GNSS-R信號的海面SAR成像應用

楊 磊，朱云龍，楊東凱

(北京航空航天大學 電子信息工程學院，北京 100191)

GNSS-R信號的海面SAR成像應用

楊 磊，朱云龍，楊東凱

(北京航空航天大學 電子信息工程學院，北京 100191)

針對GNSS-R海洋遙感探測研究中，傳統方法只能對鏡面反射點附近海域進行分析，無法獲取二維海面反射特征的問題，提出一種使用SAR對海面進行成像的方法：利用導航衛星作為信號源，海面反射的GNSS-R信號作為回波信號，使用背向投影算法進行成像。仿真結果表明：該方法能夠對點目標和隨機海面進行成像，得到二維海面電磁反射能量分布；證明了利用GNSS-R信號進行海面SAR成像的可行性。

導航衛星；反射信號；合成孔徑雷達；背向投影算法

0 引言

合成孔徑雷達(synthetic aperture radar，SAR)利用微波成像的方式進行遙感探測，不受天氣、時間、環境的影響，相對于光學遙感有著不可比擬的優勢。而使用其他如通信衛星、電視廣播等輻射源的被動雙基SAR，相比傳統單基SAR擁有設備簡單、功耗低、隱蔽性好的優點。其中，基于導航衛星的雙基SAR是當前的熱點研究內容之一[1]。

美國于20世紀70年代研發了全球定位系統(global positioning system，GPS)，為用戶提供位置服務和時間基準[2]。另外，GPS衛星發射的L波段信號，還為遙感探測提供了一種免費的信號源。使用導航衛星信號進行遙感探測具有以下優勢：1)只接收信號，無需發射機，是一種無源探測模式，因此設備簡單、成本低；2)L波段電磁波受大氣影響較小，穿透云層、雨雪能力強，適合遙感應用；3)當前主要的衛星導航系統有美國的GPS、俄羅斯的格洛納斯衛星導航系統(global navigation satellite system，GLONASS)、歐盟的伽利略衛星導航系統(Galileo navigation satellite system，Galileo)和中國的北斗衛星導航系統(BeiDou navigation satellite system，BDS)。在未來將會有超過100顆導航衛星在太空中運行，信號資源非常豐富。

在此基礎上發展而來的導航衛星反射(global navigation satellite system-reflectometry，GNSS-R)信號遙感應用就是利用地面或海面反射的導航衛星信號進行遙感探測。這項技術自20世紀90年代提出，在國內外學術界得到廣泛研究和關注。在海面風場、海冰覆蓋、土壤濕度、目標探測等領域都取得了大量研究成果[3-7]。

在基于導航衛星的遙感成像方面，最早于2002年，由文獻[8]將SAR概念應用到GPS系統，提出了利用GPS信號對地面進行成像。2008年，文獻[9]對固定式接收機場景下的GPS反射信號進行分析，并通過仿真驗證了系統的可行性；但由于合成孔徑時間長達數個小時，因此該方法不適宜實際應用。文獻[10-12]對空地雙基SAR(space surface bistatic SAR，SS-BSAR)進行了深入的研究，首次利用GLONASS信號獲得了地面SAR圖像，之后又進行了車載、機載等平臺的一系列實驗，以及分析研究了使用Galileo E5新體制信號來提高成像分辨率，驗證了使用導航衛星信號進行地面被動SAR成像的可行性。文獻[13-14]使用我國自主的BDS導航衛星作為信號源，進行了地面成像試驗，擴展了BDS的應用領域。

目前的研究多是針對地面進行成像，而海面由于海浪的影響，和地面的反射特性有很大差別。本文以GPS衛星為例，從海面的電磁散射特性出發，通過建立海面電磁散射模型來模擬海面的回波信號，然后使用背向投影(back projection，BP)成像算法對海面進行成像仿真。

1 系統簡介

1.1 系統組成

基于GNSS-R信號的海面SAR成像系統如圖1所示。

系統主要包括發射平臺和接收平臺2個部分：發射平臺為運行在太空中的GPS衛星；接收平臺為岸基固定式或機載運動式，包括一個通用信號采集器和2個接收天線。右旋極化天線作為直射天線朝上放置，用于接收衛星發射的直射信號；直射信號經過海面反射后，極化形式發生了改變，因此使用左旋極化天線接收海面的反射信號。信號經過遠距離的傳播和海面的二次反射，衰減較大，所以左旋極化天線通常使用高增益的窄波束天線。

