倪崇 張慶君 劉杰 唐治華 鄭鋼鐵

(1 中國(guó)空間技術(shù)研究院遙感衛(wèi)星總體部，北京 100094)(2 清華大學(xué) 航天航空學(xué)院，北京 100084)

與衛(wèi)星光學(xué)遙感器相比，星載合成孔徑雷達(dá)(SAR)是一種先進(jìn)的主動(dòng)微波探測(cè)手段，具有全天候、全天時(shí)的優(yōu)勢(shì)。星載SAR波束性能是SAR的主要性能參數(shù)，由于在軌熱變形等因素會(huì)引起天線結(jié)構(gòu)變化，從而造成實(shí)際天線波束性能的變化，因此需要對(duì)波束誤差進(jìn)行補(bǔ)償。波束誤差包含：常值誤差，指具有時(shí)不變和恒值特性的誤差；長(zhǎng)周期誤差，指大于天周期的長(zhǎng)期慢變誤差；短周期誤差，指天周期內(nèi)快變誤差。

已經(jīng)成功發(fā)射的星載SAR均處于200～1000 km的低地球軌道(LEO)。關(guān)于上述3種波束誤差，LEO SAR普遍采用的補(bǔ)償措施包括：在衛(wèi)星上加強(qiáng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)，以補(bǔ)償短周期誤差；在地面開展波束方向圖測(cè)量，以補(bǔ)償常值誤差和長(zhǎng)周期誤差；在應(yīng)用端采用基于遙感數(shù)據(jù)域的誤差補(bǔ)償方法，可在一定范圍內(nèi)補(bǔ)償總誤差。目前，處在研究熱點(diǎn)的地球同步軌道(GEO)SAR運(yùn)行在36 000 km軌道高度，比LEO SAR的軌道高2個(gè)數(shù)量級(jí)，導(dǎo)致其合成孔徑時(shí)間變長(zhǎng)、波足速度變慢、幅寬變大，使得LEO SAR常用的波束誤差補(bǔ)償方法已無(wú)法直接應(yīng)用到GEO SAR上，需要做適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)。

基于GEO SAR的軌道特點(diǎn)，本文主要對(duì)已成功應(yīng)用于LEO SAR的基于星上補(bǔ)償、地面測(cè)量和遙感數(shù)據(jù)域誤差提取的方法進(jìn)行改進(jìn)，并將3種措施綜合使用，以更好地用于補(bǔ)償GEO SAR的波束誤差，獲取高質(zhì)量圖像。

1 GEO SAR和LEO SAR的比較

SAR的成像原理決定了SAR必須搭載于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，主要包括衛(wèi)星、飛機(jī)和飛艇等。其中，星載SAR依據(jù)衛(wèi)星軌道高度不同，可以分為L(zhǎng)EO SAR(軌道高度160～2000 km)、中地球軌道(MEO)SAR(軌道高度大于2000 km)和GEO SAR(軌道高度36 000 km)。

從1978年美國(guó)發(fā)射第1顆裝載SAR的海洋衛(wèi)星(SeaSat)開始，俄羅斯、ESA、日本、德國(guó)、意大利、加拿大、中國(guó)等紛紛發(fā)射了各自的LEO SAR衛(wèi)星[1-2]。但是，LEO SAR具有一定的局限性，如對(duì)特定區(qū)域的覆蓋面積小、重訪周期長(zhǎng)、實(shí)時(shí)性差。GEO SAR概念在1978年被首次提出[3]。GEO SAR運(yùn)行在36 000 km的軌道高度，其軌道實(shí)際是傾斜地球同步軌道(IGSO)，具有一定的傾斜角度，星下點(diǎn)軌跡為“8”字形，因此可獲得與地面目標(biāo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)2維SAR成像。后來(lái)，一般沿襲1978年提出的名字，將這種運(yùn)行在IGSO的SAR稱為GEO SAR。相對(duì)于LEO SAR，GEO SAR具有大幅寬、高重訪的明顯優(yōu)勢(shì)。目前，尚無(wú)在軌運(yùn)行的GEO SAR，但GEO SAR正逐漸成為世界各國(guó)關(guān)注的焦點(diǎn)，美國(guó)[4]、英國(guó)[5]、意大利[6]、俄羅斯[7]和中國(guó)[8-9]等都在開展GEO SAR研究，各國(guó)公開的GEO SAR參數(shù)如表1所示。

表1 GEO SAR參數(shù)

GEO SAR比LEO SAR的軌道高2個(gè)數(shù)量級(jí)，導(dǎo)致合成孔徑時(shí)間、波足速度、幅寬也都相差2個(gè)數(shù)量級(jí)。以波束寬度0.1°為例，GEO SAR和LEO SAR參數(shù)的典型值如表2所示。由于這些差別，LEO SAR常用的波束誤差補(bǔ)償方法已無(wú)法直接應(yīng)用到GEO SAR上，有必要專門開展研究。

