朱金彪 潘 潔 仇曉蘭 蔣 雯 劉玉泉 董勇偉 李 威 藺 蓓 倪 帆 上官松濤 劉鳴謙 程 遙

①(西北工業(yè)大學(xué)電子信息學(xué)院 西安 710072)

②(中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院 北京 100190)

③(蘇州市微波成像處理與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 蘇州 215123)

④(中科宇達(dá)(北京)科技有限公司 北京 100190)

⑤(蜂巢航宇科技(北京)有限公司 北京 100071)

1 引言

干涉合成孔徑雷達(dá)技術(shù)[1](Interferometric Synthetic Aperture Radar,InSAR)通過(guò)干涉處理獲得地面目標(biāo)的高度信息，可以實(shí)現(xiàn)高效率、大區(qū)域的地形測(cè)繪，自20世紀(jì)80年代提出以來(lái)，得到了飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。

雙站SAR[2]是一種收發(fā)天線分置于兩個(gè)不同平臺(tái)的SAR系統(tǒng)，是分布式多平臺(tái)SAR的最簡(jiǎn)形式。由于雙站SAR的兩個(gè)平臺(tái)理論上可以任意分布，因此雙站InSAR系統(tǒng)可以突破單站雙天線干涉SAR的基線限制，獲得更加靈活的基線構(gòu)型，滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求，具有很大的應(yīng)用前景。

目前，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)發(fā)射多個(gè)雙站InSAR衛(wèi)星星座，包括德國(guó)的TerraSAR-X/TanDEM-X和中國(guó)的陸地探測(cè)一號(hào)01組A/B星等。TerraSAR-X/TanDEM-X星座是國(guó)際上第1個(gè)星載雙站InSAR系統(tǒng)，通過(guò)從相距幾千米到僅200 m的編隊(duì)飛行，在3年內(nèi)獲取了全球高精度數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)數(shù)據(jù)，相對(duì)高程精度達(dá)到2～4 m，絕對(duì)高程精度達(dá)到10 m[3,4]。中國(guó)于2022年發(fā)射的陸地探測(cè)一號(hào)01組衛(wèi)星(LT-1)，采用基于實(shí)時(shí)編隊(duì)構(gòu)形的三維姿態(tài)導(dǎo)引與控制技術(shù)，有效提升了雙星長(zhǎng)基線編隊(duì)飛行時(shí)的空間同步性能；并采用非中斷同步模式，解決了雙站星載SAR成像和相位同步不能同時(shí)進(jìn)行的難題，大幅提升了相位同步精度[5,6]。該組衛(wèi)星將為地質(zhì)災(zāi)害、土地調(diào)查、地震評(píng)估、防災(zāi)減災(zāi)、基礎(chǔ)測(cè)繪、林業(yè)調(diào)查等領(lǐng)域提供強(qiáng)有力的支撐。

相比于星載雙站InSAR，機(jī)載雙站InSAR不受軌道的限制，也可以規(guī)避長(zhǎng)波段易受電離層干擾等問(wèn)題，在實(shí)際觀測(cè)任務(wù)中有獨(dú)特的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。然而，機(jī)載雙站InSAR存在航跡控制、空時(shí)頻同步、運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)入y點(diǎn)，因此在國(guó)際上成功開(kāi)展機(jī)載雙站InSAR試驗(yàn)的報(bào)道尚不多見(jiàn)。目前僅有的報(bào)道是歐空局于2018年5-9月開(kāi)展的BelSAR雙站干涉實(shí)驗(yàn)。BelSAR[7,8]雙站系統(tǒng)由兩架搭載L波段全極化SAR的Cessna208飛機(jī)組成，在比利時(shí)臨近Gembloux的BELAIR HESBANIA試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行了5次飛行試驗(yàn)，針對(duì)農(nóng)業(yè)和土壤濕度開(kāi)展了相關(guān)研究。國(guó)內(nèi)在機(jī)載雙站SAR系統(tǒng)、雙站SAR成像等方面已有不少研究和實(shí)驗(yàn)[9-11]，但機(jī)載雙站InSAR系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)還未見(jiàn)報(bào)道。

近年來(lái)，隨著SAR小型化技術(shù)和無(wú)人機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)載重軌干涉SAR系統(tǒng)和無(wú)人機(jī)載雙/多天線干涉SAR系統(tǒng)，其中無(wú)人機(jī)載重軌干涉SAR系統(tǒng)[12]受到時(shí)間去相干的影響，而無(wú)人機(jī)載雙/多天線干涉SAR系統(tǒng)[13,14]則受限于載機(jī)平臺(tái)體積和載重的限制，基線長(zhǎng)度和構(gòu)型配置不夠靈活，在應(yīng)用中受到局限。為此，利用無(wú)人機(jī)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)分布式雙/多站干涉SAR系統(tǒng)是解決上述問(wèn)題的有效方案，并且當(dāng)前利用無(wú)人機(jī)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)載雙站InSAR已經(jīng)成為可能。為了達(dá)到較高的高程反演精度，雙站InSAR對(duì)時(shí)間和相位同步的要求非常嚴(yán)格[15-17]，并且相比于星載雙站InSAR和機(jī)載單站雙天線InSAR而言，無(wú)人機(jī)載雙站InSAR在同步技術(shù)及對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償處理上均具有更大的難度。如何結(jié)合無(wú)人機(jī)載小型化SAR在體積、重量、功耗方面的限制要求，并結(jié)合高精度的同步誤差補(bǔ)償和運(yùn)補(bǔ)成像處理技術(shù)，達(dá)到期望的干涉測(cè)量精度，是無(wú)人機(jī)載雙站InSAR的核心難點(diǎn)。因此結(jié)合無(wú)人機(jī)載雙站InSAR系統(tǒng)開(kāi)展系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)和相關(guān)數(shù)據(jù)處理方法的研究具有重要意義。

