林 赟 張 琳 韋立登 張漢卿 馮珊珊 王彥平 洪 文*

①(北方工業(yè)大學(xué)信息學(xué)院雷達(dá)監(jiān)測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室 北京 100144)

②(北京無線電測(cè)量研究所 北京 100854)

③(中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院 北京 100094)

④(中國(guó)科學(xué)院空間信息處理與應(yīng)用系統(tǒng)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100190)

1 引言

合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar,SAR)具有全天時(shí)全天候高分辨成像能力，是對(duì)地觀測(cè)的重要技術(shù)手段之一。目前，基于常規(guī)SAR圖像的判讀解譯主要有兩方面難點(diǎn)：(1)圖像為二維圖像。存在疊掩、遮蔽、頂?shù)椎怪煤屯敢暽炜s等幾何形變現(xiàn)象，難以準(zhǔn)確反映目標(biāo)真實(shí)的三維結(jié)構(gòu)。在復(fù)雜環(huán)境下，因疊掩等現(xiàn)象會(huì)造成目標(biāo)看不清、辨不明。(2)圖像特征對(duì)觀測(cè)角度極為敏感。目標(biāo)的微波散射特性對(duì)角度敏感，導(dǎo)致SAR圖像特征受觀測(cè)角度影響大，獲取的目標(biāo)信息不完整。

圓跡SAR將常規(guī)SAR的觀測(cè)維度拓展到了角度維，角度這一新觀測(cè)維度的引入使得獲取得到的目標(biāo)信息顯著豐富。首先，圓跡SAR具有解疊掩能力，因數(shù)據(jù)獲取的距離-方位斜距平面隨觀測(cè)角度變化，在某個(gè)方位角度疊掩的兩個(gè)目標(biāo)，在另一個(gè)方位角度不再疊掩，即圓跡SAR信號(hào)包含了目標(biāo)的三維結(jié)構(gòu)信息。此外，圓跡SAR利用不同角度的散射信息互補(bǔ)可得到更完整的目標(biāo)散射特性。因此，圓跡SAR全方位三維成像可有效解決判讀解譯應(yīng)用中圖像的疊掩和角度敏感性等問題，在不增加系統(tǒng)復(fù)雜度的條件下能夠豐富SAR對(duì)目標(biāo)精細(xì)特征的獲取能力[1-6]。

圓跡SAR的信號(hào)頻譜近似為圓臺(tái)曲面，理論上三維分辨率很高。然而，由于信號(hào)頻譜為稀疏曲面譜，三維點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)旁瓣高，且實(shí)際數(shù)據(jù)獲取中，目標(biāo)散射特性隨角度變化，因此難以采用常規(guī)三維成像方法獲得理想的三維圖像?，F(xiàn)有圓跡SAR三維成像方法主要有以下幾種方式。

(1) 借助高程向多通道或多條重復(fù)軌跡的三維成像方法。多通道或多條重復(fù)軌跡圓跡SAR是在高度向形成近似均勻分布的多個(gè)圓周軌跡，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行凝視觀測(cè)。該方法通過高程向合成孔徑，并利用目標(biāo)的稀疏特性，實(shí)現(xiàn)高程向的超分辨[7,8]。

美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室在2006年公開了多基線圓跡SAR數(shù)據(jù)集[9]，數(shù)據(jù)由8條全極化軌跡構(gòu)成，目標(biāo)包括各種類型的民用車輛。此數(shù)據(jù)的公開為圓跡SAR三維成像的研究提供了有利條件。國(guó)內(nèi)外眾多研究學(xué)者利用該數(shù)據(jù)開展研究，獲得了較為理想的結(jié)果[10-13]。

德宇航從2015年開始對(duì)建筑區(qū)、林區(qū)、冰層區(qū)、農(nóng)業(yè)區(qū)進(jìn)行了多航跡圓跡SAR三維成像[14-16]，獲得了建筑、樹木、冰層、作物的垂直結(jié)構(gòu)?；€數(shù)量和跨度直接決定了垂直結(jié)構(gòu)的精細(xì)度，文獻(xiàn)[16]的實(shí)驗(yàn)中采用了19條全極化數(shù)據(jù)。該文采用基于壓縮感知的超分辨方法獲得了較為理想的結(jié)果。

