黃靜 孫赫 王剛 岑鵬瑞

北京市遙感信息研究所，中國·北京 100011

1 引言

雷達成像對地觀測衛(wèi)星是成像觀測衛(wèi)星發(fā)展的一個重要方向，而合成孔徑雷達（SAR）衛(wèi)星在這一領(lǐng)域近年發(fā)展迅速，已經(jīng)成為衛(wèi)星對地觀測中的后起之秀[1]。合成孔徑雷達具有全天候?qū)Φ赜^測能力，有良好的方位分辨率和距離分辨率，有一定的側(cè)視能力和動態(tài)目標探測能力，能穿云可破霧，對水域和地表也有一定的穿透能力。它克服了可見光遙感拍攝對地觀測的不足，可不分晝夜開展全天時、全天候觀測。

天線方位向尺寸會限制條帶模式SAR 的影像方位分辨率。一些特殊領(lǐng)域?qū)Φ赜^測對遙感影像分辨率和精度方面的要求越來越高，研究人員嘗試研究通過對天線進行調(diào)整，使波束在一段時間內(nèi)保持照射地表面同一片區(qū)域，這樣獲得的合成孔徑會更長，合成孔徑越長，方位多普勒帶寬越高，通過這樣的方式采集的高分辨率衛(wèi)星圖像不再受天線本身尺寸的限制，這種SAR 成像工作模式被稱為聚束模式SAR[2，3]。

20世紀60年代聚束模式SAR 還處于實驗階段，70年代發(fā)展到系統(tǒng)使用和測試階段，90年代開啟應(yīng)用階段，發(fā)展出一批實際機載使用的聚束模式成像的SAR 系統(tǒng)。到了21世紀，聚束模式SAR 由機載發(fā)展到星載，迅速向太空領(lǐng)域發(fā)展，越來越多國家航天領(lǐng)域正在運行使用的星載SAR成像系統(tǒng)具備聚束成像工作模式。

“長曲棍球”衛(wèi)星是美國著名的軍事應(yīng)用衛(wèi)星，1988年12月2日發(fā)射入軌，軌道傾角為57°，其聚束模式方位分辨率可達1m，主要用于小范圍目標，可精確獲得局部重要地區(qū)需要的圖像數(shù)據(jù)信息。后來，美國又先后于1991年、1997年、2000年和2005年發(fā)射四顆長曲棍球SAR 衛(wèi)星用于軍用領(lǐng)域，這四顆衛(wèi)星雷達均具備雙側(cè)視功能，每日可繞地球12 周進行全球觀測，在觀測條件很不利的夜間或多云天氣分辨率也可達0.3m，即使隱藏在可見度較低的森林中的地面裝備也能觀測到。美國Capella 公司是美國第一家能夠持續(xù)提供SAR 數(shù)據(jù)服務(wù)的公司，Capella 于2020年開始部署一個由36 顆小型雷達衛(wèi)星組成的星座，主要功能是探測和跟蹤地球表面的變化和人類活動，該星座系統(tǒng)可快速規(guī)劃衛(wèi)星任務(wù)，用戶響應(yīng)時間平均小于90min，并實現(xiàn)低于0.5m的超高分辨率，全天候提供圖像服務(wù)，加深人類對瞬息萬變的世界的了解。

由德國航空航天中心（DLR）和聯(lián)邦教育與研究部（BMBF）聯(lián)合實施研制的TerraSAR-X 于2006年發(fā)射，其飛行軌道與太陽同步，軌道高度509km，每日繞地15 周，其聚束模式SAR 可以獲得10km×5km 區(qū)域上的（1.5～3.5m）×1m 高分辨率圖像。2010年，EADS Astrium 公司與DLR聯(lián)合研制的TanDEM-X 雷達衛(wèi)星發(fā)射升空，與TerraSAR-X衛(wèi)星組網(wǎng)編隊飛行，構(gòu)成一個分辨率1m 的高精度高分辨率雷達干涉測量系統(tǒng)，可獲取全球高精度高分辨率數(shù)字地形模型數(shù)據(jù)。此外，德國2006—2008年陸續(xù)發(fā)射五顆SAR 衛(wèi)星Sar-lupe，組成軍用星座系統(tǒng)，已具備可變視角功能和聚束工作模式，通過姿態(tài)控制方式實現(xiàn)，其中聚束成像模式分辨率優(yōu)于1m；2013年10月，TerraSAR-X 衛(wèi)星升級后新增兩種成像模式；其中，寬掃描模式提高了觀測的覆蓋廣度和范圍，凝視聚束模式提高了成像分辨率；2018年2月22日，空客公司發(fā)射SAR 衛(wèi)星“帕斯”（PAZ），與TerraSAR-X和TanDEM-X 衛(wèi)星形成SAR 星座，重訪時間更短、獲取能力與覆蓋能力更強。

