SAR成像模式發(fā)展綜述

朱　桐,周珊珊

(西安電子科技大學(xué) 電子信息攻防對抗與仿真重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安　710071)

?

SAR成像模式發(fā)展綜述

朱桐,周珊珊

(西安電子科技大學(xué) 電子信息攻防對抗與仿真重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安710071)

摘要由于傳統(tǒng)的SAR成像模式不能完全滿足人們對一些成像指標(biāo)的需求。文中提出了3種新興的SAR成像模式,包括滑動(dòng)聚束SAR、頂端成像SAR、地球同步軌道SAR (GEO SAR),并對這些模式下的算法進(jìn)行了深入的研究與分析,從而較大程度上改善了SAR成像的各項(xiàng)性能指標(biāo)。

關(guān)鍵詞滑動(dòng)聚束;頂端成像(TOPS);地球同步軌道SAR

傳統(tǒng)的SAR成像模式各自均有一定的優(yōu)點(diǎn)以及自身模式帶來的限制。滑動(dòng)聚束(Sliding Spotlighting)成像模式在方位向分辨率和測繪帶寬度得到一個(gè)良好的折中。TOPS(Terrain Observation by Progressive Scans)是一種新型星載寬測繪帶成像方法,其可獲得與常規(guī)掃描模式(ScanSAR)同樣的方位分辨率和更大的幅寬,同時(shí)克服了由方位角變化引起的模糊信號比(ASR)和信號噪聲比(SNR)的缺陷和扇形效應(yīng)。地球同步軌道合成孔徑雷達(dá)(GEO SAR)是一種將SAR有效載荷放置在地球同步軌道衛(wèi)星上的主動(dòng)式遙感傳感器。與傳統(tǒng)低軌SAR相比,具有重訪周期短、測繪面積寬及可視范圍廣等優(yōu)勢,應(yīng)用前景廣闊。然而新的模式下,原始的成像算法將面臨諸多問題。下面就這3種模式下成像存在的問題和目前已有的解決方案進(jìn)行總結(jié)。

1滑動(dòng)聚束合成孔徑雷達(dá)

在滑動(dòng)模式下,中心是不固定的,波束在方位方向上勻速滑動(dòng),以犧牲方位分辨率得到大的覆蓋面積。波束移動(dòng)導(dǎo)致成像區(qū)間的擴(kuò)大,可獲得比聚束雷達(dá)更大的成像場景?；瑒?dòng)聚束SAR模式下,波束速度vf大于或小于其平臺(tái)速度va,vfva時(shí)為逆向滑動(dòng)聚束模式?；瑒?dòng)聚焦模式為方位分辨率和方位場景擴(kuò)展提供了一個(gè)權(quán)衡方法[1]。

圖1　滑動(dòng)聚束模式

反向滑動(dòng)聚束模式(Converse Beam Cross Sliding Spotlight Mode)是另一種新型的滑動(dòng)聚束模式[1],其的波束速度vf和平臺(tái)速度是相反的,并在數(shù)據(jù)獲取時(shí)天線波束是交叉的。其證明了CBC滑動(dòng)聚束SAR不僅可與傳統(tǒng)的滑動(dòng)聚束一樣獲得相同方位分辨率,且可以增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力。

文獻(xiàn)[2]中提出了混合雙基地SAR系統(tǒng)。若發(fā)射機(jī)和接收機(jī)均使用滑動(dòng)聚束,其就被稱為雙滑動(dòng)聚束模式。由于巨大的混合雙基地系統(tǒng)平臺(tái)速度不同,所以衛(wèi)星系統(tǒng)工作在標(biāo)準(zhǔn)的滑動(dòng)模式下和安裝在飛機(jī)上的系統(tǒng)工作在反向滑動(dòng)聚焦模式下。

為實(shí)現(xiàn)方位向的處理,文獻(xiàn)[3]提出了一種新的方位變標(biāo)方法,其內(nèi)核與滑動(dòng)聚束和頂端模式完全相同。特別之處在于重點(diǎn)關(guān)注方位向信號的處理,假設(shè)距離單元徙動(dòng)已經(jīng)被校正,稱為基帶方位變標(biāo)(BAS)。方位變標(biāo)的頻譜分析法(SPECAN)的提出避免大量參考函數(shù)的使用。然而,滑動(dòng)聚焦模式仍存在一定的缺點(diǎn):(1)其需要額外的步驟,以準(zhǔn)確地進(jìn)行方位加權(quán);(2)當(dāng)使用頻譜分析法(SPECAN)方法時(shí),聚焦區(qū)域可能出現(xiàn)混疊。同樣,大多數(shù)TOPS模式下,使用頻譜分析法時(shí)均會(huì)出現(xiàn)混疊。