1.2 信號處理流程

信號處理的流程如圖2所示。

直射信號和反射信號分別由對應的天線接收；以接收機的位置為參考點，利用直射通道定位解算后得到的位置信息生成參考信號；利用直射通道的信息對反射通道數據進行同步處理，生成回波信號；使用BP算法對數據進行處理，獲得海面SAR圖像。

BP算法成像的過程實際上是信號在時域的相干累加，算法流程如圖3所示。

圖3中：R為反射信號相對于直射信號的傳播距離差；λ為信號的波長。回波信號以參考信號為基準，進行脈沖壓縮后，可以獲得不同時延處的相關值。根據定位解算得到的衛星和接收機的位置信息能夠確定成像場景的幾何關系。以接收機位置處為參考點，計算成像區域內各點的反射信號相對于直射信號的傳播距離差和時延。通過時延從距離向脈沖壓縮信號中獲得該點的相關值，然后根據傳播距離差做相位補償后，得到該點成像結果。最后將不同時刻獲得的成像結果進行相干累加，就可以得到最終的圖像。BP算法可以適用于各種場景，并且由于算法沒有經過任何近似，所以成像精度較高。BP算法的缺點是由于需要對場景中的每個點進行計算，運算量大。

1.3 直射信號

GPS衛星所發射的信號是頻率高度穩定的信號，在信號上調制了偽隨機碼(pseudo random noise，PRN)和導航電文。并且各衛星之間保持嚴格同步。其中一顆衛星的信號數學表達式為

(1)

和傳統雷達信號相比，GPS信號有以下不同：

1)調制方式。傳統雷達所使用的信號通常為線性調頻、步進調頻等調頻信號，而GPS信號為偽隨機碼調制的信號，屬于擴頻信號。

2)信號帶寬。雷達的距離向分辨率與信號帶寬有關，為提高雷達的距離向分辨率，通常雷達信號帶寬較寬，如1 m分辨率對信號帶寬的要求為150 MHz，而GPS信號的帶寬由PRN碼決定，C/A碼的帶寬只有2 MHz。因此使用GPS信號時，相對于傳統雷達，距離向分辨率較低。

3)信號形式。傳統雷達通常為脈沖體制，而GPS信號為連續波形式。

1.4 GNSS-R信號

GPS衛星所發射的信號，入射到海面上發生反射，反射信號的數學表達式為

(2)

相對于直射信號，反射信號有以下特點：

1)極化方式改變。根據電磁波傳播理論，GPS信號經海面反射后，極化方式由右旋變為左旋，反射系數由菲涅爾反射系數決定[15]。

2)信號能量降低。由于GPS衛星距離較遠，信號衰減大、能量低，經空間傳播和海面反射后，信號能量進一步下降。

3)多徑疊加。探測區域內不同的點到接收機和衛星的距離不同，因而時延也不同。海面上海浪的起伏也會產生多次反射，所以在GNSS-R信號中呈現為多徑疊加的效應。

2 GNSS-R海面SAR成像仿真

2.1 點目標成像仿真

為了驗證算法的正確性和系統的性能，首先進行點目標成像仿真。設計如圖4所示的仿真場景。

其中成像區域位于坐標系中心的1 000 m×1 000 m的正方形區域，在成像區域中有5個點目標分別位于(0，0，0)、(-250，0，0)、(250，0，0)、(0，-250，0)、(0，250，0)位置。固定接收機位于(-1 000，0，50)位置，機載接收機位于(-1 000，0，500)位置，飛行速度為50 m/s，方向為Y軸負方向。GPS衛星的運動軌跡及速度由歷書仿真得到。

