基于星載合成孔徑雷達的環掃成像模式設計

李詩潤，劉 昕，楊娟娟，王萬林，牛文博

(中國空間技術研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

星載合成孔徑雷達(synthetic aperture radar,SAR)由于能夠全天時、全天候對地觀測，已經成為對地觀測衛星的重要手段。自1978年美國成功發射第一顆合成孔徑雷達衛星Seasat-1以來，在世界上掀起了主動式微波遙感對地觀測衛星的熱潮。歐洲、日本、俄羅斯、加拿大、中國等國家和地區相繼發射了自己的合成孔徑雷達成像衛星[1]。SAR在國土資源測量、海洋水文觀測、環境災害監視、地形測繪、軍事偵察以及其它領域發揮了越來越重要的作用。

隨著應用領域的擴大及星載SAR技術的發展，多種新型SAR成像模式在星載領域得到了演示驗證與實際的應用，除了傳統的條帶模式外，滑動聚束模式、掃描模式、馬賽克模式等新模式相繼出現[2]，其中，滑動聚束模式通過增加方位向波束駐留時間提高了方位分辨率，但成像區域較小，且無法連續觀測；掃描模式通過距離向波束掃描增加了觀測帶寬度，但降低了方位分辨率[3]；馬賽克模式綜合了滑動聚束模式與掃描模式的優點，在距離與方位上形成若干個高分辨率子圖像，而后再將這些子圖像拼接合成為一幅較大范圍的高分辨率圖像[4]。在衛星系統設計中，一般根據不同應用對成像分辨率和觀測帶寬度的不同需求來選擇成像模式，但無論哪種模式，通常的觀測帶寬度僅為幾十公里或上百公里，由于衛星飛行速度快，重訪周期長，對于具有廣域海面目標搜索或大面積地形測繪的應用需求來說，衛星的工作效率較低，時效性不強，這是制約當前多數微波遙感衛星應用的主要問題，例如國際上著名的SAR衛星SIR-C、ALOS、RadarSat-2等[5]均基于衛星獲取的數據開展了海上目標檢測的測試，但均停留在數據研究及試驗模式，無法作為衛星的應用模式[6-8]。

本文主要研究了一種基于星載合成孔徑雷達的環掃成像模式設計，簡稱環掃SAR成像，這種模式最大特點是天線能夠繞衛星的垂直軸快速旋轉實現環掃成像，利用合成孔徑雷達的成像原理，能夠在一次成像過程中獲取大面積的環狀目標區域圖像信息，通過合理的參數設計，可以實現對上千公里以上的范圍進行連續觀測，有效獲取場景內的有用信息，如大范圍內的船只搜索或地形輪廓測量等；首先介紹了環掃SAR成像的幾何模型與成像原理，然后對環掃SAR成像參數進行了分析，最后通過計算機仿真與環掃成像在軌獲取的圖像結果進行了有效驗證。

1 環掃SAR成像原理

1.1 幾何模型

在傳統的成像模式中，合成孔徑雷達的天線波束默認指向衛星的星下點方向，通過衛星的擺動實現側視成像，或者天線在安裝時其法線與衛星的星下點方向具有一定的傾角，通過天線的波束掃描能力來實現側視成像，如圖1所示。

圖1 傳統成像幾何模型—正側視條帶SARFig.1 Traditional imaging geometric model-positive side view strip SAR

在環掃SAR成像模式中，雷達天線在衛星平臺上傾斜安裝，并且具有繞衛星+z軸360°的掃描能力，將雷達天線的法線方向與衛星的星下點方向(衛星+Z方向)稱之為雷達下視角φ，將天線波束方向投影到地面上矢量與衛星星下點運行方向的夾角定義為方位角θ，天線波束掃描的角速度定義為ω，整個成像幾何模型如圖2所示。

圖2 環掃SAR成像幾何模型Fig.2 The circular scanning SAR-imaging geometric model

通過合理的幾何模型設計，可以將多個環形成像區域進行無縫拼接，從而將成像區域由數十公里拓寬為上千公里，這是傳統的成像模式無法企及的優點。

1.2 最優覆蓋設計

在環掃SAR成像過程中，一旦雷達天線波束在地面的瞬時覆蓋范圍確定以后，整個環掃覆蓋模型的變化主要是由天線的掃描角速度決定，當連續兩圈的波束覆蓋在星下點運動方向恰好實現拼接時，可以獲得最優的覆蓋設計，如圖3所示。