為了推進(jìn)無(wú)人機(jī)載雙站InSAR技術(shù)研究，中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院牽頭研制了一套擬達(dá)到0.5 m測(cè)高精度的無(wú)人機(jī)載L波段全極化InSAR系統(tǒng)，并于2022年8月17-29日在內(nèi)蒙古達(dá)爾罕茂明安聯(lián)合旗百靈機(jī)場(chǎng)開(kāi)展了首次飛行實(shí)驗(yàn)，初步驗(yàn)證了系統(tǒng)的基本性能和指標(biāo)。本文簡(jiǎn)要介紹了該系統(tǒng)的基本構(gòu)成和主要性能并介紹了該系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，給出了首次飛行實(shí)驗(yàn)的方案和實(shí)施情況，提出了無(wú)人機(jī)載雙站InSAR的整體處理流程和方法，給出了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果，驗(yàn)證了處理方法的有效性和該無(wú)人機(jī)載雙站InSAR系統(tǒng)的基本性能指標(biāo)。

2 無(wú)人機(jī)載雙站InSAR系統(tǒng)及關(guān)鍵技術(shù)

本文介紹的無(wú)人機(jī)載雙站InSAR系統(tǒng)由兩架固定翼無(wú)人機(jī)HC140組成載機(jī)編隊(duì)，分別搭載L波段高分辨率全極化SAR(主站)和全極化接收系統(tǒng)(從站)。本節(jié)描述了該系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法、系統(tǒng)構(gòu)成和載荷參數(shù)，并重點(diǎn)介紹該系統(tǒng)的3大關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 無(wú)人機(jī)載雙站InSAR系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本無(wú)人機(jī)載雙站InSAR系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括確定臨界基線、設(shè)計(jì)雙站干涉SAR的構(gòu)型(主要是入射角和基線角)和分配各項(xiàng)誤差3個(gè)方面。

首先根據(jù)需要的空間去相干后的相干系數(shù)γg計(jì)算臨界垂直基線Bv[18]，

其中，λ為波長(zhǎng)，R為斜距，θ為入射角，一發(fā)雙收Q=1，自發(fā)自收模式Q=2，ρr為斜距分辨率。本無(wú)人機(jī)合適的飛行高度為2 km，同時(shí)為了使得同步鏈路通暢，兩架無(wú)人機(jī)盡量保持同一高度水平分布，此時(shí)中心入射角設(shè)置為45°比較合理，能夠兼顧地距分辨率和高程測(cè)量精度。在上述參數(shù)以及0.5 m分辨率的條件下，為了使得相干系數(shù)能夠達(dá)到0.975以上，Bv需要不超過(guò)34 m。因此，此處設(shè)計(jì)34 m的有效基線，也即42.43 m的水平間距。

干涉相位噪聲與相干系數(shù)的關(guān)系通常表示為[18]

其中，L為視數(shù)。當(dāng)相干系數(shù)在0.97以上，視數(shù)大于16時(shí)，干涉相位噪聲能控制在2.54°以內(nèi)。對(duì)于雙站InSAR系統(tǒng)而言，干涉相位噪聲和相干系數(shù)還會(huì)受到空間同步誤差的影響。如果主/從站存在較大的空間同步誤差，使主/從天線波束覆蓋范圍有較大偏差，則觀測(cè)區(qū)域內(nèi)的天線增益會(huì)受到影響，從而影響從站的回波信噪比，使得干涉相位噪聲變大。同時(shí)，波束范圍覆蓋的偏差，也會(huì)使得主站回波和從站回波的中心頻率存在偏差，引起相干性的降低。為此，通常要求空間同步誤差不能導(dǎo)致明顯的中心頻率偏差，不能明顯降低多普勒處理帶寬內(nèi)的回波信噪比，如要求考慮空間同步誤差后系統(tǒng)靈敏度優(yōu)于-30 dB。本系統(tǒng)的靈敏度達(dá)-40 dB，對(duì)空間同步誤差有較好的容忍性。

除了上述空間去相干和空間同步誤差的影響外，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中考慮的誤差因素還包括由運(yùn)動(dòng)誤差和航跡測(cè)量誤差導(dǎo)致的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償殘余誤差[19]、時(shí)間和相位同步誤差、基線長(zhǎng)度誤差、基線角誤差等。

將無(wú)誤差的理想情況下的干涉相位、基線長(zhǎng)度、基線角分別記為?1,B1,α1。記?2,B2,α2分別為考慮上述誤差后的干涉相位、基線長(zhǎng)度和基線角，則有

