李 強(qiáng) 范懷濤

①(北京跟蹤與通信技術(shù)研究所 北京 100094)

②(中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所 北京 100190)

1 引言

合成孔徑雷達(dá)（Synthetic Aperture Radar,SAR）具備全天候、全天時(shí)、遠(yuǎn)距離、高分辨率對(duì)地成像能力，已經(jīng)成為現(xiàn)代微波遙感領(lǐng)域的重要技術(shù)手段之一[1]。獲取陸海環(huán)境更高的分辨能力和更大的測(cè)繪范圍一直是各種遙感手段不斷突破的方向。方位向多通道體制以空間維度采樣的增加消除分辨率和幅寬對(duì)時(shí)間維度采樣率的矛盾制約[2]，目前已經(jīng)成為高分辨率寬幅SAR成像的主流技術(shù)手段之一，并成功應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外多顆在軌SAR衛(wèi)星，包括高分三號(hào)[3]、TerraSAR-X[4],RADARSAT-2[5]和ALOS-2[6]。

通道失配校正和多通道信號(hào)重建是方位多通道SAR信號(hào)處理的兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。多通道信號(hào)重建旨在對(duì)空間上非均勻分布的多個(gè)通道采樣信號(hào)進(jìn)行聯(lián)合處理，得到等效于單通道SAR系統(tǒng)的空間維均勻采樣信號(hào)[7]。在進(jìn)行非均勻采樣數(shù)據(jù)重建處理之前，多個(gè)通道接收回波的幅度、相位、延時(shí)等特性需要校正一致，以避免重建圖像中出現(xiàn)干擾圖像判讀的“鬼影”虛假目標(biāo)[8]。針對(duì)方位多通道SAR系統(tǒng)失配校正問(wèn)題，德國(guó)宇航中心、西安電子科技大學(xué)、上海交通大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所等國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)相繼進(jìn)行了大量研究，提出了多種處理方案[9–11]。

通道相位失配校正主要分為基于內(nèi)定標(biāo)系統(tǒng)的標(biāo)定方法和基于回波數(shù)據(jù)的估計(jì)方法[12]。由于實(shí)際SAR系統(tǒng)中通道失配來(lái)源復(fù)雜，完全依靠?jī)?nèi)定標(biāo)系統(tǒng)不僅代價(jià)高昂而且系統(tǒng)十分龐大[13]?；诨夭〝?shù)據(jù)的通道失配估計(jì)方法受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛研究[14]。通常來(lái)講，通道間特性失配源于系統(tǒng)特性不理想，與成像場(chǎng)景無(wú)關(guān)，目前已經(jīng)發(fā)展的通道失配校正方法也是基于此假設(shè)。但是，雖然失配特性不一致源于SAR系統(tǒng)特性，其造成的影響與場(chǎng)景特性卻是緊密相關(guān)的，特別是起伏地形高程。目前發(fā)展的通道失配校正方法均未考慮地形起伏的影響，基于平地假設(shè)的校正方法在地形起伏明顯的場(chǎng)景中，失配校正性能將受到很大影響。當(dāng)前，高精度數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)重建技術(shù)經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外學(xué)者多年研究，已經(jīng)逐漸成熟并得到廣泛應(yīng)用[15]。本文詳細(xì)分析了方位向多通道SAR系統(tǒng)存在偏航、俯仰和地形起伏條件下的通道失配特點(diǎn)，給出運(yùn)用輔助DEM信息進(jìn)行補(bǔ)償?shù)慕馕霰磉_(dá)式，針對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和機(jī)載4通道SAR實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)開(kāi)展處理工作，驗(yàn)證所提方法的有效性。

2 基于輔助DEM的方位多通道SAR相位失配補(bǔ)償方法

方位多通道SAR信號(hào)無(wú)模糊重建的基礎(chǔ)是各天線子孔徑沿航跡方向均勻排布。但是，在實(shí)際工作過(guò)程中，受高空氣流和側(cè)風(fēng)的影響，天線基線常常偏離平臺(tái)的飛行軌跡，平臺(tái)姿態(tài)往往存在偏航、俯仰和橫滾[16]，如圖1所示。在星載SAR系統(tǒng)中，地球自轉(zhuǎn)等效于系統(tǒng)中存在一個(gè)固定偏航角。

