基于方位向多通道的星載SAR Mosaic模式研究

禹衛(wèi)東 熊名男② 田雨潤(rùn)②

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基于方位向多通道的星載SAR Mosaic模式研究

禹衛(wèi)東①熊名男*①②田雨潤(rùn)①②

①(中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所 北京 100190)②(中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100039)

Mosaic模式是聚束和ScanSAR的混合模式，能同時(shí)實(shí)現(xiàn)高分辨率和大場(chǎng)景成像。該文提出一種基于方位向多通道的Mosaic模式，將成像場(chǎng)景沿距離向和方位向劃分為若干子成像塊，各塊采用滑動(dòng)聚束模式獨(dú)立成像后再進(jìn)行2維拼接。利用短發(fā)射子孔徑使系統(tǒng)掃描角顯著減小，進(jìn)而降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度，同時(shí)也使各子成像塊距離徙動(dòng)量減小；方位向多通道接收能提高系統(tǒng)信噪比，利用空間采樣降低脈沖重復(fù)頻率，更有利于波位選擇。

合成孔徑雷達(dá)；Mosaic模式；方位向多通道；脈沖重復(fù)頻率

1 引言

合成孔徑雷達(dá)(SAR)能夠全天候、全天時(shí)地對(duì)地進(jìn)行大面積成像，廣泛應(yīng)用于資源勘探、地面和海洋交通監(jiān)測(cè)等重要領(lǐng)域[1]。受天線最小面積限制，SAR的分辨率和成像范圍無(wú)法同時(shí)提高[2]。聚束和滑動(dòng)聚束模式通過控制波束指向?qū)崿F(xiàn)高分辨率，但會(huì)失去方位向連續(xù)成像的能力[3]。ScanSAR和TOPSAR通過波束在距離向的切換實(shí)現(xiàn)大場(chǎng)景覆蓋，但會(huì)犧牲圖像分辨率[4,5]。

Mosaic模式是聚束和ScanSAR的混合模式，已成功應(yīng)用于TECSAR衛(wèi)星，在25 km×25 km的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)1.8 m的分辨率[6,7]。TECSAR Mosaic模式通過方位向波束正向掃描提高方位向分辨率，距離向波束在不同的子測(cè)繪帶之間循環(huán)切換增大測(cè)繪帶寬度。但是TECSAR Mosaic模式存在兩點(diǎn)不足：首先，與ScanSAR類似，不連續(xù)的成像方式會(huì)導(dǎo)致“扇貝效應(yīng)”[8,9]；其次，為了圖像的連續(xù)性，Burst圖像的方位向長(zhǎng)度都必須小于一個(gè)波束地面足印長(zhǎng)度，當(dāng)成像場(chǎng)景較大和方位向分辨率要求較高時(shí)會(huì)導(dǎo)致大量的Burst圖像拼接，嚴(yán)重降低成像效率。針對(duì)上述不足，本文提出一種基于方位向多通道的星載SAR Mosaic模式。接下來(lái)詳細(xì)討論該模式的原理，實(shí)現(xiàn)方法以及成像處理方法。

2 Mosaic模式原理與實(shí)現(xiàn)方法

圖1為Mosaic模式原理示意圖，將成像場(chǎng)景沿距離向和方位向劃分為若干子成像塊，SAR行進(jìn)過程中依次對(duì)各子成像塊進(jìn)行滑動(dòng)聚束模式成像，最后再將各塊成像結(jié)果進(jìn)行2維拼接得到整個(gè)場(chǎng)景圖像。各子成像塊的方位向長(zhǎng)度可以遠(yuǎn)大于波束地面足印長(zhǎng)度，因此能夠避免大量的圖像拼接從而提高成像效率。此外，由于各子成像塊內(nèi)采用滑動(dòng)聚束模式，目標(biāo)被完整的天線方向圖加權(quán)，能夠有效避免“扇貝效應(yīng)”。利用方位向短發(fā)射子孔徑能使系統(tǒng)掃描角顯著減小，進(jìn)而降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度，同時(shí)也使子成像塊距離徙動(dòng)量減小；方位向多通道接收有助于提高系統(tǒng)信噪比，利用空間采樣降低PRF，更有利于波位選擇。