其中，?φ1為運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償殘余誤差導(dǎo)致的干涉相位誤差，其與航跡控制精度和成像處理時(shí)的參考高程與實(shí)際高程的偏差有關(guān)，具體模型參見(jiàn)文獻(xiàn)[19]，根據(jù)分析計(jì)算，當(dāng)交軌向航跡控制精度優(yōu)于1 m，成像參考高程精度優(yōu)于100 m時(shí)，運(yùn)補(bǔ)殘余引入的干涉相位誤差小于1°；?φ2為同步鏈引入的干涉相位誤差，其主要是相位同步引入的誤差，時(shí)間同步主要影響回波數(shù)據(jù)的有效錄取和回波包絡(luò)的對(duì)齊，從而影響成像處理精度，間接影響干涉相位精度，本系統(tǒng)中時(shí)間同步引入的包絡(luò)誤差要求達(dá)到0.1個(gè)采樣間隔內(nèi)，基本不影響成像精度；?φ3為去相干引入的相位誤差，?B為 基線誤差，?α為基線角誤差。

考慮誤差前后的目標(biāo)高度表達(dá)式如下[18]：

其中，h1為理想情況下干涉反演的目標(biāo)高度，h2為考慮多種誤差因素后干涉反演的目標(biāo)高度。因此，多種誤差因素導(dǎo)致的目標(biāo)高程誤差為

若進(jìn)一步考慮坡度影響，目標(biāo)的高度可以表示為

其中，αp為坡度角，詳見(jiàn)文獻(xiàn)[20]。

基于上述誤差分析模型，可以開(kāi)展數(shù)值仿真，得到不同誤差下對(duì)應(yīng)的高程反演精度，從而得到可取值的誤差范圍，并根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)工程可實(shí)現(xiàn)的精度進(jìn)行折中考慮。本無(wú)人機(jī)載雙站InSAR系統(tǒng)考慮的多種誤差并進(jìn)行誤差分配后，理論上的高程反演精度情況如表1所示。

表1 無(wú)人機(jī)載雙站InSAR系統(tǒng)誤差分配Tab.1 Systematic error distribution of UAV-borne bistatic InSAR

2.2 雙站干涉SAR系統(tǒng)構(gòu)成

通過(guò)上述系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，本文無(wú)人機(jī)載雙站干涉SAR系統(tǒng)的總體構(gòu)成如表2所示，其主要由LSAR(主站)、L-接收系統(tǒng)(從站)、無(wú)人機(jī)雙機(jī)編隊(duì)及位姿測(cè)量系統(tǒng)4部分組成。SAR載荷的實(shí)物圖如圖1所示，將其掛載于無(wú)人機(jī)平臺(tái)后整個(gè)系統(tǒng)的照片如圖2、圖3所示。

圖1 雙站干涉SAR及雙向同步鏈實(shí)物圖Fig.1 Bistatic InSAR and bidirectional synchronous chain

圖2 主站L波段全極化SAR和雙向同步鏈集成Fig.2 Master L-band full-polarization SAR and bidirectional synchronous chain integration

圖3 從站L波段雙極化接收系統(tǒng)和雙向同步鏈集成Fig.3 Slave L-band dual-polarization receiving system and bidirectional synchronous chain integration

表2 無(wú)人機(jī)載雙站InSAR系統(tǒng)總體構(gòu)成Tab.2 Overall composition of the UAV-borne bistatic InSAR system

L-SAR(主站)、L-接收系統(tǒng)(從站)是無(wú)人機(jī)載雙站干涉SAR系統(tǒng)的核心，該SAR載荷的主要參數(shù)如表3所示。

表3 L-SAR載荷參數(shù)Tab.3 L-SAR load parameters

2.3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

在無(wú)人機(jī)載雙站干涉SAR系統(tǒng)的研制過(guò)程中，取得突破的主要關(guān)鍵技術(shù)包括以下3個(gè)：無(wú)人機(jī)編隊(duì)飛行協(xié)同(也即空間同步)、時(shí)間與相位同步和無(wú)人機(jī)雙站InSAR數(shù)據(jù)處理，下面將重點(diǎn)介紹這3大關(guān)鍵技術(shù)。

2.3.1 無(wú)人機(jī)編隊(duì)飛行協(xié)同定位與控制技術(shù)

雙站InSAR為實(shí)現(xiàn)0.5 m測(cè)高精度指標(biāo)，要求兩架分別搭載主站SAR和從站SAR的編隊(duì)飛行無(wú)人機(jī)具備較高的空間同步能力，其交軌基線范圍在20～50 m，且誤差范圍在3～5 m，雙機(jī)順軌間距不大于10 m。同時(shí)，在雙機(jī)距離較近條件下，還會(huì)產(chǎn)生避撞等問(wèn)題，這對(duì)無(wú)人機(jī)雙機(jī)編隊(duì)定位精度及定位可靠性提出較高要求。本文介紹的無(wú)人機(jī)雙機(jī)編隊(duì)從兩個(gè)方面提高飛行定位精度，一是采用差分GPS模塊將單機(jī)位置測(cè)量精度提高到3～5 cm；二是設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)專(zhuān)用的協(xié)同傳感器，在兩架飛機(jī)上各安裝一套，實(shí)現(xiàn)雙機(jī)編隊(duì)協(xié)同通信與飛行定位。通過(guò)采用雙機(jī)編隊(duì)實(shí)現(xiàn)雙站InSAR要求的交軌基線及精度指標(biāo)的方法，在國(guó)內(nèi)尚屬首次。

