洪 文林 赟 譚維賢 王彥平 向茂生

(中國科學(xué)院電子學(xué)研究所 北京 100190)

地球同步軌道圓跡SAR研究

洪 文*林 赟 譚維賢 王彥平 向茂生

(中國科學(xué)院電子學(xué)研究所 北京 100190)

該文介紹了地球同步軌道圓跡合成孔徑雷達(dá)(Geosynchronous Circular SAR, Geo-CSAR)的概念，通過設(shè)計同步軌道的軌道參數(shù)，可以形成近圓的衛(wèi)星相對地球軌跡，使SAR載荷的凝視成像模式成為可能，實現(xiàn)對地的大面積定點(diǎn)連續(xù)觀測以及真3維信息獲??；研究分析了Geo-CSAR的成像能力，指出其在瞬時覆蓋度、連續(xù)觀測范圍及3維精確定位方面，具有現(xiàn)有低軌星載SAR無法比擬的優(yōu)勢，是實現(xiàn)全球不間斷覆蓋的有效途徑之一，在軍事偵察、災(zāi)害監(jiān)測方面具有重要的應(yīng)用前景。

對地觀測；地球同步軌道；合成孔徑雷達(dá)；圓跡SAR；大面積定點(diǎn)連續(xù)觀測；3維成像

1 引言

合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar, SAR)作為一種主動微波遙感手段，具有全天時全天候工作的能力，能夠獲取地表的高分辨2維圖像。SAR已廣泛應(yīng)用于資源勘查、災(zāi)害監(jiān)測、海洋觀測、精細(xì)農(nóng)業(yè)、地質(zhì)測繪等領(lǐng)域，是對地觀測的最重要手段之一。

1978年，第1顆星載SAR SEASAT發(fā)射成功，以25 m的分辨率對地球表面一億兩千萬平方公里的面積進(jìn)行了測繪，獲得了從未有過的陸地、海洋和冰川等數(shù)據(jù)，開辟了SAR對地觀測的新時代。經(jīng)過幾十年的迅猛發(fā)展，星載SAR技術(shù)日趨成熟，在軌和在研的星載SAR多已具備高分辨率、多極化、多波段、多工作模式等能力。

隨著SAR應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓寬和深入，越來越多的觀測任務(wù)對SAR的性能指標(biāo)提出了更為苛刻的要求，例如軍事偵察、災(zāi)害監(jiān)測等應(yīng)用，不僅有一定的分辨率要求，更重要的是，在瞬時覆蓋度、連續(xù)觀測范圍及3維精確定位等方面有著較高的要求。當(dāng)前遙感衛(wèi)星軌道高度一般在600～800 km，由于軌道高度較低，難以滿足上述要求，主要體現(xiàn)在：

(1) 瞬時覆蓋度小，重訪時間長，難以實現(xiàn)對熱點(diǎn)區(qū)域的快速響應(yīng)

以軌道高度800 km為例，衛(wèi)星對地球表面的瞬時覆蓋度僅為11.8%，且天線可視范圍只能跟隨衛(wèi)星軌道規(guī)律地在地面移動，衛(wèi)星重訪時間又通常長達(dá)若干天，難以實現(xiàn)對熱點(diǎn)地區(qū)的快速響應(yīng)。緩解這一問題的主要思路是利用多顆衛(wèi)星構(gòu)建衛(wèi)星組網(wǎng)來縮短重訪時間，例如，意大利的Cosmoskymed星座由4顆分布在同一軌道內(nèi)的低軌衛(wèi)星組成[1]，其在緊急操作模式下，響應(yīng)時間仍需6～18 h，不能從根本上解決響應(yīng)速度問題。

(2) 波束覆蓋面積小，過頂時間短，難以實現(xiàn)大面積區(qū)域的連續(xù)監(jiān)測

低軌SAR的波束覆蓋面積小，一次成像的測繪帶寬一般為幾十公里，即使采用以損失分辨率為代價的ScanSAR掃描模式，測繪帶寬也僅擴(kuò)大數(shù)倍，此外，低軌SAR過頂時間短，通常為幾分鐘，對目標(biāo)的有效觀測時間更短，往往只有數(shù)秒，上述兩個因素制約了低軌SAR對大面積區(qū)域的連續(xù)監(jiān)視能力，對于瞬息萬變的戰(zhàn)場和突如其來的災(zāi)害來說，缺少實際應(yīng)用價值。

(3) 只能獲取2維圖像，難以實現(xiàn)目標(biāo)的精確定位和打擊

單顆星載SAR一次只能獲取一幅2維圖像，即3維地物在2維斜距平面上的投影圖像，目標(biāo)信息量少且存在圖像畸變，無法確知其在3維空間中的精確位置。為獲得觀測區(qū)域的高程信息，主要技術(shù)手段是星載干涉SAR和星載多基線層析SAR。星載干涉SAR采用單星重軌或雙星單航過來獲得地表的干涉測量數(shù)據(jù)，反演地形高程，但其只具備地表測高能力，不具備高程向的分辨能力，且對孤立目標(biāo)、高程突變區(qū)域，效果并不理想。星載多基線層析SAR利用單星多次重復(fù)飛行形成多條基線，通過層析成像獲得3維分辨圖像，但其主要局限在于工作效率低，首先該模式對基線分布的要求較高，需要大量的航線樣本，例如DLR在利用TerraSAR數(shù)據(jù)進(jìn)行3維重建時[2]，航跡樣本數(shù)達(dá)上百條，實際使用僅為25條，此外，由于跨行向分辨率通常遠(yuǎn)低于其他2維分辨率，需要采用計算復(fù)雜度極高的稀疏處理方法，這兩方面因素使得星載多基線層析SAR難以投入對于時效性有較高要求的應(yīng)用。

