多角度合成孔徑雷達成像技術研究進展

冉　達，　尹燦斌，　賈　鑫

(1. 裝備學院 研究生管理大隊, 北京 101416；　2. 裝備學院 光電裝備系, 北京 101416)

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多角度合成孔徑雷達成像技術研究進展

冉達1,2，尹燦斌2，賈鑫2

(1. 裝備學院 研究生管理大隊, 北京 101416；2. 裝備學院 光電裝備系, 北京 101416)

多角度合成孔徑雷達成像探測技術，可有效解決傳統單角度合成孔徑雷達成像中存在的目標遮擋和疊掩問題。從多角度合成孔徑雷達成像理論、成像算法和技術應用現狀3個方面，詳細介紹了多角度合成孔徑雷達成像技術的國內外發展現狀，總結分析了多角度合成孔徑雷達成像目標散射特性建模、觀測角度間距優化、發射波形設計、成像算法等關鍵技術，最后展望了其在成像處理和實際應用兩方面的發展趨勢。

多角度合成孔徑雷達；高分辨率成像；信息融合；目標檢測

多角度合成孔徑雷達(MA-SAR)成像通過融合多個角度下的目標信息，可以實現對目標電磁散射特征的完整描述和全方位成像。相比單一角度的常規合成孔徑雷達，多角度SAR具有空間分集的優點，通過增加系統處理的數據樣本，可有效拓展被探測目標的空間譜支撐區，避免常規合成孔徑雷達成像探測中存在的目標遮擋和疊掩問題，提高對目標的分類和識別能力[1]。通過結合多載頻、多波形和多極化技術，多角度SAR最終可實現多維度SAR成像和探測[2]。廣義上講，多角度SAR成像包括多俯仰角SAR成像、多方位角SAR成像以及同時包含多俯仰角和多方位角的SAR成像3個方面。目前，針對多俯仰角SAR成像的理論和研究成果相對完善，其典型應用有干涉SAR(InterferometricSyntheticApertureRadar,InSAR)成像[3]和層析SAR(TomographySyntheticApertureRadar,TomoSAR)成像[4]等。相比之下，針對多方位角SAR成像的研究相對較少，相關研究現狀介紹目前僅文獻[5]6-11一篇。由于多方位角SAR成像在描述目標散射特性和目標幾何結構上具有獨特的優勢，近年來多方位角SAR成像的研究正逐漸成為熱點。2015年，由中科院承擔的“多角度SAR理論與方法”國家自然科學基金項目成功立項，多角度SAR成像技術的發展方興未艾。為避免歧義和方便后續的行文，本文中的多角度SAR成像特指多方位角SAR成像。

1　多角度SAR成像研究現狀

1.1多角度SAR成像理論研究現狀

按實現方式，多角度SAR成像可分為兩大類。一類是基于單一平臺的多角度SAR成像。它利用單一平臺搭載合成孔徑雷達，在不同時間內,從不同角度對相同目標區域進行成像偵察，系統結構簡單，但是要求目標區域在觀測時間內的電磁散射屬性不發生根本性變化。對于快速變化的目標場景，時間去相關效應的影響較大，其適應性有限，典型代表有圓跡SAR[6]125；另一類是基于多個平臺的多角度SAR成像。它利用分布式平臺搭載獨立的合成孔徑雷達，在同一時間內、不同觀測角度下對相同目標區域進行成像偵察，系統結構相對復雜，并且對時間、空間和相位方面的同步要求比較高，但對目標場景電磁散射屬性的穩定性要求較低，適用的成像場景類型更廣。其典型應用平臺有分布式衛星系統[7]和編隊無人機系統[8]。多角度SAR成像模式如圖1所示。

根據融合處理方式的不同，多角度SAR成像理論主要可分為圖像層融合的成像理論和信號層融合的成像理論。其中，圖像層融合的多角度SAR成像理論主要在圖像域實現目標信息融合，以圖像配準、圖像特征提取和圖像融合方法等關鍵問題為研究重點。研究結果表明[9]，利用不同角度的SAR圖像可以提高目標參數的估計精度，并在一定程度上克服遮擋和多次散射對目標反演的影響，從原理上證明了多角度SAR成像的正確性。目前基于圖像層的多角度SAR成像理論研究更為普遍，發展也相對成熟。