其中，平臺(tái)橫滾角帶來(lái)的影響主要是回波的接收增益發(fā)生變化，場(chǎng)景目標(biāo)到多個(gè)通道天線相位中心的斜距變化是相同的，因此不會(huì)導(dǎo)致通道間的相位誤差。天線偏航和俯仰不僅會(huì)導(dǎo)致波束在方位向指向發(fā)生改變，成像區(qū)域改變，而且會(huì)導(dǎo)致子孔徑天線相位中心位置發(fā)生偏移[16]。天線相位中心偏移導(dǎo)致的相位差異在不同通道中是不同的，由此導(dǎo)致通道間的相位誤差。

圖2中，Y軸指向平臺(tái)前進(jìn)方向，Z軸垂直地面向上，X軸形成右手直角坐標(biāo)系，平臺(tái)飛行高度H,表示天線子孔徑n到參考通道的順軌間隔，場(chǎng)景目標(biāo)T坐標(biāo)為(x,y,h)。以方位向兩通道SAR系統(tǒng)為例進(jìn)行分析，方位向前端通道稱(chēng)為主通道，后端通道稱(chēng)為輔通道，偏移前相位中心表示為，偏移后相位中心表示為。這里以主通道為參考通道，分析平臺(tái)偏航和俯仰給輔通道帶來(lái)的影響，結(jié)論同樣適用于任意通道數(shù)目的多通道SAR系統(tǒng)。窄波束條件下SAR系統(tǒng)符合波束中心近似假設(shè)，圖3給出平臺(tái)姿態(tài)變化在斜距方向?qū)е孪辔恢行淖兓疽鈭D。

圖2 天線相位中心偏移示意圖Fig.2 Movement of SAR antenna phase center

圖3 2維橫截面圖Fig.3 2-D cross-sectional view

目標(biāo)T和校正前后輔通道的天線相位中心位置

在上述假設(shè)條件下，將式(3)中的雙曲形式泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)至2次項(xiàng)可以得到

綜上，將式(6)代入式(5)可以得到偏航角和俯仰角導(dǎo)致的通道間相位偏差

在機(jī)載SAR系統(tǒng)工作過(guò)程中，偏航和俯仰不斷發(fā)生變化，通道間相位失配具有方位時(shí)變特性。同時(shí)，從式(7)可以看出，相位失配隨場(chǎng)景地物對(duì)應(yīng)的下視角變化，呈現(xiàn)距離向空變特點(diǎn)，因此式(7)可以重寫(xiě)為

在地形起伏明顯的區(qū)域，場(chǎng)景地物對(duì)應(yīng)的下視角與平地假設(shè)下不同。如果采用簡(jiǎn)單的平地假設(shè)，針對(duì)存在高程起伏的地物，通道間相位失配補(bǔ)償將出現(xiàn)錯(cuò)誤，導(dǎo)致最終的重建圖像中出現(xiàn)虛假目標(biāo)。如圖4所示，假設(shè)平臺(tái)飛行高度為3000 m，場(chǎng)景中高程地物高出參考水平面300 m，建筑物頂端視角為50°。如果不考慮場(chǎng)景地形起伏，建筑物頂端斜距對(duì)應(yīng)的視角約為44.42°。在子孔徑間隔0.5 m的C波段機(jī)載SAR中，假設(shè)機(jī)載系統(tǒng)存在5°偏航角和3°俯仰角，采用平地假設(shè)進(jìn)行相位失配校正，造成的偏差約為6.5°，在背景環(huán)境較弱的條件下會(huì)出現(xiàn)干擾虛假目標(biāo)。如果在校正相位失配時(shí)考慮地形起伏影響，可以準(zhǔn)確校正姿態(tài)導(dǎo)致的通道間相位失配，有效抑制重建后圖像中的虛假目標(biāo)。