地球同步軌道圓跡SAR (Geosynchronous Circular SAR, Geo-CSAR)將地球同步軌道星載SAR和圓跡SAR巧妙結(jié)合，通過軌道參數(shù)設(shè)計，在距地36000 km高空形成圓形的衛(wèi)星軌跡，使SAR載荷的大面積區(qū)域連續(xù)觀測成像模式成為可能。Geo-CSAR綜合了GeoSAR和CSAR的優(yōu)勢，一方面，因地球同步軌道高度高，其在重復(fù)觀測周期、測繪帶寬和可視能力等方面的性能是低軌SAR無法比擬的，另一方面，360°圓形觀測幾何不僅能對可視范圍內(nèi)的重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行凝視觀測，還能夠獲取觀測場景的散射中心在3維空間中的分布，實現(xiàn)目標(biāo)的精確3維定位。因此，Geo-CSAR可有效彌補(bǔ)現(xiàn)有低軌SAR的局限性，在全球性的軍事偵察、災(zāi)害監(jiān)測等方面具有巨大的應(yīng)用潛力。

本文首先介紹了Geo-CSAR的研究背景，然后對Geo-CSAR的概念進(jìn)行了研究，包括Geo-CSAR的軌跡生成和2維、3維分辨率理論，并根據(jù)典型參數(shù)，結(jié)合仿真分析了其成像能力，最后，對Geo-CSAR從概念面向應(yīng)用需要突破的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了討論。

2 研究背景

2.1 圓跡SAR簡介

圓跡SAR是近年來發(fā)展起來的一種高分辨3維成像模式，通過雷達(dá)平臺圍繞觀測區(qū)域作圓周運(yùn)動，獲取被觀測場景的全方位信息，以滿足越來越高的對地觀測需求。與常規(guī)直線軌跡SAR相比，圓跡SAR具有以下優(yōu)勢[3]：(1)能夠獲取目標(biāo)在各方向的散射特征，有利于提高目標(biāo)識別和地物分類精度；(2)拓寬波數(shù)域有效帶寬，理論分辨率達(dá)亞波長量級，使低波段高分辨成像成為可能；(3)所形成的圓形合成孔徑能夠獲取目標(biāo)的3維位置信息，突破了常規(guī)直線軌跡SAR只能獲取2維斜距圖像的局限，能有效減小甚至消除SAR影像固有的迭掩、透視縮短和陰影等現(xiàn)象。依據(jù)這些獨(dú)特優(yōu)勢，圓跡SAR在高精度測繪、災(zāi)害評估和精細(xì)資源管理等領(lǐng)域具有鮮明的應(yīng)用潛力，一經(jīng)提出便受到了廣泛的關(guān)注。

上世紀(jì)90年代至本世紀(jì)初，圓跡SAR成像技術(shù)的研究主要為成像機(jī)理研究，點(diǎn)目標(biāo)仿真及可控暗室實驗驗證了圓跡SAR的亞波長量級高分辨能力及真3維成像能力。2004年開始，法國宇航局(ONERA)[4]、瑞典國防研究院(FOI)[5]、德國宇航局(DLR)[6]以及中科院電子所[3,7]等研究機(jī)構(gòu)相繼利用機(jī)載試驗平臺開展了圓跡SAR飛行試驗，挖掘圓跡SAR在對地觀測中的應(yīng)用優(yōu)勢。2011年，德宇航與中科院電子所先后分別獲得了L波段和P波段的360°全方位高分辨圓跡SAR分布式場景圖像。圖1展示了中科院電子所獲取的圓跡SAR圖像與常規(guī)條帶SAR圖像的比較，圖2為場景中典型目標(biāo)的細(xì)節(jié)對比，通過比較可以看到，圓跡SAR圖像不僅

具有更高的分辨率，還獲取了目標(biāo)的全方位散射信息，并有效抑制陰影，展現(xiàn)了更為豐富和精細(xì)的地物信息，如圓形水井和圓柱形高鐵底座在常規(guī)條帶SAR圖像中僅顯示為一個亮點(diǎn)，而在圓跡SAR圖像中能夠呈現(xiàn)清晰、完整的輪廓，輸電線、建筑物與地面構(gòu)成的二面角等散射方向性較強(qiáng)的目標(biāo)在常規(guī)條帶SAR的小角度觀測幾何下可能觀測不到，而圓跡SAR的全方位觀測幾何總能獲取其信息。

機(jī)載圓跡SAR實驗展現(xiàn)了圓跡SAR全方位觀測帶來的顯著優(yōu)勢，但其局限性在于，由于天線相對目標(biāo)視角變化較大(例如，入射角為45°時，視角變化達(dá)到90°)，多數(shù)目標(biāo)的散射特性不能在整個孔徑中保持恒定，限制了其在高程向的分辨能力，難以獲得整個場景區(qū)的3維分辨圖像。

2.2 地球同步軌道SAR簡介

1978年，K. Tomiyasu首次提出了地球同步軌道SAR(Geosynchronous SAR, GeoSAR)的概念[8]，隨后初步設(shè)計了軌道傾角為50°的GeoSAR系統(tǒng)[9]，該系統(tǒng)可將美國本土全境觀測時間縮短為3 h，觀測周期縮短為1 d。受當(dāng)時天線工藝、發(fā)射功率和運(yùn)載能力等技術(shù)因素限制，GeoSAR在很長一段時間僅停留在概念研究階段。