滑動(dòng)聚束SAR通過控制天線波束在地面上滑動(dòng)速度來增加方位相關(guān)累積時(shí)間。文獻(xiàn)[4]中提出模糊問題是SAR的一個(gè)系統(tǒng)問題,其相當(dāng)于一個(gè)固有噪聲,影響著成像結(jié)果。文中分析基于相控陣SAR系統(tǒng)設(shè)計(jì)的條帶SAR方位模糊信號比(AASR)表達(dá)式,介紹了滑動(dòng)聚束SAR的工作特點(diǎn)。

由于FSA可直接處理解頻調(diào)原始信號,文獻(xiàn)[5]提出了可使用FSA算法來處理滑動(dòng)聚焦場景?；瑒?dòng)聚焦是為了增加場景方位角的大小從而得到比聚束成像大,比條帶成像小的圖像分辨率。整個(gè)場景可通過分離成小場景妥善處理,然后使用EFSA聚焦每一個(gè)小場景。

2地形觀測逐行掃描(TOPS)合成孔徑雷達(dá)

TOPS(Terrain Observation by Progressive Scans)即地形觀測逐行掃描是一種新型星載寬測繪帶成像方案,其克服了由方位角變化引起的模糊信號比(ASR)和信號噪聲比(SNR)的缺陷,并在整個(gè)信號獲取期間通過方位波束轉(zhuǎn)向來克服扇形效應(yīng),本文在相同的方位天線模式下觀測所有的目標(biāo),因此扇形效應(yīng)消失,且方位模糊和信噪比在方位上是連續(xù)的[6]。

TOPS的優(yōu)點(diǎn)是:(1)其無需聚焦角度或波束形成的矩陣;(2)其不會(huì)在大的信噪比下產(chǎn)生偏差;(3)在低信噪比下,其比不相干法更好地整合了頻率區(qū)[7]。

圖2為標(biāo)準(zhǔn)頂端模式和逆頂端模式的幾何模型。類似于聚束/滑動(dòng)聚束模式,在幾何模型中其有一個(gè)固定的虛擬旋轉(zhuǎn)中心。然而,在標(biāo)準(zhǔn)頂端模式下,旋轉(zhuǎn)中心在傳感器的后面如圖2(a)所示。在逆頂端模式下,旋轉(zhuǎn)中心在傳感器和成像區(qū)域之間如圖2(b)所示[8]。

圖2　標(biāo)準(zhǔn)頂端模式及逆頂端模式幾何模型

TOPS(頂端模式)將天線旋轉(zhuǎn)到與聚束雷達(dá)相反的方向,導(dǎo)致了相反的效果,這是一個(gè)惡化的方向分辨率。文獻(xiàn)[9]指出頂部模式克服了掃描SAR模式中脈沖接收過程中由于天線沿軌道轉(zhuǎn)向造成的限制。掃描SAR有一些由目標(biāo)聚焦時(shí)方位天線模式不同所造成的缺點(diǎn)。

文獻(xiàn)[6]中提出了4種改進(jìn)CS算法的成像方法,由于頂端成像技術(shù)的原始數(shù)據(jù)和其他模式的唯一不同就是其方位信號分量,只有經(jīng)過預(yù)處理和后處理之后這些算法才適用于TOPS模式,但隨之增加了計(jì)算負(fù)擔(dān)。因此,文中需要一個(gè)專門的處理器來獲得有效的聚焦。

文獻(xiàn)[7]中指出非相干子空間方法(ISSM)是最簡單的處理寬帶信號方法之一。其將傳感器的輸出通過了一個(gè)濾波器組將寬帶信號分解為多個(gè)窄帶信號,然后應(yīng)用窄帶技術(shù),如MUSIC方法,獨(dú)立于濾波器組的輸出。故對所有頻點(diǎn)的結(jié)果進(jìn)行平均,得到最終的DOA估計(jì)。文獻(xiàn)[7]提出了基于正交子空間投影法的新的寬帶信號子空間DOA估計(jì)方法。不同于相關(guān)方法,匹配信號和噪聲子空間必須匹配以形成廣義協(xié)方差矩陣。頂端成像決定了與DOA相關(guān)的變化是否能夠?qū)崿F(xiàn)匹配。

