月基SAR仿真成像研究

谷昕煒，陳 杰，楊 威，王鵬波

(北京航空航天大學 電子信息工程學院，北京 100083)

0 引言

合成孔徑雷達(SAR)是一種主動微波遙感測繪工具，它不受光照、云層等因素影響，可以全天時、全天候工作，甚至具有穿透某些特殊地物的能力，在地形測繪、目標識別等領域有著廣泛的應用[1]。

現有的星載、機載SAR系統無法滿足全球性大尺度觀測的應用需求。機載SAR飛行高度較低、控制靈活，擅長對小塊區域進行快速高分辨率成像，但是缺點是成像帶寬較小，同時飛機的飛行還會受到能源、天氣和空域等條件的約束；而星載SAR的軌道高度可由幾百千米高至上萬千米，雖然具有較大的成像帶寬，但由于受到衛星軌道的限制，仍需要耗費極長的時間才能完成一次地球表面的完整照射。

進入21世紀，逐漸有科學家提出了月基合成孔徑雷達(Lunar-SAR)的概念，以月球為SAR平臺進行全球性大尺度觀測。因為在月球表面只需要2°的天線波束寬度，即可覆蓋整個地球。Moccia對月基SAR的可行性進行了分析，計算了系統的總體設計要求和成像性能，給出了分辨率和帶寬的理論表達式[2]。Fornaro對月基SAR的潛力和性能做了詳盡地分析和闡述，并提出了干涉式月基SAR的概念[3]。郭華東院士基于月基SAR的成像潛能，提出了面向全球變化探測的研究需求[4]，并給出了GCOLB-SAR(GlobalChangeObservationLunarbasedSAR)的設計概念，詳盡地分析了其時間、空間覆蓋性[5]，并在后續的研究中對其多普勒特性和干涉性一一做出了解釋[6]。

月基SAR作為一種未來技術，雖然目前已經有較多的可行性及應用領域方面的研究和預測，但計算機回波仿真成像研究仍然缺乏成果。本文結合已有研究及真實的月球運動模型，給出了完整的月基SAR回波仿真及成像結果展示，驗證了月基SAR的可行性，并對月基SAR的系統設計，調整調試提供了可靠的支持。

1 月基SAR回波仿真

1.1 月基SAR與低軌星載SAR的區別

月球是地球的一顆天然衛星，與人造衛星相同，其所有的運動都可以用開普勒三定律來描述，而潮汐鎖定現象的存在，使月基SAR的實現成為可能。但月球遠超過其他人造衛星的超大斜距為系統設計和回波仿真帶來了由量變到質變的設計難度。

Seasat是一顆典型的低軌SAR衛星，其軌道高度約為800km，離地心距離約為7 171km[7]。而月心到地心的距離約為380 000km，約是地球半徑的60倍，同樣是其他低軌衛星的數十倍[8]。這意味著月基雷達任何微小的抖動和誤差都極有可能導致波束中心偏離地球，或者引入極強的星下點回波。

另一方面，月球半徑有1 737km，這便不能將月球簡單地看作質點，其自轉速度必須在仿真過程加以考慮[9]。同時月球的自轉軸與公轉軸不平行，相當于一個天然滾轉角。最后，月基SAR實現的是從一顆星體表面到另一顆星體表面的照射，星體自身半徑和二者之間的距離都對照射軌跡有著較大的影響，所以往往被忽略的天體章動和平動現象，也必須加入到仿真模擬中[10]。

1.2 主要參數設計與回波展示

月基SAR系統參數設計，主要面臨以下2個難點：

① 地球的自轉角速度約是月球公轉角速度的27.3倍，這意味著系統的方位向多普勒帶寬主要來源于地球自轉。而由于地球曲率的影響，地表不同位置的點速度矢量有著很大的差別，所以雖然月基SAR的研究是為了獲取更大的觀測帶，但系統的波束寬度設計需要特別謹慎，以避免頻域模糊問題[11]。

② 月基SAR是一個大斜視系統，所有的頻率參數都隨時間變化，所以觀測時間不宜設置過長，以免為成像帶來難度[12]。

基于以上考慮，仿真系統所采用的部分主要參數以及方位向頻率參數計算結果如表1所示。設計條件為月球位于地球北半球時，布設在月球赤道的雷達以正側視的姿態照射南半球，距離向場景中心為南緯15°。

表1Lunar-SAR仿真關鍵參數

參數及符號數值載波頻率f0/Hz5×109距離向調頻率Kr/(Hz/s)-1×1012脈沖持續時間Tr/s3×10-5仿真時間Ta/s70方位向采樣率PRF/Hz500距離向天線尺寸Lr/m12.2方位向天線尺寸La/m400場景中心緯度latitudesc南緯15°多普勒中心頻率fd/Hz530.038多普勒調頻率fr/(Hz/s)0.978

單一點目標回波及脈沖壓縮結果如圖1和圖2所示，因為全場景數據量過于龐大，只給出場景中心2 000m×2 000m結果。圖中可以看到明顯的距離徙動現象。

圖1 單點目標回波實部

圖2 回波脈沖壓縮

2 月基SAR成像結果

目前的絕大多數SAR成像算法如RD(RangeDopplerAlgorithm)、CS(ChirpScalingAlgorithm)等都是基于線性孔徑假設的，即假設SAR的成像帶展開是一個平行四邊形[13]。在實際應用中，雖然無法嚴格滿足這一假設，但常見的機載SAR、星載SAR飛行高度較低，在一定的誤差范圍內可以進行近似處理[14]。但是月基SAR由于斜距過大，單一時刻的波束范圍即可包括半個地球，其相對運動更多依賴地球的自轉效應，是一種burst模式[15]，無法滿足線性孔徑假設，所以只能采取BP(Back-ProjectionAlgorithm)算法進行成像[16]。

單點目標和9點目標的成像結果如圖3和圖4所示，單點目標距離向和方位向一維強度曲線如圖5和圖6所示。

圖3 單點目標

圖4 9點目標

圖5 距離向一維強度

圖6 方位向一維強度

根據成像及一維切片結果，可以看到方位向和距離向都得到了較好的壓縮，峰值旁瓣比也與-13dB的理論值較為吻合[17]。因為月球公轉軌道是橢圓的，除了近地點和遠地點，雷達都不是垂直照射，所以點目標所表現出的大斜視特性也與理論模型相符[18]。

3 結束語

在雷達總體設計領域，計算機仿真是重要且必要的準備工作之一，而有效成像更是其他后處理應用的基礎。月基SAR的大斜距導致其在仿真模型上與傳統星載SAR有很大的差別，并表現出了不同的性質。本文結合現有的研究成果，加以考慮幾乎所有的地月幾何關系，構建了一整套Lunar-SAR仿真成像系統。在月球赤道布設合成孔徑雷達以burst模式對約1/6的地球表面積進行成像，并可通過調整天線尺寸、波束指向來調整雷達的覆蓋性；調整距離向信號帶寬、一次照射時間等來調整成像分辨率[19]。

另一方面，極大的數據量、雷達與場景間特殊的相對運動規律導致目前只能用BP算法進行成像，效率較低[20]。而成像結果表現出的分辨率和積分旁瓣比等也較理論值有所衰減。所以更快捷的成像算法，更深入的月基SAR特性分析等都是未來研究中十分重要的方向。

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