無論是多通道還是多軌跡三維成像，現(xiàn)有方法中高程向超分辨與圓跡成像獨(dú)立進(jìn)行，多方位角數(shù)據(jù)本身的三維成像能力未加以利用。多軌跡圓跡SAR對(duì)基線的數(shù)量、長(zhǎng)度和均勻性等都具有較高要求，數(shù)據(jù)獲取難，無法滿足時(shí)效性要求；多通道系統(tǒng)的通道數(shù)量和基線跨度受限于平臺(tái)，現(xiàn)有方法需借助輔助信息來改善模糊和低分辨率問題[17]。

(2) 借助陰影信息或目標(biāo)先驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膱A跡SAR三維成像方法。方法主要針對(duì)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的目標(biāo)開展，如車輛、簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)建筑、高塔等[18-22]。

在陰影信息利用方面，文獻(xiàn)[20]對(duì)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的高塔類建筑，提取各角度陰影，根據(jù)射線原理解算目標(biāo)的三維結(jié)構(gòu)。

在目標(biāo)先驗(yàn)?zāi)Ｐ屠梅矫?，文獻(xiàn)[18]利用圓跡SAR圖像中簡(jiǎn)單建筑4個(gè)方向二面角散射的閉合性，提取建筑物所處地面的高度信息。文獻(xiàn)[19]利用輸電線僅在相差180°的兩個(gè)方向可見的特性，提取輸電線高度。文獻(xiàn)[21]利用普通車輛在圓跡SAR圖像中形成的內(nèi)外雙環(huán)特征，提取車輛頂層高度信息。

上述目標(biāo)先驗(yàn)信息的利用降低了圓跡SAR三維成像對(duì)多通道或多條重復(fù)軌跡的要求，但目前先驗(yàn)信息的利用還較為簡(jiǎn)單，需要針對(duì)特定目標(biāo)建立特定先驗(yàn)?zāi)Ｐ停瑑H適用于簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)目標(biāo)，難以用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)目標(biāo)的三維成像。

中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院微波成像新概念新體制新技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)提出了多角度SAR的概念，在國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、國(guó)家預(yù)研等項(xiàng)目的支持下，持續(xù)開展以圓跡SAR為代表的多角度SAR成像技術(shù)研究[1,2,23-29]，在多角度SAR三維成像機(jī)理及方法等方面具有長(zhǎng)期的研究積累和技術(shù)成果[5,10,18,19,30-37]。此次，中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院、北方工業(yè)大學(xué)和北京無線電測(cè)量研究所聯(lián)合開展圓跡SAR三維成像機(jī)載實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)由北京無線電測(cè)量研究所研制的Ka波段機(jī)載干涉SAR系統(tǒng)獲取，首次成功獲得國(guó)際首幅500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope,FAST)全方位三維圖像，為復(fù)雜結(jié)構(gòu)重要設(shè)施的精細(xì)三維結(jié)構(gòu)信息獲取提供了技術(shù)支撐。

本文以FAST全方位三維成像實(shí)驗(yàn)采用的干涉圓跡SAR (Interferometric Circular SAR,InCSAR)模式為例，首先介紹了無先驗(yàn)?zāi)Ｐ蛷?fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)施SAR全方位三維成像方法的基本原理。本方法綜合了干涉測(cè)量的高精度測(cè)高能力和圓跡SAR的全方位觀測(cè)、解疊掩和解高程模糊優(yōu)勢(shì)，利用圓跡SAR多方位角數(shù)據(jù)本身的三維信息獲取能力解決干涉相位模糊帶來的目標(biāo)高程模糊問題，一次飛行獲取全場(chǎng)景全方位三維圖像。本方法無需目標(biāo)預(yù)先建模和三維成像網(wǎng)格構(gòu)建，適用于大場(chǎng)景復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)施的三維精細(xì)成像。然后，本文給出了實(shí)驗(yàn)實(shí)施情況以及數(shù)據(jù)處理結(jié)果，驗(yàn)證了理論和方法的正確性、有效性；最后總結(jié)全文，并對(duì)未來研究進(jìn)行了展望。

