曾 濤

(北京理工大學(xué)信息與電子學(xué)院 北京 100081)

1 引言

雙基地合成孔徑雷達(dá)(Bistatic Synthetic Aperture Radar,BiSAR)系統(tǒng)通常是指空間中收發(fā)天線分置于不同平臺的 SAR系統(tǒng)。與傳統(tǒng)單基地SAR(Monostatic SAR,monoSAR)系統(tǒng)相比，BiSAR系統(tǒng)具有不可比擬的優(yōu)勢，例如接收機(jī)“靜默”工作帶來的隱蔽性好、安全性高、抗干擾能力強(qiáng)；可以獲取目標(biāo)多視角散射信息，利于目標(biāo)數(shù)據(jù)融合；部署靈活，配置多變，甚至可以利用導(dǎo)航衛(wèi)星、通信衛(wèi)星系統(tǒng)等作為外輻射源。

上世紀(jì)70年代末，美國率先開展進(jìn)行了BiSAR系統(tǒng)的研究工作，通過理論研究和一系列機(jī)載和星機(jī)BiSAR實(shí)驗(yàn)[1－4]，初步解決了諸多BiSAR系統(tǒng)難題，并驗(yàn)證了BiSAR技術(shù)的可行性。然而由于技術(shù)問題和缺乏有效的成像算法，限制了上個(gè)世紀(jì)90年代后期的BiSAR研究。進(jìn)入新世紀(jì)以來，隨著機(jī)載和星載 SAR技術(shù)的不斷進(jìn)步，全球范圍內(nèi)掀起了BiSAR研究熱潮，尤其是歐洲地區(qū)[5－12]。近10年以來，德國應(yīng)用科學(xué)研究所(Forschungsgesellschaft für Angewandte Naturwissenschaften,FGAN)和德國宇航局(German Aerospace Center,DLR)陸續(xù)開展了一系列機(jī)載、星載和星-地等幾何配置下的BiSAR實(shí)驗(yàn)，得到了非常好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[5,9]。英國各大科研機(jī)構(gòu)[8,13,14]，如 UCL(University College London),UoB(University of Birmingham)等大學(xué)，開展了機(jī)載、基于非雷達(dá)外輻射源等幾何配置下的BiSAR實(shí)驗(yàn)；西班牙加泰羅尼亞理工大學(xué)[16]實(shí)現(xiàn)了基于干涉應(yīng)用的靜止接收 BiSAR 實(shí)驗(yàn)(SABRINA: SAR Bistatic Fixed Receiver for Interferometric Applications)。此外，意大利、法國等國家的科研機(jī)構(gòu)也積極開展了BiSAR系統(tǒng)的科研工作[11,17,18]。與此同時(shí)，在上述 BiSAR實(shí)驗(yàn)的推動(dòng)下，BiSAR成像算法的研究工作也逐漸深入、不斷完善，如基于 Smile算子[19]，LBF算子[20,21]、級數(shù)反轉(zhuǎn)算子[22]等思想的成像算法。

在國內(nèi)，電子科技大學(xué)[23]、北京理工大學(xué)[24,25]、中國科學(xué)院電子學(xué)研究所[26－28]等科研院所也陸續(xù)開展了機(jī)載雙基地、星地雙基地等幾何配置的BiSAR實(shí)驗(yàn)和成像算法、干涉處理等方面的研究工作。

本文從BiSAR系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)角度入手，深入剖析BiSAR系統(tǒng)的發(fā)展脈絡(luò)，由簡單到復(fù)雜，逐步引入BiSAR系統(tǒng)發(fā)展中的各類難題和解決思路，試圖從本質(zhì)上揭示 BiSAR系統(tǒng)研究的內(nèi)在邏輯性和科學(xué)動(dòng)力。文章第2節(jié)討論了世界范圍內(nèi)各個(gè)科研小組所開展的各類 BiSAR實(shí)驗(yàn)，從不同側(cè)面論述了BiSAR系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理的特點(diǎn)；第 3節(jié)分析了BiSAR系統(tǒng)成像處理算法的發(fā)展脈絡(luò)與趨勢；第4節(jié)總結(jié)了全文。

2 BiSAR系統(tǒng)綜述

2.1 機(jī)載BiSAR系統(tǒng)

機(jī)載BiSAR系統(tǒng)無疑是BiSAR研究工作的起點(diǎn)。一方面，相比于星載系統(tǒng)，構(gòu)建機(jī)載BiSAR實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)比較簡單；另一方面，機(jī)載BiSAR系統(tǒng)包含了所有BiSAR系統(tǒng)可能面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)，包括信號同步和數(shù)據(jù)處理等方面。因此，從機(jī)載BiSAR研究出發(fā)，逐個(gè)突破關(guān)鍵技術(shù)是雷達(dá)界開展BiSAR研究工作的基本思路。

1977年，美國Xonics公司的理論和仿真研究證實(shí)了BiSAR成像的可能性[1]。1979年初到1984年間，Goodyear公司、Xonics公司與美國國防部、空軍等單位簽訂研究合同，開展一系列機(jī)載BiSAR實(shí)驗(yàn)并獲得了BiSAR圖像[1]；Auterman在1984年發(fā)表的文獻(xiàn)中首次公開提到了BiSAR實(shí)驗(yàn)，并公布了3幅BiSAR圖像(Willow Run機(jī)場附近區(qū)域的SAR圖像)，這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果完成了機(jī)載BiSAR成像的概念驗(yàn)證。

