一種改進的基于BiDirectional體制的MISO-SAR系統

蔣　?！∷渭t軍

①（中國科學院電子學研究所　北京　100190）

②（中國科學院大學　北京　100049）

一種改進的基于BiDirectional體制的MISO-SAR系統

蔣海*①②宋紅軍①

①（中國科學院電子學研究所北京100190）

②（中國科學院大學北京100049）

BiDirectional體制是德宇航在2012年提出的一種通過單星單次飛行實現秒級重訪的新體制，基本原理是利用相控陣電掃描方式生成雙波束天線方向圖，同時發射兩個脈沖照射方位向前后兩塊成像區域，將同時接收到的脈沖在多普勒域進行帶通濾波分離，并分別成像。該文介紹了一種改進的基于BiDirectional體制的多發單收（Multi Input Single Output，MISO）SAR系統，將傳統的雙波束同發同收改進為分時先后發射和同時接收，利用發射時較優的方向圖抑制方位模糊（AASR），獲得了較好的效果。文中給出了頻譜分離效果、AASR分析和系統設計流程，給出了改進前后的點目標1維和2維成像結果對比，證明了該改進的有效性，最后給出了BiDirectional體制與其它幾種單星短時重訪體制的對比結果。

BiDirectional SAR；多發單收（MISO）；柵瓣；方位模糊比（AASR）

1　引言

近年來隨著星載SAR技術的不斷發展，SAR的重復訪問應用不斷受到人們關注，它可廣泛應用于動目標檢測，地形變化監測和干涉速度測量等［1-3］。普通SAR衛星的重訪周期是小時量級，當需要進行冰山漂移監測、船速測量等應用時［4，5］，重訪周期通常需要分鐘甚至秒的量級，目前多采用多星星座或者多相位中心天線等方法實現。文獻［1］中采用單通道BiDirectional模式，利用平面相控陣天線的主瓣和第1柵瓣，同發同收照射前后向不同區域，該模式首次在德宇航的TerraSAR-X衛星上進行了實測數據獲?。?-8］，得到了約5.9 s的重訪周期。后來又相繼提出了幾種利用TerraSAR-X和TanDEM-X編隊飛行的BiDirectional工作模式，并且完成了一系列包括新加坡港口和烏普薩拉冰川等地區的實測數據獲取任務［9-11］。BiDirectional SAR體制的另一個優點是對兩個方向同時進行成像可以獲得兩段分離的多普勒頻譜，后續可進行干涉或者動目標檢測等應用［12-14］。

傳統BiDirectional SAR體制的主要缺點是由于雙波束天線方向圖的柵瓣導致系統方位模糊比（AASR）惡化，而不得不選取相同天線長度下比條帶模式增大近一倍的PRF，或者減少實際處理的方位向多普勒帶寬，引起分辨率的下降。以Terra SAR-X的新加坡港口飛行任務為例［6］，系統PRF選取5860 Hz，方位向3 dB帶寬只有2851 Hz，為了降低系統AASR，實際處理的方位向帶寬僅為1995 Hz，導致測繪帶寬僅有33 km。

本文介紹了一種改進的基于BiDirectional體制的多發單收（MISO）成像模式，發射時通過相控陣天線電掃描方式調整天線指向，以較短的時間間隔先后發射兩個脈沖，分別照射后向和前向區域；接收時通過天線方向圖的主瓣和第1柵瓣同時接收兩個方向的回波脈沖至同一接收窗中，之后在多普勒域利用帶通濾波器將兩路回波分開，并分別進行成像和后續的動目標檢測應用等。這種工作模式由雙發射脈沖和單接收通道組成，因此稱為改進的基于BiDirectional體制的MISO-SAR系統。

本文分為6節，第2節介紹改進的基于BiDirectional體制的MISO-SAR系統，第3節介紹該模式的AASR分析以及系統設計，第4節給出了改進后的點目標仿真成像結果，以及與傳統BiDirectional SAR體制的對比，第5節給出了BiDirectional體制與另外幾種單星短時重訪體制的對比結果，第6節總結全文。