a) 單平臺多角度SAR成像模式

b) 多平臺多角度SAR成像模式圖1　多角度SAR成像模式示意圖

信號層融合的多角度SAR成像理論的關鍵問題是如何實現不同觀測角度回波數據的融合，以及如何對融合后的數據進行統一的成像處理。由于多角度SAR觀測角度差異較大，各角度SAR數據的空間不連續性和空間采樣的非均勻性對基于信號層融合的成像處理帶來了很大的挑戰[5]12，傳統基于傅里葉變換的方法會導致主瓣展寬、旁瓣升高等散焦問題，因此必須開展符合上述數據特點的特殊成像處理算法。同時，受目標散射特性非各向同性的影響，基于經典理論的信號層融合多角度SAR成像理論適用范圍有限，亟待開發和完善基于新的信號處理理論的信號層融合多角度SAR成像理論及算法。壓縮感知理論[10]為其提供了新的思路。

1.2多角度SAR成像算法研究進展

1) 圖像層融合多角度SAR成像算法。該類算法利用現有SAR成像算法獲取目標在多個角度上的成像結果，通過圖像融合技術，可實現對目標信息的融合。算法對系統成像條件要求較低，具有較強的兼容性和魯棒性。但是，如何實現對目標特征信息的有效提取和不同角度下目標圖像信息的準確融合仍然是該算法需要重點研究的問題。目前，在城市高精度測繪問題中，為克服單一視角SAR成像中建筑物遮擋和疊掩對高價值目標(如道路、橋梁、車輛等)探測的影響，多使用圖像層融合算法。文獻[11-13]利用多角度SAR數據實現了對城區道路的檢測和融合成像問題，研究結果充分證明了多角度SAR圖像在刻畫城區道路特征方面的有效性。金亞秋等[14-15]研究了利用多角度SAR圖像重構建筑物的問題，在預知建筑物的散射特性時，重構結果相比單幅SAR圖像有了很大的改善[16]。Maksymiuk等[17]利用概率圖模型完成了對建筑物的重構，但是該方法無法精確定位散射點的三維位置。Schmitt等[18-19]提出了一種可用于單航過InSAR測量模式的多角度多基線InSAR城市數字表面模型(DigitalSurfaceModel,DSM)的最大似然估計方法。

此外，彭石寶等[20]研究了基于正交分解的多視角逆合成孔徑雷達(InverseSyntheticApertureRadar,ISAR)目標三維散射中心提取算法。北京理工大學張天[21]、吳立薪[22]等人通過非相干累積的方法對多角度SAR圖像進行融合，利用北斗衛星信號實現了對地物目標輪廓特征的精細描述，提高了SAR圖像目標的可讀性。需要指出的是，雖然對于建筑物這類形狀規則的物體，利用多角度SAR圖像可以獲得比單幅SAR圖像更好的重構效果，但是對坦克、車輛等復雜人造目標，現有SAR圖像分辨率條件下利用多角度SAR圖像進行重構的難度較大。通常，實際目標并不滿足各向同性的散射條件，散射中心混疊的問題極大地影響了現有多角度SAR成像方法的性能。為提高對目標特征的提取能力，李洋等[23]256-258通過優化最大似然比檢驗統計量，提出了一種多角度極化SAR圖像非各向同性散射估計與消除方法。

2) 信號層融合多角度SAR成像算法。該算法首先在信號層對回波信號進行融合，然后再對融合后的數據進行成像處理，最終獲得目標的成像結果。在此方面，清華大學葉春茂等[24-25]針對多視角下轉臺目標的成像問題，提出的多視角成像卷積逆投影成像算法，得到了多視角下目標的ISAR高分辨率成像結果。為克服觀測角度不連續和采樣非均勻帶來的問題，周漢飛等[26-27]提出了匹配濾波和壓縮感知多角度SAR成像方法，一定程度上克服了由于觀測角度不連續和采樣非均勻給多角度SAR成像帶來的問題。文獻[28]研究了基于時域的多角度SAR數據稀疏表示方法，相比頻域稀疏表示模型，該模型進一步降低了字典的維度，提高了算法的計算效率。

信號層融合的多角度SAR成像算法對接收數據的相干性要求較高，期望通過全相干累積的方法獲得目標的最優分辨率和高信噪比圖像，但是由于實際目標并不滿足各向同性散射條件，這一目標實現難度很大。相比圖像層融合的多角度SAR成像，其對系統的觀測幾何、平臺穩定性和信號的采樣要求更高。目前，信號層融合處理的成像算法仍是多角度SAR成像算法研究的一個難點，目前的趨勢一是綜合信號層融合的相干處理以及圖像層融合的非相干處理來獲得更優、更準確的成像探測結果；二是研究基于壓縮感知等新的高精度信號層融合成像算法。

