應用北斗導航衛星信號的GEO SAR成像機理驗證方法

倪崇 張慶君 劉杰 朱宇 田衛明

（1北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

（2北京理工大學信息與電子學院，北京 100081）

應用北斗導航衛星信號的GEO SAR成像機理驗證方法

倪崇1張慶君1劉杰1朱宇1田衛明2

（1北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

（2北京理工大學信息與電子學院，北京 100081）

為了驗證地球同步軌道合成孔徑雷達（GEO SAR）的成像機理，采用傾斜地球同步軌道（IGSO）北斗導航衛星作為照射源，通過地面接收北斗導航衛星信號和地面反射的回波信號，實現對GEO SAR成像機理的等效性驗證。北斗導航衛星具有與GEO SAR衛星相似的軌道，地面接收的信號可以等效成單程傳播的GEO SAR回波信號；成像處理采用與GEO SAR相同的合成孔徑時間，在合成孔徑時間內地面反射的北斗導航衛星信號具有與單程傳播的GEO SAR回波信號相似的距離徙動特性和多普勒特性，可實現長合成孔徑時間條件下GEO SAR成像機理的驗證。通過雙基地試驗實現了應用北斗導航衛星信號的GEO SAR成像機理的等效性驗證。

地球同步軌道合成孔徑雷達；導航信號；成像機理；成像等效性

1 引言

地球同步軌道合成孔徑雷達（GEO SAR）能夠將GEO的軌位優勢與SAR穿透能力強、不受氣象條件和黑夜影響的優勢結合起來，實現對關注區域全天候、高時間分辨率、大范圍的觀測，對及時有效實施應急響應提供有力支持。GEO SAR運行在高軌道，與低軌SAR（LEO SAR）相比，具有衛星速度慢、合成孔徑時間長的特點。GEO SAR的回波特性與LEO SAR有顯著區別，長合成孔徑時間使得目標回波的距離徙動量大、空變性劇烈、成像處理難度大。美國［1］、歐洲［2］和中國［3］都從理論上論證了GEO SAR成像機理的可行性，但由于機載校飛等LEO常規試驗驗證手段很難直接應用在GEO SAR上，因此GEO SAR的試驗驗證成為一大難題。傾斜地球同步軌道（IGSO）北斗導航衛星與GEO SAR具有相似的軌道特性，本文應用北斗導航衛星信號對GEO SAR成像機理進行驗證。

利用北斗導航衛星作為照射源、在地面配置接收機，組成星地雙基地SAR系統，接收機接收的場景回波信號可等效為單程傳播的GEO SAR回波信號，通過研究此模式下的回波信號特性和成像算法，可實現對GEO SAR成像機理的等效地面成像驗證。

2 成像機理驗證的可行性分析

2.1 等效性分析

應用北斗導航衛星發射、地面接收的雙基地試驗，與GEO SAR成像的相似性如下。

（1）軌道：GEO SAR和北斗導航衛星都運行在GEO，且具有一定的傾角，兩者軌道類型一致。

（2）傳輸路徑：GEO SAR和北斗導航衛星軌道類型一致，因此合成孔徑時間內電波在空間的傳輸是一致的，地球自轉、軌道彎曲［3］等因素對成像的影響也是一致的。

（3）距離向：導航信號（偽隨機序列）的帶寬是20.46MHz，采用相關處理可以得到較高的距離向分辨率，這與GEO SAR的距離向脈沖壓縮本質相同。

（4）方位向：北斗導航衛星發射、地面接收的雙基地試驗，是連續波雷達體制，可以把1ms連續波信號（偽隨機序列的周期為1ms）劃為一個處理單元，將連續波雷達體制等效為1000Hz脈沖重復頻率（PRF）的脈沖SAR體制，形成百秒至千秒量級的積累時間，實現方位向的高分辨率，這與GEO SAR的方位向高分辨率成像道理相同。

因此，應用北斗導航衛星發射、地面接收的雙基地試驗，可以驗證GEO SAR成像機理，其與GEO SAR成像等效性分析見表1。

表1 應用北斗導航衛星的雙基地試驗與GEO SAR成像等效性分析Table 1 Equivalence analysis between bistatic experiment based on Beidou navigation satellite and GEO SAR imaging

