基于GF-3照射的星機雙基SAR成像及試驗驗證**

武俊杰， 孫稚超， 楊建宇， 呂 爭， 李東濤， 繆昱宣， 陳天夫， 左偉華， 李財品， 海 宇， 安洪陽， 李中余， 趙良波， 張慶君， 莊超然

(1.電子科技大學(xué)， 四川成都 611731； 2.中國空間技術(shù)研究院遙感衛(wèi)星總體部， 北京 100094； 3.中國空間技術(shù)研究院西安分院， 陜西西安 710100； 4.中國資源衛(wèi)星數(shù)據(jù)與應(yīng)用中心， 北京 100094)

0 引言

雙基合成孔徑雷達(SAR)由于收發(fā)站分離，具有隱蔽性強、成本低、配置靈活、生存能力及抗干擾能力強的特點[1]。按照收發(fā)站平臺組合的不同，雙基SAR可以分為機載[2-4]、星載[5-7]、星機[8-11]、星地[12-13]和星彈[14]等多種模式。其中，國內(nèi)外針對機載雙基SAR已經(jīng)開展了大量的研究工作，包括成像算法、同步技術(shù)、試驗驗證等[15-20]，為雙基SAR技術(shù)的發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。

LEO星機雙基SAR采用LEO-SAR衛(wèi)星作為照射源，機載平臺作為接收站，省去了機載平臺所必需的發(fā)射機，為系統(tǒng)節(jié)約了空間、重量、成本及能耗。因此，可實現(xiàn)對地成像平臺的輕量化、小型化和低功耗，可裝載于微小型無人機等低載荷平臺上，增強系統(tǒng)的平臺適應(yīng)性以及對地成像能力。在LEO星機雙基SAR中，通過調(diào)整接收站的波束指向，可以實現(xiàn)掃描、條帶、聚束等多種不同的成像模式，從而適應(yīng)不同應(yīng)用場合對觀測方向、成像分辨率、條帶寬度等成像性能的具體要求。與GEO或MEO等其他星載SAR平臺相比，LEO-SAR照射源運動速度快，且可實現(xiàn)大發(fā)射帶寬與高地面功率密度，顯著提升星機雙基SAR系統(tǒng)成像的空間分辨率和信噪比，提高成像質(zhì)量。

國內(nèi)外的研究機構(gòu)針對低軌星機雙基SAR已經(jīng)開展了較系統(tǒng)的理論研究與試驗驗證工作。1984年，美國宇航局用SIR-B低軌SAR衛(wèi)星和CV-990飛機上搭載的一部L波段雷達，完成了LEO星機雙基SAR試驗系統(tǒng)并成功地驗證了系統(tǒng)成像可行性[21]。1992年，NASA的噴氣推進實驗室(JPL)利用ERS-1雷達衛(wèi)星作為發(fā)射站開展了星機雙基SAR試驗。整個試驗的成像時間只持續(xù)3 s，回波數(shù)據(jù)由一種改進的距離多普勒算法進行成像處理[22-23]。1994年，美國空軍實驗室利用SIR-C成像雷達衛(wèi)星作為發(fā)射站，接收站為NASA的DC-8型飛機完成了星機雙基SAR試驗。飛機上配備了兩副雙頻、雙極化天線分別接收C波段、垂直極化的ERS-1雷達回波，以及L和C波段、水平和垂直極化的SIR-C雷達回波，并實現(xiàn)了雙波段、雙極化星機雙基SAR成像試驗驗證。德國DLR和FGAN分別采用F-SAR和PAMIR系統(tǒng)作為機載接收站，利用TerraSAR-X衛(wèi)星作為發(fā)射站，于2007至2009年，完成了一系列LEO星機SAR成像試驗[24-25]。由于波束同步時間短，試驗中采用了滑動聚束的方法來增大收發(fā)站波束的共同照射時間。試驗成功獲取了高分辨率的成像結(jié)果，能更準確地反映目標區(qū)域的特征。在國內(nèi)，針對LEO星機雙基SAR的研究主要集中在成像理論與成像算法方面[26-28]。

2020年10月，電子科技大學(xué)聯(lián)合航天科技集團五院遙感衛(wèi)星總體部、航天科技集團五院西安分院，利用高分三號衛(wèi)星作為照射源，機載接收站被動接收，完成了星機雙基SAR的飛行試驗驗證，據(jù)公開文獻報道，這是國內(nèi)首次星機雙基SAR飛行試驗。

由于LEO星機雙基SAR發(fā)射站軌道低、過頂時間短，與接收載機的波束同步照射時間只有秒級，聚束條件下也只能達到10 s量級，給收發(fā)雙站之間的高精度同步與成像帶來較大的挑戰(zhàn)。本文首先分析了星機雙基SAR的成像性能并給出了處理流程。隨后，描述了基于高分三號SAR衛(wèi)星照射的星機雙基SAR試驗構(gòu)型與收發(fā)站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并給出了試驗的成像結(jié)果。結(jié)合成像區(qū)域的光學(xué)圖像分析了系統(tǒng)成像性能。