直到2003年，為了構(gòu)建全球地震活動的監(jiān)測和預(yù)警系統(tǒng)，噴氣推進(jìn)實驗室(JPL)在NASA的支持下提出了全球地震衛(wèi)星系統(tǒng)(Global Earthquake Satellite System, GESS)計劃[10,11]，開展了初步的方案和可行性研究，計劃發(fā)射10顆L波段地球同步軌道星載SAR形成全球不間斷覆蓋能力。如圖3所示，以60°軌道傾角、5組(每組包含兩顆相差180°的衛(wèi)星)在經(jīng)度方向上均勻分布的GeoSAR組網(wǎng)衛(wèi)星為例，其觀測能力為：地球表面的瞬時覆蓋范圍約為80%；約20%地球表面能夠?qū)崿F(xiàn)不間斷觀測；另約50%地球表面的觀測間隙不超過1 h；另約30%地球表面(兩極及赤道的部分地區(qū))的觀測間隙不超過5個小時；對于大部分地區(qū)，在快速響應(yīng)模式下，能夠在10 min內(nèi)獲得20 m分辨率的圖像。由此證明，與低軌SAR相比，GeoSAR在地面

瞬時覆蓋能力和連續(xù)觀測能力方面具有顯著的優(yōu)勢。

圖1 2011年8月中科院電子所獲取了P波段360°全方位高分辨圓跡SAR圖像Fig. 1 P band 360° full-aspect high resolution CSAR image obtained by IECAS on Aug. 2011

圖2 圓跡SAR圖像與常規(guī)條帶SAR圖像的細(xì)節(jié)對比(HH)Fig. 2 Detailed comparison between CSAR images and stripmap SAR images (HH)

目前，國內(nèi)外關(guān)于GeoSAR的研究主要是針對大傾角圓形軌道形成的“8”字衛(wèi)星軌跡開展的[9–22]，且多研究“8”字形軌跡近似直線部分的2維成像模式。國內(nèi)多個高校和研究機(jī)構(gòu)都較早開展了GeoSAR研究，主要工作包括：GeoSAR的概念研究[12,13], GeoSAR雙站模式研究[14,15], GeoSAR的成像機(jī)理、信號特征和成像算法研究[16–22]，相關(guān)的研究工作還在持續(xù)進(jìn)行中。

3 地球同步軌道圓跡SAR的概念

地球同步軌道通過參數(shù)設(shè)計，還能形成近圓的衛(wèi)星相對地球軌跡，為圓跡SAR模式提供穩(wěn)定平臺，使SAR載荷的凝視成像模式成為可能。本節(jié)將重點(diǎn)討論地球同步軌道CSAR的軌道生成和分辨率理論。

3.1 軌道生成

在無攝運(yùn)動假設(shè)條件下，即軌道僅受到球形對稱地球的引力影響，衛(wèi)星軌道可以是一條橢圓，一條拋物線或一條雙曲線，地球位于其兩個焦點(diǎn)之間，我們僅對橢圓軌道感興趣。通常用經(jīng)典的6根軌描述橢圓的屬性，包括：半長軸a；偏心率e；傾角i；升交點(diǎn)Ω(表示軌道自南向北與赤道面的交點(diǎn))；近地點(diǎn)幅角ω(表示升交點(diǎn)到近地點(diǎn)的夾角)；

真近點(diǎn)角υ(隨時間變化，表示衛(wèi)星在橢圓中的當(dāng)前位置，即距近地點(diǎn)的角度)。

圖3 美國GESS計劃的GEOSAR 組網(wǎng)衛(wèi)星觀測能力Fig. 3 The imaging capability of the American GESS GEOCSAR constellation

在地心慣性坐標(biāo)系下，以衛(wèi)星到地心距離r、經(jīng)度λ及緯度φ來表示衛(wèi)星的位置，其關(guān)于軌道參數(shù)的表達(dá)式為[23]：

其中，G代表格林尼治恒星時角，t為以近地點(diǎn)時間為零起始的時間變量，ψ為地球自轉(zhuǎn)角速度。通過設(shè)計6根軌參數(shù)，可獲得不同的衛(wèi)星軌跡。

衛(wèi)星軌道周期僅由軌道半長軸決定，地球同步軌道的軌道周期與地球自轉(zhuǎn)周期一致，則地球同步軌道的半長軸均為：

其中，μ=gM=398.6 km3/s2為地球中心引力常數(shù)，g為引力常數(shù)，M為地球質(zhì)量。

“8”字型衛(wèi)星軌跡是通過大傾角圓形同步軌道形成的，Geo-CSAR的軌跡生成機(jī)理則很不同，是在地球靜止軌道(地球靜止軌道同時滿足a=A和i=e=0)的基礎(chǔ)上，通過設(shè)計較小的偏心率和傾角來實現(xiàn)近似圓形的衛(wèi)星軌跡。設(shè)軌道半徑誤差為δa=a–A，則當(dāng)i,e和δa都較小時，式(1)可近似表達(dá)為[23]：

其中，λ0為起始時刻的經(jīng)度，表達(dá)式為：

由式(3)可知，影響地球同步軌道衛(wèi)星軌跡的主要因素有：(1)由衛(wèi)星軌道傾角引起緯度方向的簡諧振動；(2)由衛(wèi)星軌道偏心率引起經(jīng)度方向的簡諧振動；(3)由衛(wèi)星軌道半徑誤差引起經(jīng)度上的線性漂移。

