一種改善圖像拼接效果的相控陣scanSAR工作模式

吳照憲，吳 海

(中國船舶重工集團公司第723研究所，揚州 225001)

一種改善圖像拼接效果的相控陣scanSAR工作模式

吳照憲，吳 海

(中國船舶重工集團公司第723研究所，揚州 225001)

針對常規掃描式合成孔徑雷達(scanSAR)圖像拼接效果較差，存在二維拼縫的問題，提出一種相控陣scanSAR工作模式，該模式利用相控陣天線波束具有快速切換的特點，使波束在各子測繪帶之間進行脈沖級切換，再結合提出的成像方法，可以獲得無縫拼接的scanSAR寬測繪帶圖像，克服了常規scanSAR的缺點。理論分析和仿真驗證都表明了所述方法的正確性和有效性。

掃描式合成孔徑雷達；相控陣；工作模式；圖像拼接

0 引 言

遙感應用中，常要求一次作業就能得到監測地區的大面積寬測繪帶圖像，掃描式合成孔徑雷達(scanSAR)順應了這一需求[1]，它通過周期性切換天線波束的視角，實現波束在幾個不同子測繪帶之間的輪換，最終得到由子測繪帶拼接而成的寬測繪帶雷達圖像。

常用的scanSAR工作模式是將天線波束在每個子測繪帶的相應觀測區域內駐留一段時間，通過對每個波束駐留區域分別成像來獲得子幀SAR圖像，然后將各子幀圖像拼接成寬測繪帶SAR圖像。這種scanSAR圖像拼接是一種二維拼接，距離向需要將不同子測繪帶圖像拼接成寬測繪帶圖像，方位向需要將不同子幀圖像拼接成連續的圖像。但是不論子幀圖像還是子測繪帶圖像都受到天線方向圖的調制[2]，從而使子圖像各區域的能量出現差異，導致拼接后的圖像出現明暗調制，這不僅影響視覺效果，也為后續的圖像匹配、目標識別等應用帶來困難。

目前校正這種調制的常用方法是在圖像域中對天線方向圖引起的調制函數進行補償，但有時即使經過復雜的計算，仍然難以將調制完全補償掉，這是由于天線平臺受各種擾動因素的影響，導致波束指向是時變的，而圖像是通過多個脈沖積累起來的，時變的方向圖補償難以適用于圖像域，并且補償算法復雜，計算量大。

當前相控陣天線的應用越來越廣泛，很多具備SAR功能的雷達也應用了相控陣體制[3-4]。本文根據相控陣天線波束快速切換的特點，提出一種基于相控陣體制的scanSAR工作模式，并給出了一種新的成像處理方法，它能夠獲得較為理想的scanSAR圖像拼接效果。通過仿真，驗證了所述方法的正確性和有效性。

1 常規scanSAR的圖像拼接

目前常規的scanSAR工作模式是通過波束在每個子測繪帶的相應區域駐留一段時間，然后對駐留區域分別成像[5]。具有3個子測繪帶的scanSAR工作模式如圖1所示，圖中橫軸和豎軸分別表示方位向和距離向，scanSAR按圖中序號遞增順序進行子幀圖像成像，每次對1幀圖像進行成像，然后將各子幀圖像拼接起來得到大面積SAR圖像。

圖1 常規scanSAR工作模式

從圖中可以看出，scanSAR的圖像拼接是二維拼接，方位向將不同子幀圖像拼接成連續的長條圖像，距離向將各不同子測繪帶圖像拼接成寬測繪帶圖像。但是無論子幀圖像還是子測繪帶圖像都受到天線方向圖的調制，該調制使得每個子幀圖像的不同區域出現亮暗變化，并最終導致二維拼接后的圖像亮暗交替變化，拼縫處出現明顯斷裂痕跡，這不僅影響圖像的視覺效果，也影響圖像的后續應用，因此，必須對該調制進行補償。下面首先對該調制的調制函數進行分析。

對于scanSAR來說，每個子幀圖像都是由若干個脈沖積累起來的，因此子幀圖像的調制函數應為所有脈沖的調制函數求和的結果[2]。假設某子幀圖像由N個脈沖積累而成，則第n個脈沖在子幀圖像位置(x,y)處的調制函數Gn(x,y)可以表示為：

(1)

