天基視頻SAR系統設計及成像算法研究

梁健，張潤寧，包敏鳳

1.航天東方紅衛星有限公司，北京 100094 2.中國空間技術研究院 神舟學院，北京 100086

天基視頻SAR系統設計及成像算法研究

梁健1，2，張潤寧1，*，包敏鳳1

1.航天東方紅衛星有限公司，北京 100094 2.中國空間技術研究院 神舟學院，北京 100086

視頻合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar，SAR)作為一種新型微波遙感體制，能夠實現對熱點區域動態目標的持續監視，目前對視頻SAR的研究主要集中在機載平臺的視頻SAR系統，未對天基視頻SAR系統設計及成像算法展開深入研究。文章設計了一種基于雙站模式的天基視頻SAR系統，其中以靜止軌道SAR衛星作為發射源，并利用低軌SAR衛星接收目標區域的回波信號。研究了視頻SAR成像性能與各主要工程參數間的關系，并提出一種適用于天基視頻SAR的成像算法，該算法能夠有效解決雙站天基視頻SAR成像中大斜視角應用與數據重疊等問題，成像結果正確反映了運動目標的散焦、移位現象，同時靜止目標取得了良好的聚焦效果。

天基視頻合成孔徑雷達；雙站；回波模型；成像算法；大斜視角；數據重疊

星載合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar,SAR)是一種能夠實現全天時、全天候對地高分辨觀測的微波遙感系統，自美國1978年成功發射Seasat-1 SAR衛星以來，各國都發射并部署了本國的SAR衛星，星載SAR在國土測量、海洋水文觀測、環境災害監測及軍事偵察等領域都發揮了重要的作用[1]。

與傳統的星載SAR獲取微波遙感靜態圖像相比，天基視頻SAR有效擴展了時間維的信息，能夠對熱點區域進行持續監測，這使得天基SAR系統具有更強的動態信息獲取能力，天基視頻SAR將SAR成像技術與視頻顯示技術相結合，經過后續處理能夠得到熱點區域的SAR視頻產品，從而能夠直觀反映出運動目標的位置、速度及運動趨勢等運動參數信息[2]。

近年來對視頻SAR的研究主要集中在機載平臺，文獻[3]提出了圓跡飛行的機載視頻SAR系統，并研究了視頻SAR的自聚焦算法用來解決圓跡飛行過程中場景旋轉的問題。文獻[4]對機載平臺中振動誤差對視頻SAR成像質量的影響進行了分析，并給出了補償方法。針對視頻SAR成像處理方法，文獻[5]提出了一種基于循環移位寄存器的、應用于機載視頻SAR的后向投影(Back Projection，BP)算法，將這種方法應用于視頻SAR成像具有較高的運算效率。文獻[6]提出了一種基于子孔徑加權的視頻SAR成像算法，通過對子孔徑加權獲得了較好的子孔徑旁瓣抑制效果。文獻[7]首次提出了天基視頻SAR的概念，分析了幀頻與載波頻率之間的關系，并提出了一種基于Deramp線性調頻變標方法的視頻SAR成像算法，該成像算法并未充分考慮天基視頻SAR成像的特點及特殊要求。

本文設計了一種基于高低軌衛星協同工作的天基視頻SAR系統，并提出了一種適用于天基視頻SAR系統的成像算法，成像結果可為基于SAR視頻的運動目標檢測、參數估計與成像提供依據。

1 天基視頻SAR系統設計[8-9]

天基視頻SAR系統如圖1所示，其中發射源位于地球靜止軌道，而低軌衛星通過編隊的方式順序接收目標區域的回波信號，實現對目標區域的連續視頻監測。

該系統主要特點有：1)發射源軌道高，而接收衛星只進行靜默接收，故系統具有較強的反輻射攻擊能力；2)系統應用模式多樣，在波束同步范圍內可以進行聚束、條帶等模式成像，并且支持多角度觀測；3)系統應用潛力大，靜止軌道發射源可以作為無人機、普通機載SAR的輻射源，并且通過靜止軌道衛星的波束指向調整可以實現更大范圍的覆蓋。

圖1 天基視頻SAR系統設計Fig.1 Spaceborne video SAR system design

天基視頻SAR系統中低軌衛星工作在聚束模式，傳統的聚束模式是通過增加合成孔徑時間來提高方位向分辨率[10]，而天基視頻SAR是通過對聚束模式下回波數據的合理分割實現視頻成像。在給定分辨率與載波頻率的前提下，由于在天基視頻SAR成像中幀周期小于合成孔徑時間，所以相鄰幀之間的數據就不可避免地要有重疊。由文獻[7]的分析可知，天基視頻SAR相鄰幀之間的重疊率α可表示為：