法國空間局與意大利空間局（ASI）和合作研制的Cosmos-Skymed 小衛(wèi)星系統(tǒng)也有聚束工作模式，主要工作區(qū)域是地中海地區(qū)，主要用途是進行災(zāi)害監(jiān)視、環(huán)境監(jiān)測、和軍事目標探測。

總之，聚束模式合成孔徑雷達成像已經(jīng)成為合成孔徑雷達領(lǐng)域的研究重點和熱點，特別受到國際上各軍事和航天比較發(fā)達國家的重視。論文在分析合成孔徑雷達聚束工作模式的基本原理的基礎(chǔ)上，總結(jié)了星載SAR 聚束成像模式特點。

2 星載SAR 聚束成像模式空間幾何特點

SAR 實現(xiàn)方位向較高的分辨率，主要是通過聚束成像模式來實現(xiàn)，即通過長時間照射地表一塊不變的區(qū)域，來獲得比條帶SAR 更大的合成孔徑長度，方位向分辨率也隨之更高，圖1給出了聚束SAR 工作示意圖。它可廣泛用于觀測設(shè)備特別是星載設(shè)備對對面特殊目標的精細成像。與條帶模式成像不同的是，聚束模式成像時天線的指向需要實時變化，以確保在一個成像周期內(nèi)，天線保持照射同一片區(qū)域，這樣的要求增加了系統(tǒng)實現(xiàn)難度和復(fù)雜性。

圖1 聚束SAR 工作示意圖

天線波束方向的調(diào)整可以獲得更長的合成孔徑成像時間，這就是聚束成像模式，該模式也應(yīng)用了多普勒頻移理論，成像處理可用到匹配濾波理論。條帶成像模式與聚束成像模式在原理上也有相似之處，聚束成像模式，二者在運行過程中都具有相同的平動，不同的是，天線波束在聚束成像模式下還會相對于目標區(qū)域進行轉(zhuǎn)動，醫(yī)學(xué)上的計算機輔助X 射線層析照相（CAT）原理與其相似，因此還可以從CAT角度對聚束成像模式成像原理進行解釋。

星載SAR 聚束成像模式衛(wèi)星軌道和地球曲率的空間幾何復(fù)雜性很高，天線控制難度也較大，地球自轉(zhuǎn)也會帶來很多問題。圖2給出了星載SAR 聚束成像模式空間幾何關(guān)系的示意圖。O 點為地心，球半徑為RE，A 為合成孔徑起點，C 為終點，B 為合成孔徑上任意一點。在合成孔徑成像周期內(nèi)，天線波束一直保持照射以T 為中心的地表同一片區(qū)域。從圖中不難看出，采集數(shù)據(jù)期間，天線波束保持照射同一塊場景區(qū)域，實現(xiàn)聚束照射。

圖2 星載聚束式SAR 空間幾何

為了更形象直觀地說明星載SAR 聚束成像模式與星載SAR 條帶成像模式以及機載SAR 聚束成像模式三者的區(qū)別，圖3和圖4分別給出了星載SAR 條帶成像模式與機載SAR聚束成像模式的空間幾何示意圖。