圖4 高程引起的成像疊掩示意圖Fig.4 Imaging overlap caused by topograghic relief

基于輔助DEM的方位多通道SAR通道失配補(bǔ)償流程如圖5所示，具體處理步驟如下：

圖5 基于DEM輔助的方位多通道SAR通道失配補(bǔ)償方法流程圖Fig.5 The flowchart of the proposed channel phase mismatch calibration method based on the aided DEM

(1)根據(jù)慣性測(cè)量單元(IMU)記錄的3維速度信息，針對(duì)多通道回波數(shù)據(jù)進(jìn)行1階運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，補(bǔ)償之后認(rèn)為參考通道處于理想直線航跡上；

(2)在距離頻域和方位時(shí)域進(jìn)行2維自適應(yīng)校正幅度誤差，校正表達(dá)式如式(9)所示，其中表示對(duì)通道2進(jìn)行校正的次數(shù)，表示距離頻率，表示方位時(shí)間；

(3)進(jìn)行距離壓縮；

(4)采用方位互相關(guān)方法[11]進(jìn)行通道間延時(shí)誤差校正；

(5)在機(jī)載系統(tǒng)中，飛行姿態(tài)具有方位向時(shí)變特點(diǎn)，場(chǎng)景高程起伏也具有方位空變特點(diǎn)，采用方位向子孔徑處理方式，假設(shè)子孔徑內(nèi)方位向高程不變，利用輔助DEM信息計(jì)算場(chǎng)景地物對(duì)應(yīng)的下視角，并結(jié)合IMU記錄的平臺(tái)姿態(tài)數(shù)據(jù)校正距離空變、方位時(shí)變相位誤差；

(6)采用子空間投影方法[13]校正殘余的非空變、非時(shí)變相位誤差；

(7)采用濾波器組方法[7]進(jìn)行多通道信號(hào)重建，得到無(wú)模糊的單通道信號(hào)；

(8)最后采用調(diào)頻變標(biāo)(CS)算法進(jìn)行單通道數(shù)據(jù)成像處理，得到無(wú)模糊SAR圖像。

3 仿真與機(jī)載SAR數(shù)據(jù)處理結(jié)果

為了驗(yàn)證本文算法有效性，分別開(kāi)展仿真數(shù)據(jù)處理和機(jī)載多通道SAR試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理。首先，參照實(shí)際飛行試驗(yàn)中采用的方位多通道機(jī)載SAR系統(tǒng)設(shè)置仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)參數(shù)由表1給出。

假設(shè)平臺(tái)存在5°偏航角和3°俯仰角。在場(chǎng)景中設(shè)置5個(gè)點(diǎn)目標(biāo)，等間距分布，位于中間位置的點(diǎn)目標(biāo)高程為0，其他4個(gè)點(diǎn)目標(biāo)分別設(shè)置不同的高度，如圖6所示。

表1 仿真機(jī)載實(shí)驗(yàn)參數(shù)Tab.1 System parameters of the simulated airborne experiment

圖6 場(chǎng)景點(diǎn)目標(biāo)間距及高程設(shè)置Fig.6 Five points set in the simulated scene

圖7展示了仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果。圖7(a)給出的是未進(jìn)行通道失配校正的多通道信號(hào)重建結(jié)果。由于通道失配的影響，場(chǎng)景中5個(gè)點(diǎn)目標(biāo)均存在明顯的虛假目標(biāo)，分別分布在真實(shí)目標(biāo)方位向前后位置。由于虛假目標(biāo)的位置與目標(biāo)的最近斜距有關(guān)，對(duì)比A,B和C點(diǎn)不難發(fā)現(xiàn)位于距離向不同位置點(diǎn)目標(biāo)的虛假目標(biāo)與真實(shí)目標(biāo)的間距不同。同時(shí)，對(duì)比B點(diǎn)和E點(diǎn)可以發(fā)現(xiàn)，由于高程的影響，位于相同地距位置的點(diǎn)目標(biāo)在斜距圖像中出現(xiàn)在不同距離門(mén)中。