式中：Vs為衛星的軌道速度；ρa為方位向分辨率；fc為載波頻率；fr為幀頻；Rm為衛星到場中心的最短斜距；c為光速。

若軌道高度為567 km，方位向分辨率為5 m，載波頻率為3.8 GHz，則相鄰數據幀之間的重疊率與幀頻的關系曲線如圖2所示，可以看出，若幀頻為5 Hz，則相鄰兩幀之間數據的重疊率將達到85.56%。

圖2 重疊率與幀頻的關系曲線Fig.2 Curve of overlapping ratio and frame rate

天基視頻SAR系統中低軌衛星通過機械掃描或者電子掃描實現方位向大角度的聚束模式觀測，為保證圖像質量，對波束掃描過程中指向精度與穩定度提出了較高的要求。同時需在方位向最大斜視角與距離向最大下視角的情況下確定發射功率的需求，本系統中雙站模式下時間、空間、相位的同步問題也是系統設計中需解決的關鍵問題。

2 天基視頻SAR回波信號模型

2.1 天基視頻SAR雙站距離模型[11-12]

天基視頻SAR成像幾何如圖3所示，其中TX為發射機的位置，RX為接收機的位置，(α,δ)為地面目標點P的經緯度，Re為地球半徑。

圖3 天基視頻SAR成像幾何示意Fig.3 Geometric mode of spaceborne video SAR system

地球靜止軌道衛星軌道高度為H，地心距rg=Re+H，假設衛星定點于Α經度上空，由于地面目標點與靜止軌道衛星相對靜止，故發射源與地面點P之間的斜距為

接收斜距的計算需將衛星位置與地面目標位置統一到地心慣性坐標系下，地面目標點P(α,δ)在地心固連坐標系下的坐標為

則地面目標點P(α,δ)在地心慣性坐標系下的坐標為

式中：ΩG=ΩG0+ωe(t-t0)為t時刻的格林尼治恒星時；ΩG0為t0時刻的格林尼治恒星時；ωe為地球自轉角速度。

而低軌衛星在軌道坐標系下的坐標為

式中：u=ω+f為緯度幅角,ω為近地點幅角,f為真近點角，對于圓軌道有f=ωst，其中ωs為衛星的軌道角速度，t為以近地點為參考點的衛星運動時刻。

則低軌衛星在地心慣性系下的坐標為

式中：Ω為升交點赤經；i為軌道傾角。至此將地面目標位置與衛星的軌道位置都統一到地心慣性坐標系下，由此可計算得低軌衛星與地面目標P之間的斜距為

故天基視頻SAR雙站精確距離模型為

2.2 回波信號模型

設一理想點目標為Pij(αi,δj)，則經過解調后雷達接收的回波信號為

s0(ij)(τ,η)= wr[τ-Rbi(ij)(η)/c]wa(η-ηc)·

exp[-j2πfcRbi(ij)(η)/c]·

式中：wr(·)為發射脈沖包絡；wa(·)為發射與接收波束的合成方向圖；τ為快時間；η為慢時間；ηc為多普勒中心頻率對應的時刻；fc為載波頻率；Kr為距離向的調頻率；Rbi(ij)(η)為η時刻發射脈沖的傳播距離。

3 天基視頻SAR成像

3.1 天基視頻SAR成像關鍵技術問題

天基視頻SAR系統中，低軌衛星工作在聚束模式下，通過對聚束模式下回波數據的合理分割實現視頻成像，天基視頻SAR成像需解決的關鍵技術問題主要包括：

(1)部分數據幀的大斜視角問題

由于低軌衛星工作在聚束模式，本系統中方位向掃描范圍為-45°～45°，部分數據幀斜視角較大，存在嚴重的距離方位耦合和距離徙動，采用傳統的近似方法將會導致圖像質量的嚴重下降。

(2)相鄰視頻幀數據重疊問題

由上述分析可知，在天基視頻SAR中，由于合成孔徑時間大于幀周期，故相鄰幀之間的數據有較大的重疊，單獨對每一幀處理將導致相鄰幀之間重疊數據的重復運算，會大大降低運算效率。

(3)實時性問題

天基視頻SAR成像需提供實時或準實時的視頻幀圖像，這要求算法具有較高的運算效率，需在應用先進計算硬件設備的基礎上探尋實現并行計算的可能性。

3.2 基于快速并行BP算法的天基視頻SAR成像[13]

