星源照射雙/多基地SAR成像

武俊杰 孫稚超 呂 爭 楊建宇 李財品 孫華瑞 陳天夫 趙良波 任 航

①(電子科技大學 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 西安 710100)

④(中國資源衛星數據與應用中心 北京 100094)

1 引言

合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar,SAR)是一種高分辨成像雷達，具有全天時、全天候的成像能力，已經在災害監測、資源勘查、地形測繪、軍事偵察等領域得到了廣泛的應用。

隨著SAR技術的快速發展，其搭載的平臺也日趨多樣化，除了傳統的有人機載平臺，逐漸衍生出星載SAR、彈載SAR、無人機SAR、地基SAR等不同技術，以適應不同的成像任務需求。

雙/多基地SAR收發分置、協同工作，收發站可裝載于不同的平臺，包括衛星、飛機、導彈等，相比傳統單基SAR，具有隱蔽性好、觀測視角豐富、接收站輕量靈活等優勢[1-3]。并且可以突破單基SAR在成像視向上的限制，具備前、后、下視等成像能力。國內外針對機載雙基SAR已經開展了大量的研究，在成像機理、成像方法、收發同步、試驗驗證等方面取得了突出的成果。

星源照射雙/多基地SAR，是一種利用衛星作為照射源，接收站安裝于衛星、臨近空間、飛機、地面等多種平臺，對地物進行成像、檢測、識別的新體制雷達成像技術。與機載照射源相比，星載照射源軌道高，可以為接收平臺提供相對大范圍的波束覆蓋。

本文將針對星源照射雙/多基地SAR成像技術，介紹其系統組成與相關特性，分析星載照射源與不同接收平臺組合的構型設計、回波模型、成像方法、收發同步及動目標檢測技術，闡述國內外在星源照射雙/多基地SAR方面的試驗驗證工作。最后，簡要分析星源照射雙/多基SAR技術未來的發展趨勢。

2 星源照射雙/多基地SAR系統組成與特性

星源照射雙/多基SAR，是將衛星作為發射站，衛星、飛機等平臺作為接收站的雙基SAR系統，能充分利用現有的衛星資源，結合接收平臺的多種優勢，在軍事偵察、環境監測等領域有廣闊的應用前景。

2.1 系統組成

廣義地講，星載照射源可以是SAR衛星，也可以是導航衛星、通信衛星、廣播電視衛星等，只要信號形式、功率強度等滿足要求，并且衛星與接收站的協同能夠形成合適的大孔徑，就可以為雙基SAR成像提供必要的條件，如圖1所示。

圖1 星源照射雙/多基地SAR系統Fig.1 The configuration of bi/multi-static SAR system with spaceborne illuminators

星源照射雙/多基SAR系統又可分為同構系統和異構系統。同構系統是指收發站裝載在相近的平臺上，比如低軌星載雙基SAR、高軌星載雙基SAR。異構平臺是指收發站分別裝載在不同的平臺上，比如衛星照射飛機接收的星機雙基SAR、衛星照射地面接收的星地雙基SAR、高軌衛星照射低軌衛星接收的高低軌雙基SAR等，如圖2所示。

圖2 星源照射雙/多基地 SAR 系統分類Fig.2 The classification of bi/multi-static SAR system with spaceborne illuminators

采用不同的星載照射源，對應的雙/多基地SAR系統也具有不同的成像能力與特點。例如，利用全球導航衛星系統(Global Navigation Satellite System,GNSS)作為照射源的雙基SAR系統，無需專門SAR衛星。導航衛星信號具有全球覆蓋的特性，可為成像系統提供隨時隨地可用的信號來源。英國伯明翰大學Cherniakov教授的研究團隊[4,5]，在2002年提出了以GNSS為照射源的星地雙基SAR對地觀測的構想。之后，國內外也開展了若干相關的試驗驗證。然而，由于衛星導航信號帶寬與功率受限，現階段基于GNSS的雙/多基SAR仍面臨成像結果分辨率與信噪比較低的難題[2]。

