地球同步軌道圓跡SAR研究

洪 文林 赟 譚維賢 王彥平 向茂生

(中國科學院電子學研究所 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

(中國科學院電子學研究所 北京 100190)

該文介紹了地球同步軌道圓跡合成孔徑雷達(Geosynchronous Circular SAR, Geo-CSAR)的概念，通過設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)對地的大面積定點連續(xù)觀測以及真3維信息獲取；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、災害監(jiān)測方面具有重要的應用前景。

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

1 引言

合成孔徑雷達(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已廣泛應用于資源勘查、災害監(jiān)測、海洋觀測、精細農(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應用領(lǐng)域的不斷拓寬和深入，越來越多的觀測任務對SAR的性能指標提出了更為苛刻的要求，例如軍事偵察、災害監(jiān)測等應用，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)對熱點區(qū)域的快速響應

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若干天，難以實現(xiàn)對熱點地區(qū)的快速響應。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，響應時間仍需6～18 h，不能從根本上解決響應速度問題。

(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，測繪帶寬也僅擴大數(shù)倍，此外，低軌SAR過頂時間短，通常為幾分鐘，對目標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)場和突如其來的災害來說，缺少實際應用價值。

(3) 只能獲取2維圖像，難以實現(xiàn)目標的精確定位和打擊

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、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)進行3維重建時[2]，航跡樣本數(shù)達上百條，實際使用僅為25條，此外，由于跨行向分辨率通常遠低于其他2維分辨率，需要采用計算復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)的重點區(qū)域進行凝視觀測，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)目標的精確3維定位。因此，Geo-CSAR可有效彌補現(xiàn)有低軌SAR的局限性，在全球性的軍事偵察、災害監(jiān)測等方面具有巨大的應用潛力。

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從概念面向應用需要突破的關(guān)鍵技術(shù)進行了討論。

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，通過雷達平臺圍繞觀測區(qū)域作圓周運動，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)能夠獲取目標在各方向的散射特征，有利于提高目標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)這些獨特優(yōu)勢，圓跡SAR在高精度測繪、災害評估和精細資源管理等領(lǐng)域具有鮮明的應用潛力，一經(jīng)提出便受到了廣泛的關(guān)注。

上世紀90年代至本世紀初，圓跡SAR成像技術(shù)的研究主要為成像機理研究，點目標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]等研究機構(gòu)相繼利用機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為場景中典型目標的細節(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，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的目標在常規(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，由于天線相對目標視角變化較大(例如，入射角為45°時，視角變化達到90°)，多數(shù)目標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。受當時天線工藝、發(fā)射功率和運載能力等技術(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)測和預警系統(tǒng)，噴氣推進實驗室(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

在無攝運動假設條件下，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Ω(表示軌道自南向北與赤道面的交點)；近地點幅角ω(表示升交點到近地點的夾角)；

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

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)的表達式為[23]：

其中，G代表格林尼治恒星時角，t為以近地點時間為零起始的時間變量，ψ為地球自轉(zhuǎn)角速度。通過設計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)的基礎上，通過設計較小的偏心率和傾角來實現(xiàn)近似圓形的衛(wèi)星軌跡。設軌道半徑誤差為δa=a–A，則當i,e和δa都較小時，式(1)可近似表達為[23]：

其中，λ0為起始時刻的經(jīng)度，表達式為：

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性，應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)目標區(qū)域的2維圖像，也可進一步形成同一目標區(qū)域的時間序列2維圖像，實現(xiàn)對熱點區(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的觀測視角變化較小(約為2i，通常不超過30°)，可以認為目標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)目標區(qū)域的高分辨3維圖像，實現(xiàn)重點區(qū)域的精細觀測。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)心的指標是地平面分辨率，該指標能更準確地反映SAR系統(tǒng)對地面目標的分辨能力。與低軌星載SAR相比，Geo-CSAR的成像幾何更為復雜，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的實時幾何關(guān)系。圖5給出了成像孔徑與地面目標之間的幾何關(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。

