(wèi)星技術(shù)

圖50 高分三號(hào)洋流測(cè)速結(jié)果圖Fig.50 Retrieval of surface velocity fields from Gaofen-3 data

圖51 高分三號(hào)SAR動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)結(jié)果展示Fig.51 Demonstration of the moving target detection using Gaofen-3 data

隨著SAR系統(tǒng)技術(shù)和應(yīng)用需求的發(fā)展，SAR衛(wèi)星在從高成本、長(zhǎng)周期的研制基礎(chǔ)上，走向低成本、易部署的微小型SAR衛(wèi)星，以彌補(bǔ)大型SAR衛(wèi)星系統(tǒng)的不足。

小型SAR衛(wèi)星重量一般在1000 kg以下，微小型衛(wèi)星重量在500 kg以下。國(guó)外在軌成功運(yùn)行的小型SAR衛(wèi)星系統(tǒng)主要有：德國(guó)的SAR-Lupe衛(wèi)星系統(tǒng)、以色列的TecSAR衛(wèi)星，印度的RISAT-2衛(wèi)星和日本的MicroSAR，如圖52所示。

6.1 體制方案選擇

微小型SAR衛(wèi)星需要體積小，重量輕，因此對(duì)于系統(tǒng)整體方案的選擇提出了更高的要求。其中信號(hào)體制和天線體制是系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)時(shí)首先需要考慮的問題。

圖52 國(guó)外SAR小衛(wèi)星Fig.52 Small SAR satellite

不同信號(hào)體制的收發(fā)時(shí)序關(guān)系如圖53所示，且不同體制的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比在表3中示出。在調(diào)頻連續(xù)波SAR模式[132]下，發(fā)射窗長(zhǎng)度接近調(diào)頻信號(hào)重復(fù)間隔，系統(tǒng)的占空比在理想情況下接近100%。系統(tǒng)的峰值功率接近于平均功率，避免了傳統(tǒng)脈沖模式下產(chǎn)生高功率窄脈沖對(duì)雷達(dá)發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)壓力，使得雷達(dá)系統(tǒng)可以做到結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、成本低。尤其是在星載條件下，較低峰值功率避免產(chǎn)生空間微放電現(xiàn)象，降低星載系統(tǒng)防護(hù)和試驗(yàn)成本。小型化系統(tǒng)將有助于減少對(duì)平臺(tái)的空間和負(fù)荷的需求，有利于提高平臺(tái)的機(jī)動(dòng)性、靈活性和續(xù)航能力。同時(shí)，小型系統(tǒng)也將滿足微小衛(wèi)星等在偵察、目標(biāo)探測(cè)、反恐、航空測(cè)量等領(lǐng)域日益增長(zhǎng)的應(yīng)用需求。

圖53 不同體制收發(fā)時(shí)序?qū)Ρ葓DFig.53 The comparison of timing diagram between different systems

表3 不同體制的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比Tab.3 Advantages and disadvantages comparison between different systems

但是在連續(xù)波體制下，通常需要獨(dú)立的收、發(fā)天線分別完成發(fā)射及接收信號(hào)的任務(wù)。但是在星載模式下，信號(hào)的作用距離很大，這要求較大的信號(hào)發(fā)射功率以保證足夠的信噪比。若雷達(dá)收、發(fā)天線仍裝置于同一平臺(tái)，則很難做到二者間的良好隔離，且信號(hào)串?dāng)_和泄露在所難免。

為了在同一平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)連續(xù)波體制，通常采用方位間斷調(diào)頻連續(xù)波體制，該體制與常規(guī)脈沖體制和連續(xù)波體制的收發(fā)時(shí)序?qū)Ρ热鐖D53所示。星載方位間斷連續(xù)波的基本思想是利用單一天線分時(shí)復(fù)用的方式，通過天線在發(fā)射模式和接收模式間的轉(zhuǎn)換，模擬連續(xù)的發(fā)射信號(hào)和回波信號(hào)。天線首先設(shè)置在發(fā)射模式下持續(xù)發(fā)射線性調(diào)頻信號(hào)，在近距點(diǎn)目標(biāo)回波返回雷達(dá)的瞬間，天線轉(zhuǎn)換為接收模式開始收集回波信號(hào)，此過程結(jié)束后，系統(tǒng)再次切換為發(fā)射模式，重復(fù)上述過程。

星載SAR天線分為兩種主要體制：反射面天線和平板天線?？v觀國(guó)內(nèi)外在軌SAR衛(wèi)星，由于相控陣天線波束賦形靈活(指向調(diào)整、展寬、零點(diǎn)指向等)，目前絕大多數(shù)在軌SAR衛(wèi)星(大衛(wèi)星平臺(tái)，衛(wèi)星總重量大于1000 kg)選擇了相控陣天線；在SAR小衛(wèi)星(衛(wèi)星總重量小于1000 kg)方面，我國(guó)的HJ-1-C SAR衛(wèi)星、以色列的TecSAR衛(wèi)星、德國(guó)的SAR-Lupe和印度的RISAT-2衛(wèi)星均選擇反射面天線，我國(guó)的HJ-1-C SAR衛(wèi)星選用了桁架結(jié)構(gòu)多波束饋源反射面天線，以色列的TecSAR衛(wèi)星和印度的RISAT-2衛(wèi)星則選擇了相控饋源反射天線；日本的Micro-X-SAR衛(wèi)星(預(yù)計(jì)衛(wèi)星重量130 kg)則選用了平板天線+固態(tài)發(fā)射機(jī)集中發(fā)射的工作方式。