1.3多角度SAR成像試驗研究進展

美國國防部高級研究計劃局和空軍研究實驗室早在1995—1997年就利用桑迪亞國家實驗室的轉臺聚束SAR，采集了T72坦克、BTR-60裝甲車等多個目標在方位角0～360°范圍內的X波段雷達測量數據庫MSTAR(MovingandStationaryTargetRecognition)[29]。由于數據公開且完整全面，MSTAR數據庫已被各國學者廣泛應用于驗證多角度SAR成像算法效果。近年來，多角度SAR成像的試驗研究主要集中在地基和機載多角度SAR成像方面，關于星載多角度SAR成像的試驗研究公開報道的比較少。

1) 單平臺多角度SAR機載試驗。法國宇航局和德國宇航中心分別于2004年、2007年和2009年開展了機載圓跡SAR試驗，實現了對植被覆蓋下隱蔽車輛的檢測[30]和城市數字高程模型的生成[31-33]，充分證明了多角度SAR在成像探測方面的優勢。2015年，德國高頻物理雷達技術研究所Palm等[34]首次展示了世界上第一幅多角度機載FMCWSAR圖像，克服了單一視角探測時建筑物對道路上高價值目標的遮擋問題。國內緊跟國際前沿，于2011年也開展了首個機載圓跡SAR試驗[6]129，成像結果可與光學圖像媲美。不僅增強了目標的輪廓信息，而且還抑制了相干斑噪聲，提高了目標的檢測概率。

2) 多平臺多角度SAR地基試驗。2014年，北京理工大學與英國伯明翰大學合作，以北斗導航衛星信號為機會輻射源，開展了無源雙基SAR多角度融合成像試驗[35]，并基于自適應區域分割的圖像融合方法，獲得了較高質量的融合圖像。

3) 單平臺SAR多角度SAR星載試驗。德國宇航中心利用其TerraSAR-X衛星進行了唯一見諸報道的稱之為“Staring”模式的星載SAR多角度成像試驗[36-37]，結果如圖2所示。所得融合結果成像質量大為改善，非常有利于目標信息的判讀。

a) 滑動聚束成像結果

b) 凝視聚束成像結果圖2　TerraSAR-X滑動聚束和凝視聚束成像結果對比

上述試驗結果充分展示了多角度SAR成像在目標空間信息獲取和成像探測方面的優勢，有力地表明了多角度SAR成像在目標檢測、識別和地理環境測繪等方面的廣闊應用前景。

2　多角度SAR成像的關鍵技術分析

2.1目標散射特性的建模

相比單一視角SAR成像，多角度SAR成像問題中的目標散射特性并非各向同性，目標姿態對成像結果影響較大。在缺乏實測數據的情況下，如何構建一個合理、有效的目標散射特性模型，對于建立正確的多角度SAR回波仿真模型和開發有效的融合成像算法都具有重要的意義。傳統的目標散射特性建模通常基于物理光學法[38]和射線追蹤法[39]等開展，通過借助FEKO(FEldberechnungbeiKorpernmitbeliebigerOberflache)和HFSS(HighFrequencyStructureSimulator)等經典電磁仿真軟件，模擬目標在指定方向上的電磁散射特性。但是，這種目標電磁散射特性建模方式對于多角度SAR成像研究并不是最優的，需要開展目標的多角度散射特性建模研究[40]170-172。

2.2觀測角度間距的優化設計

由于觀測角度對目標的成像結果具有較大的影響，為獲得對目標散射特性的全面描述，多角度SAR系統需要接收目標在多個方位角上的回波信號，但由于飛行區域、平臺實際飛行條件和成像觀測時間等諸多限制，觀測角度有限。為保證獲取最優的成像結果，需要對多角度SAR成像系統的觀測角度間距進行優化設計。同時，為保證接收數據相干性，盡可能實現成像結果的相干累積，系統在某一方位方向對目標的連續觀測角度范圍一般不超過20°[41]。當觀測角度超過上述角度值時，需采取非相干累積的方式對成像結果進行融合，并對成像的系統觀測角度間距進行優化。文獻[40]287指出，利用2個平臺進行多角度成像時，若多角度SAR數據用于非合作目標識別，觀測角度間距為180°時多角度SAR成像結果對目標檢測概率的提升效果最好；若多角度SAR數據僅用于目標成像，對于建筑物類型的目標，觀測角度間隔為90°時結果最優。由此可知，多角度SAR成像對觀測角度間距的要求與系統的實際應用目的、目標特征和平臺數目有關。對于不同的應用場合，需要根據具體情況確定合適的性能評價函數，對多角度SAR成像的觀測角度間距進行優化設計。