20世紀70年代以來，星載SAR技術以其獨特的成像能力和優勢取得了長足的發展。按照軌道高度劃分，星載SAR包括低軌SAR (Low Earth Orbit-SAR,LEO-SAR)、中軌SAR (Medium Earth Orbit-SAR,MEO-SAR)和高軌SAR (Geosynchronous Earth Orbit-SAR,GEO-SAR)。自1978年首顆星載SAR衛星Seasat-A發射以來，美國、中國、日本等國均發射了多顆SAR衛星，將人類帶入了一個對地全天時、全天候、高分辨率觀測的新時代。

隨著星載SAR技術的發展，人們逐漸意識到用它的發射信號來實現雙基地SAR成像是可能的。早在20世紀80年代中期，美國空軍(USAF)和國防高級研究計劃局(DARPA)[6]就聯合開展了COVIN REST計劃，旨在利用接收站的靜默特性，提升其隱蔽行動的能力。該計劃以航天飛機搭載L波段SIR(Shuttle Imaging Radar)作為照射源，以CV-990飛機作為接收站，進行了國際上第1次星源照射的雙基地SAR試驗驗證，獲得了愛荷華州Sioux城的20 m左右分辨率的雙基地圖像。

在不同的SAR衛星作為照射源組成的雙基SAR系統中，LEO-SAR的發射信號落地功率密度相對較高，可用衛星資源多，但重訪時間長。GEO-SAR衛星照射源軌道高度約為36000 km，軌道周期為1 d，可以實現三分之一的全球覆蓋，而且每天可以對某一區域進行數小時的持續照射，具有較高的時間分辨率以及更廣的波束覆蓋。MEO-SAR的軌道高度介于LEO-SAR和GEO-SAR之間，可作為二者性能的折中選擇。

對于接收平臺而言，機載接收平臺機動靈活，可以提升成像系統的實時任務響應能力。低軌衛星也可以作為接收站，與衛星照射源配合，通過編隊飛行形成雙基干涉SAR體制。與單基多通道干涉相比，收發分置可以突破平臺尺寸限制，形成長達數公里的干涉基線，從而大幅度提高干涉測量精度，對地表形變監測、高精度數字高程地圖(Digital Elevation Map,DEM)測量、國土測繪等應用具有重要的價值。目前，在軌運行的星載雙基干涉SAR系統包括德國的TanDEM-X[7]和中國的陸探一號(LT-1)[8]。陸探一號的兩顆衛星分別于2022年1月和2月成功發射。該系統由中國航天科技集團八院總研制，中國科學院空天信息創新研究院為載荷總體，是全球首個用于地表形變干涉測量的L波段雙星星座。此外，采用GEO-SAR發射，多顆LEO衛星組網接收可以組成GEO-LEO雙/多基SAR系統，顯著降低LEO衛星的成本和功耗，實現接收衛星小型化。接收站也可以裝載在地面固定或運動平臺上，以實現固定場景的持續監視等應用。

可見，不同平臺的組合可以形成多種星源照射的雙/多基地SAR系統，以滿足不同的成像任務需求。還可以整合多種平臺組合的優勢，構成基于星源照射的雙/多基SAR對地觀測體系，實現收發平臺的性能互補。

2.2 成像性能

成像雷達最重要的性能指標包括空間分辨性能、輻射分辨性能、成像場景大小等。

空間分辨性能主要包含距離分辨率、方位分辨率、分辨率夾角3個指標，它直接反映了雙基SAR系統對目標與地物的描述能力。高分辨率能夠更為精細地反映目標特征信息，便于特征提取和目標識別。