為了得到效果良好的圖像，要對試驗可達到的分辨率和信噪比進行分析，以完成對試驗的合理設計。

2.2 分辨率分析

空間分辨率分析包括距離向分辨率和方位向分辨率的分析［4］。

2.2.1 距離向分辨率

雙基地SAR幾何關系示意如圖1所示。

圖1 雙基地SAR幾何關系示意Fig.1 Geometric diagram of bistatic SAR

雙基地SAR距離向分辨率ρgr與雙基地角β存在以下關系。

式中：c為光速；B為信號帶寬（20.46MHz）。

繪制距離向分辨率隨雙基地角的變化，如圖2所示。可見，隨著雙基地角的增大，距離向分辨率逐漸惡化，因此試驗中盡量選取低雙基地角的幾何配置。

圖2 距離向分辨率隨雙基地角的變化曲線Fig.2 Curve of range resolution with bistatic angle

2.2.2 方位向分辨率

方位向分辨率ρa的計算公式為

式中：λ為發射信號波長；θ為天線掃描范圍；Rt為發射距離；V為衛星速度；Ts為積累時間。

取典型的積累時間，繪制中地球軌道（MEO）和IGSO的方位向分辨率與積累時間的關系，如圖3所示。可見，隨著積累時間的增加，方位向分辨率逐漸改善，且改善的速度先快后慢。在其他因素一定的條件下，方位向分辨率越高，圖像質量越好，因此應盡量取長的積累時間。

圖3 方位向分辨率隨積累時間的變化曲線Fig.3 Curve of azimuth resolution with accumulation time

2.3 信噪比分析

北斗導航衛星并非傳統的SAR衛星，其發射信號的功率比較小，因此，在利用北斗導航衛星作為發射源對場景進行成像之前，應對接收信號的信噪比進行分析，包括直達波的信噪比分析和回波噪聲等效后向散射系數的分析。

2.3.1 直達波信噪比脈沖壓縮后的雷達信噪比SNR計算公式［5］為

式中：Pt為雷達發射功率；Gt為發射天線增益；Gr為接收天線增益；K為波爾茲曼常數；T0為系統絕對溫度；Bn為系統等效噪聲帶寬；Fn為系統噪聲系數；L為系統損耗；PRT為脈沖重復周期；B為信號帶寬。

由于衛星的軌道高度一定，因此衛星到接收天線的距離隨仰角而變化。繪制不同仰角下信噪比的變化曲線，如圖4所示。可見，信噪比在18～19dB，滿足對電文提取、徙動曲線估計等處理步驟的需要。另外，圖4中顯示仰角越高，信噪比越大，這是因為衛星高度一定時，仰角越大，衛星到接收機的距離越短。

圖4 直達波脈沖壓縮后的信噪比隨仰角變化Fig.4 Direct wave SNR after pulse compression with elevation angle

2.3.2 回波噪聲等效后向散射系數

回波噪聲等效后向散射系數NE描述了當信噪比為0dB時，系統熱噪聲與場景反射雷達波能力的對應關系，它可以衡量在一定距離上雷達能夠觀測到的最小散射系數的目標。其計算公式［5］為

式中：Rr為接收距離；Ar為接收天線面積。

將實際系統參數代入式（4）進行計算，可得圖5。可見，若限制NE為典型值－20dB時，能夠看到最遠距離為881m（MEO）和1208m（IGSO）。

圖5 積累后的噪聲等效后向散射系數隨距離的變化Fig.5 Equivalent back scattering coefficient with distance after accumulation

3 試驗方法

3.1 試驗配置

試驗配置如圖6所示，北斗導航衛星發射具有一定帶寬的信號，實現距離向分辨，同時衛星相對于成像區域運動，形成有效轉角，實現方位向分辨［6］。回波天線指向場景，接收回波信號。直達波指向衛星，接收衛星的直達波信號。直達波和回波通道共用一個本振，保證通道間的相參性。根據雙基地幾何關系校正距離徙動和實現方位向聚焦，從而得到成像結果［7］。

圖6 試驗配置Fig.6 Experiment configuration

3.2 處理流程

利用北斗導航衛星作為照射源，與地面接收構成雙基地體制，首先要解決的問題是收發之間的頻率、時間同步［8－10］。頻率不同步是因為收發本振不同，一階同步誤差造成圖像移位，二階同步誤差造成圖像散焦。時間不同步則來自于收發設備時間系統的不一致，這使得接收端無法獲取發射端發射信號的時間，相當于回波數據的起始采樣距離未知；此外，接收端無法獲取衛星位置歷史，使得方位向處理無法進行。綜上，同步問題須要解決：①頻率誤差的估計；②起始采樣時間的確定；③衛星位置歷史的確定。

