王建峰 林 赟 郭勝龍 喻玲娟 洪 文*

①(中國科學(xué)院電子學(xué)研究所 北京 100190)

②(微波成像技術(shù)國家級重點實驗室 北京 100190)

③(中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100190)

1 引言

合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar,SAR)是一種主動遙感設(shè)備，具有全天時全天候和高分辨大區(qū)域成像的能力，在軍事、民用及其它領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。常規(guī)SAR模式依賴傳感器平臺的直線飛行軌跡，該成像模式下，一方面存在著由于地形起伏引起的迭掩、透視縮短和陰影等SAR影像固有變形現(xiàn)象；另一方面由于合成孔徑積累時間內(nèi)觀測視角受限，僅能獲取觀測對象在某小范圍方向上的后向散射，給SAR圖像解譯和目標(biāo)識別帶來了特殊的難題。與傳統(tǒng)SAR模式不同，圓跡SAR通過平臺圓周運動和波束控制實現(xiàn)對目標(biāo)的全方位360°觀測，可以獲取目標(biāo)區(qū)域的全方位散射特性，其優(yōu)勢包括3維成像能力、高分辨率、高信噪比等。建筑物信息提取在軍事監(jiān)視、土地使用調(diào)查和城市規(guī)劃等方面有著極為廣泛的應(yīng)用，按照雷達(dá)回波信號路徑不同，建筑物產(chǎn)生的后向散射主要分為面散射、偶次散射和體散射，其中偶次散射最為明顯。CSAR可實現(xiàn)多個不同角度場景的大視角范圍連續(xù)成像觀測，通過多角度觀測的互補性以及對回波進(jìn)行綜合，有效利用相干累積角實現(xiàn)大信噪比高分辨率成像，提升建筑物散射信息的獲取能力和幾何特征提取、抑制陰影能力[1,2]。

常規(guī)SAR模式成像的固有缺陷會造成建筑物SAR圖像明顯的幾何畸變，在不同成像條件下，同一建筑物就有可能表現(xiàn)出很大的形狀差異，且其局限于單一觀測視角，不能獲得目標(biāo)隨方位角變化的多角度散射特性。而現(xiàn)有的CSAR建筑物成像方法中，主要是通過360°全相干累積成像，這會導(dǎo)致建筑物SAR圖像的信噪比惡化，散射信息缺失，影響到極化目標(biāo)分解時對建筑物散射機理的提取[3]。建筑物的散射特征以二面角散射為主，具有較強方向性，由于不再滿足各向同性假設(shè)條件，傳統(tǒng)的全相干處理不僅造成圖像散焦、信噪比降低等問題，還將破壞目標(biāo)的方位散射信息[4]。2013年法國ONERA利用機載圓跡SAR實驗獲取的X波段數(shù)據(jù)，對建筑物和車輛進(jìn)行優(yōu)化成像，采用處理的方法是將360°回波數(shù)據(jù)劃分為360個1°大小的子孔徑分別成像，之后再對這360個子孔徑圖像做非相干疊加，較為詳細(xì)地呈現(xiàn)了建筑物和車輛清晰的輪廓信息[5]。

本文提出一種相干與非相干處理相結(jié)合的圓跡SAR建筑物全方位優(yōu)化成像方法。首先，由于建筑物的散射特性可近似用二面角反射器來理解，利用電磁仿真軟件FEKO建立二面角反射器的電磁散射模型，并采用物理光學(xué)算法(PO)計算二面角反射器的雷達(dá)散射(RCS)；其次，用仿真模擬得到的RCS生成雷達(dá)回波數(shù)據(jù)，進(jìn)行不同方位相干累積角度CSAR成像，并與散射各向同性情況下的成像指標(biāo)和信噪比進(jìn)行分析比較，得出對建筑物CSAR成像最佳方位相干累積角度大小；最后，將CSAR的360°回波數(shù)據(jù)劃分為小角度重疊的多個子孔徑并利用BP成像算法分別成像，各像素取子孔徑圖像中的幅度最大值獲得全方位合成圖像，以VV通道為基準(zhǔn)取得全極化數(shù)據(jù)并進(jìn)行Pauli目標(biāo)分解，獲取到建筑物場景的輪廓信息。