德國宇航局(DLR)和法國宇航局(ONERA)于2002年開展了歐洲最早機(jī)載X波段BiSAR實(shí)驗(yàn)[17]，其主要目的是探討 BiSAR系統(tǒng)在干涉處理中的潛力，例如降低時(shí)間去相干和大氣相位的影響以提高DEM 精度。實(shí)驗(yàn)中的發(fā)射信號帶寬為 100 MHz，實(shí)驗(yàn)前對各類同步問題做了詳細(xì)的研究和設(shè)計(jì)，完成了BiSAR成像和干涉處理，得到初步的干涉結(jié)果(見圖 1)，可以看到建筑物都表現(xiàn)為較大高程的藍(lán)色，圖上方的高速路表現(xiàn)為較低高程的綠色。

2003年10月，德國FGAN利用已有的兩套X波段雷達(dá)系統(tǒng) AER-II和 PAMIR開展了機(jī)載BiSAR 實(shí)驗(yàn)[5]。該實(shí)驗(yàn)采用連續(xù)采集的方式進(jìn)行回波記錄(沒有記錄直達(dá)波信號)，天線波束照射同步則通過事先精確地設(shè)計(jì)和飛行員高超的駕駛技巧來保證。實(shí)驗(yàn)采用的發(fā)射帶寬為300 MHz，采集了多個(gè)雙基地角條件下的場景回波信號并利用差分GPS接收機(jī)記錄了發(fā)射和接收平臺的軌跡歷史。圖2所示為所獲得的BiSAR圖像，成像算法采用BP算法，并且完成了運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償處理。與目標(biāo)場景光學(xué)圖片(左圖)對比可見，該實(shí)驗(yàn)成功獲取了目標(biāo)場景的BiSAR圖像。雖然該實(shí)驗(yàn)獲得了大帶寬和大雙基地角條件下的BiSAR圖像，但是文獻(xiàn)中并沒有提到頻率同步的相關(guān)處理方法。

2004年，英國QinetiQ公司在國防研究局的資助下利用機(jī)載 ESR雷達(dá)作為發(fā)射機(jī)，直升機(jī)載ADAS雷達(dá)作為接收機(jī)，首次完成平飛機(jī)載聚束式的 BiSAR 實(shí)驗(yàn)[8]，并且成功將自聚焦算法應(yīng)用到BiSAR成像處理中。該實(shí)驗(yàn)采用天線聚束照射和高精度的銫原子鐘解決了波束同步和時(shí)間同步帶來的問題，而頻率同步是通過地面測試的方法保證發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的振蕩器的頻率和相位噪聲滿足BiSAR系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)要求。該實(shí)驗(yàn)的成像算法采用PFA(Polar Format Algorithm)算法和RMA(Range Migration Algorithm)算法，并且利用了簡單PGA(Phase Gradient Autofocus)自聚焦處理來提高圖像質(zhì)量。在圖3所示成像結(jié)果中，雙基地角大約為50°，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的波束照射方向差別較大，圖中左下角幾棵大樹的聚焦結(jié)果可以看到，這些大樹存在兩個(gè)陰影區(qū)域，分別對應(yīng)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，兩個(gè)陰影區(qū)域相對于大樹的聚焦位置的夾角大約和雙基地角相當(dāng)。

圖1 機(jī)載BiSAR干涉實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖2 FGAN開展的機(jī)載BiSAR成像結(jié)果

在國內(nèi)，電子科技大學(xué)[23]的學(xué)者率先開展了BiSAR系統(tǒng)理論研究工作，討論了系統(tǒng)的同步處理，提出修正RD成像算法和時(shí)變階梯變換算法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)回波聚焦，并且于2007年3月組織了機(jī)載BiSAR飛行實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)測數(shù)據(jù)的成像處理，獲得了國內(nèi)第1幅機(jī)載BiSAR圖像(圖4)。

綜上所述，通過上述機(jī)載BiSAR實(shí)驗(yàn)的研究與驗(yàn)證，突破了BiSAR系統(tǒng)的信號同步處理以及成像處理算法等關(guān)鍵技術(shù)，為星載BiSAR系統(tǒng)的研究提供了充分的技術(shù)儲備。

圖3 BiSAR系統(tǒng)聚束模式成像結(jié)果

目前，隨著單基地機(jī)載 SAR能力的進(jìn)一步提升，如多波段、多極化、高分辨、干涉等(表1)，使得單基地機(jī)載SAR在地形測繪、目標(biāo)分類與識別方面的能力顯著提升。通過引入雙基地角度這一維度，可以實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行雙基地多波段、雙基地多極化等多維度的觀測，進(jìn)一步挖掘目標(biāo)在雙基地多維度觀測下的散射機(jī)理，為目標(biāo)幾何結(jié)構(gòu)的解譯、目標(biāo)分類與識別提供新的技術(shù)途徑與方法。因此，基于機(jī)載多功能 SAR系統(tǒng)的雙基地實(shí)驗(yàn)與處理方法研究是未來機(jī)載BiSAR的主要趨勢之一。

2.2 星載BiSAR系統(tǒng)