綜合考慮天線工程復(fù)雜度、指向調(diào)整靈活性、造價(jià)、重量、發(fā)展前景等多方面因素，未來星載小型化可以選擇單波束饋源反射面天線、多波束饋源反射面天線和有源平板相控陣天線作為方案。

6.2 設(shè)備輕量集成化

對(duì)于星載SAR來說，天線重量一般占到整個(gè)SAR載荷重量的70%以上，天線收攏尺寸決定著整個(gè)SAR載荷的最大包絡(luò)，輕量化、高收攏比天線是微小型星載SAR實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。

另外，中央電子設(shè)備也不同于大型SAR衛(wèi)星，需要進(jìn)行集成化設(shè)計(jì)。目前的微小型SAR系統(tǒng)，一般把中央單子設(shè)備集成為射頻綜合單元、數(shù)字綜合單元等部分。圖54給出了平板天線體制的系統(tǒng)組成框圖。

6.3 微小型SAR組網(wǎng)

隨著未來軍事偵察應(yīng)用需求的不斷提高，對(duì)熱點(diǎn)區(qū)域的快速重訪(即所謂的高時(shí)間分辨率)已成為對(duì)星載SAR系統(tǒng)新的需求。

在較長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，對(duì)熱點(diǎn)區(qū)域的平均重訪周期被稱為星載SAR衛(wèi)星在該熱點(diǎn)區(qū)域的時(shí)間分辨率。多軌道面低成本輕小型低軌SAR衛(wèi)星組網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)熱點(diǎn)區(qū)域高密度重訪最直接的手段，德國(guó)的SARLupe衛(wèi)星[133]就采用了這種組網(wǎng)方式。德國(guó)SARLupe組網(wǎng)衛(wèi)星由5顆SAR衛(wèi)星組成，其分別工作在3個(gè)不同方向的太陽(yáng)同步軌道面上，如圖55所示，其對(duì)全球大部分區(qū)域的觀測(cè)時(shí)間分辨率約為6 h。意大利的COSMO-SkyMed則由4顆SAR衛(wèi)星組成，4顆SAR衛(wèi)星近似均勻分布在同一軌道面上，其對(duì)全球大部分區(qū)域的時(shí)間分辨率約為12 h。美國(guó)的“長(zhǎng)曲棍球”(Lacrosse)和FIA系列SAR衛(wèi)星則通過多顆SAR衛(wèi)星正逆行大傾斜軌道面相互結(jié)合來提高對(duì)重點(diǎn)區(qū)域的重訪能力。其中Lacrosse系列衛(wèi)星軌道高度約為(400～700 km)，軌道平面為順行大傾斜軌道面，目前現(xiàn)有Lacrosse-3,Lacrosse-4,Lacrosse-5 3顆服役，如圖56所示。而FIA系列衛(wèi)星軌道高度約為1100 km，軌道平面為逆行大傾斜軌道面。

7 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過各國(guó)科學(xué)家近20年的不懈努力，星載SAR的發(fā)展取得了巨大的進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)了以亞米級(jí)分辨率等為代表的技術(shù)跨越。隨著技術(shù)的繼續(xù)發(fā)展和人們對(duì)多維地球觀測(cè)信息的需求不斷增長(zhǎng)，星載SAR將以高分辨率寬測(cè)繪帶、分布式多基成像、多星協(xié)同組網(wǎng)等技術(shù)手段，為人類提供多時(shí)序、多層次、多角度、多模式綜合對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)，滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。

然而，新概念、新體制的工程化、實(shí)用化并非一蹴而就，需要在現(xiàn)有的技術(shù)條件下不斷創(chuàng)新，產(chǎn)生新的技術(shù)突破。星載SAR終將以更高的性能、更靈活的配置、更豐富的應(yīng)用領(lǐng)域，在地球以及宇宙探測(cè)中發(fā)揮更加重要的作用。

圖54 微型SAR系統(tǒng)組成框圖(平板天線體制)Fig.54 Block diagram of micro-SAR system (planar antenna system)

圖55 德國(guó)SAR-Lupe組網(wǎng)示意圖Fig.55 Illustration of SAR-Lupe constellation

致謝 首先，感謝AIR-CAS航天微波遙感系統(tǒng)部的各位同事與碩、博士研究生在本文撰寫過程中提供的幫助：感謝王櫻潔博士、王吉利博士在論文初稿撰寫過程中提供了干涉SAR等方向的寶貴材料，感謝趙慶超博士、金國(guó)棟博士、周子軒博士、周亞石博士、張永偉博士在高分辨率寬幅成像方向提供的寶貴材料，感謝梁達(dá)博士、林昊宇博士、韓碩博士在雙/多基SAR方向提供的寶貴材料，感謝范懷濤博士、王春樂博士對(duì)本文校稿提供的諸多建議。感謝南京航空航天大學(xué)閆賀副教授在動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)方向提供的寶貴材料。感謝自然資源部航空物探遙感中心葛大慶高工對(duì)本文修改提出的寶貴建議。感謝審稿人對(duì)文章的關(guān)注以及提出的寶貴意見。最后，感謝各位同行專家對(duì)星載SAR事業(yè)的長(zhǎng)期關(guān)注與支持！

圖56 美國(guó)Lacrosse長(zhǎng)曲棍球組網(wǎng)示意圖Fig.56 Illustration of Lacrosse constellation