2　改進的MISO-SAR系統

2.1相控陣天線方向圖

為了實現天線在方位向和距離向的2維主動掃描，目前的星載SAR通常采用2維平板相控陣天線。由相控陣天線工作原理，其單程方向圖為：

其中，

Ge（θ）表示天線陣元的方向圖，K為T/R組件個數，Lae為天線陣元長度，在天線掃描時為避免柵瓣影響，應滿足：

θs，max是天線最大掃描角度，以德國Terra SARX衛星為例［15，16］，其掃描角度范圍為±0.75°，工作頻率為9.65 GHz，對應工作波長為0.0311 m，相控陣天線由384個天線單元組成，排布成12（方位向）×32（距離向）的陣列，天線總長度為4.8 m×0.75 m，對應的單元間距為0.4 m×0.022 m［14］。天線主瓣和第1柵瓣的間隔角度可根據式（2）中的相位系數計算得出，如式（4）所示：

代入TerraSAR-X天線參數，得到Δθ=4.4°，將天線方位向掃描角度設為2.2°，就可以得到對稱的主瓣和第1柵瓣方向圖，如圖1所示。

圖1　TerraSAR-X天線方向圖仿真（掃描角2.2°）Fig. 1　Simulation diagram of TerraSAR-X antenna pattern（steering angle 2.2°）

2.2改進的幾何關系圖

在傳統的BiDirectional成像模式下，每個脈沖被雙波束天線方向圖（如圖1所示）發射到方位向的兩個不同區域，回波脈沖被相同天線方向圖同時接收。而在改進的MISO-SAR模式中，雷達在發射脈沖時，通過相控陣天線電掃描的方法，兩個子脈沖使用不同的天線方向圖，分時間先后進行發射，照射前后向不同區域，如圖2（a）所示。而在接收時與傳統BiDirectional體制相同，回波脈沖被天線主瓣和第1柵瓣同時接收，如圖2（b）所示。

圖2　改進的MISO-SAR體制幾何關系圖Fig. 2　Improved imaging geometry of MISO-SAR

圖3　MISO-SAR相控陣天線方向圖Fig. 3　MISO-SAR phased array antenna pattern

圖3顯示了改進后的方位向天線方向圖。要在相同的掃描角度下，使發射天線方向圖沒有柵瓣，而接收天線方向圖有柵瓣：首先需要使相控陣天線陣元間距滿足條件，發射天線方向圖沒有柵瓣；其次，在生成接收天線方向圖時，將每n個相鄰的陣元移相器設為相同參數，等效增大了陣元間距Lae，使其不滿足條件Lae≤λ/，從而使接收天線方向圖出現柵瓣，在圖3（b）中，n=10。傳統BiDirectional體制的收發雙程方向圖為圖3（b）的平方，而改進后的MISO-SAR雙程方向圖為圖3（a）和圖3（b）的乘積?？梢钥闯?，性能良好的發射天線方向圖可以抑制接收方向圖的柵瓣，圖3中主瓣和第1柵瓣的角度間隔為8.952°，因此方位向上后向和前向波束指向分別為-4.476°和4.476°。主瓣和第1柵瓣的增益相同，均比發射天線方向圖的主瓣低約3.7 dB。此外，由于前后向脈沖修改為分時發射，導致接收開窗時間延長，有一定可能性會減小測繪帶的寬度，這取決于波位選取的結果。

圖4　不同PRF取值下前后向頻譜分離效果Fig. 4　The effects of spectrum separation under different PRFs

2.3頻譜分離效果

根據TerraSAR-X衛星在傳統BiDirectional體制下的實際參數［6］，前后向多普勒中心為±19.2 kHz，方位向3 dB帶寬2851 Hz進行頻譜分離效果仿真，圖4示意了選取不同PRF時，分離前后向波束頻譜的效果。3幅圖中的PRF分別選取6470 Hz，5792 Hz和5120 Hz。

在PRF=6470 Hz時，柵瓣被折疊進離主瓣很近的位置，這引起了前后向的頻譜混疊，難以將其分開；PRF=5792 Hz時，柵瓣移向右側，主瓣和柵瓣輪廓可大致在頻譜中區分開；PRF=5120 Hz時，柵瓣移到了便于頻譜分離非常好的位置，頻譜分離可以通過帶通濾波器來選出需要處理的頻帶，其中心頻率分別為前后向的多普勒中心頻率。

從圖4中我們可以看到，頻譜的分離效果與PRF不成線性關系，當PRF選為前后中心頻率差的約1/（n+0.5）時（n為正整數），可以使柵瓣中心距離主瓣中心最遠，從而帶來混疊的極小值。本仿真參數中n取7，可得到PRF=19.2k×2/7.5=5120 Hz，即圖4（c）所示的較好效果。在BiDirectional體制中，PRF只有選在某些離散值附近時才能達到較好的頻譜分離效果。

