基于GF-3照射的星機雙基SAR成像及試驗驗證**

武俊杰， 孫稚超， 楊建宇， 呂 爭， 李東濤， 繆昱宣， 陳天夫， 左偉華， 李財品， 海 宇， 安洪陽， 李中余， 趙良波， 張慶君， 莊超然

(1.電子科技大學， 四川成都 611731； 2.中國空間技術研究院遙感衛星總體部， 北京 100094； 3.中國空間技術研究院西安分院， 陜西西安 710100； 4.中國資源衛星數據與應用中心， 北京 100094)

0 引言

雙基合成孔徑雷達(SAR)由于收發站分離，具有隱蔽性強、成本低、配置靈活、生存能力及抗干擾能力強的特點[1]。按照收發站平臺組合的不同，雙基SAR可以分為機載[2-4]、星載[5-7]、星機[8-11]、星地[12-13]和星彈[14]等多種模式。其中，國內外針對機載雙基SAR已經開展了大量的研究工作，包括成像算法、同步技術、試驗驗證等[15-20]，為雙基SAR技術的發展奠定了堅實的基礎。

LEO星機雙基SAR采用LEO-SAR衛星作為照射源，機載平臺作為接收站，省去了機載平臺所必需的發射機，為系統節約了空間、重量、成本及能耗。因此，可實現對地成像平臺的輕量化、小型化和低功耗，可裝載于微小型無人機等低載荷平臺上，增強系統的平臺適應性以及對地成像能力。在LEO星機雙基SAR中，通過調整接收站的波束指向，可以實現掃描、條帶、聚束等多種不同的成像模式，從而適應不同應用場合對觀測方向、成像分辨率、條帶寬度等成像性能的具體要求。與GEO或MEO等其他星載SAR平臺相比，LEO-SAR照射源運動速度快，且可實現大發射帶寬與高地面功率密度，顯著提升星機雙基SAR系統成像的空間分辨率和信噪比，提高成像質量。

國內外的研究機構針對低軌星機雙基SAR已經開展了較系統的理論研究與試驗驗證工作。1984年，美國宇航局用SIR-B低軌SAR衛星和CV-990飛機上搭載的一部L波段雷達，完成了LEO星機雙基SAR試驗系統并成功地驗證了系統成像可行性[21]。1992年，NASA的噴氣推進實驗室(JPL)利用ERS-1雷達衛星作為發射站開展了星機雙基SAR試驗。整個試驗的成像時間只持續3 s，回波數據由一種改進的距離多普勒算法進行成像處理[22-23]。1994年，美國空軍實驗室利用SIR-C成像雷達衛星作為發射站，接收站為NASA的DC-8型飛機完成了星機雙基SAR試驗。飛機上配備了兩副雙頻、雙極化天線分別接收C波段、垂直極化的ERS-1雷達回波，以及L和C波段、水平和垂直極化的SIR-C雷達回波，并實現了雙波段、雙極化星機雙基SAR成像試驗驗證。德國DLR和FGAN分別采用F-SAR和PAMIR系統作為機載接收站，利用TerraSAR-X衛星作為發射站，于2007至2009年，完成了一系列LEO星機SAR成像試驗[24-25]。由于波束同步時間短，試驗中采用了滑動聚束的方法來增大收發站波束的共同照射時間。試驗成功獲取了高分辨率的成像結果，能更準確地反映目標區域的特征。在國內，針對LEO星機雙基SAR的研究主要集中在成像理論與成像算法方面[26-28]。

2020年10月，電子科技大學聯合航天科技集團五院遙感衛星總體部、航天科技集團五院西安分院，利用高分三號衛星作為照射源，機載接收站被動接收，完成了星機雙基SAR的飛行試驗驗證，據公開文獻報道，這是國內首次星機雙基SAR飛行試驗。

由于LEO星機雙基SAR發射站軌道低、過頂時間短，與接收載機的波束同步照射時間只有秒級，聚束條件下也只能達到10 s量級，給收發雙站之間的高精度同步與成像帶來較大的挑戰。本文首先分析了星機雙基SAR的成像性能并給出了處理流程。隨后，描述了基于高分三號SAR衛星照射的星機雙基SAR試驗構型與收發站系統結構，并給出了試驗的成像結果。結合成像區域的光學圖像分析了系統成像性能。