由于直達波和回波通道之間的相參性，兩通道具有相同的頻率同步誤差，因此，利用直達波信號，提取出頻率同步誤差并補償到回波通道中，即可完成頻率同步處理。對于時間同步，同樣可利用直達波信號，提取出徙動曲線，并對回波信號按照所提取的徙動曲線進行距離徙動校正，再對直達波信號中的導航電文進行時間和衛星位置歷史解算，即可完成時間同步。

與單基地SAR不同，雙基地SAR的目標回波信號體現為雙基地距離和的形式，這使得距離向和方位向信號的二維空變性更強［10－11］。北斗導航衛星作為照射源，由于要達到較高的方位向分辨率，所需的積累時間較大，衛星軌跡為明顯的曲線，若利用直線斜距對其進行近似，以開發快速成像算法［12］，將需要復雜的補償因子。因此，考慮使用最精確的后向投影（Back Projection，BP）算法對數據進行處理，由于已經解決了同步問題，并且得到了衛星位置歷史，因此直接使用BP算法就可以得到回波的聚焦圖像。

處理算法的輸入為直達波數據、回波數據及接收天線位置，輸出為聚焦后的圖像，其數據處理流程見圖7。

圖7 數據處理流程Fig.7 Data processing flow

3.3 試驗結果

如圖8所示，轉發器（等效于角反射器）由天線A、B和放大器構成。其中：天線A指向衛星，用于接收衛星的直達波信號，放大器對該天線接收到的直達波信號進行放大，并傳輸至天線B；天線B指向回波天線，用于將放大后的直達波信號發射至回波天線中，從而構成場景中的一個強點目標。對回波數據進行成像，得到的結果如圖9所示。評估成像結果的分辨率指標，并與理論值對比，列于表2中。可見，距離向和方位向分辨率都較接近理論值，證明了本文試驗方案的正確性，同時也驗證了GEO SAR成像的可行性。

圖8 試驗場景Fig.8 Experiment scene

圖9 強點目標成像結果Fig.9 Imaging results of prominent point target

表2 強點目標成像指標Table 2 Imaging indexes of prominent point target

4 結論

通過開展應用北斗導航衛星的雙基地試驗，對GEO SAR的成像機理進行驗證，可獲得主要結論如下。

（1）GEO SAR通過長時間積累可獲得多普勒帶寬，能夠實現方位向高分辨；

（2）長合成孔徑時間條件下，GEO SAR沿彎曲軌跡運動進行成像具有可行性；

（3）應用北斗導航衛星信號，能驗證GEO SAR的二維分辨特性。

本文的研究結果可為后續GEO SAR的深入研究和實施提供參考。

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（編輯：夏光）

Imaging Mechanism Verification of GEO SAR Based on Beidou Navigation Satellite Signal

NI Chong1ZHANG Qingjun1LIU Jie1ZHU Yu1TIAN Weiming2
（1Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China）
（2School of Information and Electronics，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China）

In order to verify the imaging mechanism of GEO SAR，by adopting the Beidou navigation satellite as the irradiation source，the equivalence verification can be achieved by receiving the navigation signal and echo signal reflected by the ground.The orbit of the Beidou navigation satellite is similar to that of GEO SAR satellite，and the ground reflecting signal can be equivalent to the one－way propagation of the GEO SAR echo signal.The synthetic aperture time of the imaging process is the same as that of GEO SAR，and the ground reflecting Beidou navigation satellite signal within the synthetic aperture time has the same migration characteristics and Doppler characteristics as those of the GEO SAR echo signal，which can realize the verification of the imaging mechanism of GEO SAR under the condition of long synthetic aperture time.The equivalence verification of GEO SAR imaging mechanism based on the Beidou navigation satellite signal is achieved through a bistatic experiment.

GEO SAR；navigation signal；imaging mechanism；imaging equivalence

V474.2

A

10.3969/j.issn.1673－8748.2016.05.003

2016－04－15；

2016－08－10

國家自然科學基金（60890073）

倪崇，男，高級工程師，從事航天微波成像和數字信號處理研究工作。Email：chidu＿2002@163.com。