3　AASR分析和系統設計

3.1AASR分析

對于改進后的MISO-SAR系統，后向和前向區域的AASR可分別進行計算，如式（5），式（6）所示：

圖5顯示了系統AASR與PRF取值的關系，從中可以看到AASR呈現周期性的震蕩，而極大值在0 dB左右保持穩定，這對應前后向頻譜完全混疊無法分離的情況，有效能量近似等于模糊能量，反映了后向和前向天線方向圖的一致性。AASR的極小值隨著PRF的增大而減小，這反映了前后向頻譜可以通過多普勒帶通濾波器進行分離。圖3（b）中的主瓣和第1柵瓣的增益相同，系統具有前后對稱性，因此前向和后向區域的AASR相等。與傳統BiDirectional體制相比，MISO-SAR體制的AASR性能較優，因為圖2中發射天線方向圖抑制了接收天線的柵瓣接收能量。如圖5所示，為了預期的AASR性能（如橫線所示的-18 dB），傳統BiDirectional體制要選取超過6500 Hz的PRF，而MISO-SAR系統中只需5100 Hz就可以滿足要求。與傳統SAR成像類似，圖6顯示了在相同情況下，降低方位向的多普勒處理帶寬，可以提高AASR性能，但會降低方位向分辨率。

3.2系統設計

基于BiDirectional體制的MISO-SAR系統設計需求主要包括分辨率、測繪幅寬、模糊、NESZ、斜視角和供電等。需要確定的參數包括發射帶寬、PRF的選取，天線俯仰向、方位向尺寸及增益，T/R組件個數、間距和平均功率的確定等。其中，發射帶寬和處理的多普勒帶寬由需要的幾何地距分辨率和方位向分辨率分別決定；天線的T/R組件個數可根據前向和后向斜視角計算，由方位向天線長度可以得到T/R組件的間距；在PRF的選取過程中，首先通過前后向的掃描角度，估計前后向的多普勒中心，根據多普勒帶寬確定頻譜分離所需的PRF，通過幾何關系圖計算一組PRF數值，均能避免星下點回波和發射窗干擾，二者折中后得到最終結果，此外，PRF的選取需要在滿足系統AASR要求的前提下，盡量降低PRF的取值，以獲得盡可能寬的測繪帶。由于每一脈沖回波都應落在脈沖間隔內，且應避開較強的星下點回波，因而每一個波位的PRF都是獨立選定的；最后由系統所需的NESZ來確定平均功率。

圖5　MISO-SAR和BiDirectional模式下的AASR與PRF關系圖Fig. 5　AASRs of BiDirectional and MISO-SAR modes under different PRFs

圖6　MISO-SAR模式不同多普勒處理帶寬下AASR與PRF關系圖Fig. 6　MISO-SAR AASRs of different processed Doppler band under different PRFs

如圖7所示，基于BiDirectional體制的MISOSAR系統設計的核心是PRF的選取，PRF決定了頻譜的分離效果和處理的多普勒帶寬，最大的難點在于圖5的約束，即為了滿足AASR的指標要求，PRF只能在某些離散的數值附近選取，如果與星下點回波或接收窗沖突，則需要進行反復的修改。

4　原始數據處理和仿真

為了驗證改進的BiDirectional體制MISOSAR模式的有效性，本節進行點目標仿真對比，仿真參數如表1所示。

圖7　基于BiDirectional體制的MISO-SAR系統設計流程Fig. 7　System design process of MISO-SAR mode based on BiDirectional mode

在相同天線長度情況下，圖8和圖10顯示了改進的MISO-SAR體制對方位向不同的兩個點目標成像結果，圖9和圖11是采用相同參數，在傳統BiDirectional體制下的成像結果。在圖8中PRF取5120 Hz，兩個點目標的多普勒中心分別為-3746 Hz和3746 Hz，可較好地被多普勒帶通濾波器分離并進行脈沖壓縮。圖10中PRF選擇5490 Hz時，兩段頻譜無法被完整分離開，而且脈沖壓縮結果較差，圖10（c）中的方位模糊已可被判為弱小目標。與圖9和圖11進行對比，可明顯看出改進的MISOSAR體制比傳統BiDirectional體制具有更好的頻譜分離度，以及更好的AASR性能。