表2 GEO SAR與LEO SAR的比較

2 波束誤差綜合補(bǔ)償方法

目前，已有幾十顆LEO SAR衛(wèi)星成功發(fā)射，關(guān)于LEO SAR波束誤差的研究比較多，主要集中在3個(gè)不同的環(huán)節(jié)。①星上加強(qiáng)天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確保波束指向穩(wěn)定度(短周期誤差)滿足要求；②地面開展波束方向圖測(cè)量，提取波束的常值誤差和長(zhǎng)周期誤差；③在應(yīng)用終端，利用遙感圖像開展基于遙感數(shù)據(jù)域的自適應(yīng)分析進(jìn)行誤差補(bǔ)償，這種措施不區(qū)分誤差種類，可在一定范圍內(nèi)補(bǔ)償總誤差。

目前，尚無(wú)在軌運(yùn)行的GEO SAR衛(wèi)星，公開可查的國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)主要集中在GEO SAR原理和系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面的研究，沒有涉及到GEO SAR波束誤差補(bǔ)償?shù)南嚓P(guān)研究。本文在LEO SAR波束誤差補(bǔ)償措施的基礎(chǔ)上，針對(duì)表2中列出的GEO SAR與LEO SAR的不同，分別對(duì)現(xiàn)有的LEO SAR波束誤差補(bǔ)償措施進(jìn)行改進(jìn)，使其能夠適用于GEO SAR波束誤差補(bǔ)償需求。①針對(duì)GEO SAR對(duì)波束指向穩(wěn)定度要求高，對(duì)天線采取基于主被動(dòng)聯(lián)合的振動(dòng)抑制措施；②針對(duì)GEO SAR波足速度慢，采用衛(wèi)星平臺(tái)姿態(tài)擺動(dòng)來(lái)配合波束方向圖的測(cè)量；③針對(duì)GEO SAR幅寬大，提出基于分塊處理的數(shù)據(jù)域波束誤差補(bǔ)償措施。

為了能最大限度地補(bǔ)償波束誤差，改善圖像質(zhì)量，本文將星上、地面、應(yīng)用3個(gè)環(huán)節(jié)的改進(jìn)措施有序綜合起來(lái)實(shí)施。首先，針對(duì)波束指向易受衛(wèi)星上活動(dòng)部件擾動(dòng)和天線桿件熱變形等因素影響，可在衛(wèi)星上對(duì)天線采取主被動(dòng)聯(lián)合振動(dòng)抑制措施，實(shí)現(xiàn)波束指向穩(wěn)定度控制，補(bǔ)償短周期誤差；然后，在地面采用基于衛(wèi)星平臺(tái)姿態(tài)擺動(dòng)配合的波束方向圖測(cè)量方法，補(bǔ)償常值誤差和長(zhǎng)周期誤差；最后，在應(yīng)用環(huán)節(jié)采用基于分塊處理的數(shù)據(jù)域波束誤差提取，補(bǔ)償殘余的誤差。實(shí)施過(guò)程如圖1所示。

圖1 波束誤差補(bǔ)償方法實(shí)施過(guò)程

2.1 GEO SAR波束指向穩(wěn)定度控制

SAR的波束指向穩(wěn)定度是指由衛(wèi)星上的敏感器噪聲、姿態(tài)耦合、控制參數(shù)變化及天線桿件熱變形等引起的波束指向短周期誤差，即波束指向變化的抖動(dòng)特性。SAR成像對(duì)波束指向穩(wěn)定度σ(短周期誤差)的要求[10]為

(1)

式中：Ts為合成孔徑時(shí)間；A為抖動(dòng)幅度。

在LEO SAR中，由式(1)計(jì)算得到波束指向穩(wěn)定度的要求，通過(guò)配置高強(qiáng)度天線結(jié)構(gòu)和優(yōu)化衛(wèi)星平臺(tái)控制策略達(dá)到穩(wěn)定度的要求。從表2可知，GEO SAR的合成孔徑時(shí)間比LEO SAR的合成孔徑時(shí)間高2個(gè)數(shù)量級(jí)，例如，A為0.001°時(shí)，GEO SAR的波束指向穩(wěn)定度要求達(dá)1×10-5量級(jí)，此時(shí)僅依靠加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化衛(wèi)星平臺(tái)控制策略已無(wú)法滿足要求，需要對(duì)天線采取振動(dòng)抑制措施才能達(dá)到這一穩(wěn)定度要求。