針對天基視頻SAR的成像特點及需解決的關鍵技術問題，提出了一種可以并行實現的快速BP算法。作為一種精確的時域算法，BP算法避免了幾何近似，所以在天基視頻SAR應用中，能夠很好地解決雙站模式復雜距離模型下的成像及大斜視角情況下距離向與方位向耦合嚴重的問題；在BP算法的應用中，方位向的分辨率隨相干累積脈沖數的增加而提高，故基于BP算法的天基視頻SAR成像可以有效避免相鄰幀重疊數據的重復運算，即當前幀成像時可以利用上一幀重疊數據的運算結果，由此有效提高運算效率。同時通過子孔徑的劃分可以進一步提高BP算法的運算速度，基于子孔徑的處理還可以實現并行計算，能夠有效保證視頻SAR圖像實時或準實時的輸出。

基于BP算法的天基視頻SAR成像流程如圖4所示，首先將回波信號劃分為若干個子孔徑，為了實現通過子孔徑疊加，避免重復運算，要求幀周期為子孔徑長度的整數倍，若單個視頻幀的合成孔徑長度為L，將其劃分為N個子孔徑，則每個子孔徑的長度為Lsub=L/N。每個子孔徑的成像可以并行計算，生成低分辨的圖像，最后進行子孔徑合成則可得到單幀的全分辨圖像。

圖4 單幀天基視頻SAR成像流程Fig.4 Flow diagram of one frame SAR image formation

單個子孔徑內進行距離壓縮，距離壓縮后的信號為

sBM(ij)(τ,η)= sB0(ij)(τ,η)?

式中：Τc(ij)為選擇的參考點的時延，由于距離向回波時延很難與采樣點重合，所以要對距離壓縮后的信號sBM(ij)(τ,η)進行插值，插值結果為

SBUM(ij)(t,η)=

式中：τ=nΔτ為插值前的采樣點；2Ns為插值核截斷的長度；hw(t)為加窗銳化后的插值核函數。由于處理的回波數據已經經過解調，要實現相干累加，需進行回波相位補償，回波相位補償后的結果為

計算目標點與子孔徑內每個雷達位置的距離時延為

式中：η=nΔη為方位向的采樣點。則第k子孔徑中點目標Pij的成像結果為

成像過程中各子孔徑并行計算，可以有效提高運算效率，最后將N幅子孔徑的低分辨圖像相干累加，即可得到第i個視頻幀的全分辨圖像為

4 計算機仿真分析

4.1 目標運動對SAR成像的影響

當場景內的目標運動時，在快時間方向位置變化很小，滿足SAR成像的“停走”近似，方位向的相干累積時間比較長，由目標運動引起的相位調制會導致目標的SAR方位向圖像發生變形[14-15]，目標運動對SAR方位向圖像的影響是由于目標運動導致目標與靜止場景的多普勒參數不一致，利用靜止場景的多普勒參數對運動目標聚焦必然導致目標方位向的圖像發生移位、散焦、幅度下降等現象。

由文獻[11]的分析可知，若動目標距離向的速度和加速度為(vr,ar)，方位向的速度和加速度為(va,aa)，則由于目標運動導致的方位向圖像的偏移為

式中：Rc為最近斜距；x0為目標初始方位向位置；vs為雷達的速度，由目標運動引起的方位向圖像展寬為

式中：Ts為單個視頻幀圖像的合成孔徑時間，由上述分析可以看出，由于vs?vr,va，所以距離向速度為引起方位向圖像偏移的主要因素，而引起方位向圖像展寬的主要因素為方位向速度va與距離向加速度ar。

4.2 仿真參數

選擇合理的參數對成像算法進行驗證，靜止軌道衛星與低軌衛星的參數如表1所示。

表1 雷達仿真參數

Table 1 Simulation parameters of spaceborne video SAR

靜止軌道衛星低軌衛星軌道高度35786km軌道高度567km定點經度125°(E)軌道傾角20°工作頻率3 8GHz偏心率0信號帶寬60MHz升交點經度45°天線口徑30m下視角40°脈沖寬度40μs方位向掃描范圍-45°～45°

場景中心經緯度為[125°(E),24.243 8°(N)],場景大小為2 km×2 km。模擬場景中有25個點目標，初始時刻按5×5均勻排列，第一列與第五列以及第一行與第五行的點目標靜止，假設場景中心的目標坐標為(0,0)，其余目標的運動參數如表2所示。