協(xié)同飛行定位與控制采用超寬帶(Ultra Wide Band,UWB)定位技術(shù)[20,21]，通過(guò)發(fā)送和接收具有ns或ns級(jí)以下的極窄脈沖來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，使系統(tǒng)具有GHz量級(jí)的帶寬。如圖4所示，建立雙向飛行時(shí)間方法，即每架無(wú)人機(jī)UWB定位模塊從啟動(dòng)開(kāi)始即會(huì)生成一條獨(dú)立的時(shí)間戳，模塊A的發(fā)射機(jī)在其時(shí)間戳上的Ta1發(fā)射請(qǐng)求性質(zhì)的脈沖信號(hào)，模塊B在Tb2時(shí)刻發(fā)射一個(gè)響應(yīng)性質(zhì)的信號(hào)，被模塊A在自己的時(shí)間戳Ta2時(shí)刻接收。以此可以計(jì)算出脈沖信號(hào)在兩個(gè)模塊之間的飛行時(shí)間，從而確定飛行距離S：

圖4 雙向飛行時(shí)間法Fig.4 The method of two-way time-of-flight

其中，c為光速。

如圖5所示，無(wú)人機(jī)A上設(shè)置UWB基站，無(wú)人機(jī)B上設(shè)置UWB標(biāo)簽。通過(guò)UWB算法計(jì)算出雙機(jī)相對(duì)距離并發(fā)送給協(xié)同控制器。同時(shí)，協(xié)同控制器接收差分GPS模塊信息，通過(guò)衛(wèi)星定位信息計(jì)算出雙機(jī)相對(duì)位置。

圖6 長(zhǎng)機(jī)-僚機(jī)編隊(duì)橫航向運(yùn)動(dòng)Fig.6 Leader-follower formation movement

其中，ω為長(zhǎng)機(jī)的航向角速度。

協(xié)同控制器通過(guò)衛(wèi)星定位獲取雙機(jī)編隊(duì)的地理位置，通過(guò)UWB模塊測(cè)距獲取編隊(duì)相對(duì)位置，最終通過(guò)融合算法，將衛(wèi)星定位解算的雙機(jī)相對(duì)位置與UWB解算的雙機(jī)距離進(jìn)行對(duì)比，形成UWB測(cè)距與差分GPS定位互為補(bǔ)充的測(cè)量方法，大幅提高了編隊(duì)定位與控制精度，有效保證了空間同步。

其中，UWB測(cè)距和差分GPS定位的融合方法采用卡爾曼濾波器進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，具體來(lái)說(shuō)，將UWB測(cè)距和差分GPS定位的測(cè)量結(jié)果作為卡爾曼濾波器的輸入，通過(guò)卡爾曼濾波器對(duì)兩種測(cè)量結(jié)果進(jìn)行融合，得到更加準(zhǔn)確的位置和速度信息。整個(gè)融合處理方法與流程如圖7所示。

2.3.2 時(shí)間與相位同步技術(shù)

時(shí)間同步是無(wú)人機(jī)載雙站InSAR系統(tǒng)的一個(gè)核心問(wèn)題，指的是相互獨(dú)立的主站與從站之間的時(shí)鐘對(duì)準(zhǔn)，或者時(shí)鐘誤差測(cè)量與補(bǔ)償問(wèn)題，它對(duì)主/從站獲得數(shù)據(jù)的有效性至關(guān)重要[22,23]。相位同步是無(wú)人機(jī)載雙站InSAR系統(tǒng)的另一個(gè)核心問(wèn)題與關(guān)鍵難點(diǎn)，它直接影響了主站和從站復(fù)圖像對(duì)的相干性和干涉相位的精度。

本文介紹的無(wú)人機(jī)載雙站InSAR系統(tǒng)采用雙向同步鏈[24-26]實(shí)現(xiàn)時(shí)間和相位同步。該同步鏈采用雙站間信號(hào)對(duì)傳的方案，即主站發(fā)送同步信號(hào)給從站后，從站經(jīng)過(guò)一定的延時(shí)，發(fā)送從站的同步信號(hào)給主站，實(shí)現(xiàn)雙向同步信號(hào)的傳輸，主從站各自記錄同步信號(hào)供后續(xù)成像處理使用。圖8為雙站干涉SAR系統(tǒng)雙向同步鏈的示意圖。

圖8 雙站InSAR系統(tǒng)雙向同步鏈?zhǔn)疽鈭DFig.8 Diagram of the bidirectional synchronous chain of bistatic InSAR system