2 干涉圓跡SAR幾何模型與信號(hào)模型

2.1 幾何模型

干涉圓跡SAR的幾何模型如圖1所示，雷達(dá)平臺(tái)包含兩個(gè)跨航向天線相位中心：天線相位中心1和天線相位中心2，分別記為T1和T2。兩個(gè)天線相位中心的連線(稱為基線)與雷達(dá)平臺(tái)航跡方向垂直，基線長(zhǎng)度為B，其與水平面的夾角為β。雷達(dá)平臺(tái)圍繞感興趣區(qū)域作360°圓軌跡運(yùn)動(dòng)，波束始終指向同一區(qū)域，θ為方位角，H為雷達(dá)平臺(tái)飛行高度，r為天線相位中心1的軌跡半徑。圓軌跡可以是非標(biāo)準(zhǔn)圓，對(duì)于非標(biāo)準(zhǔn)圓軌跡，β,θ,H,r等參數(shù)均指數(shù)據(jù)采集時(shí)刻的瞬時(shí)參數(shù)。

圖1 干涉圓跡SAR觀測(cè)幾何Fig.1 InCSAR imaging geometry

2.2 信號(hào)模型

以線性調(diào)頻信號(hào)體制為例，天線發(fā)射信號(hào)為

其中，函數(shù) r ect()表 示矩形波，t為快時(shí)間，fc為工作頻率，k為調(diào)頻率，Tp為線性調(diào)頻信號(hào)脈沖長(zhǎng)度。假設(shè)P為觀測(cè)場(chǎng)景中的任意點(diǎn)目標(biāo)，如圖1所示，則P的回波信號(hào)經(jīng)正交解調(diào)后的基帶信號(hào)為

其中，下標(biāo)i為天線相位中心序號(hào)，σp為目標(biāo)散射系數(shù)，c為光速，Rp,i為目標(biāo)距離天線相位中心的距離，其表達(dá)式為

其中，(Xi,Yi,Zi)為 天線相位中心的三維坐標(biāo)，(xp,yp,zp)為點(diǎn)目標(biāo)P的三維坐標(biāo)。

對(duì)式(2)作快時(shí)間傅里葉變換，變換至距離頻域，信號(hào)表達(dá)式為

其中，f為快時(shí)間t對(duì)應(yīng)的頻率。將式(4)與頻域匹配濾波器相乘完成距離壓縮，頻域匹配濾波器的表達(dá)式為

令波數(shù)Kr=4π(f+fc)/c，則匹配濾波后，距離頻域信號(hào)表達(dá)式為

3 無先驗(yàn)?zāi)Ｐ腿轿蝗S成像方法

3.1 基本原理

圓跡SAR數(shù)據(jù)獲取時(shí)，因距離-方位斜距面隨觀測(cè)角度變化，在某個(gè)方位角疊掩的兩個(gè)目標(biāo)，在另一個(gè)方位角不疊掩，因此圓跡SAR本身就具有三維成像能力。如圖2所示，在觀測(cè)角度θ1，點(diǎn)目標(biāo)P1與 P2的等距離等多普勒線重疊(在圖中以紅線表示，等距離等多普勒線垂直于斜距面)，則兩點(diǎn)目標(biāo)在該角度疊掩；在觀測(cè)角度2，點(diǎn)目標(biāo) P1的等距離等多普勒線以藍(lán)色表示，點(diǎn)目標(biāo) P2等距離等多普勒線以黃色表示，兩線不重疊，即兩點(diǎn)目標(biāo)在該角度不疊掩。