對圖4所示仿真場景，使用GPS信號利用BP算法進行點目標SAR成像仿真。結果如圖5所示。

在圖5中，圖5(a)對應為機載接收機，合成孔徑時間為4 s；圖5(b)對應為固定式接收機，合成孔徑時間為100 s。由圖5可以得到以下結論：

1)能夠利用GPS信號進行SAR成像，但是由于GPS信號C/A碼帶寬只有2 MHz，距離向分辨

率不高；因此圖像在X軸方向(距離向)出現了“拉長”現象。這表明使用GPS信號不能像傳統SAR雷達一樣進行高精度成像，而只能對地表進行大面積特征識別。

2)機載接收機成像結果優于固定式接收機，這是由于機載接收機和目標的相對運動角度更大；而固定式接收機的相對運動全部由GPS衛星提供，因此需要較長時間才可以得到較大的相對運動角度。

2.2 海面成像仿真

海面成像仿真的過程與點目標成像仿真過程類似，只是回波信號的仿真不同。在點目標成像仿真中，回波信號由5個點目標的回波疊加而成；而在海面成像仿真中，需要對海面的電磁散射特性進行分析建模，以生成海面回波。

海面屬于隨機粗糙面范疇，研究隨機粗糙面的電磁散射特性通常有2種方法：一是基于經驗模型進行仿真，計算量小、速度快，但精度不高，適合工程使用；二是使用數值方法進行分析，精度高，但計算量大、速度慢，適合科學研究使用[16]。為了提高仿真效率，本文使用模型的方法。

2.2.1 仿真流程

海面成像仿真流程如圖6所示。

其中直射信號使用C/A碼進行延時得到，延時時間由GPS衛星到接收機之間的距離確定。海面回波信號的產生分3步：首先利用海浪譜，使用雙疊加模型生成隨機海面；然后根據海面電磁散射模型，得到海面的電磁散射系數分布；最后將C/A碼根據場景中各點的距離和散射系數進行延時和衰減后，仿真生成二維隨機海面的回波信號。

2.2.2 海浪譜模型

海浪譜是對隨機海面進行統計描述的最重要工具。海浪譜定義為海面高度相關函數的傅里葉變換，是描述海面粗糙度的統計量。

常用的海浪譜模型有PM譜、APEL譜、JONSWAP譜和Elfouhaily譜等。其中文獻[17]提出的Elfouhaily譜是由PM譜、JONSWAP譜等多個海浪譜修正和融合之后得到，對波浪的低頻和高頻部分描述更加細致。

Elfouhaily譜表示為

(3)

式中：k表示波數；Bl表示低頻部分(重力波)；Bh表示高頻部分(張力波)。

圖7為根據式(3)計算的不同風速(3～20 m/s)下的海浪譜。

2.2.3 雙疊加模型

海浪譜僅描述了海面的統計特性，無法直接用于海面電磁散射的分析。由隨機波浪理論可知，平穩狀態下成熟發展的海面可以視為各態歷經的平穩隨機過程。海面上某一點的瞬時高度是由多個不同振幅、頻率、方向和初始相位的余弦波疊加

(4)

圖8為使用Elfouhaily海浪譜生成的5和15 m/s風速下，1 000 m×1 000 m范圍的隨機海面。

為簡化分析，不考慮風向的影響，在仿真時風向設置為0°。從圖中可以看出，隨著風速的增大，海面高度起伏變大，表現為海浪譜更加粗糙。

2.2.4 海面電磁散射模型

通常用于研究海面電磁散射的有基爾霍夫近似模型、復合表面模型(雙尺度模型)、小斜率近似模型等。

在GNSS-R海洋遙感應用中廣泛使用的ZV模型中使用的是基爾霍夫近似的幾何光學法建立的電磁散射模型[18]，形式為

(5)

式中：σ0為海面的電磁散射系數；R為菲涅爾反射系數；q為散射矢量；q⊥為散射矢量的水平分量；qz為散射矢量的z向分量；Ppdf為海面坡度的概率密度函數，通常這個值難以確定，但在仿真中，可以通過建立的隨機海面計算得到。圖8中2種風速下海面的電磁散射系數分布如圖9所示。從圖9中可以看出，和海面高度類似，隨著風速的增大，海面粗糙度增加，對應的電磁散射系數分布也更加粗糙。

2.2.5 仿真結果分析

海面成像仿真仍使用圖4所示場景，成像區域為1 000 m×1 000 m的隨機海面，不包含5個點目標。由圖5分析可知，機載接收機由于具有較大的相對運動角度，相對于固定式接收機能夠在較短時間內獲得更好的分辨率性能。因此在仿真中使用機載接收機模式，不同風速下的仿真成像結果如圖10所示。