2.2.1 星地BiSAR系統(tǒng) 星地BiSAR系統(tǒng)是指利用在軌SAR衛(wèi)星作為發(fā)射源，地面靜止接收的BiSAR系統(tǒng)。西班牙加泰羅尼亞理工大學(xué)的學(xué)者于2006年提出了SABRINA系統(tǒng)概念[16]，首次將星地BiSAR系統(tǒng)應(yīng)用到干涉和形變檢測領(lǐng)域，并采用ENVISAT等雷達(dá)衛(wèi)星作為發(fā)射機(jī)，設(shè)計(jì)了干涉BiSAR實(shí)驗(yàn)。發(fā)射機(jī)采集了分別位于前向散射區(qū)和后向散射區(qū)時(shí)目標(biāo)場景的回波，結(jié)合相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理方法得到了較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果(圖 5)。圖中的左側(cè)邊緣(后向散射區(qū))和右側(cè)邊緣(前向散射區(qū))分別對應(yīng)一座高地，因此其測得的高程較大。

北京理工大學(xué)于 2006年開始研究基于低軌SAR衛(wèi)星作為發(fā)射機(jī)，靜止接收的BiSAR系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理[24,25.29,30]，包括成像處理、干涉處理和極化合成等方向，并于 2010年開展了基于我國遙感 1號SAR雷達(dá)衛(wèi)星作為發(fā)射機(jī)，靜止接收的BiSAR系列實(shí)驗(yàn)，目標(biāo)場景選擇在北京市良鄉(xiāng)地區(qū)，記錄了發(fā)射機(jī)直達(dá)波信號用作同步處理，數(shù)據(jù)采集方法為連續(xù)采集，成功實(shí)現(xiàn)了雙極化數(shù)據(jù)和干涉數(shù)據(jù)的采集。實(shí)驗(yàn)中，遙感1號雷達(dá)衛(wèi)星的天線照射存在小前斜角，因此采用修正NCS算法進(jìn)行成像處理，并利用自聚焦處理進(jìn)一步提高成像質(zhì)量，圖6所示為場景區(qū)域的光學(xué)圖和BiSAR圖像，可見聚焦效果良好。

通過進(jìn)一步的對干涉數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到目標(biāo)區(qū)域DEM結(jié)果如圖7所示。可以看到，由于實(shí)驗(yàn)中天線較為指向南方，南方回波較強(qiáng)；樓房比周圍區(qū)域高40～45 m，實(shí)際測量中樓房高14層，每層3 m，與測量結(jié)果相符；城鐵站比周圍區(qū)域高12～18 m，實(shí)際測量城鐵站比周圍平地高16 m，與測量結(jié)果基本相符。

圖4 國內(nèi)第1幅機(jī)載BiSAR實(shí)驗(yàn)圖像

圖5 SABRINA系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖6 星地BiSAR實(shí)驗(yàn)圖像

圖7 星地BiSAR干涉實(shí)驗(yàn)結(jié)果

此外，中國科學(xué)院電子學(xué)研究所利用國內(nèi)的遙感衛(wèi)星也開展了相關(guān)的星地雙基地干涉實(shí)驗(yàn)，但相關(guān)處理結(jié)果尚未見發(fā)表。

2.2.2 星機(jī)BiSAR系統(tǒng) 最初的星機(jī)BiSAR研究工作于 1984年在美國完成[2－4]。1984年 10月，由美國“挑戰(zhàn)者”號航天飛機(jī)搭載SIR-B成像雷達(dá)與型號為CV-990的飛機(jī)上搭載的一部L波段雷達(dá)共同構(gòu)成了一套雙基地雷達(dá)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其中，飛機(jī)上搭載的兩幅天線分別用于接收回波以及發(fā)射機(jī)的直達(dá)波。該實(shí)驗(yàn)成功獲取了目標(biāo)區(qū)域BiSAR成像結(jié)果，驗(yàn)證了直達(dá)波信號可以應(yīng)用于同步處理，但是其分辨率并沒有達(dá)到預(yù)計(jì)要求。此后，90年代中期，美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室(AFRL)和噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)進(jìn)行了星機(jī) BiSAR實(shí)驗(yàn)，發(fā)射機(jī)采用歐洲航天局(ESA) ERS-1 和美國 SIR-C 兩顆單基地 SAR 衛(wèi)星，接收機(jī)安置在美國國家航空航天局(NASA)的DC-8飛機(jī)上。在航天飛機(jī)發(fā)射之前，利用 ERS-1衛(wèi)星做了實(shí)驗(yàn)，并給出了一幅由ERS-1作發(fā)射機(jī)獲得的阿拉斯加地區(qū)的BiSAR圖像，系統(tǒng)頻率同步通過接收衛(wèi)星直達(dá)波與其地面回波共同完成，第1次驗(yàn)證了星機(jī)BiSAR的可行性，從而催生了一種新的BiSAR 成像體制。

