基于DBF技術的高分辨率寬測繪帶星載SAR系統研究

劉亞東 陳倩

（1 北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）（2 中國科學院電子學研究所，北京 100190）

1 引言

合成孔徑雷達（SAR）作為一種成像雷達，空間分辨率和測繪帶寬是其最為重要的兩個性能指標。然而，傳統的星載SAR 系統都受制于最小天線面積的約束，空間分辨率和測繪帶寬不能同時提升［1］。后續提出的各種新的成像模式，包括聚束模式（Spotlight）、掃 描 模 式（ScanSAR）、馬 賽 克 模 式（Mosaic）等，只是針對不同應用需求在兩者之間進行一定折中［1-2］，并沒有從本質上解決上述固有矛盾。

為了實現更廣泛的應用需求，獲得更高的SAR圖像性能，新一代星載SAR 系統必須突破高分辨率寬測繪帶（HRWS）這個傳統瓶頸。基于數字波束形成（DBF）技術的新型星載SAR 成像體制，能夠從真正意義上解決分辨率與測繪帶之間的矛盾，實現HRWS成像。國內對基于DBF 的SAR 系統的研究起步較晚，但也取得了一些理論和實踐成果。西安電子科技大學的李真芳博士等重點研究了偏置相位中心方位多波束（DPC-MAB）SAR 系統的方位向后DBF技術，利用多通道機載數據進行了驗證［3］。中國科學院電子學研究所的王小青博士研究了基于距離向多孔徑接收實現寬測繪帶的方法，陳倩博士等研究了多發多收SAR 在HRWS方面的應用，并利用機載實測數據進行了驗證［4］。成都電子科技大學的王文青博士研究了基于DBF 的臨近空間寬測繪帶成像［5］。

本文針對高分辨率和寬測繪帶的矛盾，重點研究了典型的基于DBF 技術的HRWS星載SAR 系統。根據成像指標要求的不同，將這些系統分為中等分辨率、超高分辨率和超寬測繪帶三類，并針對這些應用場合對現有基于DBF的HRWS星載SAR體制進行了分類梳理與研究。最后，本文分析歸納了基于DBF技術的HRWS星載SAR系統關鍵技術與研究重點，作為未來HRWS星載SAR系統發展的若干建議。

2 數字波束形成技術

對于平板相控陣天線，傳統的模擬波束形成（ABF）利用射頻（RF）波束開關或者帶有幅相調節功能的收發（T／R）組件，形成一個或少數幾個特定指向的波束。其缺點在于：天線硬件需求量大，需要一定的反應時間，且指向精度完全依賴于硬件，工作效率較低。隨著高性能計算機、大規模集成電路和數字信號處理技術的發展，20世紀90年代提出將DBF應用于平板相控陣天線，以提高波束形成的靈活性與精確性，同時減少硬件需求量。圖1為平板相控陣天線DBF的工作原理圖。T／R 組件不再包括幅相加權模塊，而只負責解調和A／D 轉換，將各個通道信號變換到數字域，之后傳遞給數字信號處理（DSP）模塊進行數字域的濾波和幅相加權等處理，最終實現特定指向的波束形成。根據加權系數選擇方式不同，將DBF 分為非自適應［3-4］和自適應［3-8］兩大類。

由于DBF要對不同通道信號進行獨立A／D 采樣與數字域的加權處理，因此DBF 與多通道SAR系統這兩個概念是相互依賴、相互統一的。廣義的DBF處理包括星上實時的DBF 和星下的后DBF。前者一般應用于通道數較多、運算較為簡單、數據量較大且不易下傳的情況，而后者一般應用于通道數較少、需要后續精處理的情況。在HRWS 星載SAR系統設計中，兩類DBF 都有重要的應用價值。圖2和圖3分別為這兩類DBF的典型應用場合。

圖1 平板相控陣天線DBF原理Fig．1 DBF principle based on planar phased array antenna

圖2為距離向DBF掃描接收（SCORE）的工作原理圖。為了實現距離向的寬測繪帶，采用部分孔徑發射形成一個寬波束覆蓋的整個寬測繪帶，接收端采用較長的俯仰向天線進行星上實時DBF接收，將長天線分為多個俯仰向接收子孔徑，通過實時計算各子孔徑DBF加權系數，產生高增益窄波束跟蹤地面回波，在保證收發天線增益的同時能有效抑制距離模糊［5-9］。

圖2 距離向掃描接收技術原理Fig．2 SCORE technique in elevation

圖3為DPC-MAB SAR 的工作示意圖。為了保證一定的測繪帶寬，選擇低于方位多普勒帶寬的脈沖重復頻率（PRF），在方位向上將整副相控陣天線分為N個接收子孔徑，每個子孔徑通過星上ABF網絡形成N個偏置相位中心的方位向接收波束，利用多通道（對應為N通道）下傳鏈路將數據下傳到地面，同時保留各個通道的獨立信息，在地面完成較為復雜的多通道后DBF處理，從而實現多通道方位信號重構。

