SAR 成像技術(shù)在高分三號衛(wèi)星的應(yīng)用

王向春

（廈門精圖信息技術(shù)有限公司，福建 廈門361008）

1 概述

SAR 即合成孔徑雷達，有聚焦和非聚焦兩種，聚焦SAR 的分辨率高，適合應(yīng)用在大面積和遠距離的影像采集，但是其設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜且研發(fā)難度高；非聚焦SAR 的分辨率與其波長和目標(biāo)距離成正比例關(guān)系，設(shè)備結(jié)構(gòu)相對簡單。自上世紀(jì)八十年代，國內(nèi)外就已經(jīng)對SAR 成像技術(shù)進行研究，2000年后隨著多個國家的SAR 衛(wèi)星升空后，國內(nèi)外涌現(xiàn)出SAR 成像的多種新型技術(shù)和方法。

我國高分三號衛(wèi)星在2016年升空，是首顆分辨率達到1m 的SAR 衛(wèi)星。因為SAR 具備不受光照和惡劣天氣影響的優(yōu)勢，多被用作地表災(zāi)害監(jiān)測用途。高分辨使得影像中可獲取的地表目標(biāo)物體的結(jié)構(gòu)和形狀特征數(shù)據(jù)會更多，但是對于多次散射和疊影的影像，可獲取的數(shù)據(jù)精度仍難有待提高[1-2]。國外學(xué)者提出將壓縮感知理論應(yīng)用在合成孔徑雷達成像技術(shù)中，通過論證分析獲知該方法應(yīng)用下影像分辨率獲得顯著提升[3]。作者團隊所在的廈門精圖信息技術(shù)有限公司，從2009年開始，就參與了多個國家發(fā)改委衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)化重大專項，技術(shù)內(nèi)容涵蓋了衛(wèi)星遙感、衛(wèi)星導(dǎo)航、衛(wèi)星通信等多個方面。

2 SAR 信號模型

SAR 信號由距離信號和方位信號組成，在SAR 距離信號的距離脈沖為：

式子（1）中Tr為脈沖時間，Kr為距離向調(diào)頻，f0為中心頻率，τ 為參考原點。反射波能量為地面反射系統(tǒng)δr和距離脈沖的乘積，如式子（2）所示：

假設(shè)目標(biāo)距離雷達距離為R0，空氣散射系數(shù)為σ0，幅度為A，那么式子（2）中的δr=A×（τ-（2R0÷c）），其中c為光速，（2R0÷c）為信號延遲，所以該目標(biāo)的接收信號為：

式子（3）中? 為信號相位改變，由于SAR 天線在方位上沒有加權(quán)，所以方向信號可以近似為sinc 函數(shù)：

式子（4）中θ 為測距平面與視線夾角，βbw=0.886θλ÷Lα，Lα為方位天線長度。雷達波束在發(fā)射和返回過程中，接收信號強度為式子（4）的平方獲得，方位時間η 的函數(shù)為：

式子（5）中θ 與方位時間的關(guān)系為sinθ=-（Vη÷Rη），那么監(jiān)測目標(biāo)的接收信號：

式子（7）中復(fù)常數(shù)A0=Aexp（jθ）。

SAR 利用天線和監(jiān)測目標(biāo)之間的相對移動，將合成孔徑原理應(yīng)用在雷達成像設(shè)備設(shè)計中，解決高分辨率中天線與波長之間的矛盾，在遙感影像獲取應(yīng)用中具有巨大潛力。

3 SAR 成像方法

SAR 的成像參考坐標(biāo)系分為x 軸的方位向，y 軸的地距，z 軸的高度向，另外還包括層析向s 和斜距向r，如圖1 所示。SAR 復(fù)數(shù)影像中的每個像素都是散射信號沿高程的積分[4]。

圖1 SAR 成像坐標(biāo)原理圖

與傳感器斜距相同的多個地表監(jiān)測目標(biāo)，形成像素的復(fù)數(shù)觀測值，在建筑物密集且高度相似的城市中尤為常見。因為當(dāng)前SAR 的分辨率已經(jīng)達到米級，假如通過SAR 層析成像，那么高程向的分辨率即可獲得求解。利用相同軌道并且從相近位置點進行采集的影像，通過SAR層析技術(shù)將不同的散射體進行分離。

在SAR 復(fù)數(shù)影像的數(shù)據(jù)庫中，第n個像素的復(fù)數(shù)值為：

式子（8）中[-δmax，δmax]為信號分布范圍，ξn為空間采樣間隔，由ξn=-2bn÷（λ·r）計算獲得，經(jīng)過L 次離散采樣，那么式子（8）離散為：

式子（9）中G 為第N個像素的復(fù)數(shù)觀測值，K 為N×L 階矩陣，γ 為離散采樣，ε 為噪聲。式子（9）的計算方法可以用頻譜估算法，將信號獲取算法應(yīng)用到SAR 成像領(lǐng)域。

4 SAR 成像應(yīng)用

經(jīng)過了十多年的快速發(fā)展，我國已經(jīng)形成了國產(chǎn)高分辨率觀測體系，包括高分一號、高分二號、高分三號雷達衛(wèi)星、高分四號靜止軌道衛(wèi)星、高分五號高光譜衛(wèi)星、高分六號、高分七號、環(huán)境系列衛(wèi)星、天繪衛(wèi)星、實踐九號、資源系列衛(wèi)星、高景一號衛(wèi)星等[5]，其中高分三號衛(wèi)星應(yīng)用了SAR 成像技術(shù)。

高分三號衛(wèi)星的SAR 具有十二種成像模式，不僅涵蓋了條帶和掃描功能，并且在全球觀測、聚束、波浪和高低入射角等多種模式的切換，具備一星多用的效果。高分三號衛(wèi)星的空間分辨率從1米到500米，是C 頻段分辨率最高的衛(wèi)星系統(tǒng)。高分三號衛(wèi)星的SAR 幅寬從10 公里到650公里，能夠承擔(dān)大范圍普查的任務(wù)，陸地上的街道及海洋中的船艦，均能夠在影像中清晰的分辨。由于SAR 的特殊成像優(yōu)勢，高分三號衛(wèi)星在獲取影像時不受惡劣天氣的影響，成為高分專項工程中執(zhí)行全天候全天時觀測任務(wù)的核心衛(wèi)星，為防災(zāi)減災(zāi)和水利氣象等多個領(lǐng)域的工程提供基礎(chǔ)觀測數(shù)據(jù)。（圖2）

圖2 SAR 影像示例圖

5 結(jié)束語

高分辨率和高識別能力是當(dāng)前SAR 成像技術(shù)的熱點和趨勢，SAR 在地表目標(biāo)監(jiān)測影像分析中的多維特征解析方面具有獨到的優(yōu)勢。建立合適的SAR 信號模型可以使影像獲得精細分析，并作為未來影像自動解析的基礎(chǔ)。通過SAR 成像技術(shù)在高分三號衛(wèi)星上的應(yīng)用，可獲知多影重疊是SAR 影像分析的難點。構(gòu)建高分辨率SAR散射模型，有利于明確SAR 目標(biāo)散射特征的形成機制。未來借助多角度視向和光學(xué)遙感數(shù)據(jù)，可以進一步改善SAR 成像效果，推動高分系列衛(wèi)星在目標(biāo)監(jiān)測中的應(yīng)用。