2 建筑物散射模型建立與分析

在高分辨率SAR圖像中，對于建筑物目標(biāo)而言，按照雷達(dá)回波信號傳播路徑的不同，建筑物產(chǎn)生的后向散射主要分為面散射、偶次散射和體散射。其中面散射主要來自地面、墻面和屋頂?shù)纳⑸?；偶次散射主要是來自于地?墻體或者墻體-地面的二次彈射；體散射主要指的是電磁波在墻面和地面之間多次反射。實際中很難將具體散射點和建筑物上發(fā)生的散射結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，由于建筑物屋頂面比較平滑，后向散射較弱，而建筑物墻體和地面之間形成的偶次散射最為明顯，因此可以通過矩形金屬二面角反射器的散射特性來近似解釋建筑物的散射特性[6]。

FEKO是3維任意結(jié)構(gòu)全波電磁場分析軟件，通過參數(shù)設(shè)置和模型建立，利用PO算法計算遠(yuǎn)場模擬回波[7]。針對已有的P波段數(shù)據(jù)來設(shè)置FEKO模型仿真參數(shù)，其中二面角散射模型的尺寸和雷達(dá)波長在一個量級上，以便于點目標(biāo)仿真分析；實際全通道P波段數(shù)據(jù)中，VV通道散射能量最大，所以模型選用VV極化方式。利用FEKO建立的二面角散射模型如圖1所示。模型參數(shù)具體設(shè)置如表1所示，其中l(wèi)為雷達(dá)波長。

圖1 二面角反射器散射模型Fig.1 The scattering model of dihedral reflector

表1 二面角反射器模型主要參數(shù)Tab.1 The main parameters of the dihedral reflector model

2.1 FEKO仿真結(jié)果分析

令該模型天線入射角φ =45°，方位角q=–180°～180°，采用PO算法計算遠(yuǎn)場二面角反射器的RCS,FEKO仿真得出RCS幅度值和相位值隨方位角變化曲線，如圖2所示。

由仿真得出的RCS全方位360°幅度值和相位值可以看出，二面角反射器在方位角為0°時，RCS幅度值最大，相位值約為90°，且相位值在方位角0°左右波動范圍比較小。根據(jù)全方位的RCS幅度和相位變化曲線，以及相干累積原理可知，該模型下，CSAR最佳方位相干累積角度應(yīng)當(dāng)以0°為中心的小范圍方位向角。為了更清楚地顯示二面角散射在方位向的穩(wěn)定性，圖3給出了方位角從–30°～30°的RCS變化范圍。

由圖3可知，RCS相位在方位相干累積角度為–13°～13°時平穩(wěn)變化，之后變化范圍較大；RCS幅度在3 dB寬度時，方位相干累積角度–8°～8°。所以，僅從RCS幅度和相位變化曲線來分析，最佳方位相干累積角度應(yīng)在16°～26°范圍內(nèi)。以上僅是對FEKO仿真得到的RCS進(jìn)行分析，對此，文獻(xiàn)[8]和文獻(xiàn)[9]利用PO對二面角反射器的RCS進(jìn)行理論分析。經(jīng)過比較二面角仿真和理論分析得到的RCS可看出，二者結(jié)論基本相同，這也從理論確定了最優(yōu)方位相干累積角度的選擇范圍。后文將通過對CSAR成像結(jié)果分析，進(jìn)一步確定最佳方位相干累積角度。

圖2 二面角反射器RCS幅度和相位曲線Fig.2 The RCS amplitude and phase curve of the dihedral reflector

圖3 二面角反射器RCS幅度和相位曲線Fig.3 The small range RCS amplitude and phase curve of the dihedral reflector