式中：x和y分別為方位向和距離向的采樣點；Gnt(x,y)和Gnr(x,y)分別為發射和接收方向圖在地面的投影。

因為scanSAR的積累時間一般很短，不考慮該段時間內目標后向散射系數變化等情況,則由天線方向圖引起的子幀二維調制函數為：

(2)

SAR一般使用天線方向圖主瓣3 dB以內的波束部分，該部分天線方向圖一般為連續可微的函數，所以該二維調制函數G(x,y)也應為二維連續可微函數。通常一幀圖像的二維調制函數形狀應和常規的二維天線方向圖類似，但調制函數在幀與幀之間會出現不可導點甚至不連續點，這些都將導致圖像拼接處不連貫，出現斷裂痕跡，視覺效果變差。以方位向為例，幀與幀之間的調制函數通常如圖2所示，圖中子幀1和子幀2的方向圖之間不連續。

圖2 幀與幀之間的調制函數

理論上可以對每幀圖像的調制函數進行精確計算并補償。但實際中，scanSAR平臺在飛行過程中經常存在不穩定性，特別在無人機這樣的平臺上，由于各種擾動因素的影響，使得天線波束相對飛行軌跡存在各種偏移、滾動，導致由天線方向圖得到的調制函數和理論上或實測的出現較大偏差，且各脈沖之間的偏差并不一致，這不僅使得調制函數難以獲得，且計算量也大大增加，調制函數的補償因此變得困難，有時甚至無法補償到較理想的效果。

2 相控陣scanSAR工作模式

目前基于相控陣體制的合成孔徑雷達已得到了廣泛應用，由于相控陣天線具有波束快速切換等特點，它必將給SAR帶來各種新的工作模式。本文根據上述scanSAR圖像拼接的困難，并結合相控陣的特點，提出了一種新的相控陣scanSAR工作模式，它能夠克服上述常規scanSAR圖像拼接的問題。

利用相控陣天線波束快速切換能力，可以實現波束在各子測繪帶間的脈沖級切換。對有L個子測繪帶的相控陣scanSAR，其工作模式為：第1個脈沖指向第1個子測繪帶，第2個脈沖指向第2個子測繪帶，……，第L個脈沖指向第L個子測繪帶，然后第L+1個脈沖再次指向第1個子測繪帶，如此往復循環。

條帶SAR對脈沖重復頻率fPRF(strip)的要求是大于多普勒帶寬Ba，即：

(3)

相控陣scanSAR相當于L個條帶SAR，因此相控陣scanSAR的脈沖重復頻率fPRF(scan)是常規條帶SAR脈沖重復頻率的L倍，L為子測繪帶個數，即:

(4)

對于常規scanSAR來說，其脈沖重復頻率和條帶SAR是一致的，因此相控陣scanSAR的脈沖重復頻率是常規scanSAR的L倍，這使得數據量也增加了L倍，這是相控陣scanSAR的缺點，但是數據量的增加卻提高了相控陣scanSAR的方位分辨率。

由于相控陣scanSAR相當于L個條帶SAR，因此其方位分辨率和條帶SAR是一致的，而常規scanSAR的方位分辨率是條帶SAR的1/L，所以相控陣scanSAR的方位分辨率是常規scanSAR的L倍。因此較之常規scanSAR，相控陣scanSAR還具有方位高分辨率的優點。

3 相控陣scanSAR的成像方法

相控陣scanSAR的優點是為圖像拼接帶來了便利，它首先利用了條帶SAR的拼接方法[6-12]。對于條帶SAR來說，只存在圖像的方位向拼接，一般用復用數據的方法可以克服方位向的拼縫。條帶SAR的1幀圖像一般是由同一段回波處理得到的，且通常將回波的中心對準圖像的中心，由于天線方向圖的原因，這將導致1幀圖像的兩端能量偏低，幀與幀之間的調制函數存在著1個不可微的奇點，使幀與幀之間圖像不連續，中間出現1條類似斷裂的痕跡。

但若利用相同的一段回波成出較窄的1幀圖像，考慮到天線方向圖頂端通常比較平坦，則調制函數也將變得平坦。如圖3所示，將一段數據分別分成2個子幀和8個子幀，分8個子幀的調制函數明顯比分2個子幀的調制函數要平坦得多。根據經驗，一般復用率為4～8時，條帶SAR圖像將基本不存在拼縫。

