機載多波段全極化FMCW合成孔徑雷達最新實測成果

張昊宇

摘 要：基于調頻連續波（FMCW）技術的合成孔徑雷達（SAR）是近些年日趨成熟的新技術。與傳統的脈沖SAR雷達相比，FMCW-SAR具有質量輕，體積小，功耗低等優點，在遙感以及航道監測領域極具潛力。本文公布了機載FMCW全極化同步L，X波段SAR在國內進行的第一次遙感測試結果以及該型雷達對阿爾卑斯山冰川斷層成像的部分結果。

關鍵詞：地基合成孔徑雷達；調頻連續波；全極化；阿爾卑斯山冰川斷層成像

中圖分類號：U612 文獻標識碼：A 文章編號：1006—7973（2017）06-0030-02

我國的航道分布范圍廣，船只大小混雜，往來密度高，而航道兩側植被分布差異巨大。目前通過星載光學照片和普通地面傳感器的航道監測法難以滿足對航道的實時監測要求。合成孔徑雷達（Synthetic Aperture Radar， SAR）是雷達發展領域的一個新高度，能夠對目標進行遠距離，全天候的成像。而機載SAR技術恰好可以滿足航道監測的實時性和全天候要求。傳統的SAR技術采用脈沖技術，通過對發射脈沖進行壓縮獲取高分辨率圖像。然而脈沖技術的缺點是需要在極短的時間內發射高能量脈沖，因而對射頻部分的要求極高，脈沖SAR體積大，功耗高，重量大，對硬件部分的要求高。這限制了脈沖SAR在小型，微型化方面的應用。此外，造價成本極高，價格高昂，難以在民用方面如應急搶險救災等方面推廣。

近年來出現的調頻連續波（FMCW）合成孔徑雷達（SAR）技術采用全新的信號發射體質，相較于傳統的脈沖式SAR，FMCW-SAR具有設備體積小，重量輕，功耗低，成像精度高等優點，能夠裝載在輕型飛機，甚至無人機上對地面進行成像。

1 FMCW全極化L-，X-波段機載SAR在國內的首測

1.1 系統簡介

新型的基于調頻連續波技術的全極化L，X波段機載雷達于2015年在荷蘭成功研制。該雷達具有全極化工作模式并能同時工作在L-和X-波段。具體的技術參數如表-1。系統集成了兩套導航設備，包括GNSS系統和慣性基準系統用以對飛機進行運動補償調整。該系統的兩個接收信道可以進行切換以達到對不同極化模式進行切換的目的。此外，該雷達具有可拓展性，能夠在P，L，C，X，Ku，Ka波段進行工作。該機載SAR工作在L波段時，中心工作頻率為1.3 GHz，工作帶寬為200MHz，距離向分辨率為0.75m，方位向分辨率18cm，發射功率為10W，發射與接收均為雙通道，可以工作在全極化狀態，當飛行高度為5 km時，成像覆蓋面為4-8 km。當該機載SAR工作在X波段時，中心工作頻率為9.6 GHz，工作帶寬為300MHz，距離向分辨率為0.5m，方位向分辨率18cm，發射功率為10W，發射與接收為雙通道，當飛行高度為5 km時，成像覆蓋面為4-8 km。

1.2 在國內的首次測試結果

該新型雷達于2016年5月17-19日在中國河南省安陽市進行首次試飛。在安陽的機載試驗中，雷達搭載Cessna-208民用飛機。該雷達工作時不需要對飛機進行較大改裝，僅需將側門拆去，并安裝上簡易塑料拉門。雷達安置在機艙內，如圖1所示，四個白色正方體為四個天線，其中兩個是發射天線，兩個是接收天線。四個天線可以工作在全極化模式（VV，VH，HV，HH）。在起飛時關閉拉門避免氣流對起飛造成影響，升空后打開拉門，通過四個天線發射并接收信號。本次測試工作在側視條帶模式。