2.3發射波形設計

當采用多個SAR平臺同時進行多角度成像時，為避免信號之間的互耦及干擾，需要設計特定的正交信號波形。文獻[42]指出，隨機信號和噪聲信號能夠有效改善測量矩陣的約束等容特性(RestrictedIsometryProperty,RIP)，以及系統的成像性能和成像質量。此外，成像場景中往往存在相鄰的強弱目標，多角度SAR融合處理后的強目標旁瓣可能會對弱目標造成影響，甚至遮蓋。在發射信號波形設計時，還可以進一步考慮成像結果旁瓣在圖像空間的分布特點，有效避免強目標旁瓣對鄰近弱目標的不利影響。

2.4多角度SAR成像算法

圖像層融合的多角度SAR成像算法重點在于如何融合多個觀測角度成像結果，主要涉及輻射校正、幾何校正[43]、圖像配準[44]、圖像融合準則選取[45-46]和圖像特征提取與增強[47]等關鍵技術。其中，圖像融合準則的選取最為關鍵，直接影響成像結果。例如，為提高目標檢測概率，克服遮擋和疊掩的影響，可簡單地采用非相干累積的方法實現圖像的融合；而對于需要精細觀測并精準識別的目標，成像結果應盡可能顯示更多的目標散射信息，此時可利用相干累積的方法來獲得信噪比圖像。此外，在多角度SAR成像過程中還需要考慮目標的非各向同性散射造成的散射點中心混疊問題[23]263。

如何實現信號的相干累積，是信號層融合多角度SAR成像算法的重點。對于多角度SAR，由于目標頻譜空間的采樣不連續，會導致傳統成像算法結果出現高旁瓣現象，而且僅僅依靠頻譜加權的方法難以實現對圖像旁瓣的良好抑制。針對上述問題，基于二維匹配濾波的多角度SAR算法[26]雖然可以較好地解決圖像的高旁瓣問題，但是算法的計算量過大；而在數據缺失較大時，基于缺失數據幅度相位估計的多角度SAR成像算法[48]結果變差。基于壓縮感知的多角度SAR成像算法能夠較好地克服多角度SAR數據采樣不連續的問題，但算法對稀疏字典的要求比較高，而且當信噪比較低時，算法的成像性能急劇下降[49]。

此外，由于平臺運動誤差對成像結果的影響較大，還必須研究多角度SAR成像的自聚焦算法[50]。

3　多角度SAR成像技術的發展趨勢

多角度SAR可以綜合系統在多個觀測角度上的信息，通過一定的信號處理和信息融合技術，解決傳統SAR因地形和觀測角度限制而導致的目標遮擋和疊掩等問題，獲得更加完整的目標信息與特征。下面主要從成像處理與應用2個方面介紹其發展趨勢。

3.1多角度SAR成像處理技術的發展趨勢

1) 成像算法方面。多角度SAR成像算法主要有2種思路：時域的成像算法和頻域的成像算法。時域的成像算法，其優點是成像與配準可同步完成，主要缺點是計算量大，研究后向投影算法的快速成像算法[51-53]及其在圖像處理器[54](GraphicsProcessingUnit,GPU)上的實現是目前的主要研究方向。當數據采樣不均勻時，頻域成像算法通常需要進行插值處理，這會對算法的效率和精度產生較大影響。線性調頻Z變換[55](ChirpZTransform,CZT)可以有效避免插值引入的誤差，可考慮開展基于CZT的多角度SAR頻域成像算法，進一步提高算法的運算效率。

2) 信息融合處理方面。多角度SAR成像信息融合處理主要有圖像層和信號層融合處理2種。目前，圖像層融合處理的研究文獻較多，包括像素級融合、特征級融合和決策級融合[56]3個方面，它的主要研究方向是尋找更加合理的成像融合策略以及對現有成像融合策略進行改進。信號層的融合處理主要利用空間譜融合的思想來獲得目標的最終成像結果。該思路通過有效挖掘數據之間的冗余性和相關性，可獲得相干累積的融合效果。利用壓縮感知理論來實現多角度觀測回波數據到目標圖像的直接變換及運算[57]，是未來多角度SAR成像的重要發展方向。