2.2 CSAR成像結(jié)果分析

假設(shè)天線的入射角為45°，以下分析方法也可用于其它入射角的情況，本節(jié)以45°入射角為例，對理想的各向同性點目標(biāo)和二面角的CSAR成像結(jié)果進(jìn)行比較，得出二面角的最佳方位相干累積角度范圍。由FEKO建立的二面角反射器模型仿真計算得出其RCS幅度值和相位值，即可生成相應(yīng)的二面角CSAR回波數(shù)據(jù)。CSAR成像時，隨著方位角度的增加，方位向分辨率增大并且和距離向耦合度增強。從實際CSAR點目標(biāo)仿真結(jié)果可知，峰值旁瓣比(PSLR)在方位角度增加時，出現(xiàn)主瓣、旁瓣無法辨清和主瓣寬度增大等問題。用FEKO仿真生成的二面角CSAR回波數(shù)據(jù)，取不同方位相干累積角度范圍進(jìn)行成像，結(jié)果如圖4所示，從圖中可以看出大角度的方位相干累積會帶來散焦問題。

假設(shè)回波信號中噪聲為高斯白噪聲，則CSAR圖像信噪比近似等于在方位相干累積角度范圍內(nèi)回波信號能量相干累積與方位向采樣數(shù)之比，如式(1)所示，其中方位向采樣點 N a= φ·Δφ,Δφ為方位角度采樣間隔，Si為第i個方位向采樣點回波復(fù)信號。

由式(1)結(jié)合圖3所示的二面角反射器RCS幅度和相位變化曲線可看出，在非各向同性情況下，隨著方位角度的增加，信號能量增加速率會逐漸減小，隨之信噪比也會先增后減。而對各向同性理想點目標(biāo)，其信號能量近似等于非相干累積，信噪比隨著方位角直線上升，對理想點目標(biāo)和二面角的信噪比仿真結(jié)果如圖5所示，可知方位角度在25°左右時最接近各向同性情況下的SNR。

圖4 二面角不同方位相干累積角度CSAR成像結(jié)果Fig.4 The CSAR imaging results of different azimuth accumulation of dihedral reflector

考慮到不同情況下信噪比仿真結(jié)果，這里選用10°～60°為方位相干累積角度范圍進(jìn)行散射各向同性情況下點目標(biāo)和二面角反射器成像結(jié)果比較分析，得出二者方位向PSLR, IRW比較曲線圖和距離向PSLR, IRW比較曲線圖，分別如圖6、圖7所示。

由以上比較結(jié)果可得出：隨著方位相干累積角度的增加，二者方位向PSLR差值越來越大，距離向PSLR值在方位相干累積角小于30°之前幾乎相等；方位向IRW值在方位相干累積角為25°和32°時相等，之后IRW值變化緩慢，距離向IRW值近似相等。綜合以上分析，方位相干累積角在25°左右時，非各向同性RCS成像結(jié)果在保證分辨率和信噪比的同時，最接近散射各向同性情況下理想點目標(biāo)成像，也即由FEKO建立的二面角反射器模型的最佳方位相干累積角為25°。

3 CSAR優(yōu)化成像算法

基于上一節(jié)建筑物散射模型建立和分析得出的最佳成像方位相干累積角度，以及建筑物的幾何特征，本節(jié)給出一種相干與非相干處理相結(jié)合的CSAR建筑物全方位優(yōu)化成像方法。實際場景中，目標(biāo)的散射方向是未知的，若直接對建筑物進(jìn)行方位相干累積角為25°子孔徑成像，且子孔徑與子孔徑之間無重疊部分，會導(dǎo)致無法完整獲得建筑物的全方位散射信息，場景模型示意如圖8所示，其中包含有地面、墻體和建筑物。

圖6 不同RCS方位向成像結(jié)果比較Fig.6 The comparison of azimuth CSAR imaging results

圖7 不同RCS距離向成像結(jié)果比較Fig.7 The comparison of range CSAR imaging results

圖8 建筑物群落散射示意圖Fig.8 Scatter diagram of building community

示意圖中對建筑物照射有4個25°大小的子孔徑，Sub1, Sub2, Sub3和Sub4，在傳統(tǒng)的CSAR處理方法中有直接非相干融合互不重疊的子孔徑Sub1, Sub2和Sub3。顯然，盡管這3個子孔徑的方位相干累積角度為最佳25°，但是這會使得部分散射信息缺失，例如，若子孔徑Sub1, Sub2和Sub3所照射的目標(biāo)不是類似二面角的散射特性，而子孔徑Sub4所照射的目標(biāo)正好是，如此便會導(dǎo)致無法獲得建筑物完整的全方位散射信息。