考慮到軌道的可重復(fù)性，應(yīng)盡量減小軌道半徑誤差，不考慮軌道半徑誤差，滿足以下條件時可形成閉合的圓形星下點(diǎn)軌跡：

將式(5)代入式(3)可得，GEO-CSAR的衛(wèi)星軌跡為：

3.2 分辨率理論

圖4 不同軌道參數(shù)下的Geo-CSAR衛(wèi)星軌跡Fig. 4 Geo-CSAR satellite tracks with different orbit parameters

Geo-CSAR可實現(xiàn)2維和3維兩種成像模式：2維成像模式下，全孔徑劃分為若干彎曲度可忽略的小角度孔徑，小角度孔徑近似為直線，合成后可獲得可視范圍內(nèi)目標(biāo)區(qū)域的2維圖像，也可進(jìn)一步形成同一目標(biāo)區(qū)域的時間序列2維圖像，實現(xiàn)對熱點(diǎn)區(qū)域的動態(tài)監(jiān)視；3維成像模式下，24 h全孔徑合成，因天線相對地面目標(biāo)的觀測視角變化較小(約為2i，通常不超過30°)，可以認(rèn)為目標(biāo)的散射特性在整個孔徑內(nèi)保持恒定，能夠獲得可視范圍內(nèi)目標(biāo)區(qū)域的高分辨3維圖像，實現(xiàn)重點(diǎn)區(qū)域的精細(xì)觀測。本小節(jié)將討論Geo-CSAR的2維和3維分辨率理論。

3.2.1 2維分辨率首先，回顧經(jīng)典的SAR 2維成像在斜距面的分辨率，斜距向分辨率由發(fā)射信號帶寬決定，其表達(dá)式為：

其中，c為光速，B為信號帶寬；方位向分辨率由發(fā)射信號工作波長和合成孔徑角決定，其表達(dá)式為：

其中，λc為發(fā)射信號波長，θsyn為合成孔徑角。

我們更關(guān)心的指標(biāo)是地平面分辨率，該指標(biāo)能更準(zhǔn)確地反映SAR系統(tǒng)對地面目標(biāo)的分辨能力。與低軌星載SAR相比，Geo-CSAR的成像幾何更為復(fù)雜，地平面分辨率的計算需要考慮Geo-CSAR成像孔徑相對于觀測目標(biāo)的實時幾何關(guān)系。圖5給出了成像孔徑與地面目標(biāo)之間的幾何關(guān)系，其中，角度β表示斜平面與地平面的夾角，角度α表示有效孔徑與斜平面-地平面交線之間的夾角。

地距分辨率的表達(dá)式為：

地平面方位分辨率表達(dá)式為：

其中，角度γ為過目標(biāo)的等距離面與斜平面和地平面的兩條交線之間的夾角，cosγ的表達(dá)式為：

3.2.2 3維分辨率不同于小角度孔徑的斜平面2維成像，360°圓形觀測幾何下，由于觀測斜平面不斷變化，能夠?qū)τ^測場景進(jìn)行3維分辨成像，即獲得觀測場景散射中心在3維空間中的分布。

圖6給出了地心慣性直角坐標(biāo)系下全孔徑與地面目標(biāo)之間的幾何關(guān)系，通過此幾何關(guān)系可計算得到點(diǎn)目標(biāo)波數(shù)域頻譜的支撐域，為分辨率的計算服務(wù)。x,y,z3個方向的波數(shù)kx,ky,kz的表達(dá)式可通過駐定相位原理得到[24,25]，分別為：

其中，Φ為回波信號相位，其表達(dá)式為：

k=4πf/c為雙程波數(shù)，f為發(fā)射的寬帶信號頻率，Rp為衛(wèi)星到目標(biāo)的距離，(xa,ya,za)為衛(wèi)星坐標(biāo)，(xp,yp,zp)為目標(biāo)坐標(biāo)。根據(jù)式(13)，可得到如圖7所示的波數(shù)域頻譜支撐域，支撐域近似為一個圓臺曲面，具有3維結(jié)構(gòu)，證明了Geo-CSAR的3維分辨能力。

3維頻譜在圓臺底面的投影近似為一個中空的圓環(huán)，圓環(huán)外徑為：

其中，kmax=4π(f+B/2)/c為最大波數(shù)，θa為圓臺的頂角，對應(yīng)到空間成像幾何，θa為Geo-CSAR圓形孔徑相對于目標(biāo)的張角(如圖6所示)，且，

與圓環(huán)形頻譜對應(yīng)的平面點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)的分辨率由圓環(huán)外徑?jīng)Q定，為：

其中，λmin=c/(f+B/2)為發(fā)射信號的最小波長，由式(17)可知，平面分辨率可達(dá)到亞波長量級，這是常規(guī)直線軌跡SAR難以企及的。

圖5 小角度孔徑成像幾何Fig. 5 Small angle aperture imaging geometry

圖6 全孔徑成像幾何Fig. 6 Full aperture imaging geometry

圖7 點(diǎn)目標(biāo)3維頻譜支撐域Fig. 7 Data surface observed in the 3-D frequency space

將與圓臺底面垂直的方向定義為高程向，高程向的信號帶寬由發(fā)射信號帶寬和角度θa共同決定，為：

則高程向分辨率表達(dá)式為：

4 成像能力

本節(jié)將以典型參數(shù)為例，通過仿真研究分析Geo-CSAR的成像能力，軌道參數(shù)和系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。根據(jù)表1的軌道參數(shù)，通過數(shù)值仿真得到如圖8所示的衛(wèi)星軌跡圖，藍(lán)色圓環(huán)為衛(wèi)星軌跡，地球上的綠色圓環(huán)為星下點(diǎn)軌跡，衛(wèi)星軌跡半徑約為8400 km，略大于地球半徑(地球半徑約為6400 km)。