與傳統單基SAR不同，雙基SAR的空間分辨率除了與帶寬等系統參數有關外，還與空間構型、收發站運動矢量等緊密相關。目前針對雙基SAR系統空間分辨率的研究，主要是利用矢量梯度法[9]、模糊函數法[10]和k空間[11]等方法來推導空間分辨率公式。文獻[12,13]分析了星機雙基SAR的二維分辨率，導出了距離、方位分辨率以及分辨方向夾角的表達式。除此之外，文獻[13]還對GEO多基分辨率進行了分析，推導出了陣列維模糊函數并給出了陣列維分辨率的表達式。圖3給出了GEO星機雙基SAR地面距離向分辨率與接收站散射角(即接收站到目標點連線與地面法線的夾角)θR和 地面投影雙基角φ的關系。圖中發射站入射角為θT=57°。在接收站散射角θR不變的情況下，當地面投影雙基角φ=0°時距離分辨率最優，而當φ=180°時距離分辨率最差。圖4給出了地面方位向分辨率與地面投影雙基角φ和速度方向投影夾角ψ的關系，其中接收站散射角θR=45°。圖中紅色的“山脊”區域表示方位向分辨率惡化的雙基成像構型區域；而藍色“山谷”區域為分辨率改善區域，最優分辨率約1.5 m。圖3和圖4所采用的系統參數如表1所示。發射站為傾斜軌道GEO-SAR衛星，軌道傾角為53°，軌道半長軸長度為42164 km。

圖3 地面距離分辨率與幾何構型的關系[14]Fig.3 The relationship between ground range resolutions and bistatic configurations[14]

圖4 地面方位分辨率與幾何構型的關系[14]Fig.4 The relationship between ground azimuth resolutions and bistatic configurations[14]

表1 GEO星機雙基SAR系統仿真參數Tab.1 The simulation parameters of geosynchronous spaceborne/airborne bistatic SAR

根據公開文獻，目前設計的GEO-SAR的信號帶寬一般要小于在軌的大部分LEO-SAR，因此GEO星機雙基SAR的距離向分辨率相對較低。而GNSS的信號帶寬比GEO-SAR的還要小，所以距離分辨率更低。有學者提出通過多接收站或子帶融合的方法來提高分辨率[15]。方位分辨率方面，GEO照射源相對于目標點的角速度通常遠遠小于機載接收站相對于目標點的角速度，因此其方位分辨率主要由接收站的角速度矢量決定。而LEO星機雙基SAR中，LEO發射站也能提供較高的角速度，對方位分辨率也會有較大的影響。另外，分辨方向夾角只與雙基SAR系統的空間構型、收發站運動矢量相關，不受系統參數的影響[16]。

輻射分辨率也是成像雷達主要的性能指標，主要衡量雷達區分地物輻射能量細微變化的能力。在圖像視數相同的情況下，星機雙基SAR的輻射分辨性能主要受成像信噪比決定[17]。成像信噪比是雷達在成像范圍內感興趣目標的信號功率與噪聲功率的比值，是影響雷達圖像質量的重要技術指標。高的成像信噪比可以提高系統的輻射分辨率，有利于圖像的識別與解譯。在星載SAR設計階段，為了能夠獲取足夠信噪比的信號，需要足夠大的天線尺寸。對于星機雙基SAR，接收站作用距離遠小于衛星照射源，可以大幅提升成像信噪比，還可以降低對接收平臺天線增益的要求。

需要注意的是，在信噪比計算公式中，空間分辨率和歸一化雷達散射截面積是與雙基SAR成像空間幾何結構有關的參數，導致星源照射雙基SAR的成像信噪比也與系統的幾何構型緊密相關。圖5給出了HH極化模式下典型的隨機粗糙表面的成像信噪比同雙基角和散射角的關系，均方根高度δh=1.002 cm，復介電常數εr=7，相關長度L=21.34 cm，仿真參數在表1給出。可以看出，成像信噪比隨幾何構型參數的變化而劇烈變化。因此，在設計雙基SAR的成像空間幾何構型的時候應該綜合考慮其對空間分辨率和輻射分辨率的影響。