從圖9～圖10中可以看出，對于不同風速下的海面，由于粗糙度不同，電磁散射系數的分布也不同，從而成像結果也出現較大差別；使用GNSS-SAR成像的方式能夠反映出海面的特征。

3 實驗驗證

3.1 實驗場景

為了驗證本文提出的方法，對某次機載海上實驗所采集的數據使用該方法進行處理。

本次實驗使用了機載接收機模式。接收天線使用雙天線，其中右旋極化天線朝上放置，用于接收GPS衛星所發射的直達波信號。左旋極化天線朝下放置，用于接收海面反射的反射波信號。成像區域設定為2 000 m×2 000 m海域。2路信號在通用信號采集器中進行采樣量化處理，其中，中頻頻率為175.42 MHz，采樣頻率為700 MHz，數據量化位數為8個比特，信號采集時間為1 min。在信號采集過程中，飛機保持直線飛行。

3.2 實驗結果分析

采集器采集的直射信號和反射信號保存為中頻數據文件，數據使用軟件接收機以離線方式進行處理：首先對直射信號進行捕獲跟蹤，獲取GPS衛星和接收機的位置速度，以及信號頻率、導航電文等信息；然后分別生成參考信號和回波信號后，使用BP算法對海面進行SAR成像，結果如圖11所示。為了直觀顯示，對成像結果使用最大值進行歸一化處理。

從圖11中可以看出，成像結果較好地反映了海面的特征，圖像中的高亮部分對應海面的強反射區域，暗色部分表明該區域反射較弱。

4 結束語

本文利用GNSS-R信號，使用SAR成像的方法對海面進行探測，獲取海面的二維圖像。通過理論仿真和實驗數據驗證，結果表明：

1)利用GNSS-R信號能夠通過被動雙基SAR成像的方法對地表進行成像，進而獲得地表的反射特征。

2)該方法使用GNSS-R信號，只需接收信號，無需發射機，設備簡單、功耗低，適宜機載或星載使用。

3)該方法可以充分利用現有的導航衛星信號，特別是擴展了我國自主的BDS的應用領域。

4)使用SAR成像的方法對海面進行探測，能夠獲取大范圍的二維海面反射特征，解決了傳統方法只能獲取海面鏡面反射點處區域的不足，探測范圍更大。

5)由于GPS信號C/A碼帶寬較窄，距離向分辨率不高，影響成像結果，未來可采用新體制的BDS信號來提高分辨率。

本文研究以GPS衛星為例，其中的分析方法和結論同樣適用于其他衛星導航系統。

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Application of GNSS-R signals in sea surface SAR imaging

YANGLei，ZHUYunlong，YANGDongkai

(School of Electronic and Information Engineering，Beihang University，Beijing 100191，China)

Aiming at the problem that traditional methods can only analyze the sea area near specular points，and it is difficult to get the reflection characteristics of sea surface with two dimensions in GNSS-R marine deteciton of remote sensing，the paper proposed an imaging method of sea with SAR： the navigation satellites were used as signal source，GNSS-R signals were used as echo，and BP algorithm was used to carry out the imaging.Simulation results showed that the proposed method could image the point targets and random sea surface，and obtain the energy distribution of electromagnetic reflection of sea surface with two dimensions，which proved the feasibility of the SAR imaging method of sea using GNSS-R signals.

navigation satellite；reflection signal；SAR；BP algorithm

2016-11-21

楊磊(1981—)，男，山東滕州人，碩士研究生，研究方向為衛星導航信號處理及應用。

朱云龍(1978—)，男，北京人，講師，研究方向為自適應信號處理、衛星導航。

楊磊，朱云龍，楊東凱.GNSS-R信號的海面SAR成像應用[J].導航定位學報，2017，5(3):94-100.(YANG Lei，ZHU Yunlong，YANG Dongkai.Application of GNSS-R signals in sea surface SAR imaging[J].Journal of Navigation and Positioning，2017，5(3):94-100.)

10.16547/j.cnki.10-1096.20170319.

P228

A

2095-4999(2017)03-0094-07