解決這一問題的方法就是使子孔徑與子孔徑之間互相重疊，如圖8中子孔徑Sub1和Sub4 重疊。子孔徑間的重疊角度大小取決于二面角中心與天線中心的對應(yīng)關(guān)系，理想情況下二面角的中心應(yīng)該正對著最優(yōu)方位相干累積角度的中心，才能保留二面角的全部散射信息。若子孔徑之間偏移角度過大，會使對應(yīng)的部分二面角散射信息缺失；若子孔徑之間偏移角度過小，又會增加計算量。為了得出最優(yōu)的偏移角度 γ，需要仿真分析最大可能出現(xiàn)丟失二面角信息的偏移角，也即 γ/2處。利用FEKO建立模型使得方位角偏離二面角中心 γ/2，仿真得出RCS并進(jìn)行成像分析，結(jié)果如表2所示。

表2 不同偏移角下二面角CSAR仿真結(jié)果Tab.2 The imaging results of dihedral reflector in different overlapping angles

由表2可以看出，當(dāng) γ=2.5°時，也即偏移角度為5°，重疊角度為20°時，二面角成像分析結(jié)果接近理想情況下成像結(jié)果，結(jié)合考慮計算量，選擇重疊的方位相干累積角度為20°。

前文論述了子孔徑劃分與重疊的必要性，在處理建筑物場景的360°回波數(shù)據(jù)時，對劃分好的子孔徑進(jìn)行BP成像，并對得到的所有子孔徑SAR圖像進(jìn)行非相干融合，本文選用的非相干融合方法是取子孔徑像素最大值，即可得到優(yōu)化后的建筑物SAR圖像。為了驗證此優(yōu)化成像方法的有效性，對得到的全通道SAR圖像進(jìn)行極化目標(biāo)分解，進(jìn)一步提取目標(biāo)散射信息。上述即為相干與非相干處理相結(jié)合CSAR優(yōu)化成像算法，其流程如圖9所示。

算法流程圖中的角度分割算法主要是將360°CSAR回波數(shù)據(jù)分割成68個方位相干累積角為25°的子孔徑，且子孔徑間相互重疊。利用BP成像算法對子孔徑重疊后CSAR數(shù)據(jù)進(jìn)行成像，并對得到的子孔徑圖像取各像素幅度最大值獲得全方位合成圖像[10–12]。由于已有的的P波段CSAR數(shù)據(jù)中，VV通道的散射能量最大，所以先獲得全極化數(shù)據(jù)中VV通道的全方位合成圖像，按照所合成圖像中各像素取值所在的子孔徑位置，進(jìn)而獲得HH,HV和VH 3個通道的合成圖像，以便于之后的極化目標(biāo)分解。POLSAR相對于單極化SAR的顯著特點是其能夠通過獲取目標(biāo)完整的極化散射信息來揭示地物的散射機理。在取得全通道CSAR合成圖像后，利用Pauli目標(biāo)分解，使得更好地解譯建筑物輪廓信息[13–15]。

4 P波段圓跡SAR實驗結(jié)果與分析

本實驗采用的P波段360°全方位圓跡SAR數(shù)據(jù)是由中國科學(xué)院電子學(xué)研究所，微波成像技術(shù)國家級重點實驗室利用自主研制的P波段全極化SAR系統(tǒng)，在四川省綿陽市彰明鎮(zhèn)獲取的。實驗參數(shù)如下：全極化、雷達(dá)中心頻率fc=620 MHz、天線入射角為45°，選取一個建筑物群落場景作為實驗?zāi)繕?biāo)來處理，建筑物區(qū)域?qū)嶋H場景光學(xué)圖如圖10所示。