同時給出在上述兩種PRF取值在改進的MISOSAR體制下的2維成像結果對比。如圖所示，圖12為PRF選擇5120 Hz時的結果，圖13為PRF選擇5490 Hz時的結果，圖13（a）為原始數據實部圖，圖13（b）為多普勒頻譜分離結果，圖13（c）為前向的成像結果?？梢钥闯?，圖12中達到了較好的頻譜分離效果，因此得到了較好的成像效果；而圖13中PRF不合適導致頻譜混疊嚴重，雖然針對點目標完成了成像，但混疊的頻譜能量在下邊區域造成了嚴重的模糊，無法應用于場景目標的成像。傳統BiDirectional體制下的2維仿真結果與其類似，不再贅述。

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表1　MISO-SAR仿真參數Tab. 1 Simulation parameters of MISO-SAR mode

圖8　PRF選擇5120 Hz時MISO-SAR體制下仿真結果Fig. 8　Simulation results of MISO-SAR mode，PRF=5120 Hz

圖9　PRF選擇5120 Hz時傳統BiDirectional體制下仿真結果Fig. 9　Simulation results of traditional BiDirectional mode，PRF=5120 Hz

圖10　PRF選擇5490 Hz時MISO-SAR體制下仿真結果Fig. 10　Simulation results of MISO-SAR mode，PRF=5490 Hz

圖11　PRF選擇5490 Hz時傳統BiDirectional體制下仿真結果Fig. 11　Simulation results of traditional BiDirectional mode，PRF=5490 Hz

5　與其它單星重訪體制的對比

除了本文討論的BiDirectional體制外，還有幾種其它形式的單星短時重訪SAR體制，本節對這幾種體制進行研究總結，并與BiDirectional體制進行對比。

5.1條帶多視

單星短時重訪的實現可以采用將方位向視角跨度分割為nL份多視視角的方法。文獻［17］中敘述了此方法用于方位向動目標測速的原理。圖14左邊顯示了單視條帶SAR的合成孔徑時間，右邊顯示了方位向兩視處理后，降低后的每視合成孔徑時間Tint，m，在nL視數下，波束邊沿處（即波束最前沿和最后沿）實現的方位向重訪間隔tlag，m為：

如果按照TerraSAR-X新加坡港口飛行任務中的參數設置［18］：最大理論重訪時間間隔tmax為0.44 s，兩視時重訪時間間隔為0.22 s。條帶多視的缺點是相對較小的重訪時間間隔，以及多視數共享合成孔徑時間，降低了方位向分辨率。定義圖像重疊時間Tovl為前后向圖像的重疊區域在方位向上的長度。在條帶多視體制下，Tovl，m不被幾何關系圖所限制，等于完整獲取的圖像長度。

5.2順次前/后斜視條帶

另一種單星短時重訪體制可以通過先前斜視條帶掃描，接后斜視條帶掃描來實現，該體制可稱為順次前/后斜視條帶體制（Sequential）。如圖15所示，前后斜視角度需要限定在一個范圍內，在TerraSAR-X衛星上，前斜視角范圍和后斜視角范圍均被限制在0.75°。此種體制下的重訪時間間隔為：

根據TerraSAR-X的參數設置計算可得tlag，s為2 s。圖像重疊時間為：

在新加坡港口示例中的圖像重疊時間Tovl，s為1.6 s，對應11.1 km地距。本體制的缺點是重疊圖像長度受限，而且重訪時間間隔受掃描斜視角度的范圍限制。優勢是保持了原有條帶SAR的特點和方位向分辨率。

5.3繩針式前/后斜視條帶

圖12　PRF選擇5120 Hz時BiDirectional體制下2維仿真結果Fig. 12　2-D simulation results of BiDirectional mode，PRF=5120 Hz

圖13　PRF選擇5490 Hz時BiDirectional體制下2維仿真結果Fig. 13　2-D simulation results of BiDirectional mode，PRF=5490 Hz

圖14　條帶單視和條帶多視Fig. 14　Sing-look stripmap and 2-look stripmap acquisition

克服順次前/后斜視條帶體制中圖像重疊限制的辦法是采用繩針式（Toggling）前/后斜視條帶體制。圖16顯示了繩針式前/后斜視條帶體制的原理，飛行方向為從左向右，紅色區域采用前斜視，藍色區域采用后斜視，不斷交替進行數據采集。圖像重疊區域等于圖像采集長度，不受限制。繩針式前/后向條帶體制下的時間間隔tlag，t等于順次前/后斜視條帶體制下的tlag，s，在新加坡示例參數下的tlag，t也為2 s。該體制的缺點是相對于條帶SAR體制，PRF擴大了2倍。