圖3 最優波束設計示意圖Fig.3 The schematic diagram of optimal beam design

(1)

式(1)中，ω為天線旋轉掃描的角速度(°/s)；VB為衛星星下點在地球表面上的運行速度(km/s)；Wr為雷達天線波束在地球表面上沿距離方向上的覆蓋寬度(km)。

由傳統SAR成像幾何模型可知，天線波束在地球表面上的覆蓋范圍與衛星的軌道高度及天線的波束張角等參數相關，如圖4所示。

圖4 條帶SAR成像波束覆蓋圖Fig.4 The strip SAR-imaging beam coverage

(2)

式(2)中，H為衛星的軌道飛行高度(km)；RE為地球的半徑(km)；θr為雷達天線的距離向波束寬度(°)，η為雷達天線中心法線方向的下視角(°)。將式(2)代入式(1)，便可以得出在滿足最優波束覆蓋時的雷達天線的旋轉角速度如下式。

(3)

當雷達天線的旋轉角速度滿足式(3)時，雷達天線波束的連續多圈覆蓋在星下點運動方向恰好實現拼接，若旋轉角速度過小會出現漏掃的情況，若旋轉角速度過大會出現覆蓋過度重疊的情況。

2 環掃SAR成像參數分析

對于環掃SAR成像來說，圖像的二維空間分辨特性與成像幅寬是最為關鍵的成像參數，下面對環掃SAR的空間分辨率與成像幅寬展開分析。

2.1 空間分辨率

通常情況下SAR圖像的空間分辨特性是二維的，用距離向分辨率和方位向分辨率來進行表征，對于環掃SAR成像模式，距離向分辨率與其他成像模式的實現方法一致，采用脈沖壓縮的方式實現，因此距離向分辨率由下式確定：

(4)

式(4)中，c為電磁波的傳播速度(m/s)，Br為發射信號帶寬(Hz)，θi為雷達波束在目標處的入射角(°)，若雷達天線在衛星上的安裝傾角固定，在衛星姿態不變的情況下，雷達波束相對于地面目標的入射角不變，則距離向分辨率為固定值。

環掃SAR成像模式的方位向分辨率和傳統條帶模式不同，與雷達天線的掃描方位角相關，不同方位角處的分辨率不同，如圖5所示[9-10]。

假設雷達波束內的兩個目標A和B，兩個目標到天線中心的距離相同、掃描角相同，方位角相差Δα，波束掃過目標的視在速度為v(m/s)。

圖5 環掃SAR成像波束圖Fig.5 The circular scanning SAR-imaging beam

A點處多普勒中心頻率為：

fdA=(2vcosψ)/λ=(2vcosαsinη)/λ

(5)

B點處的多普勒中心頻率為：

fdB=(2vcosψB)/λ=[2vcos(α+Δα)sinη]/λ

(6)

假設角度很小，則A、B兩個點目標的多普勒頻差為：

Δfd=fdA-fdB≈2vsinαsinη·Δα/λ

(7)

脈沖積累時間為Td，可分辨的多普勒頻譜寬度Δf=1/Td，由式(7)可知，對應的角度分辨率為：

(8)

因此，方位向分辨率為:

(9)

從式中可以看出，環掃SAR的方位分辨率隨著方位角不斷變化，在左右正側視的位置(α為90°或270°)分辨率最好，在前后視的位置(α為0°或180°)分辨率最差，接近于無窮大[9]。

一般情況下，環掃SAR模式的成像幅寬可達上千公里，成像范圍內的方位向分辨率的變化為幾十米至數百米，由于分辨率差異、成像場景的差異將整幅圖像拼接后的視覺效果將會受到一定影響。但環掃SAR的應用通常為廣域范圍內的目標檢測，例如對海洋、沙漠、草原等單一場景內包含的大型目標進行搜索，目標檢測可以不用獲得拼接完整的圖像，而是根據方位角的變化進行子圖像的劃分，此時每個子圖像內的分辨率基本相同，處理獲得子圖像后直接進行目標檢測，子圖像的大小可以根據系統的工作參數進行動態調整，以確保設置合理的檢測參數。

