基于幀頻的星載SAR系統視頻成像能力分析

易天柱,康利鴻,余曉剛,孫希龍,左斌,張越,曾理弌

北京市遙感信息研究所,北京 100192

1 引言

星載合成孔徑雷達(synthetic aperture radar,SAR)具備全天時、全天候及高分辨探測成像特點[1-2]。但傳統的星載SAR系統只能獲取靜態式圖片,無法對敏感區域的時敏目標開展持續性的監測[3-6]。星載SAR視頻系統通過大轉角實現波束在感興趣區域的大觀測視角變化,并通過一定的信號處理手段使SAR系統從照相式體制向攝像式模式轉變,有效拓展了星載SAR系統的時間維度信息,實現對時敏目標的動態監視[8-10]。

近年來的視頻SAR(video SAR,ViSAR)系統研究主要集中在機載平臺,圓跡聚束模式和直線聚束模式是機載SAR系統實現視頻成像的兩種主要工作模式[3-7]。機載視頻SAR系統代表性的是美國桑迪亞試驗室VideoSAR系統[11-12]和德國宇航局的MIRANDA35系統等[13-14],但由于機載平臺飛行高度較低,需抵近以實現對目標的探測,這會導致機載平臺生存率不高。星載SAR系統平臺的所處高度較高[5],火力打擊和反輻射打擊難度大,同時系統應用靈活多樣,可通過星載SAR系統發射電磁波束,無人機機載SAR系統作為接收系統可通過電磁靜默提升自身的生存率。目前國內外在軌的星載SAR系統數據持續增加,除芬蘭ICEYE公司2020年4月在Satellite 2020會議上首次公布的星載SAR視頻產品外[15],尚無明確用于視頻成像體制的星載SAR系統。

本文主要通過對星載SAR系統的視頻成像模式進行信號建模,分析當前星載SAR系統的視頻成像能力,提升星載SAR系統的應用潛能,同時為星載SAR系統設計提供相應的理論分析支撐。

2 星載SAR系統視頻成像模型

由于受萬有引力定律的限制,單基星載SAR系統一般而言通過滑動聚束模式實現波束的方位大轉角觀測,進而實現敏感區域的視頻動態監測[4]。

滑動聚束模式星載SAR信號模型如下:

(1)

式中:wr[?]為距離信號包絡;τ為距離快時間;c為光在真空中傳播的速度;b為線性調頻信號的調頻率;t為方位向慢時間;wa[?]為方位天線方向圖;Ta為聚束模式工作時長;λ為波長;R(t)為衛星與目標的斜距。

星載SAR滑動聚束觀測模式如圖1所示。

圖1 星載SAR滑動聚束觀測模式Fig.1 Space-borne sliding spotlight SAR mode

3 星載SAR系統視頻成像能力分析

衡量SAR視頻產品的參數有視頻幀率和幀圖像二維分辨率(距離向和方位向),其中距離向分辨率由SAR信號的發射帶寬決定:

(2)

式中:Br為SAR信號的發射帶寬;α為入射角。

由于SAR的方位向分辨率與孔徑積累角度有關,本文擬從視頻幀率的定義出發,推導星載SAR系統的視頻成像能力。

幀率是視頻的一個重要參數,表示為每秒圖片幀數,一般用Hz度量。由于SAR成像機理與光學瞬時凝視機理不同,需要一定變化的孔徑回波進行相干累積成像,因此SAR視頻的幀率是遠遠小于系統的脈沖采樣重頻(pulse repition frequency,PRF)。從數據使用的特性而言,SAR視頻的幀率可分為獨立幀率和交疊幀率。

3.1 獨立幀率的視頻SAR能力模型

設SAR視頻的獨立幀率為Frate_In,則在獨立幀率條件下的單幀圖像的合成孔徑時間為1/Frate_In,則系統在這一合成孔徑時間內的孔徑變化角度為:

(3)

式中:Vr為傳感器飛行的等效速度;Rc為傳感器到目標的斜距,根據回波的多普勒計算公式,可得在該合成孔徑時間內目標的等效多普勒帶寬可表示為:

(4)

式中:θb(η)為形成該獨立幀圖像時的起始觀測角度;η為方位慢時刻;θs(η)=θb(η)+θcohe_In/2為在該合成孔徑時間內的等效斜視角。對于較高頻段的SAR系統而言,由于一般幀圖像的孔徑積累角度較小,因此θcohe_In數值較小,式(4)可近似等效為:

(5)

結合方位分辨率ρa和式(3)(5)的表達式計算可得:

(6)

由式(6)可知,對于ViSAR系統而言,系統的載頻越高,傳感器與目標之間的等效轉動角速率Vr/Rc越大,幀圖像的方位分辨率越粗糙,SAR系統的視頻越容易獲得較高的獨立幀率。