在GEO SAR天線結(jié)構(gòu)上采取主動(dòng)與被動(dòng)一體化振動(dòng)主動(dòng)控制措施[11]，并將主被動(dòng)一體化振動(dòng)控制作動(dòng)器同時(shí)作為熱變形控制作動(dòng)器使用，即采用多功能作動(dòng)器，將天線結(jié)構(gòu)的形變視為零頻結(jié)構(gòu)振動(dòng)來(lái)進(jìn)行控制。主被動(dòng)一體化作動(dòng)器的輸出特性是改變張力，既可以作為張力索的一部分，也可以作為支撐桿件的一部分，還可以植入天線復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的內(nèi)部空腔中，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)多種天線結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性。天線振動(dòng)抑制系統(tǒng)組成示意如圖2所示。

圖2 天線振動(dòng)抑制系統(tǒng)組成示意

2.2 GEO SAR波束方向圖測(cè)量

對(duì)于常值誤差和長(zhǎng)周期誤差，一般采用地面測(cè)量方向圖的措施進(jìn)行補(bǔ)償。其中：常值誤差可以通過(guò)1次測(cè)量獲得；長(zhǎng)周期誤差可以通過(guò)定期多次(頻次根據(jù)需求而定，例如1年1次)測(cè)量來(lái)修正。LEO SAR可選用亞馬遜雨林測(cè)量方向圖[12]，而GEO SAR大部分軌道位置觀測(cè)不到亞馬遜雨林，因此需要采用標(biāo)準(zhǔn)反射器測(cè)量法。如圖3所示，在SAR的觀測(cè)條帶內(nèi)，選擇廣闊而均勻的試驗(yàn)場(chǎng)地，使用已經(jīng)精密校準(zhǔn)過(guò)的測(cè)試接收機(jī)，記錄來(lái)自SAR入射電波的功率密度的時(shí)間歷程，從而獲得波束方向圖。由于GEO SAR波足速度較慢，在衛(wèi)星可開機(jī)時(shí)間內(nèi)無(wú)法覆蓋整個(gè)波束的測(cè)量，例如，波足速度vb為70 m/s，波束寬度對(duì)應(yīng)地面要掃過(guò)的幅寬W為1000 km，衛(wèi)星可開機(jī)時(shí)間t為600 s，則波足在地面滑過(guò)的距離vb·t為42 km，小于幅寬W，因此需要衛(wèi)星平臺(tái)姿態(tài)擺動(dòng)來(lái)配合波束方向圖的測(cè)量，如圖4所示。衛(wèi)星平臺(tái)擺動(dòng)的角速度為

圖3 標(biāo)準(zhǔn)反射器測(cè)量法示意

圖4 基于衛(wèi)星平臺(tái)姿態(tài)擺動(dòng)的波束方向圖測(cè)量示意

(2)

式中：R為斜距。

2.3 GEO SAR數(shù)據(jù)域波束誤差補(bǔ)償

星上補(bǔ)償、地面測(cè)量的精度是有限的，存在殘余誤差，在接收到遙感數(shù)據(jù)后，可采用自聚焦算法提取殘余的波束誤差。自聚焦是利用SAR數(shù)據(jù)本身提取誤差，可補(bǔ)償電波傳播、系統(tǒng)誤差等因素影響造成的相位畸變。自聚焦算法并不區(qū)分誤差種類和周期，可以補(bǔ)償包含波束誤差在內(nèi)的各類誤差。當(dāng)誤差值在一定范圍內(nèi)時(shí)，自聚焦算法會(huì)收斂，因此，本文先采用星上和地面的補(bǔ)償措施對(duì)常值誤差、長(zhǎng)周期誤差和短周期誤差分別進(jìn)行補(bǔ)償，最后用自聚焦算法來(lái)補(bǔ)償殘余誤差。現(xiàn)有的自聚焦算法可劃分為兩大類：參數(shù)模型法，主要是經(jīng)典的子孔徑相關(guān)(MD)算法[13]；非參數(shù)模型法，主要是經(jīng)典的相位梯度自聚焦(PGA)算法[14]。MD算法運(yùn)算量相對(duì)較小，對(duì)二次相位誤差的估計(jì)比較穩(wěn)健，缺點(diǎn)是隨著相位誤差階數(shù)的增大估計(jì)精度降低。PGA算法基于圖像中某些特顯點(diǎn)的散焦?fàn)顩r進(jìn)行自聚焦處理，從而使整個(gè)圖像的散焦情況得到改善，對(duì)低階、高階及隨機(jī)誤差都能夠較好地進(jìn)行補(bǔ)償。