圖1 Mosaic模式原理示意圖

根據(jù)沿距離向和方位向分塊數(shù)的奇偶性，圖2給出4種可能的Mosaic分塊結(jié)構(gòu)。其中陰影塊對(duì)應(yīng)中間子成像塊，其余對(duì)應(yīng)非中間子成像塊。子成像塊參數(shù)設(shè)計(jì)需從陰影塊開始，逐漸向邊緣遞推直至完成所有子成像塊的參數(shù)設(shè)計(jì)。下面分兩小節(jié)討論中間子成像塊和非中間子成像塊的參數(shù)設(shè)計(jì)方法。

圖2 Mosaic分塊結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 中間子成像塊

2.2 非中間子成像塊

3 成像處理方法

對(duì)于某些子成像塊而言會(huì)使系統(tǒng)脈沖重復(fù)頻率(PRF)偏離理想PRF，從而導(dǎo)致方位向非均勻采樣，本節(jié)提出一種基于方位向多通道的滑動(dòng)聚束模式信號(hào)重建算法。傳統(tǒng)條帶模式的多通道重建算法將各通道數(shù)據(jù)經(jīng)過重構(gòu)濾波器后直接疊加，使等效PRF稍大于場(chǎng)景的多普勒帶寬[11,12]。而滑動(dòng)聚束模式的波束主動(dòng)掃描導(dǎo)致其場(chǎng)景多普勒帶寬遠(yuǎn)大于瞬時(shí)多普勒帶寬，若直接采用條帶模式的重建算法會(huì)出現(xiàn)頻譜混疊[13]。因此在重建算法之前必須進(jìn)行Deramping操作，使場(chǎng)景多普勒帶寬壓縮至瞬時(shí)多普勒帶寬，最后再經(jīng)過頻域補(bǔ)零和Ramping操作恢復(fù)出原始回波頻譜[14]。

圖3 成像場(chǎng)景斜視幾何關(guān)系示意圖

同理，到SAR第接收子孔徑相位中心的距離為

由于波束的主動(dòng)掃描，波束中心所對(duì)應(yīng)的多普勒頻率為

經(jīng)過Deramping操作后，各通道方位向信號(hào)為

式(19)并非點(diǎn)目標(biāo)的真實(shí)頻譜，而是Deramping操作后壓縮至瞬時(shí)多普勒帶寬內(nèi)的頻譜。成像算法之前需恢復(fù)真實(shí)頻譜，然而真實(shí)頻譜的帶寬遠(yuǎn)大于瞬時(shí)多普勒帶寬，可通過在頻域補(bǔ)零以減小時(shí)域采樣間隔，使其能夠無(wú)混疊地表示真實(shí)回波信號(hào)。最后在方位時(shí)域乘上Ramping因子，來(lái)抵消Deramping操作的作用。

經(jīng)過頻域補(bǔ)零和Ramping操作之后，可得無(wú)混疊的場(chǎng)景回波時(shí)域信號(hào)為

圖4給出了多通道Mosaic模式子成像塊的信號(hào)處理流程圖。

圖4 多通道信號(hào)處理流程圖

4 分析與仿真

本節(jié)設(shè)計(jì)一個(gè)X波段的Mosaic模式SAR系統(tǒng)，軌道平均高度為675 km，需要在80 km×80 km范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)1 m×1 m的分辨率，設(shè)計(jì)需求參數(shù)如表1所示。

表1需求參數(shù)表

參數(shù)數(shù)值 載波波長(zhǎng)(m)0.0311 軌道平均高度(km)675 成像場(chǎng)景大小(km)80(range)×80(azimuth) 分辨率(m)1(range)×1(azimuth) AASR(dB)-20 RASR(dB)-20 NESZ(dB)-20

4.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖5 方位向天線示意圖

為得到方位向均勻采樣數(shù)據(jù)，系統(tǒng)PRF需要工作在理想PRF附近。

為了使回波多普勒頻譜不混疊，系統(tǒng)等效PRF需大于系統(tǒng)瞬時(shí)多普勒帶寬，故系統(tǒng)的PRF需滿足：

圖6為PRF選取結(jié)果，其中回波散布范圍用豎直黑色線段表示，數(shù)字代表子成像塊編號(hào)，星載SAR數(shù)據(jù)的接收時(shí)間需要回避發(fā)射信號(hào)干擾(實(shí)線)和星下點(diǎn)回波干擾(虛線)。9個(gè)子成像塊所選擇的PRF都能滿足式(22)和式(23)的要求。詳細(xì)的波位信息見表2，完整的系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)見表3。