TerraSAR-X星載SAR平臺于2007年7月升空，是最先進(jìn)的全新一代X波段星載SAR系統(tǒng)，利用TerraSAR-X作為發(fā)射機(jī)開展了一系列BiSAR實(shí)驗(yàn)，獲得了非常好的結(jié)果，極大地推動(dòng)了BiSAR系統(tǒng)的研究工作。2007年11月，德國宇航局(DLR)開展了以TerraSAR-X作為發(fā)射機(jī)，F(xiàn)-SAR機(jī)載雷達(dá)作為接收機(jī)的星機(jī)BiSAR實(shí)驗(yàn)[12]，其中，兩個(gè)平臺平行飛行并采用雙通道連續(xù)采集的方法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集。該實(shí)驗(yàn)利用了場景中布置的3個(gè)X波段的應(yīng)答器用作后續(xù)的定標(biāo)和同步處理，結(jié)合了直達(dá)波和參考點(diǎn)目標(biāo)完成了頻率同步處理，成像處理算法采用了雙基地 BP算法進(jìn)行成像處理，成像結(jié)果如圖8所示。通過應(yīng)答器響應(yīng)的2維分辨率分析，結(jié)果顯示系統(tǒng)聚焦結(jié)果非常好，分辨率和理論設(shè)計(jì)完全吻合。該成像結(jié)果是公開發(fā)表的第1幅聚焦良好的星機(jī)BiSAR聚焦結(jié)果，并且發(fā)射帶寬達(dá)到了100 MHz，實(shí)現(xiàn)了地表目標(biāo)的高分辨。

2008年底和2009年初，德國夫瑯和費(fèi)高頻物理和雷達(dá)技術(shù)研究所(Fraunhofer Institute for High Frequency Physics and Radar Techniques,FHR)，聯(lián)合傳感器系統(tǒng)中心(the Center for Sensorsystems,ZESS)和錫根大學(xué)(University of Siegen)開展了以TerraSAR-X作為外輻射源，PAMIR (Phased Array Multifunctional Imaging Radar)機(jī)載雷達(dá)系統(tǒng)作為接收機(jī)的系列BiSAR實(shí)驗(yàn)[9]，將星機(jī)BiSAR系統(tǒng)的研究推到了新的高度。該實(shí)驗(yàn)的突出特點(diǎn)是同時(shí)提出并實(shí)現(xiàn)了星機(jī)天線的雙滑動(dòng)聚束照射模式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，從而得到了方位向?qū)挿鶊鼍俺上窠Y(jié)果，同時(shí)分析了BiSAR圖像和monoSAR圖像的特點(diǎn)，得到了令人振奮的結(jié)果。在 2008年的第 1次星機(jī)BiSAR實(shí)驗(yàn)中，收發(fā)平臺以近平行軌跡同向飛行，TerraSAR-X照射方式為滑動(dòng)聚束模式，照射范圍可以達(dá)到 5 km×10 km,PAMIR照射方式為經(jīng)典條帶模式，但是其方位向天線采用子陣照射模式(1/3全陣列)，波束寬度大約為6°，目的在于得到較寬的方位向場景覆蓋范圍，發(fā)射帶寬為150 MHz。在2009年初開展的第2次星機(jī)BiSAR實(shí)驗(yàn)中，收發(fā)平臺同樣采用近平行軌跡同向飛行，TerraSAR-X照射方式為滑動(dòng)聚束模式，PAMIR照射方式為全孔徑照射，波束寬度為2.5°，采用逆滑動(dòng)聚束模式(即波足移動(dòng)速度大于飛機(jī)平臺本身的速度)，采集到更寬的方位向場景回波；同時(shí)發(fā)射帶寬增加到 300 MHz。

圖9所示為實(shí)驗(yàn)1的成像結(jié)果，成像范圍為4 km×1.4 km，其中圖9(a)表示利用雙基地BP成像算法得到的聚焦結(jié)果；圖 9(b)表示利用頻域成像算法-擴(kuò)展 Loffeld雙基地公式(Extended Loffeld’s Bistatic Formula,ELBF)進(jìn)行聚焦處理得到的成像結(jié)果；圖 9(c)表示場景的光學(xué)圖像。可以看到，三者的吻合度非常高，表明了系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理算法的可靠性。

圖10所示為實(shí)驗(yàn) 2的成像結(jié)果，成像范圍為5.4 km×1.6 km，相比于實(shí)驗(yàn)1的場景范圍較大，聚焦處理采用雙基地 BP成像算法?？梢钥吹?，利用逆滑動(dòng)聚束模式可以獲得較寬的方位向場景范圍，并且保證了距離向幅寬。

分析BiSAR和monoSAR圖像間的透視收縮和疊掩效應(yīng)可以觀察到非常有趣的現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。圖11(a)所示為PAMIR單基地SAR圖像；圖11(b)表示PAMIR圖像(紅色)和雙基地圖像(綠色)的彩色合成圖，可以看到建筑的頂部出現(xiàn)綠色，這說明它們在雙基地圖像中的聚焦位置更加靠前，即兩者中目標(biāo)雙基地投影較長；圖 11(c)表示TerraSAR-X圖像(紅色)和雙基地圖像(綠色)的采樣合成圖，可以看到建筑的頂部出現(xiàn)紅色，這說明它們在雙基地圖像中的聚焦位置比較靠后，即兩者中目標(biāo)雙基地投影較短；圖11(d)表示TerraSAR-X圖像(紅色)和PAMIR圖像(綠色)的采樣合成圖，可以看到建筑的頂部出現(xiàn)紅色，這說明它們在TerraSAR-X圖像中的聚焦位置比較靠前，即兩者中目標(biāo)TerraSAR-X投影較長。