圖7(b)中給出平地假設(shè)條件下通道失配校正結(jié)果。可以發(fā)現(xiàn)，沒(méi)有高程的B點(diǎn)虛假目標(biāo)得到有效抑制。由于未考慮地形起伏影響，場(chǎng)景中A,C,D,E 4個(gè)點(diǎn)目標(biāo)仍然存在可見(jiàn)的虛假目標(biāo)。同時(shí)，高程較高的C點(diǎn)和E點(diǎn)，虛假目標(biāo)強(qiáng)度明顯高于高程較低的A點(diǎn)和D點(diǎn)。圖7(c)中給出考慮地形起伏條件下通道失配校正結(jié)果?？梢园l(fā)現(xiàn)，場(chǎng)景中A,B,C,D,E 5個(gè)點(diǎn)目標(biāo)對(duì)應(yīng)的虛假目標(biāo)均得到有效抑制。仿真實(shí)驗(yàn)中虛假目標(biāo)抑制的定量評(píng)估結(jié)果在表2中給出。

表2 仿真實(shí)驗(yàn)定量評(píng)估結(jié)果(dB)Tab.2 Quantitative assessment result of the simulation (dB)

圖7 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Experimental results of the simulation

中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所自主研制C波段方位4通道機(jī)載SAR系統(tǒng)，于2017年7月在舟山開(kāi)展飛行試驗(yàn)，主要系統(tǒng)參數(shù)在表3中給出。系統(tǒng)采用1發(fā)4收的工作方式，整個(gè)天線陣面發(fā)射信號(hào)，方位向均勻分成4個(gè)通道接收回波。圖8給出飛行過(guò)程中偏航和俯仰角度。

圖8 試驗(yàn)過(guò)程中的平臺(tái)姿態(tài)信息Fig.8 The attitude information recorded by the IMU

表3 C波段方位向4通道機(jī)載SAR實(shí)驗(yàn)參數(shù)Tab.3 Experimental parameters of the C-band azimuth four channel airborne SAR system

圖9 機(jī)載SAR數(shù)據(jù)處理結(jié)果Fig.9 Imaging results of the airborne SAR experimental data

圖9展示了方位4通道機(jī)載SAR試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果。圖9(a)給出的是未進(jìn)行通道失配校正的多通道信號(hào)重建結(jié)果。由于通道失配的影響，場(chǎng)景中存在明顯的虛假目標(biāo)，干擾圖像的正常判讀。特別是左岸煤炭碼頭停靠的干散貨船，散射強(qiáng)度較大，對(duì)應(yīng)的虛假目標(biāo)非常明顯。所選區(qū)域在方位向臨海，虛假目標(biāo)在平靜的海面上尤其明顯。圖9(b)中給出平地假設(shè)條件下通道失配校正結(jié)果。可以發(fā)現(xiàn)，虛假目標(biāo)的影響大大減弱。但是由于存在高程的山地影響，圖像中強(qiáng)散射的目標(biāo)仍然存在可見(jiàn)的虛假目標(biāo)。圖9(c)中給出考慮地形起伏條件下通道失配校正結(jié)果?？梢园l(fā)現(xiàn)，場(chǎng)景中虛假目標(biāo)均得到有效抑制。

4 結(jié)論

方位向多通道星載SAR是實(shí)現(xiàn)高分辨率寬幅成像的重要技術(shù)手段之一，機(jī)載方位多通道SAR是驗(yàn)證系統(tǒng)和算法有效性的必要手段。基于外部DEM輔助信息，本文提出一種適用于高程起伏條件下，方位多通道條帶SAR系統(tǒng)的通道相位失配校正方法。仿真實(shí)驗(yàn)表明算法能夠精確補(bǔ)償平臺(tái)姿態(tài)導(dǎo)致的通道相位失配。將本文算法應(yīng)用于機(jī)載多通道SAR實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，在高程起伏區(qū)域獲取了良好的通道一致性校正和重建處理結(jié)果，驗(yàn)證了本文算法的有效性。