其中，雙站SAR時(shí)間同步主要保證回波錄取窗口的合理性和回波包絡(luò)的正確性。本系統(tǒng)在回波錄取窗口的觸發(fā)上，則采用各自的晶振，按照固定的脈沖重復(fù)頻率來(lái)觸發(fā)。上述時(shí)間同步方法也是星載雙站SAR系統(tǒng)中常用的技術(shù)方案，然而本無(wú)人機(jī)載雙站SAR出于成本考慮，主站和從站晶振穩(wěn)定度相對(duì)星載SAR而言要低幾個(gè)數(shù)量級(jí)，本系統(tǒng)的晶振穩(wěn)定度為10-7量級(jí)，因此需要額外考慮其時(shí)間同步對(duì)回波接收窗口的影響，并采取補(bǔ)償措施。為此，本系統(tǒng)針對(duì)較低穩(wěn)定度晶振下，隨著開(kāi)機(jī)后系統(tǒng)工作時(shí)間的增加，從站回波數(shù)據(jù)接收窗口相對(duì)主站而言存在時(shí)間漂移而影響有效回波的采集的問(wèn)題，根據(jù)漂移量預(yù)設(shè)了一個(gè)以6.3 s為周期、1 μs為偏移量的回波錄取窗口補(bǔ)償機(jī)制，該機(jī)制會(huì)使得回波數(shù)據(jù)呈現(xiàn)鋸齒狀，如圖9(a)所示。為此，本文在數(shù)據(jù)處理中，首先根據(jù)周期性的時(shí)間補(bǔ)償機(jī)制將回波進(jìn)行搬移補(bǔ)齊，使得回波包絡(luò)連續(xù)。然后對(duì)主/從站記錄的同步信號(hào)進(jìn)行脈沖壓縮和峰值相位提取，并對(duì)提取的相位作差得到差值的二分之一相位?syn(t)，對(duì)該相位進(jìn)行線性擬合，即可得到主站和從站的晶振頻差，如下：

圖9 從站回波距離壓縮后的結(jié)果Fig.9 The results of range compression of the slave echo

據(jù)此對(duì)從站回波距離采樣進(jìn)行移位，也即在從站回波的距離頻域補(bǔ)償線性相位：

其中，t為以第1個(gè)回波脈沖方位時(shí)間為參考0時(shí)刻的方位時(shí)間，第j個(gè)回波脈沖的方位時(shí)間t=j/PRF，P RF為脈沖重復(fù)頻率。由此即可得到回波包絡(luò)誤差補(bǔ)償后的結(jié)果，如圖9(b)所示。

在上述時(shí)間同步誤差導(dǎo)致的包絡(luò)誤差補(bǔ)償基礎(chǔ)上，即可進(jìn)行相位同步補(bǔ)償，相位同步補(bǔ)償?shù)姆椒ㄊ欠謩e對(duì)主站和從站接收的同步鏈信號(hào)進(jìn)行脈沖壓縮和峰值相位提取，并求兩個(gè)相位的差值，其差值的二分之一就是同步相位的補(bǔ)償項(xiàng)，用于補(bǔ)償從站回波的相位同步誤差。

圖10為雙站干涉SAR系統(tǒng)地面靜態(tài)測(cè)量結(jié)果，其為采用雙向同步鏈技術(shù)，從站雷達(dá)同步信號(hào)脈沖壓縮并進(jìn)行距離采樣包絡(luò)移位和相位同步誤差補(bǔ)償后的結(jié)果，其可體現(xiàn)同步鏈本身的精度。可見(jiàn)時(shí)間同步殘余的包絡(luò)誤差小于0.1個(gè)采樣點(diǎn)(采樣率1.25 Gsps)，即0.08 ns；相位同步補(bǔ)償后殘余的隨機(jī)相位誤差小于±0.4°。

圖10 從站雷達(dá)時(shí)間和相位同步后的測(cè)量結(jié)果Fig.10 Measurements after time and phase synchronization of slave radar

2.3.3 無(wú)人機(jī)載雙站InSAR數(shù)據(jù)處理技術(shù)

在同步誤差補(bǔ)償后，無(wú)人機(jī)載雙站InSAR的處理流程與星載雙站InSAR的后續(xù)處理流程[27]類(lèi)似，包括主站和從站的成像處理、復(fù)圖像配準(zhǔn)、基線等干涉系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)定、干涉相位濾波解纏、DEM生成等步驟。其中，本系統(tǒng)有別于現(xiàn)有星載雙站In-SAR處理方法的關(guān)鍵技術(shù)在于面向干涉的無(wú)人機(jī)載雙站SAR的高精度成像處理。

由于無(wú)人機(jī)載SAR飛行高度相對(duì)較低，且易受到氣流的影響偏離預(yù)定直線航線，從而形成相對(duì)較大的運(yùn)動(dòng)誤差，同時(shí)主站和從站的運(yùn)動(dòng)誤差并不相同，如果運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償不夠精細(xì)，主站和從站所殘余的不同的運(yùn)動(dòng)誤差會(huì)帶來(lái)相位誤差從而影響干涉SAR高度反演精度。為此本文提出一種能夠更好地補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)誤差距離和方位空變性的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法。