圖3 方位向DPC多通道后DBF處理示意圖Fig．3 Post-DBF processing for DPC-MAB SAR

除了基于平板相控陣天線的DBF原理，基于數字陣列饋源的反射面天線同樣可以實現距離向DBF掃描接收（見圖4）。相比相控陣天線，該反射面天線實現DBF 的過程更為簡單，硬件需求也更小，只要通過設置一定的門限，選通回波方向對應的陣列饋源單元對其接收信號進行求和，即可實時跟蹤回波方向。反射面天線在寬幅成像應用場合下具有較大優勢［10-12］。

圖4 數字陣列饋源的反射面天線數字波束形成原理圖Fig．4 DBF technique based on reflector antenna

3 基于DBF技術的新體制HRWS星載SAR 系統

根據在不同應用場合下對分辨率和測繪帶寬的不同需求，可以將HRWS星載SAR 系統分為超高分辨率、中等分辨率和超寬測繪帶，如圖5所示。本節主要針對這三類應用場合分別介紹其適用的新體制SAR 系統的工作原理。這些系統基于新一代智能化多孔徑天線技術（SMART），有效克服了傳統高分辨率與寬測繪帶之間的矛盾，在未來的遙感領域具有重要的應用價值。

圖5 針對不同應用要求的新體制HRWS星載SAR系統Fig．5 New HRWS space-borne SAR systems for different application requirements

3．1 中等分辨率成像體制

在HRWS星載SAR 系統研究領域，最早提出的基于多波束的解決方案包括DPC-MAB［3-8］，SPCMAB和MEB［1，13-14］幾類，它們都適用于植被監測、艦船檢測等中等分辨率和中等測繪帶寬的SAR 應用場合。其基本思想是：在傳統單波束體制的基礎上，通過增加接收波束的個數來成倍獲取地面信息，從而降低分辨率或測繪帶寬對PRF的要求。然而，SPC-MAB和MEB方案具有子波束間相互干擾嚴重的缺點，因此往往不能滿足SAR 成像性能的需求。后來提出的STWE 波形和距離向SCORE 接收的先進技術，較好地解決了子波束之間的干擾問題，使這兩種關鍵技術應用到傳統的多波束方案中，能進一步提升SAR 系統性能。圖6 為改進后的DPC-MAB DBF SAR、STWE-SPC-MAB DBF SAR和MEB DBF SAR。

圖6 適用于中等分辨率的HRWS星載SAR 系統工作原理Fig．6 HRWS space-borne SAR system with middle resolution

在DPC-MAB DBF SAR 體制下，天線在方位向和距離向尺寸往往較大，且采用方位距離二維多通道的構型。發射端通過激活部分子孔徑產生距離向和方位向的寬波束，保證一定的方位分辨率和測繪帶寬，同時，為了保證測繪帶回波能在同一個接收窗內被完整接收，系統工作在較小的PRF；接收端利用整副天線的全部孔徑同時進行回波接收，距離向通過實時調整DBF 網絡多個子孔徑的加權系數來控制波束指向，產生一個高增益的筆狀窄波束，對回波進行跟蹤、掃描、接收，方位向獲得多個通道的回波，下傳到地面進行方位向多通道的重構處理，消除采用較小PRF 導致的單通道回波多普勒混疊現象。因此，該體制可認為是距離向實時DBF和方位向后DBF的充分結合，一方面通過方位重構處理抑制方位模糊，另一方面通過距離向窄波束接收抑制距離模糊。

在STWE-SPC-MAB DBF SAR體制下，方位向采用空時編碼波形，即在每個發射窗內通過方位向實時DBF依次產生多個不同指向的子波束，照射方位向不同區域，同時依次發射多個子脈沖信號。由于采用空時編碼波形，接收窗內每個時刻不同方位區域的回波來自不同的距離門，因此，可以利用距離向的多個高增益窄波束同時進行掃描接收，利用空域的分離更大程度上抑制不同子波束之間的干擾。這樣，接收端可以得到多個通道的回波信號，不同通道對應方位向不同指向（即不同多普勒頻率），因此后續可以通過方位向多個通道頻譜合成實現高分辨率。

MEB DBF SAR 體制采用距離向較長的SAR天線，發射端只激活一小部分天線單元產生距離向和方位向的寬波束，為了保證方位模糊比，系統工作在較高的PRF。接收端采用距離向多個子波束同時進行DBF掃描接收，壓縮了寬測繪帶回波在接收窗內的散布時間，保證了距離模糊比性能。不過，該體制的缺點在于，受發射窗干擾影響，在不同子測繪帶之間會存在一定的測繪盲區。