文獻(xiàn)[10]介紹了多通道方位處理相關(guān)的新型掃描SAR和地形觀察逐步掃描(TOPS)系統(tǒng)的概念。調(diào)查顯示,多通道掃描SAR系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)超測繪帶寬度成像的高方位分辨率和緊湊天線長度。多個(gè)接收孔徑的新型的SAR系統(tǒng)可克服這一固有限制。文獻(xiàn)[11]提出了基于TOPS的寬帶DOA估計(jì),稱為“Squared-TOPS”(方頂模式)。Squared-TOPS兩次使用了轉(zhuǎn)換后的信號子空間和噪聲子空間,并對測試信號子空間和噪聲子空間的正交性進(jìn)行測試。方頂模式的優(yōu)點(diǎn)在于,在低信噪比條件下,與TOFS模式和TOPS模式相比分辨率得到了提高。

3地球同步軌道合成孔徑雷達(dá)

地球同步軌道合成孔徑雷達(dá)(Synchronous Synthetic Aperture Radar,GEO SAR)是一種將SAR有效載荷放置在地球同步軌道衛(wèi)星上的主動(dòng)式遙感傳感器。與傳統(tǒng)低軌SAR相比,具有重訪周期短、測繪面積寬、可視范圍廣等優(yōu)勢,應(yīng)用前景廣闊,然而其難點(diǎn)在于拋物線模型不適用于GEO SAR。地球同步軌道衛(wèi)星實(shí)際上是周而復(fù)始地運(yùn)行在一定傾角與偏心率的軌道上的衛(wèi)星,這樣衛(wèi)星與地球之間是存在相對運(yùn)動(dòng)的。說明GEO SAR滿足SAR成像的基本原理,平臺(tái)與地面目標(biāo)之間存在著相對運(yùn)動(dòng),能實(shí)現(xiàn)孔徑合成,獲得高質(zhì)量的SAR圖像。

圖3　GEO SAR系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)

文獻(xiàn)[12]討論了在拋物線原則和數(shù)學(xué)模型下來自飛行平臺(tái)的空間方位角誤差對GEO直接定位的影響,通過相位誤差和圖形像素的幾何失真,間接地影響相應(yīng)的GEO定位中?；贔.Leberl成像等式的SAR模型,高精度的全局差別定位系統(tǒng)(DGPS)以及導(dǎo)航記錄數(shù)據(jù),都是SAR GEO定位應(yīng)用中方便而經(jīng)典的技術(shù)。

文獻(xiàn)[13]中提出星載SAR成像中包含了由SAR圖像獲取幾何模型、成像模式、反射率特性和圖像形成過程中產(chǎn)生的固有GEO定位誤差。由于在SAR圖像獲取模型中產(chǎn)生的GEO定位誤差是不可避免的,本文應(yīng)在圖像的形成過程中考慮這些誤差并進(jìn)行校正。故使用GEO定位誤差校正方法來分析和校正方位偏差、地面距離非線性誤差以及定向誤差。

在將來的星載合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)中,例如0.3 m的高分辨率的星載合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)和地球同步星載合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng),“Stop-and-Go”假設(shè)的影響是不容忽視的,文獻(xiàn)[14]中給出了基于“Stop-and-Go”假設(shè)的精確斜距模型,接著提出了改進(jìn)的成像算法,從而對由“Stop-and-Go”假設(shè)引入的誤差以及彎曲合成孔徑軌跡的影響進(jìn)行補(bǔ)償。最后,基于廣義模糊函數(shù)和投影理論,明確任意方向的分辨率特征,同時(shí)可看出在地球同步軌跡星載合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)中,目標(biāo)點(diǎn)旁瓣方向的點(diǎn)分布函數(shù)的水平投影不再彼此正交。文獻(xiàn)[15]中考慮到信號傳播過程中衛(wèi)星和地球之間的相對運(yùn)動(dòng),在對地同步SAR中提出了傳播斜距的精確分析方法。具有較好時(shí)間分辨率的GEO?SAR,可克服現(xiàn)有成像系統(tǒng)的局限性,使瞬變現(xiàn)象的密度解釋GPS時(shí)序分析具有極小的空間密度數(shù)量級。文獻(xiàn)[16]重點(diǎn)關(guān)注赤道上成像的問題,分析了GEO SAR的覆蓋面積,分析了由經(jīng)典軌線模型和菲涅耳近似引入的誤差,主要推導(dǎo)了改進(jìn)的二次距離壓縮方法,從而對線性軌道產(chǎn)生的誤差進(jìn)行校正。