其首先基于主站和從站的高精度慣導(dǎo)數(shù)據(jù)通過(guò)最小二乘方法確定雙站SAR共同的速度矢量，并擬合兩條平行的直線。接著，采用一步運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償[28]算法以能夠更好地應(yīng)對(duì)運(yùn)動(dòng)誤差隨距離向的空變性。對(duì)于主站而言，運(yùn)補(bǔ)參考航跡為主站擬合的直線；對(duì)于從站而言，則基于發(fā)射和接收兩條參考航跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償[29]。隨后對(duì)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行方位向重采樣，對(duì)于主站直接基于主站慣導(dǎo)數(shù)據(jù)和主站回波脈沖時(shí)間戳進(jìn)行方位重采樣；對(duì)于從站而言，則采用雙站SAR的方位重采樣方法[22]得到準(zhǔn)確的方位向重采樣結(jié)果。接著基于一種多普勒帶寬分割和子孔徑圖像合成的高精度運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償結(jié)合ω-k算法的成像方法，進(jìn)行回波數(shù)據(jù)的運(yùn)補(bǔ)和成像。該方法通過(guò)劃分方位子孔徑，對(duì)子孔徑數(shù)據(jù)進(jìn)行成像并采用PTA方法進(jìn)行孔徑內(nèi)的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，最后對(duì)子孔徑圖像進(jìn)行相干合成，可以更好地補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)誤差的距離和方位空變性，更好地滿足無(wú)人機(jī)載InSAR成像的要求。對(duì)于從站而言，由于基線較短，可使用主站和從站位置的中心作為雙站SAR的等效中心位置，采用雙站SAR的雙曲等效近似模型進(jìn)行ω-k算法推導(dǎo)，并采用與單站SAR一致的運(yùn)補(bǔ)和成像方法進(jìn)行處理。整個(gè)成像處理方法流程如圖11所示。

圖11 無(wú)人機(jī)載雙站InSAR成像處理流程圖Fig.11 Flow chart of UAV-borne bistatic InSAR imaging processing

3 無(wú)人機(jī)雙站L波段干涉SAR校飛試驗(yàn)

在上述關(guān)鍵技術(shù)研究基礎(chǔ)上，為了驗(yàn)證無(wú)人機(jī)雙站L波段InSAR系統(tǒng)的基本性能指標(biāo)、協(xié)同飛行交軌干涉基線范圍以及系統(tǒng)高程反演能力，我們于2022年8月17-29日，在內(nèi)蒙古達(dá)爾罕茂明安聯(lián)合旗百靈機(jī)場(chǎng)開(kāi)展了首次集成校飛實(shí)驗(yàn)。

3.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

實(shí)驗(yàn)對(duì)象為百靈機(jī)場(chǎng)，由航站樓和機(jī)場(chǎng)跑道組成，占地面積391800 m2。其中，機(jī)場(chǎng)跑道區(qū)域長(zhǎng)1200 m，寬176 m，周邊人工建筑較少，地形平坦，比較空曠，除機(jī)場(chǎng)建筑等目標(biāo)外，地物后向散射較弱，便于進(jìn)行定標(biāo)器布設(shè)。

3.2 航線及基線設(shè)計(jì)

雙站InSAR為了兼顧航高限制、成像范圍、最大不模糊高度、無(wú)人機(jī)航跡控制精度等因素，通過(guò)理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)優(yōu)選設(shè)計(jì)了兩組飛行模式參數(shù)，模式1飛行相對(duì)高度1 km，雙機(jī)飛行水平間距30 m，中心視角45°，成像幅寬為1.44 km；模式2飛行相對(duì)高度2 km，中心視角45°，雙機(jī)飛行水平間距50 m，成像幅寬為2.88 km，如表4所示。

表4 雙站InSAR構(gòu)型參數(shù)Tab.4 Configuration parameters of bistatic InSAR

無(wú)人機(jī)實(shí)際飛行航線如圖12所示，飛機(jī)右側(cè)視觀測(cè)，主要成像區(qū)間為圖中自北往南和自南往北的兩段航跡，其余用于無(wú)人機(jī)轉(zhuǎn)彎和隊(duì)形調(diào)整等。典型成像段的航跡和姿態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)如圖13所示，可見(jiàn)，主/從站航跡控制較好，不僅兩個(gè)航跡的一致性較好，且與理想直線航跡的偏差在1 m以內(nèi)，滿足本系統(tǒng)分配的航跡控制精度指標(biāo)；主/從站各自的姿態(tài)角變化在2°以內(nèi)，對(duì)多普勒中心頻率的影響在10 Hz以內(nèi)，說(shuō)明其數(shù)據(jù)獲取條件較好，姿態(tài)波動(dòng)相對(duì)較??；主/從站偏航角存在1.7°左右的差異，該差異導(dǎo)致的中心頻率差異約在3.5 Hz，對(duì)成像處理的影響在可接受的范圍內(nèi)。無(wú)人機(jī)載雙站InSAR飛行照片如圖14所示。

圖12 無(wú)人機(jī)飛行航線Fig.12 UAV flight route

圖13 無(wú)人機(jī)載雙站InSAR飛行的典型航跡和姿態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)Fig.13 Typical trajectory and attitude measurements of UAV-borne bistatic InSAR

圖14 無(wú)人機(jī)載雙站InSAR飛行照片F(xiàn)ig.14 Photo of UAV-borne bistatic InSAR

3.3 定標(biāo)器布設(shè)