本文的結(jié)構(gòu)安排如下:第一節(jié)描述了LEO星機雙基SAR的成像性能與處理流程。第二節(jié)給出了基于高分三號照射的星機雙基SAR試驗構(gòu)型、與收發(fā)站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。最后，給出了成像結(jié)果與成像性能分析。

1 星機雙基SAR系統(tǒng)與成像性能分析

LEO星機雙基SAR系統(tǒng)如圖1所示，該系統(tǒng)由一個低軌SAR衛(wèi)星(LEO-SAR)作為照射源，機載平臺作為接收站，接收目標區(qū)域回波信號，實現(xiàn)雙基SAR成像。低軌發(fā)射站可采用滑動聚束和掃描等不同的工作模式，實現(xiàn)波束寬度達10～100 km的大范圍對地照射，為機載接收站提供寬幅的波束覆蓋，滿足不同應(yīng)用條件下的成像需求。機載平臺可工作于前視、斜視、側(cè)視和后視等不同模式，被動接收目標區(qū)域的回波信號，實現(xiàn)多視向雙基SAR成像。

圖 1 LEO星機雙基SAR系統(tǒng)

1.1 成像性能分析

SAR系統(tǒng)的輻射特性可以由NEσ0量化表示如下[29]：

(1)

式中，Dc為占空比，k為玻耳茲曼常數(shù)，T0為噪聲溫度，F(xiàn)0為接收機噪聲系數(shù)，Ls為傳播損失，Sc為分辨單元面積，Ta為合成孔徑時間，RRP為接收站作用距離，ΦPD為照射源的地面功率密度:

(2)

PT為發(fā)射功率，GT為發(fā)射天線增益，RTP為發(fā)射站作用距離，GR為接收站的天線增益，由天線物理尺寸Ap、天線效能因子ηe和信號波長λ決定。

(3)

NEσ0與SAR圖像的SNR成反比，因此更低的NEσ0意味著更好的輻射靈敏度。

圖 2 距離分辨率隨雙基投影角和接收站入射角變化示意圖

典型頻段天線尺寸、傳播損耗、接收機噪聲系數(shù)等參數(shù)可參考文獻[30]。假設(shè)噪聲溫度為300 K，天線效能因子為0.5。典型星載照射源參數(shù)如表1所示。在3 s的合成孔徑時間內(nèi)，基于LEO-SAR照射源的星機雙基SAR的NEσ0約為 -42.2 dB，顯著優(yōu)于MEO-SAR照射源的-35.3 dB和GEO-SAR照射源的-30.5 dB。對于GNSS照射源來說，假設(shè)合成孔徑時間為100 s，基于GNSS照射源的星機雙基SARNEσ0最低，約為-13.1 dB。因此，LEO-SAR作為照射源通常可以提供更高的成像信噪比。

表1 典型星載照射源參數(shù)

地面分辨率是衡量星機雙基SAR成像性能的重要指標，是斜距平面分辨率在地面上的投影。

地面距離向分辨率由發(fā)射帶寬Br、雙基角β和等效入射角Φ決定，表達式如下[29]：

(4)

式中，c為光速常量，k1為與發(fā)射信號波形相關(guān)的常數(shù)，當(dāng)發(fā)射信號為矩形波時，k1=0.886。雙基角β和等效入射角Φ由發(fā)射站和接收站的空間位置共同決定。雙基角β是發(fā)射站和接收站的距離矢量的夾角，等效入射角則是雙基單位距離矢量的和矢量所對應(yīng)的入射角。

在LEO單基SAR中發(fā)射站與接收站處于同一平臺，因此雙基角β=0°且等效入射角Φ等于LEO-SAR平臺的入射角φT。受到LEO-SAR軌道高度和運動特性的限制，入射角通常在一定范圍內(nèi)。因此，要提高LEO單基SAR的距離分辨率唯有增大發(fā)射信號帶寬，但導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜度提高；對于雙基地SAR來說，等效入射角Φ是由成像中心時刻t0所對應(yīng)的等分向量ub(t0)確定。

ub(t0)=uT(t0)+uR(t0)

(5)

式中，uT(t0)和uR(t0)分別為目標點指向發(fā)射站和接收站單位矢量。通過引入機載接收站，增大雙基等效入射角，從而改善分母中的空間構(gòu)型依賴項cos(β/2)sinΦ，使得cos(β/2)sinΦ>sinφT，進而提高地面距離分辨率。