2009年 11月，德國 FHR機(jī)構(gòu)開展了以TerraSAR-X為發(fā)射機(jī)，PAMIR作為接收機(jī)的前視BiSAR實(shí)驗(yàn)[31]，在實(shí)驗(yàn)中，發(fā)射機(jī)工作于滑動(dòng)聚束模式，照射的目標(biāo)場景范圍大約為5 km×10 km，時(shí)間大約為3 s。接收機(jī)包括雷達(dá)波和直達(dá)波天線，直達(dá)波天線位于飛機(jī)頂部，數(shù)據(jù)采集方法采用基于脈沖同步的方法，該實(shí)驗(yàn)第1次實(shí)現(xiàn)了前視BiSAR系統(tǒng)的成像處理，為基于BiSAR系統(tǒng)的飛機(jī)盲降應(yīng)用做好了準(zhǔn)備工作。

成像處理算法采用雙基地BP算法，圖12所示為前視BiSAR實(shí)驗(yàn)成像結(jié)果，可以看到，成像結(jié)果中包括了機(jī)場、村莊和自然場景，聚焦效果較好。

2.2.3 星載BiSAR系統(tǒng) 隨著2010年7月德國第2顆X波段星載雷達(dá)衛(wèi)星的升空，即TerraSAR-X的復(fù)制衛(wèi)星，TanDEM-X系統(tǒng)(以下記首顆TerraSAR-X衛(wèi)星為TSX，第2顆為TDX)終于完成部署，為后續(xù)一系列如星載 BiSAR、干涉 SAR等研究做好準(zhǔn)備。德國宇航局(DLR)于2010年8月開展了基于TanDEM-X系統(tǒng)的星載BiSAR實(shí)驗(yàn)[10]，兩顆雷達(dá)衛(wèi)星處于前后跟隨模式，但是存在很小跨軌基線，實(shí)驗(yàn)時(shí)，前方TSX處于小后斜視照射模式，跟隨TDX則處于小前斜視照射模式；此外，整個(gè)實(shí)驗(yàn)不僅包含了成像實(shí)驗(yàn)也包括了干涉實(shí)驗(yàn)，而且成功獲取了目標(biāo)場景BiSAR圖像和干涉結(jié)果，表明星載BiSAR實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)處理的良好性能，充分驗(yàn)證了星載BiSAR系統(tǒng)的可行性。

圖10 星機(jī)BiSAR系統(tǒng)(TerraSAR-X/PAMIR)實(shí)驗(yàn)2成像結(jié)果(BP算法)

圖11 SAR圖像的投影縮短和疊掩效應(yīng)比較

圖12 星機(jī)前視BiSAR系統(tǒng)(TerraSAR-X/PAMIR)成像結(jié)果

在成像實(shí)驗(yàn)中，TSX天線照射模式為后斜視0.8°，發(fā)射和接收雷達(dá)波，TDX天線的照射模式為前斜視0.8°，工作于接收雷達(dá)波模式，同步信號通過TDX上搭載的直達(dá)鏈路(SyncLink)采集信號，從而獲取時(shí)鐘偏差等信息。經(jīng)過上述的數(shù)據(jù)采集模式，實(shí)驗(yàn)采集到的數(shù)據(jù)包括一組后斜視模式的單基地SAR回波數(shù)據(jù)和一組等效正側(cè)視模式的BiSAR回波數(shù)據(jù)，兩者數(shù)據(jù)在多普勒頻域不存在頻譜重疊，這意味著兩組數(shù)據(jù)不能用于干涉處理，因此這時(shí)干涉數(shù)據(jù)獲取只能依賴雙航過的方法采集。圖13表示BiSAR實(shí)測數(shù)據(jù)的成像結(jié)果，成像場景位于南美洲巴西首府-巴西利亞，從圖像中心可以看到類似飛機(jī)造型的城市特點(diǎn)，圖中黃色部分對應(yīng)城區(qū)場景，白色部分對應(yīng)自然場景。

圖13 星載BiSAR系統(tǒng)(TanDEM-X)成像結(jié)果

為了更好的分析BiSAR圖像的特點(diǎn)，圖14給出了單基地圖像和BiSAR圖像的比較圖，其中綠色部分表示BiSAR圖像，粉色表示monoSAR圖像。從圖14中可以明顯地觀察到兩處不同點(diǎn)。首先，在城市中心單基地散射遠(yuǎn)強(qiáng)于雙基地散射，但在湖畔區(qū)，雙基地散射明顯增強(qiáng)，該特點(diǎn)說明即使對于非常小的雙基地角(該實(shí)驗(yàn)中為1.6°)，目標(biāo)的散射特性也可以發(fā)生非常明顯的變化，因而會對SAR目標(biāo)分類帶來好處。其次，從圖14中右下角可以看出，湖面區(qū)存在場景中某強(qiáng)散射中心的模糊成像結(jié)果，并且單雙基地模糊的距離向位置出現(xiàn)偏差，這是因?yàn)殡p基地模式此時(shí)處于等效正側(cè)照射，而單基地處于斜視模式。因此，利用該特點(diǎn)可以反解模糊信號的位置，從而對SAR圖像解模糊帶來新的思路。