本參數(shù)下，天線波束指向只需具有±9.7°的快速切換能力，就可滿足可視范圍內(nèi)任意區(qū)域的快速響應(yīng)。此外，波束寬度只需達(dá)到2.5°，波束主瓣覆蓋區(qū)域面積即可達(dá)到300萬平方公里，相當(dāng)于1/3的中國疆域，這些特點(diǎn)使Geo-CSAR與現(xiàn)有低軌星載SAR相比，在廣域動態(tài)監(jiān)視方面有無法比擬的優(yōu)勢。

下面將更深入地討論Geo-CSAR的成像能力。

表1 軌道參數(shù)和系統(tǒng)參數(shù)Tab. 1 Orbital parameters and system parameters

圖8 衛(wèi)星軌跡Fig. 8 Satellite track

4.1 單顆衛(wèi)星的成像能力

(1) 2維成像能力

首先討論2維成像模式的分辨率和時間覆蓋度(一天內(nèi)目標(biāo)區(qū)域處于衛(wèi)星視區(qū)范圍內(nèi)的時間稱為時間覆蓋度)。

根據(jù)式(7)，本參數(shù)下，斜距分辨率為3 m。

以30 min為合成孔徑時間，合成孔徑角θsyn約為：

其中，Re為地球半徑。將式(20)代入式(8)，可得斜距面的方位分辨率約為4 m。由于衛(wèi)星相對于地球上不同位置的目標(biāo)觀測幾何不盡相同，2維地平面分辨率的空變性較大。

本文以30 min合成孔徑時間內(nèi)，地平面分辨率達(dá)到7 m×7 m為2維成像模式的指標(biāo)。圖9給出了滿足該指標(biāo)要求的地球表面時間覆蓋度及星下點(diǎn)軌跡圖，其中黃色圓環(huán)為星下點(diǎn)軌跡，紅色箭頭示意了近地點(diǎn)時刻的星下點(diǎn)位置及運(yùn)動方向。在滿足指標(biāo)的條件下，單顆星的觀測能力為：地球表面的瞬時覆蓋范圍最低時約為15%，最高時約為24%；約23%的地球表面時間覆蓋度超過12 h，另約20%的地球表面時間覆蓋度超過6 h。星下點(diǎn)附近區(qū)域，由于波束入射角較小，地平面分辨率惡化，則滿足成像指標(biāo)要求的時間覆蓋度較短。

為更直觀地展示單顆Geo-CSAR的2維成像能

力，下面以位于東經(jīng)110°，北緯19°(海南)處的點(diǎn)目標(biāo)為例，給出其在不同時間序列圖像中的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)。在24 h訪問周期內(nèi)形成的48幅時間序列圖像中，滿足分辨率指標(biāo)要求的時間序列編號為7～21和36～47，圖10展示了該目標(biāo)在第10, 15, 20, 36, 41, 46這6個子孔徑中的地平面點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)，可以看到，點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)隨著觀測幾何的變化而變化。

(2) 3維成像能力

3維成像模式下，24 h全孔徑合成，全孔徑相對于地面目標(biāo)的視角變化約為2i，本參數(shù)下，視角變化約為23°，可以認(rèn)為目標(biāo)的散射特性在整個孔徑內(nèi)保持恒定，具備真3維成像的條件。因全孔徑相對于地面不同位置處的目標(biāo)視角變化范圍差別不大，則3維分辨率的空變性也不大，根據(jù)式(17)和式(19)計算得到：平面分辨率約為0.33 m，高程分辨率約為0.3 m，本文以此作為3維成像模式的指標(biāo)。圖11給出了滿足指標(biāo)要求的覆蓋區(qū)域(紫色)，覆蓋率為地球總面積的33%。

為更直觀地展示單顆Geo-CSAR的3維成像能力，下面以位于東經(jīng)110°，北緯19°(海南)處的點(diǎn)目標(biāo)和東經(jīng)155°，緯度0°(星下點(diǎn)圓心)處的點(diǎn)目標(biāo)為例，給出它們360°全孔徑合成的3維點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)。

如圖12所示，3維點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)在平面上為貝塞爾函數(shù)，在高程向上為sinc函數(shù)，且點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)的朝向隨著目標(biāo)位置的變化而變化，但分辨率的空變性不大，24 h覆蓋區(qū)域都能滿足3維分辨率指標(biāo)要求。

圖9 單顆衛(wèi)星時，達(dá)到2維成像指標(biāo)要求的地球表面時間覆蓋度Fig. 9 The time coverage of the land surface in view for a single satellite with the given 2-D imaging performance requirements

圖10 Geo-CSAR 2維成像模式下，位于東經(jīng)110°，北緯19°(海南)的點(diǎn)目標(biāo)的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)(從左至右分別為第10, 15, 20, 36, 41和46幅序列圖像)Fig. 10 The spread function of the point target located at East 110°, North 19° (Hainan) of the Geo-CSAR 2-D imaging mode. (The sequences are 10, 15, 20, 36, 41, 46 respectively)

4.2 Geo-CSAR星座的成像能力

利用多顆星協(xié)同工作，可有效提高滿足成像指標(biāo)要求的時間覆蓋度。在本例中，采用4組(每組包含兩顆相差90°的衛(wèi)星)均勻地分布于徑度方向的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。圖13給出了4組衛(wèi)星的星下點(diǎn)軌跡，以黃色線條表示，近地點(diǎn)時刻的星下點(diǎn)位置及運(yùn)動方向則以紅色箭頭標(biāo)示。