本文的結構安排如下:第一節描述了LEO星機雙基SAR的成像性能與處理流程。第二節給出了基于高分三號照射的星機雙基SAR試驗構型、與收發站系統結構。最后，給出了成像結果與成像性能分析。

1 星機雙基SAR系統與成像性能分析

LEO星機雙基SAR系統如圖1所示，該系統由一個低軌SAR衛星(LEO-SAR)作為照射源，機載平臺作為接收站，接收目標區域回波信號，實現雙基SAR成像。低軌發射站可采用滑動聚束和掃描等不同的工作模式，實現波束寬度達10～100 km的大范圍對地照射，為機載接收站提供寬幅的波束覆蓋，滿足不同應用條件下的成像需求。機載平臺可工作于前視、斜視、側視和后視等不同模式，被動接收目標區域的回波信號，實現多視向雙基SAR成像。

圖 1 LEO星機雙基SAR系統

1.1 成像性能分析

SAR系統的輻射特性可以由NEσ0量化表示如下[29]：

(1)

式中，Dc為占空比，k為玻耳茲曼常數，T0為噪聲溫度，F0為接收機噪聲系數，Ls為傳播損失，Sc為分辨單元面積，Ta為合成孔徑時間，RRP為接收站作用距離，ΦPD為照射源的地面功率密度:

(2)

PT為發射功率，GT為發射天線增益，RTP為發射站作用距離，GR為接收站的天線增益，由天線物理尺寸Ap、天線效能因子ηe和信號波長λ決定。

(3)

NEσ0與SAR圖像的SNR成反比，因此更低的NEσ0意味著更好的輻射靈敏度。

圖 2 距離分辨率隨雙基投影角和接收站入射角變化示意圖

典型頻段天線尺寸、傳播損耗、接收機噪聲系數等參數可參考文獻[30]。假設噪聲溫度為300 K，天線效能因子為0.5。典型星載照射源參數如表1所示。在3 s的合成孔徑時間內，基于LEO-SAR照射源的星機雙基SAR的NEσ0約為 -42.2 dB，顯著優于MEO-SAR照射源的-35.3 dB和GEO-SAR照射源的-30.5 dB。對于GNSS照射源來說，假設合成孔徑時間為100 s，基于GNSS照射源的星機雙基SARNEσ0最低，約為-13.1 dB。因此，LEO-SAR作為照射源通常可以提供更高的成像信噪比。

表1 典型星載照射源參數

地面分辨率是衡量星機雙基SAR成像性能的重要指標，是斜距平面分辨率在地面上的投影。

地面距離向分辨率由發射帶寬Br、雙基角β和等效入射角Φ決定，表達式如下[29]：

(4)

式中，c為光速常量，k1為與發射信號波形相關的常數，當發射信號為矩形波時，k1=0.886。雙基角β和等效入射角Φ由發射站和接收站的空間位置共同決定。雙基角β是發射站和接收站的距離矢量的夾角，等效入射角則是雙基單位距離矢量的和矢量所對應的入射角。

在LEO單基SAR中發射站與接收站處于同一平臺，因此雙基角β=0°且等效入射角Φ等于LEO-SAR平臺的入射角φT。受到LEO-SAR軌道高度和運動特性的限制，入射角通常在一定范圍內。因此，要提高LEO單基SAR的距離分辨率唯有增大發射信號帶寬，但導致系統復雜度提高；對于雙基地SAR來說，等效入射角Φ是由成像中心時刻t0所對應的等分向量ub(t0)確定。

ub(t0)=uT(t0)+uR(t0)

(5)

式中，uT(t0)和uR(t0)分別為目標點指向發射站和接收站單位矢量。通過引入機載接收站，增大雙基等效入射角，從而改善分母中的空間構型依賴項cos(β/2)sinΦ，使得cos(β/2)sinΦ>sinφT，進而提高地面距離分辨率。