完成上述BiSAR成像實(shí)驗(yàn)后，2010年10月在波多黎各的 Parque Nacionaldel Volcan Turrialba作為目標(biāo)場景開展了單航過干涉實(shí)驗(yàn)，該目標(biāo)場景為典型緩慢起伏的山地地區(qū)，適合 DEM 獲取。該實(shí)驗(yàn)采用基于脈沖間調(diào)整的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取，即第1個(gè)脈沖，兩個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)均工作于正側(cè)模式獲取數(shù)據(jù)，緊接著的第2個(gè)脈沖，TSX天線以后斜視0.9°的方式發(fā)射脈沖，TDX天線以前斜0.9°的方式接收數(shù)據(jù)，這樣所獲得的單基地?cái)?shù)據(jù)和雙基地?cái)?shù)據(jù)都是工作于正側(cè)視模式，多普勒頻域存在信號重疊，可以用于干涉處理。總體而言，該工作流程可以獲得一組單基地干涉數(shù)據(jù)和兩組雙基地干涉數(shù)據(jù)。但是該實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)采集方式會帶來如下不利之處：首先PRF需要加倍，意味著距離向幅寬減半；其次，上述數(shù)據(jù)采集方法導(dǎo)致無法采集收發(fā)同步數(shù)據(jù)。圖15所示為得到的結(jié)果，經(jīng)過和TSX多航過獲取得到的DEM結(jié)果相比，該結(jié)果的精度達(dá)到5 m精度，說明了該系統(tǒng)在單航過模式下的有效性。

圖14 星載單基地和雙基地SAR圖像對比

圖15 星載BiSAR單航過DEM結(jié)果

星載 BiSAR系統(tǒng)的研究工作可以進(jìn)一步擴(kuò)展到星載多基地 SAR(分布式或組網(wǎng))系統(tǒng)，這樣不僅可以研究在較大雙基地角模式下的目標(biāo)響應(yīng)，并且可以實(shí)現(xiàn)單航過干涉數(shù)據(jù)獲取，對抑制時(shí)間去相干和大氣相位等非理想源對高精度 DEM 獲取的影響至關(guān)重要，可進(jìn)一步提高DEM精度。

2.3 基于外輻射源的BiSAR系統(tǒng)

外輻射源 BiSAR系統(tǒng)主要是指當(dāng)發(fā)射機(jī)為非雷達(dá)系統(tǒng)時(shí)的BiSAR系統(tǒng)，如基于導(dǎo)航衛(wèi)星，通信衛(wèi)星等外輻射源的BiSAR系統(tǒng)。

2002年，伯明翰大學(xué)MISL(Microwave Integrated Systems Laboratory)實(shí)驗(yàn)室和北京理工大學(xué)共同提出了 SS-BiSAR(Space-Surface BiSAR)系統(tǒng)概念[13,32]，發(fā)射機(jī)選用在軌導(dǎo)航衛(wèi)星，接收機(jī)位于地表附近，可以是機(jī)載平臺，靜止平臺或者車載平臺，包括至少兩個(gè)接收天線，一幅用于接收直達(dá)波信號，另一幅用于接收目標(biāo)場景的回波信號。由于導(dǎo)航衛(wèi)星的設(shè)計(jì)初衷并不是作為雷達(dá)系統(tǒng)的外輻射源，因此該系統(tǒng)的突出特點(diǎn)是回波的低信噪比和距離向的低分辨，并且發(fā)射機(jī)斜距和接收機(jī)斜距在數(shù)值上的巨大不同也表明了該系統(tǒng)具有極度非對稱的拓?fù)潢P(guān)系。

為了驗(yàn)證系統(tǒng)對真實(shí)場景成像的可行性，英國伯明翰大學(xué)和北京理工大學(xué)開展了一系列成像實(shí)驗(yàn)，包括靜止接收模、車載接收、機(jī)載接收等模式。2011年3月23日開展的成像實(shí)驗(yàn)[33]，選取發(fā)射機(jī)為GLONASS系統(tǒng) Cosmos 737衛(wèi)星，對應(yīng)載頻為1601.7325 MHz，積累時(shí)間為300 s，接收機(jī)距離主目標(biāo)190 m，靜止接收。整個(gè)系統(tǒng)布置于伯明翰大學(xué)電子電氣計(jì)算機(jī)工程學(xué)院大樓的頂層，直達(dá)波天線位于雷達(dá)波天線的近處；雷達(dá)波束指向?qū)γ鍹uirhead大樓，該大樓為成像實(shí)驗(yàn)主要目標(biāo)，原因在于該樓的體積很大，在面向工程學(xué)院大樓的一側(cè)從形狀上分為3個(gè)平面，最中間的一塊是金屬板，整個(gè)大樓的幾何結(jié)構(gòu)預(yù)示著可以較強(qiáng)地反射雷達(dá)波。

作為SAR成像處理的基本手段，BP算法可以用來初步驗(yàn)證SS-BiSAR系統(tǒng)回波的正確性。圖16所示為采用 BP算法得到的成像結(jié)果，可以看到，該系統(tǒng)的目標(biāo)響應(yīng)主要對應(yīng)離散的強(qiáng)散射點(diǎn)，如人造大樓等，自然場景的回波聚焦結(jié)果并不明顯，說明強(qiáng)散射點(diǎn)目標(biāo)的響應(yīng)淹沒了弱散射點(diǎn)目標(biāo)的系統(tǒng)響應(yīng)，這和基于外輻射源BiSAR本身的特點(diǎn)是符合的，即低距離分辨率和低信噪比。