圖2 圓跡SAR解疊掩能力示意圖Fig.2 Layover resolving capability of circular SAR

然而，由于圓跡SAR信號(hào)頻譜為圓臺(tái)曲面，頻譜稀疏，點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)的旁瓣很高。此外，在全方位觀測(cè)條件下目標(biāo)散射非各向同性。因此，采用傳統(tǒng)相干累積的三維成像方法難以獲得復(fù)雜結(jié)構(gòu)目標(biāo)的三維圖像。

SAR干涉測(cè)量能夠通過干涉相位反演目標(biāo)高精度高程，然而相位被 2π纏繞，存在相位模糊問題。在地形連續(xù)區(qū)域，可利用干涉相位的連續(xù)性，采用相位解纏的方式解決相位模糊問題，反演高精度地形。然而對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)目標(biāo)，如建筑等，干涉相位不連續(xù)，難以通過相位解纏來確定絕對(duì)相位。因此，目前干涉SAR主要用于地形反演，未見用于目標(biāo)的三維結(jié)構(gòu)重建。

干涉圓跡SAR結(jié)合了干涉SAR的高精度測(cè)高能力和圓跡SAR的全方位觀測(cè)、解疊掩優(yōu)勢(shì)。本文提出利用圓跡SAR多方位角數(shù)據(jù)的三維信息獲取能力解決干涉相位模糊帶來的高程模糊問題，能夠?qū)?fù)雜結(jié)構(gòu)目標(biāo)進(jìn)行精細(xì)三維成像。如圖3所示，干涉圓跡SAR解模糊三維成像的主要流程如下。

圖3 無先驗(yàn)?zāi)Ｐ蚐AR全方位三維成像方法流程圖Fig.3 Flow chart of full-aspect 3D SAR imaging method without prior model

(1) 子孔徑成像。首先將圓跡SAR數(shù)據(jù)劃分為若干個(gè)子孔徑數(shù)據(jù)，各子孔徑數(shù)據(jù)在統(tǒng)一坐標(biāo)系oxyz的固定高程平面成像，可采用后向投影算法得到精確的子孔徑圖像，子孔徑圖像的表達(dá)式為

其中，m為子孔徑序號(hào)，h0為 成像平面高程，(x,y)為成像平面像素坐標(biāo)，Δθ為子孔徑角度大小，Kmin和Kmax分別為波數(shù)Kr的最小值和最大值，Ri(θ,x,y,h0) 為天線相位中心到坐標(biāo)(x,y,h0)的距離。子孔徑角度大小可按分辨率需求設(shè)定。

(2) 干涉處理。對(duì)應(yīng)子孔徑序號(hào)，不同天線獲取的兩幅圖像無需配準(zhǔn)，直接做干涉處理，計(jì)算干涉相位。干涉相位的表達(dá)式為

其中，函數(shù)a rg()代 表求相位，符號(hào)*代表共軛。

(3) 高程計(jì)算。利用干涉相位計(jì)算各像素的高程信息，因相位模糊，高程信息也存在模糊，得到N種可能的高程，記為n為整數(shù)，代表模糊數(shù)。N的選取與目標(biāo)高度范圍及不模糊高度有關(guān)，假設(shè)目標(biāo)高度范圍為hr，不模糊高度為hua，則

其中，符號(hào)「表示不小于符號(hào)內(nèi)數(shù)值的最小整數(shù)，不模糊高度hua的表達(dá)式將在第3.2小節(jié)中給出。

(4) 三維解算?；诰嚯x多普勒方程解算各像素的三維坐標(biāo)，記為，由此得到存在高程模糊的三維點(diǎn)云。

(5) 多角度匹配解模糊。根據(jù)N種高程假設(shè)對(duì)多角度圖像進(jìn)行匹配，根據(jù)最優(yōu)匹配，在N種模糊點(diǎn)云中確定解模糊的三維點(diǎn)云

