吳照憲，吳 海

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第723研究所，揚(yáng)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(guó)船舶重工集團(tuán)公司第723研究所，揚(yáng)州 225001)

針對(duì)常規(guī)掃描式合成孔徑雷達(dá)(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(diǎn)，使波束在各子測(cè)繪帶之間進(jìn)行脈沖級(jí)切換，再結(jié)合提出的成像方法，可以獲得無(wú)縫拼接的scanSAR寬測(cè)繪帶圖像，克服了常規(guī)scanSAR的缺點(diǎn)。理論分析和仿真驗(yàn)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(dá)；相控陣；工作模式；圖像拼接

0 引 言

遙感應(yīng)用中，常要求一次作業(yè)就能得到監(jiān)測(cè)地區(qū)的大面積寬測(cè)繪帶圖像，掃描式合成孔徑雷達(dá)(scanSAR)順應(yīng)了這一需求[1]，它通過周期性切換天線波束的視角，實(shí)現(xiàn)波束在幾個(gè)不同子測(cè)繪帶之間的輪換，最終得到由子測(cè)繪帶拼接而成的寬測(cè)繪帶雷達(dá)圖像。

常用的scanSAR工作模式是將天線波束在每個(gè)子測(cè)繪帶的相應(yīng)觀測(cè)區(qū)域內(nèi)駐留一段時(shí)間，通過對(duì)每個(gè)波束駐留區(qū)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(cè)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(cè)繪帶圖像拼接成寬測(cè)繪帶圖像，方位向需要將不同子幀圖像拼接成連續(xù)的圖像。但是不論子幀圖像還是子測(cè)繪帶圖像都受到天線方向圖的調(diào)制[2]，從而使子圖像各區(qū)域的能量出現(xiàn)差異，導(dǎo)致拼接后的圖像出現(xiàn)明暗調(diào)制，這不僅影響視覺效果，也為后續(xù)的圖像匹配、目標(biāo)識(shí)別等應(yīng)用帶來困難。

目前校正這種調(diào)制的常用方法是在圖像域中對(duì)天線方向圖引起的調(diào)制函數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償，但有時(shí)即使經(jīng)過復(fù)雜的計(jì)算，仍然難以將調(diào)制完全補(bǔ)償?shù)簦@是由于天線平臺(tái)受各種擾動(dòng)因素的影響，導(dǎo)致波束指向是時(shí)變的，而圖像是通過多個(gè)脈沖積累起來的，時(shí)變的方向圖補(bǔ)償難以適用于圖像域，并且補(bǔ)償算法復(fù)雜，計(jì)算量大。

當(dāng)前相控陣天線的應(yīng)用越來越廣泛，很多具備SAR功能的雷達(dá)也應(yīng)用了相控陣體制[3-4]。本文根據(jù)相控陣天線波束快速切換的特點(diǎn)，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(yàn)證了所述方法的正確性和有效性。

1 常規(guī)scanSAR的圖像拼接

目前常規(guī)的scanSAR工作模式是通過波束在每個(gè)子測(cè)繪帶的相應(yīng)區(qū)域駐留一段時(shí)間，然后對(duì)駐留區(qū)域分別成像[5]。具有3個(gè)子測(cè)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(hào)遞增順序進(jìn)行子幀圖像成像，每次對(duì)1幀圖像進(jìn)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(guī)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?qū)⒉煌訋瑘D像拼接成連續(xù)的長(zhǎng)條圖像，距離向?qū)⒏鞑煌訙y(cè)繪帶圖像拼接成寬測(cè)繪帶圖像。但是無(wú)論子幀圖像還是子測(cè)繪帶圖像都受到天線方向圖的調(diào)制，該調(diào)制使得每個(gè)子幀圖像的不同區(qū)域出現(xiàn)亮暗變化，并最終導(dǎo)致二維拼接后的圖像亮暗交替變化，拼縫處出現(xiàn)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(xù)應(yīng)用，因此，必須對(duì)該調(diào)制進(jìn)行補(bǔ)償。下面首先對(duì)該調(diào)制的調(diào)制函數(shù)進(jìn)行分析。

對(duì)于scanSAR來說，每個(gè)子幀圖像都是由若干個(gè)脈沖積累起來的，因此子幀圖像的調(diào)制函數(shù)應(yīng)為所有脈沖的調(diào)制函數(shù)求和的結(jié)果[2]。假設(shè)某子幀圖像由N個(gè)脈沖積累而成，則第n個(gè)脈沖在子幀圖像位置(x,y)處的調(diào)制函數(shù)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(diǎn)；Gnt(x,y)和Gnr(x,y)分別為發(fā)射和接收方向圖在地面的投影。

因?yàn)閟canSAR的積累時(shí)間一般很短，不考慮該段時(shí)間內(nèi)目標(biāo)后向散射系數(shù)變化等情況,則由天線方向圖引起的子幀二維調(diào)制函數(shù)為：