圖3 條帶SAR圖像拼接時的調制函數

但對于常規的scanSAR來說，各子測繪帶的數據是不連續的，無法進行數據復用，因此方位向拼縫無法用上述方法解決。

對于相控陣scanSAR，考慮到它是由L個條帶SAR組成，因此可以將各子測繪帶都分別作為1個條帶SAR，將其數據分別成像后得到L個條帶SAR的圖像，然后將其沿距離向拼接起來，得到1幅完整的圖像。在這種方法中可以利用條帶SAR的復用數據法克服方位向拼縫，但是距離向的拼縫仍然存在。由于各子測繪帶距離向幅度值在方位向是時變的，因此距離向拼縫仍然難以解決。

本文提出一種新的相控陣scanSAR成像處理方法，它是將各子測繪帶的所有數據按時間順序統一成條帶SAR數據，再按照條帶SAR成像處理的方法進行處理。首先它利用條帶SAR數據復用的方法使得方位向沒有拼縫，另外這種方法由于不存在距離向的圖像拼接，在距離向也沒有拼縫，因此可以得到二維無縫拼接的寬幅scanSAR圖像。

這種方法由于將所有數據統一處理，因此不需要考慮脈沖順序。但是信號處理時，必須將所有脈沖調整到同一個起始距離波門，這通常需要插值來完成。但是若合理調整各脈沖的起始接收時間，可以避免插值處理。

4 仿真分析

對scanSAR工作模式和成像方法進行仿真，以驗證其圖像的拼接效果。

為對比起見，首先仿真常規scanSAR，仿真參數設置如下，有3個子測繪帶，平臺高度：5 000 m，平臺速度：100 m/s，工作頻率：15 GHz，脈沖重復頻率：1 000 Hz，脈寬：10 μs，帶寬：80 MHz，距離采樣頻率：100 MHz，方位波束寬度：4°，俯仰波束寬度：8°，3個子測繪帶的下視角分別為45°、53°和61°。其成像并二維拼接后的圖像如圖4所示，圖中可見拼縫十分嚴重，視覺效果很差。

圖4 常規scanSAR成像結果

相控陣scanSAR仿真時，脈沖重復頻率為3 000 Hz，其余和常規scanSAR一致。圖5(a)是相控陣scanSAR的成像結果，成像方法是將其作為L個條帶SAR并分別成像，然后在距離向拼接起來。該處理方法由于利用了條帶SAR的圖像拼接方法，在方位向沒有拼縫，但在距離向存在拼縫，距離向出現明顯斷裂痕跡。

圖5(b)是利用本文提出的將整個數據統一為1個條帶SAR的成像處理方法得到的，從成像結果可以看到，方位向沒有拼縫，距離向在不同子測繪帶之間仍然有能量較低的條帶，但不同于上述方法，各子測繪帶之間過渡得十分自然，通過簡單的乘以加權系數的方法得到圖5(c)。可以看出圖中沒有任何拼縫，視覺效果很好。

仿真說明本文提出的相控陣scanSAR工作模式可行，再結合所提的成像處理方法，能夠得到較高質量的寬測繪帶圖像。

圖5 相控陣scanSAR成像結果

5 結束語

本文根據常規scanSAR在圖像拼接方面的缺陷，提出了一種相控陣scanSAR工作模式，它利用相控陣天線可以進行快速波束切換的特點，實現波束在子測繪帶之間的脈沖級切換，并通過本文提出的將所有子測繪帶統一為條帶SAR的成像處理方法，得到了二維無縫拼接的圖像。

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A Phased Array scanSAR Operating Mode Improving Image Mosaic Effect

WU Zhao-xian，WU Hai

(The 723 Institute of CSIC,Yangzhou 225001,China)

Aiming at the problem that the mosaic effect is bad and 2-D mosaic-sew exists to the general scanSAR image,this paper puts forward a phased array scanSAR operating mode,which uses phased array antenna beam has characteristics of rapid switch to make the beam perform pulse switch among sub-swathes,then combining with the imaging method proposed in this paper,the scanSAR wide swath image without mosaic-sew can be obtained which overcomes the shortcoming of conventional scanSAR.The theoretical analysis and simulation validation indicate that the method is correct and effective.

scanSAR;phased array;operating mode;image mosaic

2016-02-18

TN958

A

CN32-1413(2016)06-0001-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.06.001