圖16 BP算法的外輻射源BiSAR實(shí)驗(yàn)圖像

典型的基于外輻射源 BiSAR系統(tǒng)為基于導(dǎo)航衛(wèi)星的BiSAR系統(tǒng)，其突出優(yōu)勢在于目標(biāo)區(qū)域的時(shí)空連續(xù)覆蓋，從而使得系統(tǒng)的應(yīng)用較為廣泛，例如測繪、檢測等；但是由于發(fā)射機(jī)為非雷達(dá)衛(wèi)星，因此系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的難度非常大，主要體現(xiàn)在距離分辨率低和信噪比差兩個(gè)方面。對于這兩個(gè)問題的最終解決決定了基于導(dǎo)航衛(wèi)星 BiSAR系統(tǒng)在實(shí)際生活中應(yīng)用的深度和廣度。

從上述不同類別的BiSAR實(shí)驗(yàn)歷程可以看到，經(jīng)過 10多年的研究，BiSAR系統(tǒng)的各個(gè)難題已經(jīng)得到了很大程度的解決，尤其是在同步處理和成像方面，系統(tǒng)成熟度越來越高，特別是 TerraSAR-X星載SAR平臺的升空，從更加廣闊的層面提升了我們對BiSAR系統(tǒng)的認(rèn)識。此外，對于BiSAR系統(tǒng)的研究已經(jīng)擴(kuò)展到對基于非雷達(dá)衛(wèi)星 BiSAR系統(tǒng)的研究上，該類系統(tǒng)具有較好的應(yīng)用前景。總之，BiSAR系統(tǒng)后續(xù)實(shí)驗(yàn)的開展應(yīng)該充分借鑒已有的成熟技術(shù)，盡快實(shí)現(xiàn)BiSAR技術(shù)的實(shí)用化。

3 BiSAR成像處理

BiSAR系統(tǒng)的種種優(yōu)勢是以系統(tǒng)的復(fù)雜性大大提高為代價(jià)的，尤其是在數(shù)據(jù)處理方面。由于發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的物理分離，發(fā)射和接收采用兩套電子設(shè)備，同步處理成為首當(dāng)其沖的難題[29,34－40]，主要包括3方面：波束同步、時(shí)間同步和頻率同步。從上述BiSAR各類實(shí)驗(yàn)可以看到，同步問題已經(jīng)得到了一定程度的解決，例如波束同步不僅可以通過嚴(yán)格的波位設(shè)計(jì)來保證，并且可以利用比較復(fù)雜的波束追趕法來實(shí)現(xiàn)；時(shí)間同步既可以通過跟蹤直達(dá)波、高精度銫原子鐘、連續(xù)采集等發(fā)法直接實(shí)現(xiàn)，也可以采用基于數(shù)據(jù)的自適應(yīng)思路處理；頻率同步可以利用高精度頻率源保證，但是直達(dá)波同步已經(jīng)成為非常流行的處理方法。

除去同步處理之外，高效、精準(zhǔn)的成像處理是BiSAR系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的另一大難題，其困難主要來源于兩方面。首先，目標(biāo)的斜距歷史是目標(biāo)到發(fā)射機(jī)與到接收機(jī)的斜距之和，是一個(gè)雙根號表達(dá)式，如果將駐定相位原理應(yīng)用到系統(tǒng)多普勒頻譜相位的求解中，則得不到駐點(diǎn)的解析表達(dá)式，從而得不到解析的回波頻域表達(dá)式。其次，發(fā)射機(jī)與接收機(jī)位于不同運(yùn)動(dòng)平臺，導(dǎo)致目標(biāo)場景內(nèi)不同位置目標(biāo)回波聚焦參數(shù)的變化非常嚴(yán)重，即聚焦參數(shù)隨目標(biāo)位置空變，這里的空變性一般表現(xiàn)為2維空變，即不僅不同距離門內(nèi)的方位向聚焦處理需要不同的多普勒參數(shù)，同一距離門內(nèi)的聚焦處理也需要不同的多普勒參數(shù)。對于 BiSAR系統(tǒng)成像處理，德國的 Ender教授[41]提出將其分為5個(gè)階段解決的思路，從易到難分別為：單基地模式、跟隨模式(Tandem case)、空不變模式(Translational Invariant case)、等速模式(Constant Velocity case)和一般軌跡模式(General case)。經(jīng)過10多年的研究工作，對上述5個(gè)階段已經(jīng)提出了不同的 BiSAR 成像算法[41－60]進(jìn)行解決。

單基地SAR成像算法的研究工作不需贅述。對于Tandem模式的解決方法為SMILE處理[19,43]。其基本思路是：首先利用短時(shí)處理-SMILE算子將BiSAR回波數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為單基地SAR模型下的數(shù)據(jù)，然后采用單基地的成像算法進(jìn)行聚焦處理。但該算法只適應(yīng)于Tandem模式的BiSAR系統(tǒng)的成像處理，由于實(shí)際條件下，發(fā)射機(jī)與接收機(jī)很難保證前后航跡一致，并且基線不變，因此該算法的輸入條件非?？量?。