為了支撐斜距、基線、通道幅相誤差、極化等參數(shù)的標(biāo)定和干涉高程反演結(jié)果精度的充分驗(yàn)證，本次實(shí)驗(yàn)中布設(shè)了21個(gè)定標(biāo)器，其中：三面角14個(gè)(J1-J14)，包括4個(gè)0.9 m三面角、3個(gè)0.7 m三面角，7個(gè)0.5 m三面角；二面角7個(gè)(J15-J21)，其中3個(gè)0°二面角，3個(gè)45°二面角，1個(gè)22.5°二面角。這些定標(biāo)器可以組成三組極化定標(biāo)器組，每組1個(gè)三面角、1個(gè)0°二面角、1個(gè)45°二面角，另1個(gè)22.5°二面角用于判定模糊解，這些定標(biāo)器用以支撐極化定標(biāo)。此外，其余的11個(gè)三面角反射器部分用于干涉定標(biāo)，其余則可用于極化和幾何精度的驗(yàn)證。定標(biāo)器布設(shè)的光學(xué)影像示意圖及SAR圖像中的分布圖見(jiàn)圖15，其中散射強(qiáng)度相對(duì)較弱的定標(biāo)器在圖15(b)中放大顯示，場(chǎng)地中未標(biāo)注的其他強(qiáng)散射點(diǎn)來(lái)自路燈、旗桿、指示牌等。典型定標(biāo)器的現(xiàn)場(chǎng)照片見(jiàn)圖16。采用差分GPS對(duì)上述定標(biāo)器的三維位置進(jìn)行了精確測(cè)量，三維位置精度為5 cm。需要說(shuō)明的是，如表4所示，本文雙站SAR實(shí)驗(yàn)中的雙站角小于1°，而二面角、三面角反射器在俯仰向具有較寬的波束范圍，因此其可用于本雙站SAR實(shí)驗(yàn)的極化和干涉定標(biāo)。

圖15 定標(biāo)器分布圖Fig.15 Diagram of reflector distribution

圖16 定標(biāo)器布設(shè)照片F(xiàn)ig.16 Photos of reflector layout

4 無(wú)人機(jī)載雙站InSAR實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)初步處理結(jié)果

下面以2022年8月26日飛行的1000 m高度、水平間距30 m的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為例，給出無(wú)人機(jī)載雙站InSAR的處理結(jié)果。

4.1 雙站InSAR成像結(jié)果

采用本文2.3.3節(jié)的同步誤差補(bǔ)償和運(yùn)補(bǔ)成像方法進(jìn)行成像處理后，得到主、從站的圖像和分辨率測(cè)試結(jié)果分別如圖17、圖18和表5所示。

圖17 成像結(jié)果圖Fig.17 Results of imaging

圖18 某三面角成像結(jié)果的方位向曲線Fig.18 Curve of trihedral corner reflector in azimuth in imaging results

表5 分辨率測(cè)試結(jié)果Tab.5 Results of resolution test

可見(jiàn)主從站圖像都得到了良好的聚焦。但是，本次L波段SAR回波中存在點(diǎn)頻和窄帶干擾。此外，場(chǎng)景中機(jī)場(chǎng)建筑和其他地物散射強(qiáng)度差異懸殊，為了顧及地面角反射器和地面其他地物具有較好的信噪比，在系統(tǒng)增益設(shè)置時(shí)進(jìn)行了折中，機(jī)場(chǎng)建筑強(qiáng)散射回波具有一定的飽和。這些因素導(dǎo)致成像后存在較長(zhǎng)的距離向旁瓣拖尾現(xiàn)象，導(dǎo)致這些區(qū)域相干性較差，從而對(duì)其周邊地物的干涉處理造成了一定的影響，但因其作用范圍有限，不會(huì)對(duì)整體數(shù)據(jù)和結(jié)果的有效性造成影響。

4.2 定標(biāo)處理結(jié)果

(1) 干涉定標(biāo)

首先進(jìn)行干涉定標(biāo)處理[30-32]，選擇J1-J8共8個(gè)三面角反射器，標(biāo)定干涉定標(biāo)基線長(zhǎng)度和基線角度分別為30.4764 m和-1.2729°。然后對(duì)干涉相位誤差進(jìn)行標(biāo)定，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)分析，判定干涉相位誤差沿著距離向呈線性變化，畫(huà)出所有21個(gè)角反射器的干涉相位與距離向像素位置的關(guān)系，如圖19所示，可擬合得到誤差變化的線性項(xiàng)和常數(shù)項(xiàng)分別為0.045(°/距離門(mén))和162.647°。后續(xù)基于該參數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償和高程反演。

圖19 干涉相位誤差與距離向像素關(guān)系Fig.19 Relation of interference phase error and pixel location in range direction

(2) 極化定標(biāo)結(jié)果

基于布設(shè)的定標(biāo)器開(kāi)展極化定標(biāo)處理并進(jìn)行極化校正[33]，以主站實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為例，給出Pauli偽彩合成圖如圖20所示。從偽彩圖中可見(jiàn)，極化校正后，圖中的裸地區(qū)域由原來(lái)的紫色變?yōu)榱吮碚鲉未伪砻嫔⑸涞乃{(lán)色，機(jī)場(chǎng)周?chē)莸貐^(qū)域體現(xiàn)體散射的綠色，偽彩圖顏色表現(xiàn)更加合理。