(2)

SAR一般使用天線方向圖主瓣3 dB以內(nèi)的波束部分，該部分天線方向圖一般為連續(xù)可微的函數(shù)，所以該二維調(diào)制函數(shù)G(x,y)也應(yīng)為二維連續(xù)可微函數(shù)。通常一幀圖像的二維調(diào)制函數(shù)形狀應(yīng)和常規(guī)的二維天線方向圖類似，但調(diào)制函數(shù)在幀與幀之間會(huì)出現(xiàn)不可導(dǎo)點(diǎn)甚至不連續(xù)點(diǎn)，這些都將導(dǎo)致圖像拼接處不連貫，出現(xiàn)斷裂痕跡，視覺效果變差。以方位向?yàn)槔?，幀與幀之間的調(diào)制函數(shù)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(xù)。

圖2 幀與幀之間的調(diào)制函數(shù)

理論上可以對(duì)每幀圖像的調(diào)制函數(shù)進(jìn)行精確計(jì)算并補(bǔ)償。但實(shí)際中，scanSAR平臺(tái)在飛行過程中經(jīng)常存在不穩(wěn)定性，特別在無(wú)人機(jī)這樣的平臺(tái)上，由于各種擾動(dòng)因素的影響，使得天線波束相對(duì)飛行軌跡存在各種偏移、滾動(dòng)，導(dǎo)致由天線方向圖得到的調(diào)制函數(shù)和理論上或?qū)崪y(cè)的出現(xiàn)較大偏差，且各脈沖之間的偏差并不一致，這不僅使得調(diào)制函數(shù)難以獲得，且計(jì)算量也大大增加，調(diào)制函數(shù)的補(bǔ)償因此變得困難，有時(shí)甚至無(wú)法補(bǔ)償?shù)捷^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(dá)已得到了廣泛應(yīng)用，由于相控陣天線具有波束快速切換等特點(diǎn)，它必將給SAR帶來各種新的工作模式。本文根據(jù)上述scanSAR圖像拼接的困難，并結(jié)合相控陣的特點(diǎn)，提出了一種新的相控陣scanSAR工作模式，它能夠克服上述常規(guī)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(shí)現(xiàn)波束在各子測(cè)繪帶間的脈沖級(jí)切換。對(duì)有L個(gè)子測(cè)繪帶的相控陣scanSAR，其工作模式為：第1個(gè)脈沖指向第1個(gè)子測(cè)繪帶，第2個(gè)脈沖指向第2個(gè)子測(cè)繪帶，……，第L個(gè)脈沖指向第L個(gè)子測(cè)繪帶，然后第L+1個(gè)脈沖再次指向第1個(gè)子測(cè)繪帶，如此往復(fù)循環(huán)。

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

(3)

相控陣scanSAR相當(dāng)于L個(gè)條帶SAR，因此相控陣scanSAR的脈沖重復(fù)頻率fPRF(scan)是常規(guī)條帶SAR脈沖重復(fù)頻率的L倍，L為子測(cè)繪帶個(gè)數(shù)，即:

(4)

對(duì)于常規(guī)scanSAR來說，其脈沖重復(fù)頻率和條帶SAR是一致的，因此相控陣scanSAR的脈沖重復(fù)頻率是常規(guī)scanSAR的L倍，這使得數(shù)據(jù)量也增加了L倍，這是相控陣scanSAR的缺點(diǎn)，但是數(shù)據(jù)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(dāng)于L個(gè)條帶SAR，因此其方位分辨率和條帶SAR是一致的，而常規(guī)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(guī)scanSAR的L倍。因此較之常規(guī)scanSAR，相控陣scanSAR還具有方位高分辨率的優(yōu)點(diǎn)。

3 相控陣scanSAR的成像方法

相控陣scanSAR的優(yōu)點(diǎn)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(duì)于條帶SAR來說，只存在圖像的方位向拼接，一般用復(fù)用數(shù)據(jù)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(duì)準(zhǔn)圖像的中心，由于天線方向圖的原因，這將導(dǎo)致1幀圖像的兩端能量偏低，幀與幀之間的調(diào)制函數(shù)存在著1個(gè)不可微的奇點(diǎn)，使幀與幀之間圖像不連續(xù)，中間出現(xiàn)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(diào)制函數(shù)也將變得平坦。如圖3所示，將一段數(shù)據(jù)分別分成2個(gè)子幀和8個(gè)子幀，分8個(gè)子幀的調(diào)制函數(shù)明顯比分2個(gè)子幀的調(diào)制函數(shù)要平坦得多。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般復(fù)用率為4～8時(shí)，條帶SAR圖像將基本不存在拼縫。

圖3 條帶SAR圖像拼接時(shí)的調(diào)制函數(shù)