跟LEO SAR相比，GEO SAR波足速度慢、幅寬大，1個(gè)合成孔徑時(shí)間內(nèi)不能覆蓋整個(gè)幅寬，因此在進(jìn)行自聚焦處理時(shí)，可將整幅圖像分成M個(gè)子圖像。

(3)

式中：Ts為合成孔徑時(shí)間；「?表示向上取整。

以PGA算法為例，將圖像分塊后，從每個(gè)子圖像提取出誤差值，將每個(gè)子圖像的誤差合成為總的誤差項(xiàng)，應(yīng)用到整幅圖像的聚焦處理，處理過(guò)程見圖5。

圖5 基于分塊的自聚焦算法實(shí)現(xiàn)過(guò)程

(1)計(jì)算圖像的分塊數(shù)，將整個(gè)圖像分成M個(gè)子圖像。

(2)對(duì)每個(gè)子圖像分別進(jìn)行如下操作。①對(duì)子圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行中心移位，即尋找每個(gè)距離行上的最強(qiáng)反射點(diǎn)，將其移至中心，以去掉目標(biāo)點(diǎn)的多普勒頻率偏移；②加窗，作用是去掉對(duì)相位誤差估計(jì)無(wú)用的數(shù)據(jù)，僅保留目標(biāo)點(diǎn)由于相位誤差造成的模糊區(qū)域，即誤差的支撐域，加窗能提高待處理區(qū)域中的信雜比；③將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為距離壓縮域，依據(jù)一定的最優(yōu)準(zhǔn)則，對(duì)相位梯度進(jìn)行估計(jì)；④對(duì)相位梯度進(jìn)行積分，得到所估計(jì)的相位誤差，在距離壓縮域中將其補(bǔ)償?shù)?，然后還原至圖像域，即完成了1次算法循環(huán)；⑤對(duì)算法進(jìn)行迭代執(zhí)行，直至估計(jì)偏差足夠小為止。

(3)將每個(gè)子圖像的誤差合成為總的誤差項(xiàng)。

(4)利用總誤差項(xiàng)對(duì)整幅圖像進(jìn)行聚焦處理。

3 波束誤差補(bǔ)償措施使用建議

關(guān)于本文所提到的3個(gè)補(bǔ)償措施，星上和地面環(huán)節(jié)的補(bǔ)償都需要增加硬件設(shè)備；應(yīng)用環(huán)節(jié)補(bǔ)償需要在原成像流程中嵌入自聚焦算法，增加圖像處理時(shí)間。目前，在軌運(yùn)行的LEO SAR已將地面波束方向圖測(cè)量作為在軌測(cè)試的必選項(xiàng)目，因此建議GEO SAR采用本文的改進(jìn)措施，也將地面波束方向圖測(cè)量作為必選項(xiàng)目。星上和應(yīng)用環(huán)節(jié)的補(bǔ)償措施作為可選項(xiàng)目，根據(jù)不用的需求靈活配置(見表3)。

表3 GEO SAR波束誤差補(bǔ)償措施使用建議

(1)若對(duì)時(shí)效性要求較高，可考慮增加基于主被動(dòng)聯(lián)合振動(dòng)抑制的波束指向穩(wěn)定度控制措施，因?yàn)樵撗a(bǔ)償措施只增加硬件成本，但不增加處理時(shí)間，時(shí)效性較好。

(2)若需要控制硬件成本，可考慮增加基于分塊處理的GEO SAR數(shù)據(jù)域波束誤差補(bǔ)償措施，因?yàn)樵撗a(bǔ)償措施只增加處理時(shí)間，沒有增加硬件成本。

(3)若對(duì)圖像質(zhì)量要求高，建議按照?qǐng)D1的過(guò)程，采取所有的補(bǔ)償措施，圖像質(zhì)量是最佳的，代價(jià)是增加了硬件成本和處理時(shí)間。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種適合于GEO SAR的波束誤差綜合補(bǔ)償方法，從星上、地面和應(yīng)用3個(gè)環(huán)節(jié)分別采取措施，可最大限度地補(bǔ)償波束誤差，為GEO SAR工程實(shí)施提供參考。本文的方法是在現(xiàn)有LEO SAR常用方法的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái)的，隨著國(guó)內(nèi)外對(duì)GEO SAR的研究逐步深入，將來(lái)若有在軌運(yùn)行的GEO SAR衛(wèi)星，可獲取真實(shí)的GEO SAR數(shù)據(jù)，屆時(shí)可結(jié)合GEO SAR衛(wèi)星的在軌運(yùn)行情況和真實(shí)數(shù)據(jù)特點(diǎn)，驗(yàn)證本文方法的有效性，并可繼續(xù)深入研究針對(duì)性更強(qiáng)的適用于GEO SAR的波束誤差補(bǔ)償方法。