3．2 超高分辨率成像體制

在偵察、目標識別等應用中，對SAR 圖像分辨率要求較高。例如，要詳細描述導彈、車輛等目標，至少需要厘米級的超高分辨率。對于條帶模式，要實現高分辨率會導致方位向收發天線孔徑過小，從而造成方位模糊比的上升和天線增益的下降，同時額定峰值功率也變小，因此，對于超高分辨率的需求，條帶模式具有較大缺陷。結合滑動聚束SAR合成孔徑時間長的優點，以及方位向多波束可有效降低系統工作PRF的優勢，可以采用多波束滑動聚束模式來實現超高分辨率的HRWS星載SAR系統設計。

較為實用的多波束滑動聚束SAR，包括DPCMAB滑動聚束體制和STWE-SPC-MAB滑動聚束體制，如圖7所示。與第3．1節中介紹的條帶工作模式不同，這兩種多波束滑動聚束體制天線在方位向都具備掃描能力，而滑動聚束的原理就是利用天線沿逆航跡向的勻速掃描增加目標合成孔徑時間，從而提高方位向分辨率。因此，上述兩種方案均可利用方位向較長的天線實現高分辨率，克服條帶模式在超高分辨率成像方面的不足。當然，與傳統滑動聚束SAR一樣，多波束滑動聚束SAR也面臨著方位向成像區域的間斷性問題，但很多場合并不一定需要方位向連續成像，因此仍具有重要的應用價值。

圖7 適用于超高分辨率的HRWS星載SAR工作原理圖Fig．7 HRWS space-borne SAR systems with ultra-high resolution

DPC-MAB滑動聚束SAR 和第3．1 節中的條帶模式類似，都采用方位向分離相位中心的多個子孔徑同時接收回波，距離向采用SCORE 技術進行掃描接收，兩者的主要區別在于方位向是否掃描。在滑動聚束模式下，由于天線在方位向的掃描，場景回波的多普勒中心隨方位時間發生變化而造成多普勒混疊，因此方位向多通道重構處理變得更加復雜，要采用有別于條帶模式的新的算法進行方位解混疊。

STWE-SPC-MAB滑動聚束SAR 也是在第3．1節中條帶模式的基礎上加入了天線方位向的掃描，同樣存在由天線指向變化引入的多普勒混疊，因此，不能直接進行多通道頻譜拼接，必須進行一定的預處理來抑制多普勒混疊。

綜上所述，在分辨率要求較高的HRWS 應用場合，多波束體制與滑動聚束模式相結合，一方面，增加了相同尺寸天線對應的合成孔徑時間，從而提高方位分辨率；另一方面，采用多波束接收，有效降低了系統工作的PRF，從而保證一定的測繪帶寬，因此具有重要的實用價值。

3．3 超寬測繪帶成像體制

在海洋動力環境監測等應用中，需要的成像帶寬往往高達幾百千米，若采用傳統條帶工作模式，很難選出甚至根本無法選出合適的波位，因此必須采用新的模式或新的工作體制，才能實現超寬測繪帶成像。圖8給出了幾種適用于超寬測繪帶成像的SAR 系統設計方案。其中：圖8（a）為第3．1節介紹過的MEB條帶模式，它的缺點在于發射窗干擾導致測繪盲區的存在。圖8（b）是DPC-MAB 掃描模式，犧牲方位向的分辨率換取測繪帶的擴展，不同的子測繪帶工作在不同的PRF，因此可以實現超寬測繪帶的無縫覆蓋。需要強調的是，可以將傳統ScanSAR 模式與MEB 相結合，通過MEB 降低系統工作的PRF，從而減少所需脈沖串（Burst）的個數。圖8（c）是DPC（SPC）-MAB＋MEB 掃描模式，它結合了MEB的ScanSAR 模式，通過增加距離向波數個數減少ScanSAR 所需Burst 個數，不同Burst選用不同的PRF實現測繪帶無縫覆蓋。若將圖8（c）中PRF 的個數取得足夠密、足夠多，就演變為極限形式，即圖8（d）中的VPRF＋MEB條帶模式和VPRF＋DPC（SPC）-MAB＋MEB條帶模式，通過連續改變PRF進而連續改變測繪盲區的位置，因此不會有完全不被照射到的區域，只是少數區域會發生接收脈沖部分丟失的現象，要通過后續方位向的進一步處理進行增益補償。需要指出的是，在圖8的幾種體制下，接收端均可以采用距離向SCORE接收，有效抑制距離模糊［15-16］。

圖8 幾種適用于超寬測繪帶的SAR 體制Fig．8 Several SAR systems with ultra-wide swath

另外，數字陣列饋源的反射面天線對于實現距離向多波束有著明顯優勢，其采用集中饋電方式，能夠同時產生多個高增益的子波束覆蓋不同的子測繪帶，且接收端可以簡便地實現星下點回波抑制和多個子測繪帶的DBF掃描接收，如圖9所示。