圖15　順次前/后斜視條帶法Fig. 15　Sequential fore/aft stripmap acquisition

圖16　繩針式前/后斜視條帶法Fig. 16　Toggling fore/aft stripmap acquisition

5.4幾種重訪體制的對比

表2總結了這幾種不同的短時重訪SAR體制，具體數值均為通過新加坡港口飛行參數計算得出。

從表2可以看出，BiDirectional和改進的MISO體制的斜視角范圍、重訪時間間隔都是最大的，有助于進行速度測量、動目標檢測等應用，圖像重疊區無限制，方位分辨率不降低。與條帶SAR作比較，BiDi/MISO體制的信噪比由于掃描角的原因（圖1），主瓣和柵瓣增益均降低了3.7 dB；在順次和繩針式前/后斜視條帶體制下，掃描角度在±0.75°時，增益降低0.5 dB；兩視條帶體制下，SNR不變。注意到，PRF翻倍以后，因為工作周期保持不變，繩針前/后斜視條帶體制和BiDi/MISO體制的SNR分別又降低了3 dB，分別為-3.5 dB和-6.7 dB。

表2　幾種短時重訪SAR體制對比Tab. 2 Comparison of some short-term repetition SAR modes

6　總結

本文提出了一種改進的基于BiDirectional體制的MISO-SAR系統，可在單顆衛星上實現秒級的重訪應用。通過相控陣天線電掃描方式分時發射兩個子脈沖照射不同的方位向區域，采用同一接收窗混疊接收兩路回波，在多普勒域進行帶通濾波分離，進而分別成像和后續處理。與傳統的BiDirectional體制比較，改進的MISO-SAR體制利用較好的發射方向圖壓制了接收方向圖的柵瓣，在相同情況下具有更好的頻譜分離效果和更優的AASR性能。該體制可以用于港口船只檢測和船速測量等，對同一地區通過不同入射角的兩次成像可以獲得更多地物細節，有助于目標識別和分類。

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蔣海（1986-），男，籍貫河北石家莊，現為中國科學院電子學研究所博士生，主要研究方向為新體制SAR系統設計和雷達信號處理。

E-mail: bradley0226@163.com

宋紅軍（1968-），男，中國科學院電子學研究所研究員，博士生導師，研究方向為SAR 系統仿真、成像新體制研究、信號處理。

E-mail: hjsong@mail.ie.ac.cn

Improved MISO-SAR System Based on BiDirectional Imaging

Jiang Hai①②Song Hong-jun①
①（Institute of Electronics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China）
②（University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China）

In 2012，the German Aerospace Center （DLR.）proposed a BiDirectional mode that can achieve several seconds of repeated time lags by single star and single flight. Its basic principle includes the generation of a double-beam antenna pattern by electronic beam steering and simultaneous emission of two pulses that irradiate the front and back imaging area. The two pulses，which are simultaneously received will be separated by band-pass filtering in the Doppler domain and imaged，respectively. This paper presents an improved Multi Input Single Output （MISO）-SAR system based on the BiDirectional mode which converts the traditional simultaneous dual beam emitting and receiving into time-division emitting and simultaneous receiving，respectively. This results in an improved emitting antenna pattern owning to the suppression of the Azimuth Ambiguity to Signal Ratio （AASR）. The current paper describes the spectrum separation effects，AASR analysis，and the system design process. Therefore，to confirm effectiveness，point target 1-D and 2-D simulation results are compared before and after the improvement. Furthermore，the BiDirectional and other short-term repeated SAR modes are compared.

BiDirectional SAR； Multi Input Single Output （MISO）； Grating lobe； Azimuth Ambiguity to Signal Ratio （AASR）

TN959.74

A

2095-283X（2015）-05-0571-11 DOI：10.12000/JR15022

蔣海，宋紅軍. 一種改進的基于BiDirectional體制的MISO-SAR系統［J］. 雷達學報，2015，4（5）: 571-581.

10.12000/JR15022.

Reference format：Jiang Hai and Song Hong-jun. Improved MISO-SAR system based on BiDirectional imaging［J］. Journal of Radars，2015，4（5）: 571-581. DOI: 10.12000/JR15022.

2015-02-11；改回日期：2015-04-30；

2015-06-17

蔣海bradley0226@163.com