地距分辨率的表達式為：

地平面方位分辨率表達式為：

其中，角度γ為過目標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系下全孔徑與地面目標之間的幾何關(guān)系，通過此幾何關(guān)系可計算得到點目標波數(shù)域頻譜的支撐域，為分辨率的計算服務。x,y,z3個方向的波數(shù)kx,ky,kz的表達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)星到目標的距離，(xa,ya,za)為衛(wèi)星坐標，(xp,yp,zp)為目標坐標。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，對應到空間成像幾何，θa為Geo-CSAR圓形孔徑相對于目標的張角(如圖6所示)，且，

與圓環(huán)形頻譜對應的平面點擴展函數(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 點目標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，藍色圓環(huán)為衛(wèi)星軌跡，地球上的綠色圓環(huán)為星下點軌跡，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。此外，波束寬度只需達到2.5°，波束主瓣覆蓋區(qū)域面積即可達到300萬平方公里，相當于1/3的中國疆域，這些特點使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)，地平面分辨率達到7 m×7 m為2維成像模式的指標。圖9給出了滿足該指標要求的地球表面時間覆蓋度及星下點軌跡圖，其中黃色圓環(huán)為星下點軌跡，紅色箭頭示意了近地點時刻的星下點位置及運動方向。在滿足指標的條件下，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)處的點目標為例，給出其在不同時間序列圖像中的點擴展函數(shù)。在24 h訪問周期內(nèi)形成的48幅時間序列圖像中，滿足分辨率指標要求的時間序列編號為7～21和36～47，圖10展示了該目標在第10, 15, 20, 36, 41, 46這6個子孔徑中的地平面點擴展函數(shù)，可以看到，點擴展函數(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的視角變化約為2i，本參數(shù)下，視角變化約為23°，可以認為目標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。圖11給出了滿足指標要求的覆蓋區(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)處的點目標和東經(jīng)155°，緯度0°(星下點圓心)處的點目標為例，給出它們360°全孔徑合成的3維點擴展函數(shù)。

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

圖9 單顆衛(wèi)星時，達到2維成像指標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)的點目標的點擴展函數(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。圖13給出了4組衛(wèi)星的星下點軌跡，以黃色線條表示，近地點時刻的星下點位置及運動方向則以紅色箭頭標示。

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維成像模式下的點擴展函數(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)，覆蓋率達到地球表面總面積的92%，非覆蓋區(qū)(青色)處于兩極。

本文設計的組網(wǎng)衛(wèi)星除了能有效提高滿足成像指標要求的時間覆蓋度，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)測等應用，能更及時地監(jiān)測地球表面的細微變化，為地震預測、災害評估等應用提供重要數(shù)據(jù)。

圖13 8顆衛(wèi)星協(xié)同工作時，達到指標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)重點區(qū)域進行定點連續(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的高精度定軌和運動補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。

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洪 文(1968–)，女，1997年畢業(yè)于北京航空航天大學，獲工學博士學位。研究經(jīng)歷包括北京航空航天大學電子工程系副教授、德國宇航院雷達與微波技術(shù)所客座研究員等，現(xiàn)為中國科學院電子學研究所研究員，博士生導師，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數(shù)據(jù)處理及應用、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年獲得中國科學院電子學研究所博士學位，中國科學院電子學研究所助理研究員。研究方向為合成孔徑雷達3維成像技術(shù)、多角度SAR成像基礎理論與方法研究。

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

譚維賢(1981–)，男，2009年畢業(yè)于中國科學院電子學研究所，獲得工學博士學位，現(xiàn)為中國科學院電子學研究所副研究員。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)于中國科學院電子學研究所，獲得工學博士學位，現(xiàn)為中國科學院電子學研究所研究員。主要研究方向為極化干涉SAR數(shù)據(jù)處理、合成孔徑雷達3維成像體制等。

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

向茂生(1964–)，男，中國科學院電子學研究所研究員，博士生導師，研究方向為干涉合成孔徑雷達系統(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]. 雷達學報, 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基金(61431018, 61201404)資助課題

*通信作者： 洪文 whong@mail.ie.ac.cn