圖2給出了星機雙基SAR地面距離分辨率隨雙基投影角和接收站入射角變化的關(guān)系圖。設(shè)發(fā)射信號為矩形包絡(luò)的線性調(diào)頻信號，帶寬為240 MHz，LEO發(fā)射站的入射角為45°。從圖2中分析可知，雙基SAR的地面距離分辨率隨接收站入射角的增大而改善。因此，可以通過增大接收站入射角改善等效入射角Φ，從而提高LEO星機雙基SAR的距離分辨率。另外，雙基SAR的地面距離分辨率還會隨著雙基角β投影的增大變差，尤其當(dāng)雙基投影角大于90°時，地面距離分辨率隨著雙基投影角的增大而急劇惡化。圖中紅色等高線代表單基LEO-SAR的距離分辨率值(0.78 m)，可以看到該等高線圍成的深藍色區(qū)域表示了LEO星機雙基SAR距離分辨率優(yōu)于單基LEO-SAR分辨率所對應(yīng)的雙基構(gòu)型范圍。

另一方面，地面方位分辨率可以根據(jù)雷達參數(shù)以及平臺運動參數(shù)求解[29]：

(6)

式中：k2為與方位向包絡(luò)有關(guān)的常數(shù)；ωE為等效角速度，是發(fā)射站和接收站的等效運動速度的矢量和在地面上的投影：

ωE=||H⊥(ωTA+ωRA)||

(7)

其中，||·||是求模算子，ωTA和ωRA分別是發(fā)射站和接收站繞目標點運動的角速度，H⊥是成像本地平面的投影矩陣。

(8)

式中，I為3×3的單位矩陣，ug為成像本地平面的單位法向量，上標T表示矩陣轉(zhuǎn)置。

圖3給出了LEO星機雙基SAR的地面方位分辨率隨雙基投影角和雙基速度夾角變化的關(guān)系圖。設(shè)定合成孔徑時間為3 s，接收站入射角為45°。地面方位分辨率隨速度投影夾角和雙基投影角變化。當(dāng)雙基投影角與速度投影夾角相等時方位分辨率較好，這是因為此時接收站提供的角速度分量最大。在雙基投影角與速度投影夾角相等的情況下，雙基投影角越接近180°方位分辨率越差，這是因為此時接收站和發(fā)射站提供的角速度分量方向相反，等效角速度較小。

圖3 方位分辨率隨雙基投影角和速度夾角變化

2 試驗驗證

為驗證星機雙基SAR成像性能，開展了基于高分三號SAR衛(wèi)星照射的星機雙基SAR成像試驗[31]。本節(jié)先描述了星機雙基SAR成像試驗構(gòu)型與收發(fā)系統(tǒng)組成，隨后給出了成像結(jié)果并分析了系統(tǒng)成像性能。

2.1 試驗構(gòu)型

本次試驗中，高分三號運行于743 km高度的軌道，工作于聚束模式。接收站工作于斜視條帶模式。圖4給出了星機雙基SAR試驗的幾何構(gòu)型。相關(guān)試驗參數(shù)列于表2。

圖4 星機雙基SAR試驗構(gòu)型

表2 星機雙基SAR試驗參數(shù)

2.2 系統(tǒng)組成與處理方法

星機雙基SAR接收系統(tǒng)安裝于機艙內(nèi)，包含兩個通道，CH1和CH2。CH1接收來自高分三號的直達波信號，CH2接收照射區(qū)域反射的回波。星機雙基SAR接收系統(tǒng)與實驗場景如圖5所示。

圖5 接收機系統(tǒng)和試驗場景

LEO星機雙基SAR的數(shù)據(jù)處理過程分為兩步：直達波同步和BP算法成像。其處理流程圖如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)處理流程圖

2.3 試驗結(jié)果

圖7展示了光學(xué)遙感圖像與星機雙基SAR成像結(jié)果的對比圖，圖像展示的是舟山市城鎮(zhèn)的景象，其中典型場景有山峰、水塘、建筑和道路。圖像的豎直方向為5 km，水平方向為3 km。而且由于接收站的擦地角較小，導(dǎo)致圖像中山峰的陰影較長。

針對星機雙基SAR試驗成像結(jié)果中特征明顯的地物，展開了實地考察，驗證了星機雙基SAR成像結(jié)果的準確性與真實性。

大棚區(qū)域多為鋼架結(jié)構(gòu)的蔬菜大棚，其橫向距離為2～3 m，縱向距離約為40 m，因此雙基SAR圖像中此處呈現(xiàn)為平行的條狀亮線，如圖8與圖9所示。

圖9 實物照片

從成像結(jié)果中選取孤立強點，并繪制目標點的剖面圖，如圖10所示。從圖中可以看出，方位向的分辨率為1.39 m，距離向的分辨率為0.92 m，與理論值(1.4 m,0.88 m)基本一致。

(a) 方位剖面圖

3 結(jié)束語

本文分析了LEO星機雙基SAR的成像性能，描述了基于高分三號SAR衛(wèi)星照射的星機雙基SAR成像試驗構(gòu)型與接收系統(tǒng)，給出了星機雙基SAR成像試驗的成像結(jié)果，并結(jié)合成像場景的光學(xué)圖像分析了成像性能。通過成像結(jié)果，驗證了成像處理方法的有效性，實測分辨率與理論分辨率一致。此次試驗是國內(nèi)首次星機雙基SAR試驗，對星機雙基SAR構(gòu)型下的理論研究和應(yīng)用具有一定的意義。