地表植物對不同極化模式下的電磁波信號反射率不同，因而通過不同的極化成像可以對地面植被建筑物進行分類，因而該技術在土地測繪領域應用前景廣闊。圖2 展示了在HH極化下，同時獲取的L波段和X波段下的成像結果。受到本文篇幅限制，圖2僅提供完整圖像的一部分。獲取這幅圖像時，飛行高度為1960米，成像覆蓋面積為35 km2，其中方位向長度為10 km，寬度為3.5km。從成像結果對比可以看出，X波段由于頻率較高而波長較短，可以提供更加清晰的成像結果，而L波段頻率較低因而具有更強的穿透性，相反的，成像結果則不如X波段清晰。本次試驗是國內第一次引進的FMCW全極化SAR，并進行的公開實機測試。

2 FMCW全極化L波段機載SAR對阿爾卑斯山脈冰川的分層成像實驗

2.1 實驗簡介

歐航局在2015年對位于奧地利米特爾貝格附近的蒂羅爾阿爾卑斯山溫帶冰川進行了分層成像實驗，探究了該地區冰川60米深的層次結構 。這為分析冰川構造和未來變化趨勢提供重要數據。主要的實驗區位于3000米至3200米的冰川上部的一塊平地。 為了驗證機載SAR對冰川成像的可行性和準確性，首先使用了IDS雙頻（200/600MHz）的探地雷達（GPR）在試驗區域進行探測，總探測長度為18km。接著利用機載SAR對該區域進行了分層成像。其中，機載SAR為L波段全極化FMCW-SAR，中心頻率為1275MHz，帶寬為150MHz，空間分辨率≤ 2 x 2 m。裝載SAR的飛機為BLOM-CGR公司運營的CASAC-212，雷達放置于機艙內，收發天線經改裝后位于飛機腹部。該次試驗從兩個方向進行飛行（南北向；北南向），每個方向飛行20次，共獲取40組數據，采用的成像模式為側視條帶成像。由于該次飛行未采用自動駕駛技術，并受到湍急氣流的影響，飛機會呈現不穩定的飛行軌跡，飛行運動誤差約為50m。

2.2 成像結果

獲取的回波信號被存儲在內嵌的FPGA并進行后處理。首先采用時域BP法對回波數據進行聚焦處理。這種方法盡管效率不高但是可以完美還原飛機的飛行軌跡，保留不同飛行軌跡下數據的相關性，并能將不同飛行軌跡下產生的圖像對同一個參考DEM進行歸一。第二步是對因飛行軌跡誤差而引起的相位誤差進行校正，[1]提出了雙相位中心定位法（Phase Center Double Localization Method）對誤差相位進行補償。該方法利用三個飛行軌跡，即兩個實際飛行規矩和一個參考軌跡對空間基線進行校正。經過處理去除了殘余相位，提高了圖像的精準性。由于冰層會對電磁波產生折射現象，所以信號合成的圖像與冰層下面真正的結構會產生一定的誤差，因而需要做進一步的補償校正。

最終圖像處理結果如圖3所示，L波段的全極化SAR能夠探測冰層下60m深的斷層圖像。其中圖3（a）與（b）分別描繪了從兩個不同方向（南北向；北南向）對同一區域進行斷層成像的結果，采用的是HV極化模式，這一極化模式對斷層處的粗糙分界面極為敏感。通過對比圖3可以看出兩幅圖均探測到基巖部分。此外，由于基巖本身的粗糙特性，L波段的信號對基巖更加敏感，因而呈現出更加清晰的回波圖像。這一實驗驗證了利用FMCW機載SAR對冰川內部結構探測的可行性。

3 結論

本文公布了L-和X-波段全極化FMCW-SAR在國內的首次遙感測試結果，以及在阿爾卑斯山進行的冰川斷層實驗結果。FMCW合成孔徑雷達具有重量輕，體積小，結構相對簡單等優點，可以輕松裝載在小型民用飛機上。這些優點推進了FMCW-SAR在民用，尤其是航道監測領域的發展。

參考文獻：

[1] S. Tebaldini， M. Mariotti d'Alessandro， F. Banda and C. Prati， "Tomographic-quality phase calibration via phase center double localization，" 2013 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium - IGARSS， Melbourne， VIC， 2013， pp. 89-92.

（本文為基金項目：浙江海洋大學科研啟動經費資助，No.21045012815）