2.2 成像幅寬

環掃SAR成像模式能夠在一次成像過程中獲取大面積的環狀目標區域圖像信息，主要滿足在廣域搜索場景下的大視場覆蓋范圍的應用需求，因此，成像幅寬是其最為重要的指標，傳統的條帶SAR成像模式的地面幅寬Wr如1.2節中式(2)所示，而對于環掃SAR來說，定義衛星飛過成像區域時左右兩側最遠距離之間的寬度為成像幅寬，也稱之為刈幅，表示為Sw，如圖6所示。

圖6 環掃SAR成像幅寬Fig.6 The circular scanning SAR-imaging width

結合圖4與式(2)關系可知:

(10)

3 仿真與驗證

3.1 計算機仿真

仿真條件如表1所列。

表1 環掃SAR仿真條件

按照表1中所列參數，本系統采用環掃SAR成像實現廣域搜索場景下的大面積成像，要實現成像幅寬大于2 200公里，由圖6與式(10)可知，當衛星軌道高度與天線波束寬度確定后，成像幅寬主要取決于天線的下視角，此處取雷達下視角固定為59°，如圖7所示。

圖7 成像幅寬仿真結果Fig.7 Simulating results of the imaging-width

根據2.1節關于空間分辨率的分析，距離方向的分辨率取決于雷達發射信號帶寬，此處將發射信號帶寬設計為1 MHz，則距離向分辨率為175 m；方位向分辨率由式(9)可以得出與雷達掃描方位角的關系，如圖8所示。

圖8 方位分辨率仿真結果Fig.8 Simulating results of the azimuth-resolution

由圖8可以看出，當掃描方位角為90°和270°時，即左右正側視的位置，方位分辨率最高，優于100 m，當掃描到其他角度時，分辨率逐漸變差，當掃描方位角為0°和180°時，即正前視、正后視時的分辨率最差，在[12°～168°]與[192°～348°]的方位角范圍內可以滿足100～400 m的要求。

按照上文分析，可以通過式(3)求得在仿真條件下天線的最優掃描速度，圖9給出了在3種不同掃描速度下的環掃成像的地面覆蓋足跡在STK軟件中的仿真結果，圖9(a)的掃描速度為18°/s，為最優覆蓋足跡；圖9(b)的掃描速度為30°/s，此時地面覆蓋足跡存在比較大的重合，成像效率較低；圖9(c)的掃描速度為6°/s，此時出現了較大區域的漏掃。

圖9 不同掃描速度的覆蓋范圍Fig.9 The coverage of different scan speeds

3.2 驗證結果

根據前文對環掃SAR成像模式的分析，利用合成孔徑雷達成像的原理可以有效提升圖像的分辨率，圖10是某衛星利用環掃SAR成像模式獲取到的數據驗證結果，數據處理采用了子孔徑的處理方法[10]，圖10為某梯田場景，圖10(a)為實孔徑處理結果，方位向分辨率約5公里，圖10(b)為合成孔徑處理結果，方位向分辨率提高至200 m左右。

圖10 環掃SAR成像結果—梯田場景Fig.10 The results of the circular scanning SAR-imaging—terrace scene

圖11為某島嶼沿岸海域內目標分布的圖像，可以看出，經過合成孔徑處理后，目標被聚合為一個點，利用圖像數據可以對海上目標在廣域范圍內進行目標搜索與檢測。

圖11 環掃SAR成像結果—沿海場景Fig.11 The results of the circular scanning SAR-imaging—coastal scene

4 結論

傳統的SAR成像雷達由于衛星速度快、重訪周期等限制，難以獲取大的成像幅寬，在廣域搜索等應用領域無法發揮出優勢，本文針對合成孔徑雷達的特點，創新性的提出一種環掃SAR成像模式，通過分析環掃SAR成像的原理，得出環掃SAR成像的幾何模型及最優覆蓋設計，并分析了在環掃成像模式下的空間分辨率與成像幅寬的影響因素。通過具體的計算機仿真實例分析了成像幅寬及幾何分辨率的變化關系，并給出了環掃成像模式的實際在軌驗證結果。本文的工作目前主要集中在環掃成像雷達的工作原理及模式設計，后續工作希望針對此模式的具體應用及雷達工作性能參數開展研究。