圖11 單顆衛(wèi)星時，3維成像覆蓋區(qū)域Fig. 11 The 3-D imaging land surface coverage for a single satellite

圖12 Geo-CSAR 3維成像模式下的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)Fig. 12 The point target spread function of the Geo-CSAR 3-D imaging mode

圖13還給出了滿足2維成像指標(biāo)要求的地球表

面時間覆蓋度，其觀測能力為：地球表面的瞬時覆蓋范圍超過86%，最高時可達(dá)96%；約35%的地球表面能夠?qū)崿F(xiàn)不間斷觀測；另約28%的地球表面觀測間隙不超過1 h；另約29%的地球表面的觀測間隙不超過5個小時；另約8%的地球表面(兩極和星下點(diǎn)部分區(qū)域)的觀測間隙不超過12 h。

3維成像模式下，可在每組衛(wèi)星中任選1顆，共4顆，對4顆衛(wèi)星的24 h可視范圍進(jìn)行疊加，得到如圖14所示的3維成像覆蓋區(qū)域(紫色)，覆蓋率達(dá)到地球表面總面積的92%，非覆蓋區(qū)(青色)處于兩極。

本文設(shè)計的組網(wǎng)衛(wèi)星除了能有效提高滿足成像指標(biāo)要求的時間覆蓋度，還將單顆星的24 h重訪周期縮短為交替的6 h和18 h，更有利于重軌形變監(jiān)測等應(yīng)用，能更及時地監(jiān)測地球表面的細(xì)微變化，為地震預(yù)測、災(zāi)害評估等應(yīng)用提供重要數(shù)據(jù)。

圖13 8顆衛(wèi)星協(xié)同工作時，達(dá)到指標(biāo)要求的地球表面時間覆蓋度Fig. 13 The time coverage of the land surface in view for a constellation of 8 satellites with the given imaging performance requirments

圖14 3維成像覆蓋區(qū)域(紫色區(qū)域)Fig. 14 3-D imaging land surface coverage (Purple area)

5 結(jié)束語

地球同步軌道通過軌道參數(shù)設(shè)計可在距地36000 km高空形成近圓的衛(wèi)星相對地球軌跡，為圓跡SAR提供了一個穩(wěn)定平臺。Geo-CSAR兼?zhèn)淞薌eoSAR和CSAR各自的優(yōu)勢，首先，由于軌道高度較高，Geo-CSAR在重復(fù)觀測周期、測繪帶寬和可視能力等方面的性能是低軌SAR無法比擬的，此外，與“8”字形衛(wèi)星軌跡相比，Geo-CSAR的圓形衛(wèi)星軌跡不僅能更好地對可視范圍內(nèi)重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行定點(diǎn)連續(xù)觀測，獲取較高分辨率的2維時間序列圖像，實現(xiàn)熱點(diǎn)區(qū)域的動態(tài)監(jiān)測，更重要的是，還具有特有的3維成像能力，通過回波數(shù)據(jù)的360°相干累積，能夠獲取觀測場景的高分辨3維圖像，實現(xiàn)目標(biāo)的精確3維定位。因此，Geo-CSAR是實現(xiàn)全球連續(xù)觀測的有效途徑之一，尤其在全球性的大面積區(qū)域動態(tài)連續(xù)監(jiān)視、高分辨率3維測繪、形變監(jiān)測等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

Geo-CSAR的實現(xiàn)目前還面臨著理論和技術(shù)上的挑戰(zhàn)，除了系統(tǒng)代價高、受電離層影響大等GeoSAR的共性問題外，Geo-CSAR的研究難點(diǎn)主要包括以下兩個方面：(1)Geo-CSAR的合成孔徑時間較長(3維成像時達(dá)到24 h)，對軌道測量手段的穩(wěn)定性和精度都提出了極高的要求。因此，長合成孔徑時間條件下Geo-CSAR的高精度定軌和運(yùn)動補(bǔ)償問題有待研究和突破。(2)Geo-CSAR成像區(qū)域面積大、合成孔徑時間長、分辨率高，將不僅產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)問題，還使地球的球面性以及衛(wèi)星軌跡的非規(guī)則性等因素變得不可忽視，這給成像處理，尤其是3維成像處理，帶來了巨大挑戰(zhàn)，亟需開展Geo-CSAR的高精度大區(qū)域快速成像算法研究。

隨著相關(guān)研究的不斷地深入[26–29]，以及星載SAR成像技術(shù)領(lǐng)域的不斷發(fā)展，Geo-CSAR有望在不久的未來成為現(xiàn)實，成為全球不間斷覆蓋的一個有效手段。

[1]Battagliere M L. The COSMO-SkyMed experience overview[OL]. https://wiki.services.eoportal.org/.../COSMOSkyMed_Experience_WORKSHOP_ESRIN_Oct_2012_ FinalVersion.ppt.

[2]Zhu X and Bamler R. Very High resolution spaceborne SAR tomography in urban environment[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2010, 48(12): 4296–4308.

[3]洪文. 圓跡SAR成像技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 雷達(dá)學(xué)報, 2012, 1(2): 124–135. Hong Wen. Progress in circular SAR imaging technique[J].Journal of Radars, 2012, 1(2): 124–135.

[4]Palm S, Oriot H M, and Cantalloube H M. Radargrammetric DEM extraction over urban area using circular SAR imagery[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2012, 50(11): 4720–4725.