表2 運動目標運動參數

Table 2 Movement parameters of moving targets

目標坐標vr/(km·h-1)ar/(km·h-2)va/(km·h-1)aa/(km·h-2)S(2，2)(-0 5，0 5)-15000S(2，3)(0，0 5)-10000S(2，4)(0 5，0 5)00050S(3，2)(-0 5，0)001200S(3，3)(0，0)002000S(3，4)(0 5，0)0-500S(4，2)(-0 5，-0 5)1501200S(4，3)(0，-0 5)1002000S(4，4)(0 5，-0 5)0-5050

4.3 仿真結果

天基視頻SAR計算機仿真結果如圖5所示，幀頻為5 Hz，其中圖5(a)為初始狀態下25個點目標靜止時的成像結果，可以看出，目標靜止時各點目標取得了良好的聚焦效果。圖5(b)為天基視頻SAR第1幀的成像結果，由S(2,2)、S(2,3)、S(2,4)的成像結果對比可以看出，距離向的速度越大，目標方位向的偏移越大，距離向的速度與方位向的加速度對目標方位向的展寬影響較小。由S(3,2)、S(3,3)、S(3,4)的成像結果對比可以看出，目標方位向的速度越大，其方位向的展寬越嚴重，距離向加速度也是導致目標方位向展寬的主要原因。由S(4,2)、S(4,3)、S(4,4)的成像結果可以看出，當目標同時存在方位向速度、距離向速度與距離向加速度時，目標的方位向圖像既發生了移位也發生了展寬。圖5(c)圖與(d)分別為天基視頻SAR第10幀與第18幀的成像結果，由S(2,4)、S(3,4)、S(4,4)的成像結果可以看出，由于目標存在距離向與方位向的加速度，隨著時間逐漸變大，這3個目標的方位向速度與距離向速度也逐漸變大，方位向的展寬與移位也越來越大。由此可見天基視頻SAR的成像結果正確反映了目標的運動信息，可以為后續基于SAR視頻的動目標檢測、運動參數估計，以及運動目標的重定位與成像提供依據。

5 結束語

本文設計了一種基于高低軌衛星協同工作的天基視頻SAR系統，并建立了該雙基地構型下的回波信號模型，針對系統中天基視頻SAR成像需解決的3類關鍵技術問題，提出了一種基于子孔徑劃分的、可并行計算的視頻SAR成像算法，并進行了計算機仿真驗證。仿真結果表明：視頻成像結果正確反映了目標的運動情況，能夠為基于SAR視頻的運動目標檢測、參數估計，以及重定位與成像提供依據。本文的研究成果能夠為未來天基視頻SAR系統的構建與應用提供建議與參考。

References)

[1] 徐輝. 星載SAR系統參數設計[D]. 南京：南京電子技術研究所，2004：4-8.

XU H. Parameters design of spaceborne SAR system[D]. Nanjing：Nanjing Institute of Electronic Technology，2004:4-8(in Chinese).

[2] 劉韜. 國外視頻衛星發展研究[J]. 國際太空，2014(9)： 50-56.

[3] LINNEHAN R，MILLER J，BISHOP E，et al. An autofocus technique for video-SAR[J]. Proc. of SPIE，2013，8746(8)：1-10.

[4] 趙雨露，張群英，李超，等. 視頻合成孔徑雷達振動誤差分析及補償方案研究[J]. 雷達學報，2015，4(2)：230-239.

ZHAO Y L，ZHANG Q Y，LI C，et al. Vibration error analysis and motion compensation of video synthetic aperture radar[J]. Journal of Radar，2015，4(2)：230-239(in Chinese).

[5] MILLER J，BISHOP E，DOERRY A. An application of backprojection for video SAR image formation exploiting a sub-aperture circular shift register[J]. Proc. of SPIE，2013，8746(9)：1-14.

[6] ROBERT W H，WENDY L G. Aperture weighting technique for video synthetic aperture radar[J]. Proc. of SPIE，2011，8051(7)：1-7.

[7] ZHAO S T，CHEN J，WEI Y，et al．Image formation method for spaceborne video SAR[C]∥ The 5th Asia-Pacific Conference on Synthetic Aperture Radar. Singapore：IEEE，2015:148-151．

[8] 王智勇，王永強，王鈞，等.多星聯合任務規劃方法[J]. 中國空間科學技術，2012，32(1)：8-14.

WANG Z Y，WANG Y Q，WANG J，et al. New multi-satellite scheduling method[J]. Chinese Space Science and Technology，2012，32(1)：8-14(in Chinese).