3.2 基于孔徑交疊的視頻SAR能力模型

由式(6)可知,對于載頻比較低的SAR系統,需以犧牲方位分辨率為代價來獲得較高的獨立幀率SAR視頻。為同時兼顧幀圖像較高的方位分辨率和較高幀率的SAR視頻,本文討論了基于孔徑交疊的幀率設計?；诳讖浇化B的視頻SAR模型相比獨立幀率SAR成像模型,除了在相同分辨率向可以提升視頻SAR的幀頻;更重要的是,提升相鄰兩幀圖像的相關性,易于圖像配準和視頻變化的連續性?；诳讖浇化B的SAR視頻幀率設計如圖2所示。

圖2 基于孔徑交疊的SAR視頻幀率設計示意Fig.2 The frame rate of video SAR based on overlapped sub-aperture

其中Frate_ov為指定的SAR視頻幀率,所指定的SAR視頻幀圖像方位分辨率為ρa_ov,由方位分辨率的數值計算關系可知,在指定方位分辨率情況下的孔徑積累時間Ta_ov為:

(7)

式中:Ka為方位向調頻率。設所指定的SAR視頻幀率為Frate_ov,則在指定幀率下的SAR孔徑交疊率設為κ:

(8)

在機載模式下,式(8)表明運動自由度較高,參數可以根據系統成像需要進行調整,在星載模式下,受運動定律的約束,平臺的飛行高度和等效飛行速度之間存在相應的耦合關系。設衛星的軌道高度為H,地球為介質均勻分布的球體,軌道類型為近圓軌道,其飛行地距幾何示意如圖3所示,設衛星朝紙面內飛行。

圖3 衛星飛行地距幾何Fig.3 The flight geometry of satellite

γ為下視角,結合余弦定理和萬有引力定律,衛星的等效飛行速度可表示為:

(9)

式中:G為萬有引力常數;Mearth為地球質量;Rearth為地球的平均半徑;Vs為衛星的飛行速度;Vg為波束在地面的運動速度。實際上,孔徑交疊率需滿足0<κ<1,結合式(9),式(8)可表示為:

(10)

4 數值仿真

為驗證低軌SAR衛星的視頻成像能力,本文對X波段和Ka波段的低軌衛星進行數值仿真,仿真參數如表1所示。

表1 星載視頻SAR系統X/Ka頻段仿真參數Table 1 The simulation parameters of spaceborne X/Ka band video SAR

仿真結果如圖4～7所示,可以看出,在表1的工作參數條件下,X頻段和Ka頻段的星載SAR系統具備視頻成像能力。X/Ka頻段的星載SAR在形成幀圖像方位分辨率為0.5m較高分辨率的SAR視頻時,所需的孔徑交疊率較高;對于Ka頻段的星載SAR系統,在形成方位分辨率為1～2m,幀率為5Hz的SAR視頻時,所需的孔徑交疊率相對于X頻段要低很多。

圖4 X頻段SAR系統0°中心斜視角不同方位分辨率下的孔徑交疊率Fig.4 The overlapped rate of X band SAR system in 0° squint angle

圖5 Ka頻段SAR系統0°中心斜視角不同方位分辨率下的孔徑交疊率Fig.5 The overlapped rate of Ka band SAR system in 0° squint angle

圖6 X頻段SAR系統30°中心斜視角不同方位分辨率下的孔徑交疊率Fig.6 The overlapped rate of X band SAR system in 30° squint angle

圖7 Ka頻段SAR系統30°中心斜視角不同方位分辨率下的孔徑交疊率Fig.7 The overlapped rate of Ka band SAR system in 30° squint angle

從圖4～7對比可以看出,在相同工作條件下,SAR系統的頻率越高,在形成相同幀率的SAR視頻時,所需的孔徑交疊率越小,越容易形成獨立幀率的SAR視頻。在表1的工作參數條件下,Ka頻段星載SAR系統在幀圖像方位分辨率約為2.2m時便可形成獨立幀率為5Hz的星載SAR視頻。

另外,在形成相同方位分辨率幀圖像的SAR視頻時,相同的SAR系統在不同斜視角下所需的孔徑交疊率不同,中心斜視角越大,所需的孔徑交疊率越大。

5 結論

本文基于視頻SAR信號的回波模型,對星載SAR系統的視頻成像能力展開推導、分析,提出了一種基于幀頻的適合分析星載SAR系統視頻成像能力的模型。分別從獨立幀頻和孔徑交疊的角度對星載SAR系統的視頻成像能力進行分析。

通過仿真分析,在相同工作條件下,視頻SAR系統的頻率越高,在形成相同幀率的SAR視頻時,所需的孔徑交疊率越小,越容易形成獨立幀率的SAR視頻。此外,在形成相同方位分辨率幀圖像的SAR視頻時,中心斜視角越大,所需的孔徑交疊率越大。