[5]Fr?lind P O, Gustavsson A, Lundberg M,et al.. Circularaperture VHF-band synthetic aperture radar for detection of vehicles in forest concealment[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2012, 50(4): 1329–1339.

[6]Ponce O, Prats P, Marc R C,et al.. Processing of circular SAR trajectories with fast factorized back-projection[C]. International Geoscience and Remote Sensing Symposium, Vancouver, 2011: 3692–3695.

[7]Lin Y, Hong W, Tan W,et al.. Airborne circular SAR imaging: results at P-band[C]. International Geoscience and Remote Sensing Symposium, Munich, 2012: 5594–5597.

[8]Tomiyasu K. Synthetic aperture radar in geosynchronous orbit[C]. Antennas and Propagation Symposium, Maryland, 1978: 42–45.

[9]Tomiyasu K and Pacelli J L. Synthetic aperture radar imaging from an inclined geosynchronous orbit[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 1983, 21(3): 324–329.

[10]NASA, JPL. Global earthquake satellite system: a 20-year plan to enable earthquake prediction[OL]. http://solidearth. jpl.nasa.gov/GESS/3123_GESS_Rep_2003.pdf, 2003.

[11]Madsen S N, Edelstein W, Didomenico L D,et al.. A geosynchronous synthetic aperture radar: for tectonic mapping, disaster management and measurements of vegetation and soil moisture[C]. International Geoscience and Remote Sensing Symposium, Sydney, 2001: 447–449.

[12]朱敏慧. 地球同步軌道星載合成孔徑雷達(dá)概念研究[J]. 現(xiàn)代雷達(dá), 2011, 33(5): 1–4. Zhu Min-hui. A study on the concept of geosynchronous synthetic aperture radar[J].Modern Radar, 2011, 33(5): 1–4.

[13]毛二可, 曾濤, 胡程, 等. 基于地球同步軌道合成孔徑雷達(dá)的雙基地探測系統(tǒng): 概念及潛力[J]. 信號處理, 2013, 29(3): 285–292. Mao Er-ke, Zeng Tao, Hu Cheng,et al.. Bistatic detection based on geosynchronous SAR: concept and potentiality[J].Journal of Signal Processing, 2013, 29(3): 285–292.

[14]孔德亮. 基于大面積定點(diǎn)區(qū)域連續(xù)觀測的雷達(dá)新概念新技術(shù)研究[D]. [Ph.D. dissertation], 中國科學(xué)院電子學(xué)研究所, 2006: 1–33. Kong De-liang. New radar architecture and technology based on incessant fixed region observation[D]. [Ph.D. dissertation], Institute of Electronics of Chinese Academy of Sciences, 2006: 1–33.

[15]袁媛, 袁昊, 雷玲, 等. 一種同步軌道星機(jī)雙基SAR 成像方法[J]. 雷達(dá)科學(xué)與技術(shù), 2007, 5(2): 128–132. Yuan Yuan, Yuan Hao, Lei Ling,et al.. An imaging method of GEO spaceborne-airborne bistatic SAR[J].Radar Science and Technology, 2007, 5(2): 128–132.

[16]黃麗佳. 中高軌道 SAR 成像算法研究[D]. [Ph.D. dissertation], 中國科學(xué)院電子學(xué)研究所, 2011: 1–12. Huang Li-jia. Imaging algorithm for medium-earth-orbit SAR[D]. [Ph.D. dissertation], Institute of Electronics, Chinese Academy of Sciences, 2011: 1–12.

[17]鄭經(jīng)波. 地球同步軌道合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)分析及工作模式研究[D]. [Ph.D. dissertation], 中國科學(xué)院電子學(xué)研究所, 2011: 1–9. Zheng Jing-bo. Study on system analysis and working modes for geosynchronous earth orbit synthetic aperture radar[D]. [Ph.D. dissertation], Institute of Electronics, Chinese Academy of Sciences, 2011: 1–9.

[18]Long T, Dong X, Hu C,et al.. A new method of zero-

Doppler centroid control in GEO SAR[J].IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters, 2011, 8(3): 511–515.

[19]Hu C, Liu Z, and Long T. An improved CS algorithm based on the curved trajectory in geosynchronous SAR[J].IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing, 2012, 5(3): 795–808.

[20]史洪印, 周蔭清, 陳杰. 同步軌道星機(jī)雙基地3通道SAR 地面運(yùn)動目標(biāo)指示算法[J]. 電子與信息學(xué)報, 2009, 31(8): 1881–1885. Shi Hong-yin, Zhou Yin-qing, and Chen Jie. An algorithm of GEO spaceborne-Airborne bistatic three-Channel SAR ground moving target indication[J].Journal of Electronics&Information Technology, 2009, 31(8): 1881–1885.

[21]李軍, 邢孟道, 李亞超, 等. 同步軌道SAR 參數(shù)分析及成像方法[J]. 系統(tǒng)工程與電子技術(shù), 2010, 32(5): 931–936. Li Jun, Xing Meng-dao, Li Ya-chao,et al.. Parametric analysis and imaging method of geosynchronous SAR[J].Systems Engineering and Electronics, 2010, 32(5): 931–936.

[22]Bao M, Xing M, and Li Y C. Chirp scaling algorithm for GEO SAR based on fourth-order range equation[J].Electronic Letters, 2012, 48(1): 41–42.

[23]Soop E M. Handbook of Geostationary Orbits[M]. Sweden, The Netherlands: Eur. Space Agency Sci. Tech, 1994: 3–34.