4結(jié)束語

在合成孔徑雷達(dá)的發(fā)展過程中,成像算法的改進(jìn)和革新是必不可少的。本文在傳統(tǒng)經(jīng)典成像模式的基礎(chǔ)上,對3種新興的成像模式包括滑動(dòng)聚束(Sliding Spotlighting,SAR),頂端成像(TOPS)SAR,地球同步軌道SAR(GEO SAR),及其算法進(jìn)行深入分析和概述,隨著技術(shù)的進(jìn)步,3種新興的成像模式得到了廣泛的應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)了功能、性能上的諸多改進(jìn)。本文對這3種新興的SAR成像模式的基本原理、幾何結(jié)構(gòu)、算法研究、誤差分析有一個(gè)全面的認(rèn)識,從而較大程度上改善了SAR成像的各項(xiàng)性能指標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

[1]Yin Canbin,Jia Xin,Qin Weidong.Investigation on converse beam cross sliding spotlight SAR[C].Tianjin:IEEE Conference Publications,2009.

[2]Ingo Walterscheid,Thomas Espeter,Joachim H G Ender.Performance analysis of a hybrid bistaticsar system operating in the double sliding spotlight mode[C].HI,USA:IEEE Conference Publications,2007.

[3]Pau Prats,Rolf Scheiber,Josef Mittermayer,et al.Processing of sliding spotlight and tops SAR data using baseband azimuth scaling[J].IEEE Journals & Magazines,2010,48(2):770-780.

[4]Xi Longmei,Sheng Lei,Ge Jialong East.Research on the azimuth ambiguity of phased array sliding spotlight mode SAR[C].NZ,USA:IEEE Conference Publications,2009.

[5]Donghyun Kim,Junghoon Keum,Moongyu Kim,et al.Spotlight SAR processor by using extended frequency scaling[C].CA,USA:IEEE Conference Publications,2009.

[6]Pau Prats,Rolf Scheiber,Josef Mittermayer,et al.A SAR processing algorithm for tops imaging mode based on extended chirp scaling[C].HI,USA:IEEE Conference Publications,2007.

[7]Yeo-Sun Yoon,Lance M Kaplan,James H Mcclellan.TOPS:new DOA estimator for wideband signals[J].IEEE Journals & Magazines,2006,54(6):1977-1989.

[8]Xu Wei,Huang Pingping,Wang Robert,et al.Tops-mode raw data processing using chirp scaling algorithm[J].IEEE Journals & Magazines,2014,7(1):235-246.

[9]Adriano Meta,Josef Mittermayer,Pau Prats,et al.TOPS imaging with terrasar-x:mode design and performance analysis[j].IEEE Journals & Magazines,2010,48(2):759-769.

[10]Nicolas Gebert,Gerhard Krieger.Senior and alberto moreira multichannel azimuth processing in scansar and TOPS mode operation[j].IEEE Journals & Magazines,2010,48(7):2994-3008.

[11]Okane k,Ohtsuki t.Resolution improvement of wideband direction-of-arrival estimation “squared-TOPS”[c].HI,USA:IEEE Conference Publications,2010.

[12]Pang a L,Qina y,Fanb h D,et al.Impact on airborne SAR direct geo-location from platform attitude parameters[c].London:IET Conference Publications,2009.

[13]Sun h Song,Soo h Rho,Chul h Jung,et al.Geo-location error correction for synthetic aperture radar image[c].HI,USA:IEEE Conference Publications,2010.

[14]Liu Zhipeng,Yao Di,Long Teng.An accurate focusing method in geo SAR[c].HI,USA:IEEE Conference Publications,2011.

[15]Hu Cheng,Liu Feifeng,Yang Wenfu,et al.Modification of slant range model and imaging processing in geo SAR[c].HI,USA:IEEE Conference Publications,2010.

[16]Paola Capaldo,Mattia Crespi,Francesca Fratarcangeli,et al.High-resolution SAR radar grammetry:a first application with cosmo-skymed spotlight imagery[j].IEEE Journals & Magazines,2011,8(6):1100-1104.

A Review of SAR Imaging Model Development

ZHU Tong,ZHOU Shanshan

(Key Laboratory of Electronic Information Defense and Simulation,Xidian University,Xi’an 710071,China)

AbstractTraditional SAR image modes can not totally satisfy the requirements of image performance.This paper puts forward three new modes of SAR imaging,i.e.,Sliding Spotlighting SAR,TOPS SAR,and geosynchronous orbit SAR (GEO SAR).The algorithms of the three image modes are discussed,which refine the properties of SAR image greatly.

Keywordssliding spotlighting SAR;TOPS SAR;GEO SAR

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.05.050

收稿日期:2015-08-05

作者簡介:朱桐(1991—),女,碩士研究生。研究方向:數(shù)字信號處理。

中圖分類號TN958

文獻(xiàn)標(biāo)識碼a

文章編號1007-7820(2016)05-187-04