對于BiSAR系統(tǒng)TI模式成像處理的研究比較多。Ender在文獻(xiàn)[41,42,44]利用對目標(biāo)位置的變換，使得 BiSAR系統(tǒng)回波頻譜相位可以表示為頻域測量參量的線性函數(shù)，然后采用變量變換的方法實(shí)現(xiàn)回波頻譜重采樣而完成聚焦處理。該算法的突出優(yōu)點(diǎn)在于得到了BiSAR回波頻譜的相位的解析表達(dá)式，但是其變量變換公式中含有目標(biāo)的位置信息使得該變換只能完成參考點(diǎn)附近的小范圍的聚焦處理，并且聚焦參數(shù)的求解需要采用數(shù)值計(jì)算方法。該處理算法已經(jīng)成功應(yīng)用到機(jī)載 BiSAR成像處理中(圖17)。西電的學(xué)者在文獻(xiàn)[49]中提出了 BiRMA 成像算法實(shí)現(xiàn)TI模式下的回波聚焦處理，通過提出半雙基地角和雙基地斜距和的概念得到了系統(tǒng)回波的頻譜解析表達(dá)式。

BiSAR系統(tǒng)CV模式是指發(fā)射機(jī)和接收機(jī)各自的速度矢量在回波接收過程中保持不變，但是大小可以不同。LBF給出了該模式的成像處理方法。文獻(xiàn)[20,21]利用三次駐定相位原理，將時(shí)域回波轉(zhuǎn)換到頻域，然后進(jìn)行聚焦處理。如前所述，由于雙根號的斜距模型的存在，使得利用駐定相位原理不能獲取BiSAR系統(tǒng)的斜距模型的解析駐點(diǎn)，但是如果將駐點(diǎn)分為發(fā)射機(jī)相關(guān)和接收機(jī)相關(guān)的兩個(gè)部分，分別利用駐定相位原理獲取對應(yīng)的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)對應(yīng)的頻譜，最后再利用一次駐定相位原理，得到雙基地畸變項(xiàng)對應(yīng)的頻譜，進(jìn)而完整的BiSAR系統(tǒng)回波頻譜表達(dá)式?；贚BF得到回波2維頻譜表達(dá)式后，文獻(xiàn)[46]采用修正 CS成像處理，提出了BiSAR系統(tǒng)的聚焦方法；文獻(xiàn)[21,47]采用變量替換的方法實(shí)現(xiàn)BiSAR系統(tǒng)的聚焦，而且該處理思路已經(jīng)成功應(yīng)用到星機(jī)BiSAR系統(tǒng)的成像處理中，獲得了聚焦良好的雷達(dá)圖像(圖9b)。

圖17 機(jī)載BiSAR成像實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對于一般模式的 BiSAR系統(tǒng)成像處理，文獻(xiàn)[22,48,57]基于級數(shù)反轉(zhuǎn)思想的思路，通過給出了精度無窮高BiSAR系統(tǒng)點(diǎn)目標(biāo)回波的2維解析頻譜表達(dá)式，提出了BiSAR成像處理算法?？紤]到級數(shù)反轉(zhuǎn)的思想和BiSAR系統(tǒng)的拓?fù)潢P(guān)系無關(guān)，基于級數(shù)反轉(zhuǎn)思想可以獲得所有 BiSAR系統(tǒng)的點(diǎn)目標(biāo)回波的2維解析頻譜表達(dá)式，從而解決了BiSAR系統(tǒng)成像處理的解析頻譜獲取的難題。然而，當(dāng)上述處理方法應(yīng)用到大場景的回波聚焦時(shí)，其處理能力會下降。當(dāng)然，時(shí)域BP算法[50－52]，基于泰勒級數(shù)的近似算法[51,56,59]，基于數(shù)值方法抽取聚焦參數(shù)然后成像(Numeric SAR,NuSAR)[60]等都可以用來實(shí)現(xiàn)BiSAR系統(tǒng)一般模式下的成像處理。雖然BP算法已經(jīng)成功應(yīng)用在多組BiSAR實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中，上述算法都存在效率和精度不高的問題。

綜上所述，雖然處理效率低下，BP算法仍然是目前在BiSAR實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中應(yīng)用最廣泛的成像算法；基于級數(shù)反轉(zhuǎn)的算法可以得到一般BiSAR模式回波的解析頻譜，但是其表達(dá)式極其復(fù)雜；并且現(xiàn)有成像算法對聚焦參數(shù)空變性的處理均存在局限性，如何給出一個(gè)高效，精確和適應(yīng)性強(qiáng)的BiSAR成像處理算法仍舊是雷達(dá)科技人員的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

4 結(jié)束語

隨著各類對地觀測需求的不斷增加，對新一代SAR系統(tǒng)提出了更高的要求，包括多視角觀測、抗干擾性能和在強(qiáng)打擊條件下的生存能力等。BiSAR系統(tǒng)可以滿足上述需求，這正是BiSAR系統(tǒng)研究在最近10多年來快速發(fā)展的內(nèi)在原因。

國外關(guān)于 BiSAR系統(tǒng)的研究已經(jīng)非常深入，并且研制出性能良好的 BiSAR實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，獲得了非常理想的結(jié)果。但是隨著單基地機(jī)載和星載SAR功能的增強(qiáng)，如多波段、多極化、高分辨等，使得未來基于雙基地的多波段、多極化、高分辨等多維度融合下的 BiSAR實(shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)處理與分析及圖像解譯等將成為主要研究熱點(diǎn)，并將進(jìn)一步推動(dòng)BiSAR的發(fā)展。

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