圖20 極化校正前后的主站Pauli圖Fig.20 Pauli diagrams of the master station before and after polarization correction

選擇其中受雜波影響較小的三面角，對(duì)于極化標(biāo)校前后的極化指標(biāo)做測(cè)評(píng)，結(jié)果如表6和表7所示。可以看出，定標(biāo)所采用的三面角反射器J2*的極化隔離度和幅相不平衡達(dá)到了理想狀態(tài)，說(shuō)明了標(biāo)校算法的自洽性；從J3和J4兩個(gè)檢查點(diǎn)可見(jiàn)，經(jīng)極化定標(biāo)后，主站和從站極化隔離度均優(yōu)于30 dB，極化通道幅度不平衡不超過(guò)0.5 dB，相位不平衡不超過(guò)3.5°，很好地滿足了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

表6 主站數(shù)據(jù)極化定標(biāo)前后的三面角極化質(zhì)量評(píng)價(jià)Tab.6 Polarization quality evaluation of master data before and after polarization calibration based on trihedral corners

表7 從站數(shù)據(jù)極化定標(biāo)前后的三面角極化質(zhì)量評(píng)價(jià)Tab.7 Polarization quality evaluation of slave data before and after polarization calibration based on trihedral corners

4.3 干涉反演結(jié)果

根據(jù)上述定標(biāo)結(jié)果，進(jìn)行干涉處理和高程反演[34,35]。首先選取主站數(shù)據(jù)和從站數(shù)據(jù)中機(jī)場(chǎng)區(qū)域(圖21)，進(jìn)行干涉配準(zhǔn)，配準(zhǔn)后按照5×5窗口大小計(jì)算的相干系數(shù)圖(圖22)、干涉相位圖(圖23)，去平地和濾波[36,37]后的干涉相位圖(圖24)，相位解纏[38]和高程反演的結(jié)果(圖25)。其中，21個(gè)定標(biāo)點(diǎn)的高程值和高程誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表8所示。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，全部21個(gè)定標(biāo)點(diǎn)的高程誤差RMS為0.87 m；考慮到部分定標(biāo)點(diǎn)所在的位置受到干擾較多，相干系數(shù)較低，其相位準(zhǔn)確性也受到影響，因此篩選相干系數(shù)大于0.88的定標(biāo)器17個(gè)，統(tǒng)計(jì)高程誤差RMS為0.42 m，達(dá)到系統(tǒng)干涉高程精度小于0.50 m的指標(biāo)要求。

圖22 相干系數(shù)圖Fig.22 Coherence coefficient diagram

圖23 相干相位圖Fig.23 Interference phase diagram

圖24 去平地和濾波后的相位圖Fig.24 Interference phase diagram after flat-earth phase removal and filtering

圖25 反演的高度Fig.25 Elevation inversion

表8 雙站SAR干涉反演高度誤差表Tab.8 Table of elevation inversion error of bistatic interferometric SAR

此外，對(duì)機(jī)場(chǎng)附近有兩個(gè)小土丘的區(qū)域(圖26)進(jìn)行處理，得到初始干涉相位、去平地并濾波后的相位如圖27和圖28所示，最終得到的高程反演結(jié)果如圖29所示，可見(jiàn)其很好地體現(xiàn)了該區(qū)域的高程變化，驗(yàn)證了本無(wú)人機(jī)雙站InSAR系統(tǒng)在地形測(cè)量方面的有效性。

圖26 機(jī)場(chǎng)附近小土丘區(qū)域圖像Fig.26 Image of the hill near the airport

圖27 干涉相位圖Fig.27 Interference phase diagram

圖28 去平地及濾波后的干涉相位圖Fig.28 Interference phase diagram after flat-earth phase removal and filtering

圖29 高程反演結(jié)果Fig.29 Results of elevation inversion

5 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了國(guó)內(nèi)首個(gè)無(wú)人機(jī)載雙站InSAR系統(tǒng)的組成、基本參數(shù)和關(guān)鍵技術(shù)，并給出了首次飛行試驗(yàn)的實(shí)施情況和數(shù)據(jù)處理結(jié)果，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的基本性能和高程反演能力，為后續(xù)多航空平臺(tái)協(xié)同開(kāi)展分布式干涉、分布式陣列干涉三維成像數(shù)據(jù)獲取及處理的研究提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目支撐下，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)后續(xù)將進(jìn)一步開(kāi)展復(fù)雜地形區(qū)域的無(wú)人機(jī)載雙/分布式InSAR數(shù)據(jù)獲取和處理技術(shù)研究工作，并繼續(xù)開(kāi)展試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理和指標(biāo)評(píng)估工作，推動(dòng)無(wú)人機(jī)載雙/分布式InSAR的實(shí)用化。

致謝本論文成果是在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃航空協(xié)同透視探測(cè)技術(shù)系統(tǒng)(2022YFB3902600)以及中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院自主部署的顛覆性創(chuàng)新項(xiàng)目“無(wú)人機(jī)雙站L波段干涉SAR探測(cè)系統(tǒng)”支持下完成的，感謝研究過(guò)程中為我們提供支持的各位專(zhuān)家、老師。