[24]林赟. 圓跡合成孔徑雷達(dá)成像算法研究[D]. [Ph.D. dissertation], 中國科學(xué)院電子學(xué)研究所, 2011: 1–15. Lin Yun. Study on algorithms for circular Synthetic Aperture Radar imaging[D]. [Ph.D. dissertation], Institute of Electronics, Chinese Academy of Sciences, 2011: 1–15.

[25]Lin Y, Hong W, Tan W,et al.. Extension of range migration algorithm to squint circular SAR imaging[J].IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters, 2011, 8(4): 651–655.

[26]寇蕾蕾. 地球同步軌道圓跡 SAR 干涉機(jī)理研究[D]. [Ph.D. dissertation], 中國科學(xué)院電子學(xué)研究所, 2011: 1–23. Kou Lei-lei. Study on interferometric mechanism of geosynchronous circular SAR[D]. [Ph.D. dissertation], Institute of Electronics, Chinese Academy of Sciences, 2011: 1–23.

[27]Kou L, Wang X, Xiang M,et al. Interferometric estimation of three-dimensional surface deformation using geosynchronous circular SAR[J].IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 2012, 48(2): 1619–1635.

[28]劉啟. 地球同步軌道圓跡SAR成像方法研究[D]. [Ph.D. dissertation], 中國科學(xué)院電子學(xué)研究所, 2012: 1–18. Liu Qi. Investigation on the imaging methods for geosynchronous circular SAR[D]. [Ph.D. dissertation], Institute of Electronics, Chinese Academy of Sciences, 2012: 1–18.

[29]Liu Q, Hong W, Tan W,et al.. An improved polar format algorithm with performance analysis for geosynchronous circular SAR 2D imaging[J].Progress in Electromagnetics Research, 2011, 119: 155–170.

洪 文(1968–)，女，1997年畢業(yè)于北京航空航天大學(xué)，獲工學(xué)博士學(xué)位。研究經(jīng)歷包括北京航空航天大學(xué)電子工程系副教授、德國宇航院雷達(dá)與微波技術(shù)所客座研究員等，現(xiàn)為中國科學(xué)院電子學(xué)研究所研究員，博士生導(dǎo)師，院優(yōu)秀教師獲得者，中科院“百人計劃”。主要研究方向為極化/極化干涉合成孔徑雷達(dá)數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用、3維微波成像新概念新體制新方法等。

E-mail: whong@mail.ie.ac.cn

林 赟(1983–)，女，浙江人，2011年獲得中國科學(xué)院電子學(xué)研究所博士學(xué)位，中國科學(xué)院電子學(xué)研究所助理研究員。研究方向為合成孔徑雷達(dá)3維成像技術(shù)、多角度SAR成像基礎(chǔ)理論與方法研究。

E-mail: ylin@mail.ie.ac.cn

譚維賢(1981–)，男，2009年畢業(yè)于中國科學(xué)院電子學(xué)研究所，獲得工學(xué)博士學(xué)位，現(xiàn)為中國科學(xué)院電子學(xué)研究所副研究員。主要研究方向為微波3維成像、合成孔徑雷達(dá)3維成像體制與算法等。

E-mail: wxtan@mail.ie.ac.cn

王彥平(1976–)，男，2004年畢業(yè)于中國科學(xué)院電子學(xué)研究所，獲得工學(xué)博士學(xué)位，現(xiàn)為中國科學(xué)院電子學(xué)研究所研究員。主要研究方向為極化干涉SAR數(shù)據(jù)處理、合成孔徑雷達(dá)3維成像體制等。

E-mail: ypwang@mail.ie.ac.cn

向茂生(1964–)，男，中國科學(xué)院電子學(xué)研究所研究員，博士生導(dǎo)師，研究方向為干涉合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)技術(shù)和方法。

E-mail: xms@mail.ie.ac.cn

Study on Geosynchronous Circular SAR

Hong Wen Lin Yun Tan Wei-xian Wang Yan-ping Xiang Mao-sheng
(Institute of Electronics,Chinese Academy of Sciences,Beijing100190,China)

The concept of Geosynchronous Circular SAR (Geo-CSAR) is introduced in this paper. With the design of the geosynchronous orbit parameters, a near-circular satellite sub-track could be formed to enable the staring imaging mode, which supports the advanced applications for wide-field and 3-D information acquisition under long-term consistent observation. This paper also analyzes Geo-CSAR’s imaging formation capabilities, and concludes its attractive advantages over low-earth orbit spaceborne SAR in terms of instantaneous coverage, consistent observing area, 3-D positioning accuracy andetc.. Encouraging expectations for Geo-CSAR thus could be positively predicted in military investigation and disaster monitoring management applications.

Earth observation; Geosynchronous orbit; Synthetic Aperture Radar (SAR); Circular SAR (CSAR); Wide-field consistent observation; 3-D imaging

TN95

A

2095-283X(2015)03-0241-13

10.12000/JR15062

洪文, 林赟, 譚維賢, 等. 地球同步軌道圓跡SAR研究[J]. 雷達(dá)學(xué)報, 2015, 4(3): 241–253.

10.12000/JR15062.

Reference format:Hong Wen, Lin Yun, Tan Wei-xian.et al.. Study on geosynchronous circular SAR[J].Journal of Radars, 2015, 4(3): 241–253. DOI: 10.12000/JR15062.

2015-05-22收到，2015-06-10改回

探索研究項目和國家自然科學(xué)基金(61431018, 61201404)資助課題

*通信作者： 洪文 whong@mail.ie.ac.cn