圖3給出了星載SAR 條帶成像模式的空間幾何關(guān)系圖，O 點為地心，衛(wèi)星以速度vs沿軌道運動，H 為軌道高度，S為某一時刻衛(wèi)星在軌道上的位置，P 為對應(yīng)的星下點，天線波束中心照射地表目標點T，vT為目標運動速度，RE為地球半徑，衛(wèi)星在飛行過程中，雷達對地表持續(xù)照射從而獲取數(shù)據(jù)，圖4中條帶狀陰影部分為雷達波束掃過的區(qū)域。

圖3 星載SAR 條帶成像模式的空間幾何關(guān)系圖

圖4給出了機載SAR 聚束成像模式的空間幾何關(guān)系。在一個完整的合成孔徑成像周期內(nèi)，多次調(diào)整雷達天線指向，使其保持照射地表同一片區(qū)域。便可獲取更長的合成孔徑長度和更高的方位分辨率，且不受天線方位孔徑長度的限制。

圖4 機載SAR 聚束成像模式的空間幾何關(guān)系

星載SAR 聚束成像的空間幾何關(guān)系受到地球模型、衛(wèi)星軌道、地球自轉(zhuǎn)等多種因素的影響，還要對波束指向進行調(diào)整控制，其復(fù)雜度遠遠超過星載SAR 條帶模式和聚束模式各自復(fù)雜度的簡單疊加，是二者進行有機綜合的結(jié)果。

采集數(shù)據(jù)的過程中，在條帶成像模式下天線波束的指向保持不變，而在聚束成像模式中需要對天線波束指向作實時調(diào)整，這是兩種模式最本質(zhì)的區(qū)別，也是導(dǎo)致回波信號的多普勒頻率分布不相同的原因，如圖5所示。

圖5 方位向多普勒頻率歷程

圖中Tα為合成孔徑時間，Bα為回波信號瞬時多普勒帶寬，Bd為點目標回波多普勒帶寬。

綜上所述，聚束成像模式與條帶成像模式的差別見表1。

表1 條帶成像模式與聚束成像模式比較表

3 星載SAR 聚束成像模式多普勒頻率特性

相對于條帶模成像模式，聚束成像聚焦處理中存在一些特殊情況如下：二維運動方面的分辨單元（MTRC）現(xiàn)象、時間變化方面的多普勒中心頻率、空間變化方面的相位歷程，還有方位與距離之間的嚴重耦合等?？臻g變化的相位歷程表明空間位置上的各個散射點需要相對應(yīng)的聚焦函數(shù)，聚束成像模式SAR 獨特的多普勒頻率和帶寬特性，則是由時間變化的多普勒中心頻率導(dǎo)致的，下面將主要探討成聚束模式SAR 的這一特性。

雷達視線角度的不斷變化隨之帶來多普勒中心的變化，聚束成像模式的多普勒中心頻率則是隨方位時間的改變而改變的。從多普勒頻率的計算公式，可得出聚束模式的多普勒頻率為：

其中，x為成像區(qū)域點目標位置，θ表示t時刻位于x處點目標的斜視角，假設(shè)合成孔徑時間為Ts，成像區(qū)域方位向?qū)挾葹閃a，則有：

其中，x0為成像區(qū)域中心位置，由于聚束成像模式始終照射同一區(qū)域，因此可認為成像區(qū)域中心位置即為波束中心照射的位置。為方便，以下只討論前斜視情形。由（1）～（3），可知：

其中，斜距為：

由（4）、（5）可得：

其中，t0為零多普勒時刻，即x0＝vst0（6）中第二項即為多普勒中心頻率，顯然多普勒中心頻率是隨方位時間t變化的，且單調(diào)下降。由（6）可知多普勒帶寬為：

由（7）可知，若記：

則多普勒帶寬：

其中，Ba即為回波信號瞬時多普勒帶寬，且隨方位時間t而增加，而Bd則為點目標回波多普勒帶寬，且是恒定的。由（10）可知，聚束成像模式SAR 的多普勒帶寬是隨方位時間而增加，且遠大于條帶成像模式SAR 的多普勒帶寬。這一點是聚束模式SAR 區(qū)別于條帶模式SAR 以及掃描模式SAR 最重要的特征之一。