綜上所述，利用多波束的ScanSAR 工作模式，或者采用VPRF的多波束條帶工作模式，均可有效克服超寬測繪帶帶來的測繪盲區問題，提高HRWS星載SAR 系統的成像性能。當然，其系統硬件復雜度也會相應變大，且信號處理過程變得更加復雜。

圖9 基于數字陣列饋源天線的兩種超寬幅HRWS星載SAR 系統Fig．9 Two ultra-wide swath HRWS space-borne SAR systems based on reflector antenna with digital array feed

4 結論及建議

針對傳統星載SAR系統高分辨率與寬測繪帶兩個核心成像指標之間的矛盾，本文分類研究了基于DBF技術的HRWS星載SAR 新體制。它們均以智能化多通道天線構型和DBF技術為基礎，通過提高系統復雜度實現星載SAR 成像性能的提升，可從根本上解決傳統的HRWS固有矛盾，并且具備更為靈活的系統功能模式。在未來HRWS星載SAR 系統的發展中，建議將以下幾項關鍵技術作為研究重點。

（1）智能化多孔徑天線技術。相對于傳統星載SAR 系統，本文討論的幾種基于DBF 的HRWS星載SAR 體制對天線均提出了較高要求，要具備距離向和方位向的實時掃描能力，有較高的指向精度要求。實現實時的零陷抑制或其他自適應的波束形成，就要求天線具備更復雜的波束形成網絡和更成熟的波束賦形技術。此外，由于距離向和方位向實現DBF 需要的通道數和T／R 組件數目較多，對天線尺寸、質量有較高要求，因此對衛星平臺的承載能力提出了挑戰。

（2）方位向多通道預處理技術。為提高測繪帶寬，往往采用較小的PRF，因此單個通道獲得的SAR數據在方位頻域是混疊的。方位向多通道數據的聯合處理，是獲得高性能、高分辨率SAR 圖像的關鍵。在方位向多通道SAR 成像時，首先要將多個通道數據整合成單路數據，且保證方位向的過采樣率，后續直接利用現有單通道成像算法即可得到圖像。

（3）距離向實時DBF技術。為較大幅度地提升距離向模糊性能和天線增益，距離向實時DBF技術成為上述所有HRWS新體制的共用關鍵技術。通過A／D 采樣變換到數字域后，按一定算法進行數字域濾波和幅相加權，從而控制波束指向。在選擇DBF加權算法時具有較大的靈活性，可以采用非自適應加權系數，也可以采用自適應的算法，因此，如何合理地設計DBF算法也是研究的重點和關鍵。

（4）多通道的SAR 數據壓縮技術?；贒BF的HRWS星載SAR 系統，由于采用二維多通道同時獲取地面信息，且距離向為了獲得高分辨率，常采用較大信號帶寬，從而導致數據采集量較傳統星載SAR系統成倍提高，對衛星數據傳輸帶來較大壓力。因此，多通道的SAR 數據壓縮技術對有效降低SAR數據率具有非常重要的研究意義和實用價值。

（5）DBF 的工程化實踐與探索?，F階段，對于HRWS模式的整體性理論框架已基本建立，并開始探索工程實踐中一系列問題的解決方案［17］，如脈沖延展所造成的增益損失，通道間幅相不一致性對方位頻譜恢復及成像帶來的影響，以及地形起伏造成的SCORE失配等。在未來，針對該模式的研究工作將重點圍繞工程實踐展開。

（6）多通道的誤差分析及內定標技術。在多通道SAR 系統結構中，通道間的幅相一致性是系統有效工作的前提。由于工藝水平及器件精度等問題，幅相不一致的問題總是存在的，且會對后期的系統性能有較大的影響。現階段，方位向多通道預處理算法在理論研究方面已較為成熟，但這些現存算法大多數適用于理想情況，即不考慮多通道之間不一致性等非理想因素。因此，如何利用內定標技術和后期的信號處理方式解決這一問題，具有重要的意義。

（7）反射面天線體制的HRWS星載SAR 系統研究。相比于平面相控陣天線，反射面天線具有更小的質量和更低的成本，同時功耗與熱耗也較小。因此，利用反射面天線實現HRWS星載SAR 成像具有一定的潛在優勢。目前，對反射面天線HRWS星載SAR 系統的研究還處在概念研究階段，為進一步推進其發展，仍有以下幾個問題要深入研究：①根據需求設計反射面天線，包括拋物面的結構、尺寸及饋元的數目、布局等；②不同饋元接收信號的特性分析，以有效實現俯仰向接收波束掃描及方位向頻譜拼接；③反射面天線方向圖的二維耦合對系統模糊比——方位模糊比（AASR）和距離模糊比（RASR），以及噪聲等效后向散射系數（NESZ）等性能的影響。

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