3.2多角度SAR成像應用發展趨勢

多角度SAR成像為雷達成像提供了一種新的思路，如何將其與特定的應用結合以發揮其最大優勢，是研究者需要重點關注的問題。未來多角度SAR的應用趨勢主要有以下3個方面：

1) 對地高精度測繪成像。文獻[31-34]已證明了多角度SAR在城市高精度測繪方面的潛力，文獻[58]利用多角度SAR數據實現樹木重構和反演,結果表明多角度融合可獲得更高精度的測量結果。由于多角度SAR成像具有空間分集的優勢，可有效解決單一視角SAR成像技術中存在的目標遮擋和疊掩問題，為實現城市、戰場等復雜環境下重要目標的高精度反演和正確檢測提供有效的手段，具有重要的實際應用價值。

2) 分布式平臺多角度觀測成像。現有多角度SAR對地觀測成像多基于單個SAR平臺開展，存在時間去相關性較嚴重的問題。采用多平臺同時觀測的方式，可以降低系統對觀測區域電磁散射穩定性和持續性的要求，時間成本低。目前，美國、德國、法國和我國均已開展了分布式SAR小衛星系統的研究[59]，通過引入多角度SAR成像技術，可有效擴展現有系統的應用范圍。此外，有效結合多角度SAR成像技術與無人機編隊技術[60-61]，可以為戰場偵察和民用測繪提供另一種新的實現方式，有效降低現有遙感觀測手段的系統成本。研究基于無人機平臺的多角度SAR成像技術也是未來SAR對地高精度觀測成像的重要發展方向之一。

3) 目標特征提取、識別與分類。多角度SAR回波數據包含了豐富的目標特征信息，可減少遮擋和疊掩等因素對成像結果的影響，更加全面和準確地恢復目標的電磁散射特征，為準確建立目標散射模型和精確識別目標提供有利條件。通過結合極化SAR技術[62]，還可以進一步提高多角度SAR目標特征提取、目標精確識別和分類能力。如何利用系統在多個觀測角度上獲取的目標信息，實現復雜環境下的目標電磁散射特征提取與重構，對于提高系統目標識別能力和分類的正確率具有重要的意義。

4　結 束 語

多角度SAR具有從多個空間觀測角度獲取數據的優點，近年來受到了國內外研究者的廣泛關注，可以有效解決經典SAR成像中的目標遮擋和疊掩問題，在對地高精度測繪、目標檢測、目標識別與分類等方面具有重要的實際應用價值。本文對多角度SAR成像的國內外研究進展做了詳細的闡述，分析和總結了多角度SAR成像的關鍵技術及發展趨勢。目前，國內外對于多角度SAR成像的研究還處于試驗探索階段，未來應進一步開展多平臺多角度SAR成像探測技術和多角度SAR融合成像算法的相關研究。

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(編輯：李江濤)

ResearchProgressonMulti-angleSyntheticApertureRadarImagingTechnology

RANDa1，2，YINCanbin2，JIAXin2

(1.DepartmentofGraduateManagement,EquipmentAcademy,Beijing101416,China；2.DepartmentofOpticalandElectronicEquipment,EquipmentAcademy,Beijing101416,China)

Multi-anglesyntheticapertureradarimagingdetectiontechnologymayeffectivelysolveouttheproblemsexistingintraditionalsingle-anglesyntheticapertureradarimagingliketargetshadingandlayoverdistortion.Inthreerespectslikemulti-anglesyntheticapertureradarimagingtheory,imagingalgorithmandcurrenttechnicalapplications,thepaperintroducescurrentdomesticandinternationaldevelopmentofmulti-anglesyntheticapertureradarimagingtechnology,concludesandanalyzeskeytechnologiesliketargetscatteringpropertymodeling,observationanglestepoptimization,transmittingwaveformdesignandimagingalgorithmformulti-anglesyntheticapertureradarandlooksintothetrendofimagingprocessingandpracticalapplications.

multi-anglesyntheticapertureradar(MA-SAR);highprecisionimaging;informationfusion;targetdetection

2016-03-29

部委級資助項目

冉達(1989—)，男，博士研究生，主要研究方向為合成孔徑雷達成像、雷達信號處理。pass32@163.com

TN957

2095-3828(2016)04-0086-07

ADOI10.3783/j.issn.2095-3828.2016.04.018

賈鑫，男，教授，博士生導師。