但對(duì)于常規(guī)的scanSAR來說，各子測(cè)繪帶的數(shù)據(jù)是不連續(xù)的，無(wú)法進(jìn)行數(shù)據(jù)復(fù)用，因此方位向拼縫無(wú)法用上述方法解決。

對(duì)于相控陣scanSAR，考慮到它是由L個(gè)條帶SAR組成，因此可以將各子測(cè)繪帶都分別作為1個(gè)條帶SAR，將其數(shù)據(jù)分別成像后得到L個(gè)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(fù)用數(shù)據(jù)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(cè)繪帶距離向幅度值在方位向是時(shí)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(cè)繪帶的所有數(shù)據(jù)按時(shí)間順序統(tǒng)一成條帶SAR數(shù)據(jù)，再按照條帶SAR成像處理的方法進(jìn)行處理。首先它利用條帶SAR數(shù)據(jù)復(fù)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(wú)縫拼接的寬幅scanSAR圖像。

這種方法由于將所有數(shù)據(jù)統(tǒng)一處理，因此不需要考慮脈沖順序。但是信號(hào)處理時(shí)，必須將所有脈沖調(diào)整到同一個(gè)起始距離波門，這通常需要插值來完成。但是若合理調(diào)整各脈沖的起始接收時(shí)間，可以避免插值處理。

4 仿真分析

對(duì)scanSAR工作模式和成像方法進(jìn)行仿真，以驗(yàn)證其圖像的拼接效果。

為對(duì)比起見，首先仿真常規(guī)scanSAR，仿真參數(shù)設(shè)置如下，有3個(gè)子測(cè)繪帶，平臺(tái)高度：5 000 m，平臺(tái)速度：100 m/s，工作頻率：15 GHz，脈沖重復(fù)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(gè)子測(cè)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(yán)重，視覺效果很差。

圖4 常規(guī)scanSAR成像結(jié)果

相控陣scanSAR仿真時(shí)，脈沖重復(fù)頻率為3 000 Hz，其余和常規(guī)scanSAR一致。圖5(a)是相控陣scanSAR的成像結(jié)果，成像方法是將其作為L(zhǎng)個(gè)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(xiàn)明顯斷裂痕跡。

圖5(b)是利用本文提出的將整個(gè)數(shù)據(jù)統(tǒng)一為1個(gè)條帶SAR的成像處理方法得到的，從成像結(jié)果可以看到，方位向沒有拼縫，距離向在不同子測(cè)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(cè)繪帶之間過渡得十分自然，通過簡(jiǎn)單的乘以加權(quán)系數(shù)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(jié)合所提的成像處理方法，能夠得到較高質(zhì)量的寬測(cè)繪帶圖像。

圖5 相控陣scanSAR成像結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)常規(guī)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(jìn)行快速波束切換的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)波束在子測(cè)繪帶之間的脈沖級(jí)切換，并通過本文提出的將所有子測(cè)繪帶統(tǒng)一為條帶SAR的成像處理方法，得到了二維無(wú)縫拼接的圖像。

[1] 張澄波.綜合孔徑雷達(dá)——原理、系統(tǒng)分析與應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，1989.

[2] 保錚，邢孟道，王彤.雷達(dá)成像技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[3] 張光義，趙玉潔.相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[4] 張光義.相控陣?yán)走_(dá)原理[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2009.

[5] 黃偉.掃描式合成孔徑雷達(dá)成像算法研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2013.

[6] 鄭世友，周曄.無(wú)有效重疊區(qū)域的SAR圖像拼接方法[J].中國(guó)圖象圖形學(xué)報(bào)，2009(10):2054-2060.

[7] 鄭世友，周曄，賀豐收，鄭瑤.有重疊區(qū)域的SAR圖像序列拼接新方法[C]//東南大學(xué)：2009年中國(guó)智能自動(dòng)化會(huì)議論文集.南京：東南大學(xué)出版社，2009:1462-1467.

[8] 張凱文.SAR圖像拼接技術(shù)的研究及其應(yīng)用[D].重慶:重慶理工大學(xué),2012.

[9] 姚漢英，孫文峰，李平，錢李昌.SAR圖像拼接效果的評(píng)價(jià)方法研究[J].計(jì)算機(jī)工程，2010(8):196-198.

[10]FROST V S,STILES J A.A model for radar images and its application to adaptive digital filtering of multiplicative noise [J].IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence,1982,4(2):157-165.

[11]FOUCHER S,BENIE G B,BOUCHER J M.Multiscale MAP filtering of SAR images [J].IEEE Transactions on Image Processing,2001,10(1):49-60.

[12]BENTABE L,JODOUIN S,ZIOU D,et al.Road vectors update using SAR imagery:a snake-based method [J].IEEE Transactions on Geosciences and Remote Sensing,2003,41(8):1785-1803.

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