下面將對(duì)干涉相位推導(dǎo)、三維解算和多角度匹配解模糊這3個(gè)主要研究?jī)?nèi)容進(jìn)行詳細(xì)闡述。算法推導(dǎo)中的參數(shù)均采用數(shù)據(jù)采集時(shí)刻瞬時(shí)觀測(cè)參數(shù)，如天線相位中心瞬時(shí)位置、相對(duì)于目標(biāo)的瞬時(shí)視角等，未采用標(biāo)準(zhǔn)圓軌跡、場(chǎng)景中心目標(biāo)假設(shè)，適用于非標(biāo)準(zhǔn)圓軌跡SAR大場(chǎng)景三維成像。

3.2 干涉相位推導(dǎo)

干涉圓跡SAR在任意觀測(cè)角度的瞬時(shí)觀測(cè)幾何如圖4所示。為表述方便，建立新坐標(biāo)系o′x′y′z′。該坐標(biāo)系以平臺(tái)速度矢量方向?yàn)閥′方向，垂直向上方向?yàn)閦′方向，根據(jù)右手坐標(biāo)系準(zhǔn)則確定x′方向。T1和T2分別代表2個(gè)天線相位中心的位置。Q1和Q2分別為點(diǎn)目標(biāo)P在該角度兩幅子孔徑圖像中的聚焦投影位置，位于零多普勒面，位置由SAR的距離-零多普勒成像原理決定，且|T1P|=|T1Q1|,|T2P|=|T2Q2|，圖中藍(lán)色和綠色弧線分別代表T1和T2到點(diǎn)目標(biāo)P的等距離等多普勒線。角度α為目標(biāo)相對(duì)于天線的入射角，角度ψ為目標(biāo)斜視角。

圖4 干涉圓跡SAR瞬時(shí)觀測(cè)幾何Fig.4 Instantaneous geometry of InCAR

由于兩個(gè)天線相位中心的入射角存在差異，當(dāng)目標(biāo)高程與成像平面高程不同時(shí)，兩幅干涉圖像存在偏移，從而產(chǎn)生干涉相位。

點(diǎn)目標(biāo)P與參考平面的高程差 Δh的表達(dá)式為

兩天線相位中心到點(diǎn)目標(biāo)的距離差 ΔR的表達(dá)式為

本文兩幅用于干涉的圖像在統(tǒng)一地平面坐標(biāo)系成像，因此無需配準(zhǔn)，且干涉相位中不包含平地相位，則干涉相位與目標(biāo)高程呈近似線性關(guān)系，即

其中，?為纏繞干涉相位，n為模糊數(shù)，Kc為中心波數(shù)。根據(jù)式(12)，目標(biāo)的高程表達(dá)式為

式中的高程信息存在模糊。相鄰模糊數(shù)對(duì)應(yīng)的高度差為不模糊高度，其表達(dá)式為

3.3 三維解算

基于距離多普勒方程的三維位置精確解算依賴于天線相位中心位置、姿態(tài)等參數(shù)的高精度測(cè)量，將在后續(xù)研究中進(jìn)一步定量分析各測(cè)量參數(shù)誤差對(duì)三維點(diǎn)云精度的影響，本文不做討論。

3.4 多角度匹配解模糊

利用多角度觀測(cè)的子孔徑圖像偏移特性可以解決干涉相位模糊帶來的高程模糊問題。如圖5所示，Qm為第m幅子孔徑圖像的任意像素，坐標(biāo)為(x,y)，通過干涉相位計(jì)算得到了該像素N種可能的高程，需要在這些估計(jì)值中選擇最接近真實(shí)值的高程估計(jì)。圖5中，假設(shè)紅色點(diǎn)P為其真實(shí)三維位置，紅色弧線是觀測(cè)角度為θm時(shí)的等距離等多普勒線，藍(lán)色點(diǎn)代表N種高程估計(jì)，藍(lán)色點(diǎn)位于紅色弧線上。根據(jù)這N種高程假設(shè)，通過距離-等多普勒投影原理，可以得到該像素在第m+J幅子圖像中的投影位置，記為Qm+J,n，坐標(biāo)為(xm+J,n,ym+J,n)，圖5投影位置以黑色點(diǎn)表示，藍(lán)色弧線為N種三維位置假設(shè)在觀測(cè)角度θm+J的等距離等多普勒線。