圖2給出了星機雙基SAR地面距離分辨率隨雙基投影角和接收站入射角變化的關系圖。設發射信號為矩形包絡的線性調頻信號，帶寬為240 MHz，LEO發射站的入射角為45°。從圖2中分析可知，雙基SAR的地面距離分辨率隨接收站入射角的增大而改善。因此，可以通過增大接收站入射角改善等效入射角Φ，從而提高LEO星機雙基SAR的距離分辨率。另外，雙基SAR的地面距離分辨率還會隨著雙基角β投影的增大變差，尤其當雙基投影角大于90°時，地面距離分辨率隨著雙基投影角的增大而急劇惡化。圖中紅色等高線代表單基LEO-SAR的距離分辨率值(0.78 m)，可以看到該等高線圍成的深藍色區域表示了LEO星機雙基SAR距離分辨率優于單基LEO-SAR分辨率所對應的雙基構型范圍。

另一方面，地面方位分辨率可以根據雷達參數以及平臺運動參數求解[29]：

(6)

式中：k2為與方位向包絡有關的常數；ωE為等效角速度，是發射站和接收站的等效運動速度的矢量和在地面上的投影：

ωE=||H⊥(ωTA+ωRA)||

(7)

其中，||·||是求模算子，ωTA和ωRA分別是發射站和接收站繞目標點運動的角速度，H⊥是成像本地平面的投影矩陣。

(8)

式中，I為3×3的單位矩陣，ug為成像本地平面的單位法向量，上標T表示矩陣轉置。

圖3給出了LEO星機雙基SAR的地面方位分辨率隨雙基投影角和雙基速度夾角變化的關系圖。設定合成孔徑時間為3 s，接收站入射角為45°。地面方位分辨率隨速度投影夾角和雙基投影角變化。當雙基投影角與速度投影夾角相等時方位分辨率較好，這是因為此時接收站提供的角速度分量最大。在雙基投影角與速度投影夾角相等的情況下，雙基投影角越接近180°方位分辨率越差，這是因為此時接收站和發射站提供的角速度分量方向相反，等效角速度較小。

圖3 方位分辨率隨雙基投影角和速度夾角變化

2 試驗驗證

為驗證星機雙基SAR成像性能，開展了基于高分三號SAR衛星照射的星機雙基SAR成像試驗[31]。本節先描述了星機雙基SAR成像試驗構型與收發系統組成，隨后給出了成像結果并分析了系統成像性能。

2.1 試驗構型

本次試驗中，高分三號運行于743 km高度的軌道，工作于聚束模式。接收站工作于斜視條帶模式。圖4給出了星機雙基SAR試驗的幾何構型。相關試驗參數列于表2。

圖4 星機雙基SAR試驗構型

表2 星機雙基SAR試驗參數

2.2 系統組成與處理方法

星機雙基SAR接收系統安裝于機艙內，包含兩個通道，CH1和CH2。CH1接收來自高分三號的直達波信號，CH2接收照射區域反射的回波。星機雙基SAR接收系統與實驗場景如圖5所示。

圖5 接收機系統和試驗場景

LEO星機雙基SAR的數據處理過程分為兩步：直達波同步和BP算法成像。其處理流程圖如圖6所示。

圖6 數據處理流程圖

2.3 試驗結果

圖7展示了光學遙感圖像與星機雙基SAR成像結果的對比圖，圖像展示的是舟山市城鎮的景象，其中典型場景有山峰、水塘、建筑和道路。圖像的豎直方向為5 km，水平方向為3 km。而且由于接收站的擦地角較小，導致圖像中山峰的陰影較長。

針對星機雙基SAR試驗成像結果中特征明顯的地物，展開了實地考察，驗證了星機雙基SAR成像結果的準確性與真實性。

大棚區域多為鋼架結構的蔬菜大棚，其橫向距離為2～3 m，縱向距離約為40 m，因此雙基SAR圖像中此處呈現為平行的條狀亮線，如圖8與圖9所示。

圖9 實物照片

從成像結果中選取孤立強點，并繪制目標點的剖面圖，如圖10所示。從圖中可以看出，方位向的分辨率為1.39 m，距離向的分辨率為0.92 m，與理論值(1.4 m,0.88 m)基本一致。

(a) 方位剖面圖

3 結束語

本文分析了LEO星機雙基SAR的成像性能，描述了基于高分三號SAR衛星照射的星機雙基SAR成像試驗構型與接收系統，給出了星機雙基SAR成像試驗的成像結果，并結合成像場景的光學圖像分析了成像性能。通過成像結果，驗證了成像處理方法的有效性，實測分辨率與理論分辨率一致。此次試驗是國內首次星機雙基SAR試驗，對星機雙基SAR構型下的理論研究和應用具有一定的意義。