圖6 系統(tǒng)設(shè)計(jì)斑馬圖

表2波位及相應(yīng)參數(shù)表

成像塊PRF(Hz)成像時(shí)間(s)波束掃描速度起始掃描角中心斜視角結(jié)束掃描角 1 80011.58-0.250721.5429 20.091418.6399 2 84011.14-0.247015.7471 14.370712.9943 3 87010.90-0.253710.1264 8.7451 7.3637 4100010.71-0.2578 6.9933 5.6119 4.2305 5 91210.68-0.2626 1.40270 -1.4027 6 89010.78-0.2469 -4.0754 -5.4067-6.7380 7 90210.82-0.2653 -7.6840 -9.1204-10.5569 8 85011.14-0.2452-13.0093 -14.3757-15.7421 9 98011.60-0.2426-17.9543 -19.3607-20.7671

表3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)表

4.2 性能分析

圖7為第4子成像塊的性能指標(biāo)仿真結(jié)果圖，圖7(a)為AASR隨方位向位置的分布圖，圖7(b)為RASR隨下視角的分布圖，圖7(c)為NESZ的2維分布圖。對(duì)剩余8個(gè)子成像塊進(jìn)行仿真分析，可得整個(gè)成像場(chǎng)景內(nèi)的最差A(yù)ASR為-24.6 dB，最差RASR為-43.1 dB，最差NESZ為-22.8 dB，能滿足大多數(shù)SAR應(yīng)用，也驗(yàn)證了本文提出的Mosaic模式的有效性。

圖7 第4子成像塊性能參數(shù)示意圖

4.3 成像處理

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種基于方位向多通道的Mosaic模式，將成像場(chǎng)景沿距離向和方位向劃分為若干子成像塊，每個(gè)子成像塊采用滑動(dòng)聚束成像方式，各塊獨(dú)立成像后再進(jìn)行2維拼接。并對(duì)其原理與實(shí)現(xiàn)方法，成像處理方法進(jìn)行了深入詳細(xì)的討論，最后通過一個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)例驗(yàn)證了該模式的可行性。文中成像算法的研究是基于理想的雙曲模型，未考慮衛(wèi)星軌道彎曲的影響，性能參數(shù)計(jì)算時(shí)沒有考慮到信噪比標(biāo)定因子、多通道的幅相一致性等因素，同時(shí)各子成像塊獨(dú)立成像后需要精確的2維拼接，這些是進(jìn)一步研究的方向。

圖8 點(diǎn)目標(biāo)多通道重建示意圖

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禹衛(wèi)東： 男，1969年生，研究員，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楹铣煽讖嚼走_(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及信號(hào)處理.

熊名男： 男，1989年生，碩士生，研究方向?yàn)樾禽d高SAR新體制設(shè)計(jì)與信號(hào)處理.

田雨潤(rùn)： 男，1988年生，碩士生，研究方向?yàn)榈厍蛲杰壍繱AR.

Study on Space-borne SAR Mosaic Mode Based on Azimuth Multichannel

Yu Wei-dong①Xiong Ming-nan①②Tian Yu-run①②

①(,,100190,)②(,100039,)

The Mosaic mode is a hybrid mode of spotlight and ScanSAR, which can obtain SAR images with a large coverage and a high resolution. In this paper, a new Mosaic mode is proposed. The image scene is divided into several sub imaging blocks along the range and azimuth direction. Each block is imaged by sliding spotlight and then pieced together. Short transmit sub-aperture makes the scanning angle decrease significantly, which reduces the difficulty of system design. It also makes the range migration of each block smaller. Azimuth multichannel is helpful to improve the system Signal to Noise Ratio (SNR). PRF (Pulse Repetition Frequency) can be reduced by space sampling, which is constructive to select the proper PRF in the timing diagram.

Synthetic Aperture Radar (SAR); Mosaic mode; Azimuth multichannel; Pulse Repetition Frequency (PRF)

TN958

A

1009-5896(2014)12-2994-07

10.3724/SP.J.1146.2013.02031

熊名男 xmngucas@163.com

2013-12-26收到，2014-05-16改回