圖5 多角度解模糊示意圖Fig.5 Diagram of multi-aspect ambiguity resolving

投影位置Qm+J,n與Qm的偏移距離近似與高程估計(jì)值成正比：

第m幅子孔徑圖像在點(diǎn)Qm的 鄰域與第m+J幅子圖像在點(diǎn)Qm+J的鄰域應(yīng)具有相似的圖像特征。因此，N種投影點(diǎn)Qm+J,n中，鄰域與Qm鄰域匹配度是最高的，對(duì)應(yīng)的模糊數(shù)n即為真實(shí)模糊數(shù)。

多角度匹配解模糊流程圖如圖6所示，具體如下。

圖6 多角度匹配解模糊流程Fig.6 Flow chart of multi-aspect ambiguity resolving

其中，Gm為第m幅子孔徑圖像Qm鄰域幅度圖，Gm+J,n為 第m+J幅子孔徑圖像Qm+J,n鄰域幅度圖，符號(hào)C ov表 示求互相關(guān)，V ar表示求方差。

(3) 最優(yōu)匹配選取。選取相關(guān)系數(shù)最大值對(duì)應(yīng)的模糊數(shù)n，獲得解模糊的三維點(diǎn)云。表達(dá)式為

多角度匹配解模糊中，孔徑間隔J的選取需要考慮解模糊能力和圖像特征的相似性。解模糊能力可根據(jù)式(16)進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)不模糊高程hua引起的多角度圖像偏移越大，解模糊能力越強(qiáng)；但同時(shí)為了保證多角度圖像具有相似的圖像特征，孔徑間隔J又不能取得過大。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)由北京無線電測(cè)量研究所研制的Ka波段機(jī)載干涉SAR系統(tǒng)獲取。該系統(tǒng)采用固態(tài)有源天線體制，在單個(gè)吊艙內(nèi)集成多部收、發(fā)天線，單次飛行獲取的多通道數(shù)據(jù)可組合成單基線干涉、多基線干涉、多極化成像、多極化干涉等多種業(yè)務(wù)模式。其吊艙具備兩軸伺服調(diào)節(jié)功能，并集成了高精度位置和姿態(tài)測(cè)量設(shè)備，為復(fù)雜曲線軌跡數(shù)據(jù)獲取提供了精確的天線姿態(tài)和位置信息。

機(jī)載實(shí)驗(yàn)觀測(cè)目標(biāo)FAST位于中國(guó)貴州省內(nèi)，是世界最大的球面射電望遠(yuǎn)鏡。圓跡飛行軌跡的中心設(shè)計(jì)為FAST球面鏡中心，飛行半徑約為3000 m。FAST主要組成部分包括500 m口徑球面反射面、饋源支撐塔(6座)、球面反射面支撐格構(gòu)柱(50根)等。實(shí)驗(yàn)主要參數(shù)如表1所示，飛行軌跡與FAST光學(xué)照片如圖7所示。

圖7 機(jī)載實(shí)驗(yàn)飛行軌跡與觀測(cè)目標(biāo)Fig.7 Flight trajectory and the observed object

在本實(shí)驗(yàn)中，子孔徑角度大小為1°，根據(jù)表1參數(shù)，子孔徑圖像地距分辨率和方位分辨率均約為0.25 m。某子孔徑SAR圖像與干涉相位圖如圖8所示。FAST結(jié)構(gòu)復(fù)雜，饋源支撐塔、支撐格構(gòu)柱等為垂直結(jié)構(gòu)，相位變化梯度大，且主要圖像特征為點(diǎn)狀強(qiáng)散射，相位不連續(xù)，難以通過相位解纏解決干涉相位模糊問題。FAST球面反射面結(jié)構(gòu)的散射特性復(fù)雜，多徑效應(yīng)明顯，給三維成像帶來困難。