[9] 孟軼男，樊士偉，楊強文，等. 星座星間鏈路的空域覆蓋特性仿真分析[J]. 中國空間科學技術，2014，34(2)：76-83.

MENG Y N，FAN S W，YANG Q W，et al. Simulation and analysis on coverage characteristics of constellation crosslink[J]. Chinese Space Science and Technology，2014，34(2)：76-83(in Chinese).

[10] 高祥武.星載聚束模式合成孔徑雷達系統研究[D]. 北京:中國科學院電子學研究所，2004．

GAO X W. Researches on spaceborne SAR system working on spotlight mode[D]. Beijing：Institute of Electronics Chinese Academy of Sciences，2004(in Chinese).

[11] 陳余軍，周志成，曲廣吉. 小傾角GEO衛星多波束天線覆蓋特性優化[J]. 中國空間科學技術，2014，34(1)：10-17.

CHEN Y J，ZHOU Z C，QU G J. Coverage optimization of inclined GEO satellite with multi-beam Antenna[J]. Chinese Space Science and Technology，2014，34(1)：10-17(in Chinese).

[12] 李財品，何明一，朱雅琳，等. GEO SAR長合成孔徑時間彎曲軌跡成像試驗[J]. 中國空間科學技術，2015，35(4)：17-22.

LI C P，HE M Y，ZHU Y L，et al. Imaging experiment with long integrated time and curved trajectory for geosynchronous orbit SAR[J]. Chinese Space Science and Technology，2015，35(4)：17-22(in Chinese).

[13] 呂睿. 機載雙基地SAR實測數據BP算法成像[D]. 成都：電子科技大學，2007：29-35.

LV R. Experimental data imaging for the airborne bistatic SAR based on BP algorithm[D]. Chengdu：University of Electronic Science and Technology of China，2007: 29-35(in Chinese).

[14] 吳曉芳，代大海，王雪松，等.目標運動對機載正側視條帶SAR方位像影響的量化分析[J]. 信號與系統，2010，26(5)：665-671.

WU X F，DAI D H，WANG X S，et al. Quantized analysis of the target motion influence on the stripmap image of airborne side-looking mode SAR in azimuth direction[J]. Signal Processing，2010，26(5)： 665-671(in Chinese).

[15] 鄭明潔.合成孔徑雷達動目標檢測和成像研究[D].北京：中國科學院電子學研究所，2003：18-35.

ZHENG M J. Researches on detection and imaging of moving targets based on SAR[D]. Beijing：Institute of Electronics Chinese Academy of Sciences，2003：18-23(in Chinese).

(編輯：車曉玲)

Research on spaceborne video SAR system design and image formation algorithm

LIANG Jian1，2，ZHANG Running1，*，BAO Minfeng1

1.DFH Satellite Co.，Ltd.，Beijing 100094，China 2.Shenzhou Institute of China Academy of Space Technology，Beijing 100086，China

As a new microwave remote sensing mode，a video SAR can provide a continuous surveillance over a region of interest.Researches about spaceborne video SAR were limited.Most of current researches about video SAR only focus on aircraft platform.A spaceborne video SAR system was developed with the transmitter on geostationary satellites and the receiver on the low earth orbit(LEO) satellites. The relationship between the imaging performance and the main system parameters has been studied. Then an image formation algorithm was presented，which could satisfy the imaging quality of video SAR in high squint mode and avoid unnecessary duplication of processing. The Doppler smear and offset of the moving targets were reflected by the processed images. Meanwhile, the stationary targets can be finely focused on.

spaceborne video SAR; bistatic SAR; echo model; image formation algorithm; high squint; data overlap

10.16708/j.cnki.1000-758X.2016.0068

2016-05-20；

2016-08-25；錄用日期：2016-11-24；

時間：2016-12-16 11：28:59

http:∥www.cnki.net/kcms/detail/11.1859.V.20161216.1128.003.html

梁健(1990-)，男，博士研究生，liangjiancast@163.com，研究方向為星載SAR系統設計及信號處理技術

*通訊作者：張潤寧(1966-)，男，研究員，13661051645@139.com，研究方向為微波遙感衛星總體設計技術

梁健，張潤寧，包敏鳳.天基視頻SAR系統設計及成像算法研究[J].中國空間科學技術，2016，36(6)：22-28.

LIANGJ，ZHANGRN，BAOMF.ResearchonspacebornevideoSARsystemdesignandimageformationalgorithm[J].ChineseSpaceScienceandTechnology，2016，36(6)：22-28(inChinese).

TN957

A

http:∥zgkj.cast.cn