對實際回波數(shù)據(jù)按照圖9所示流程進(jìn)行建筑物CSAR優(yōu)化成像，為驗證本文方法的有效性，這里分別對CSAR全方位360°相干累積成像，子孔徑方位相干累積角度分別為10°、25°、50°進(jìn)行CSAR優(yōu)化成像，其中三者的子孔徑重疊角度分別為5°、20°和45°，成像結(jié)果如圖11、圖12所示。

圖9 CSAR建筑物優(yōu)化成像算法流程圖Fig.9 The flow chart of CSAR building optimization algorithm

圖10 建筑物場景的光學(xué)影像Fig.10 The building scenes of optical image

圖11中展示了目標(biāo)建筑物在未作極化目標(biāo)分解時，全方位360°相干累積成像結(jié)果和不同子孔徑方位相干累積角度下CSAR優(yōu)化成像結(jié)果。由圖11(a)和圖11(c)相比較可看出，360°相干累積CSAR成像信噪比惡化，而子孔徑方位相干累積角度為25°的CSAR優(yōu)化成像方法信噪比極佳，成像效果好；由圖11(b)、圖11(c)和圖11(d)相比較可以看出，子孔徑方位相干累積角度為25°的CSAR優(yōu)化成像方法成像質(zhì)量遠(yuǎn)高于子孔徑方位相干累積角為10°和50°的，由此也驗證了前文對建筑物散射模型建立和分析的正確性。

圖12展示了全方位360°相干累積、子孔徑25°方位相干累積的Pauli目標(biāo)分解RGB圖。其中，紅色代表二次散射，即HH–VV；綠色代表體散射，即2HV；藍(lán)色代表單散射，即HH+VV[16,17]。通過對比觀測圖12(a)與圖12(b)，可以看出子孔徑25°相干累積的極化目標(biāo)分解結(jié)果質(zhì)量較好。一方面，可看出圖12(b)中場景輪廓比較清晰，如場景區(qū)農(nóng)田部分S1，顯然圖12(b)的輪廓更為清晰；最具明顯的是場景區(qū)電線部分S2，在圖12(a)中幾乎看不到電線，而圖12(b)可以清楚地看到電線位置和數(shù)目。另一方面，通過極化目標(biāo)分解RGB圖可以看出分解后地表區(qū)域呈現(xiàn)較強的體散射，主要原因是360°相干累積成像使得HV通道能量值偏高，這與實際情況不相符，粗糙地表會呈現(xiàn)出一定的極化分量，然而對P波段來說，仍滿足小尺度模型，所以地表應(yīng)有較強的面散射，在圖12(b)中可看出地形區(qū)域中體散射不再像圖12(a)中那樣占地導(dǎo)地位，其與面散射共存，這才與實際情況相符。

從圖11和圖12的建筑物CSAR成像分析結(jié)果可以得出，相對于傳統(tǒng)的CSAR成像方法，本文提出的相干與非相干處理相結(jié)合的CSAR優(yōu)化成像算法使場景中建筑物的成像質(zhì)量有了顯著提高，場景周圍具有二面角特性的田埂樹干等成像結(jié)果也更為清晰[18]。

圖11 建筑物場景在不同方法、不同子孔徑下CSAR成像結(jié)果Fig.11 The CSAR imaging results of buildings under different methods and sub aperture

圖12 建筑物場景在不同方法下CSAR極化目標(biāo)分解結(jié)果Fig.12 The polar decomposition results of buildings under different methods and coherent accumulation

5 結(jié)束語

本文結(jié)合建筑物固有的散射特性和幾何特點，利用FEKO建立了二面角反射器散射模型并進(jìn)行多個角度分析，得出對建筑物CSAR成像最佳方位相干累積角度大小，進(jìn)而提出一種相干與非相干處理相結(jié)合的CSAR優(yōu)化成像方法。P波段機載圓跡SAR數(shù)據(jù)處理結(jié)果表明該成像方法優(yōu)于傳統(tǒng)全相干累積方法。本文研究是以P波段、45°入射角為例的，這一分析方法也可用于其它波段和入射角。

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