4 星載SAR 聚束成像模式脈沖參數(shù)特點

聚束模式SAR 是利用在一段時間內(nèi)照射同一片區(qū)域，來獲得比傳統(tǒng)模式更長的合成孔徑和多普勒帶寬，進而讓得到的方位向分辨率更高。因此，根據(jù)采樣定理，則要求很高的脈沖重復(fù)頻率才能避免方位向頻譜的混疊。但是脈沖重復(fù)頻率太高又會導(dǎo)致觀測帶寬度減小且會使距離模糊度增加。另外，數(shù)據(jù)率越大，脈沖重復(fù)頻率越高，二者成正比關(guān)系。在要求數(shù)據(jù)實時下傳的情況下，將給數(shù)傳系統(tǒng)帶來較大的時效壓力。

因此，對于聚束成像模式，需要提供一種以較好的成像算法，能夠有效降低系統(tǒng)對脈沖重復(fù)頻率的要求，解決高分辨率需求與寬觀測帶之間的矛盾，同時運算量還要盡可能小、精度盡可能高。Deramp Chirp Scaling （DCS）算法就是這樣一種算法。這是因為聚束式SAR 模式的多普勒帶寬雖然很大，但是每個點目標多普勒歷程和多普勒帶寬均相等。所以，要使方位向的信號帶寬降低，可以通過在原始信號方位向上減去一個固定調(diào)頻率的chirp 相位，從而對PRF不需要過高要求。DCS 算法是對Chirp Scaling 算法的改進，把Deramp 過程加在原Chirp Scaling 算法之前，去除一個固定調(diào)頻率的二次相位，能過這種方式使信號帶寬降低。在Deramp 的計算過程之后再用Chirp Scaling 算法進行成像處理。因此，聚束成像模式可以采用瞬時多普勒帶寬Ba作為脈沖重復(fù)頻率的選擇依據(jù)。

另外，從圖像處理來說，高方位向分辨率需要具有高距離向分辨率與之相匹配，而高距離向分辨率需要大信號帶寬。因此，從工程實際來說，采用聚束成像模式，SAR 信號帶寬至少應(yīng)該大于100M。

根據(jù)聚束成像模式的工作原理，聚束式SAR 需要長時間照射同一小塊固定的區(qū)域，使得偵收站與波束主瓣的相對空間位置變化不大，也即偵收信號的發(fā)射天線增益變化不大，從而其相對幅度變化不大。

綜上所述，由聚束成像模式的工作原理和多普勒特征，可以形成總結(jié)出星載聚束SAR 成像模式脈沖參數(shù)特點。在單次偵照任務(wù)期間，具體表現(xiàn)在以下幾點：

①脈沖重復(fù)間隔呈階梯狀下降（或上升）；

②瞬時帶寬保持不變，而且至少100M 以上（現(xiàn)有衛(wèi)星情形）；

③脈沖相對幅度變化不大；

④脈沖寬度保持不變；

⑤平均功率保持不變。

其中，由于瞬時多普勒帶寬Ba是隨時間單調(diào)下降的，且對其量化后使得脈沖重復(fù)間隔（脈沖重復(fù)頻率的倒數(shù)）呈階梯狀上升，若脈沖重復(fù)間隔呈階梯狀下降則聚束合成孔徑雷達采用的是后斜視方式。

5 結(jié)語

聚束模式成像是通過改變天線波束指向，使天線波束中心視角隨衛(wèi)星運動方向不斷轉(zhuǎn)動變化，從而實現(xiàn)較長時間聚集照射同一區(qū)域的一種成像模式。聚束成像模式是實現(xiàn)方位向高分辨力的一種有效手段，可以獲得比條帶成像模式難以達到的超高分辨力圖像，可以實現(xiàn)對重點目標精細成像。論文通過對星載SAR 聚束成像模式的空間幾何特點和多普勒頻率特征的分析和研究，對比了星載SAR 聚束成像模式與星載SAR條帶成像模式和機載SAR聚束成像模式的差異，總結(jié)了星載SAR 聚束成像模式特點，對于SAR 聚束成像模式影像產(chǎn)品的應(yīng)用具有參考價值。