圖8 某子孔徑SAR圖像與干涉相位圖Fig.8 SAR image and interferogram of certain subapture

表1 Ka波段機(jī)載干涉圓跡SAR實(shí)驗(yàn)參數(shù)Tab.1 Parameters of Ka-band airborne InCSAR experiment

圖9(a)為根據(jù)干涉相位進(jìn)行高程反演和三維解算后的某角度局部目標(biāo)三維點(diǎn)云，因相位纏繞，該三維點(diǎn)云存在高程模糊，即模糊數(shù)不確定，目標(biāo)的高程信息有多種可能。圖9(b)為采用多角度解模糊后的三維點(diǎn)云。多角度解模糊利用多角度圖像的偏移特性，通過多角度匹配來確定模糊數(shù)，解決高程模糊問題，無需采用基于相位連續(xù)性假設(shè)的相位解纏操作，為相位解模糊提供了新的思路。在本實(shí)驗(yàn)中，多角度去模糊的孔徑間隔取值為5，即兩幅圖像的角度差為5°，根據(jù)該參數(shù)，并將式(14)代入式(16)，可得不模糊高程帶來的圖像偏差約為7 m，利于多角度匹配去模糊。因子孔徑角度較小，僅為1°，目標(biāo)信息獲取不完整，還需要對(duì)多角度點(diǎn)云進(jìn)行融合獲得全方位信息。

圖9 某子孔徑三維點(diǎn)云Fig.9 3D point cloud of certain subapture

圖10為全方位三維圖像與常規(guī)條帶SAR圖像的對(duì)比。如圖10(a)所示，受限于雷達(dá)觀測(cè)幾何及二維成像方法，常規(guī)SAR圖像存在陰影、疊掩、透視伸縮等現(xiàn)象，部分目標(biāo)結(jié)構(gòu)不可見。圖10(b)-圖10(d)從不同視角展示了全場(chǎng)景、全方位三維圖像，視角方向如圖7(b)中示意，展示圖的下視角為35°，3個(gè)視角的方位角間隔90°。圖10中，F(xiàn)AST三維立體結(jié)構(gòu)清晰可見，紅圈內(nèi)為懸掛于球面反射面之上的饋源。饋源支撐塔高度測(cè)量值約為168 m(顏色表對(duì)應(yīng)散射中心海拔高度)，與實(shí)際情況相符，后續(xù)將進(jìn)一步開展定量化精度分析研究。需要說明的是，因球面反射面散射特性復(fù)雜，多徑效應(yīng)明顯，本文未對(duì)球面反射面進(jìn)行三維成像，將在后續(xù)進(jìn)一步開展研究。

圖10 常規(guī)條帶SAR圖像與全方位三維SAR圖像對(duì)比Fig.10 Comparison between conventional stripmap SAR image and full-aspect 3D SAR image

5 結(jié)語

本文提出了無先驗(yàn)?zāi)Ｐ蚐AR全方位三維成像方法，結(jié)合干涉SAR的高精度測(cè)高優(yōu)勢(shì)和圓跡SAR全方位觀測(cè)、解疊掩和解高程模糊優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)目標(biāo)三維成像。該方法挖掘多方位角數(shù)據(jù)的三維成像能力，無需目標(biāo)預(yù)先建模和三維成像網(wǎng)格構(gòu)建，一次飛行即可獲得先驗(yàn)信息未知區(qū)域全場(chǎng)景全方位三維圖像，適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)施的精細(xì)三維結(jié)構(gòu)獲取，在雷達(dá)三維成像實(shí)用化技術(shù)方面取得了重要進(jìn)展。

聯(lián)合團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步深入開展相關(guān)研究工作，挖掘多角度等新觀測(cè)維度帶來的信息增量，圍繞三維散射特征描述方法，探索新型、高效數(shù)據(jù)獲取模式及處理方法，進(jìn)一步推動(dòng)復(fù)雜場(chǎng)景多維信息精細(xì)化描述的實(shí)際應(yīng)用。