圖5 HH極化星機雙基SAR成像信噪比特性[14]Fig.5 The property of SNR for spaceborne/airborne bistatic SAR with HH polarization[14]

雙基SAR的成像場景大小由收發雙站的波束共同照射范圍和持續時間決定。對于星源照射雙基SAR來說，星載照射源的波束覆蓋范圍可達數十公里至數百公里，通常大于機載接收站的波束覆蓋范圍。所以，某個時刻的波束重疊面積主要受接收站影響。

然而，LEO-SAR衛星地面波束腳印移動速度約為7600 m/s，遠大于機載接收站的波束移動速度。因此，在二者配合成像時，需要設計合理的空間構型與波束掃描模式以實現更長時間的收發波束共同覆蓋，從而提高系統的成像場景大小。

2.3 成像模式

現有 SAR 系統的工作模式主要有條帶模式(Stripmap Mode)、聚束模式(Spotlight Mode)以及掃描模式(Scan Mode)等[18]。然而對于收、發波束運動速度差異顯著的星機雙基SAR而言，若收發站均采用條帶模式，其成像場景大小和成像分辨性能可能會受到一定的限制。

前文提到，LEO-SAR衛星波束腳印速度遠大于機載平臺，若收發平臺均采用條帶成像模式，則波束共同照射時間較短，可成像范圍縮小，限制了星源照射雙基SAR的成像能力。因此，需要設計合理的收發站的波束指向與掃描方式，提升系統的分辨性能與成像范圍。

為降低衛星波束的移動速度，可讓衛星工作在滑動聚束(Sliding Spotlight Mode)或聚束模式[19]。滑動聚束是條帶與聚束的結合，可在場景面積和方位分辨率間進行折中，是一種比較靈活的工作模式[20]。為保證星機雙基SAR收發波束的重疊時間和覆蓋范圍滿足要求，德國錫根大學Gebhardt的團隊[21]提出改變系統的工作模式，通過收發平臺波束指向的合理控制增加成像區域的長度。其中，星載照射源工作于“正向滑動聚束模式”，從而降低衛星波束腳印移動速度；接收平臺通過工作在“反向滑動聚束模式”(Inverse Sliding Spotlight Mode)，以加快飛機波束腳印移動速度。通過這兩種措施，可大幅提升成像區域的長度。另外，還有研究人員提出，采用增大收發站方位向波束寬度的方法來達到提高波束重疊時間、擴大成像場景范圍的目的[22]。

相對地，GEO-SAR波束覆蓋寬、波束腳印速度與機載平臺相當。相較LEO星機雙基SAR，GEO照射源與機載接收站配合時波束同步較為容易，可以實現大范圍的成像。為了充分利用GEO-SAR照射源波束覆蓋范圍廣這一優勢，機載接收站可以采用逆滑動聚束模式實現方位向大場景成像，或者掃描模式實現距離向幅寬的提升。

按照接收站的視線方向，星源照射雙基SAR可以分為側視、斜視、前視、下視以及后視等不同模式。需要指出的是，由于收發分置，通過合理的構型設置，可以使接收站具備對飛行正前方場景的成像能力[1]，解決了單基SAR無法前視成像的問題，在飛行器自主著艦著陸、精確打擊、物資空投等方面有廣闊的應用前景。圖6給出了典型雙基構型下GEO星機雙基SAR的距離多普勒等值線。可以看出，機載接收站的前視、斜視、側視、下視、后視區域均可實現等距離等多普勒線較好的分割，從機理上具備了二維高分辨的成像能力。

圖6 GEO星機雙基SAR的等距離等多普勒線[23]Fig.6 The contour of range-Doppler for geosynchronous spaceborne/airborne bistatic SAR[23]

按照收發站的數量，星源照射雙/多基SAR還可以分為一發一收、一發多收、多發一收和多發多收等。例如，GEO星機多角度成像模式由GEO-SAR照射、多個機載接收平臺采用不同的飛行軌跡，通過路徑規劃，使其在同一時刻以不同的方向接收感興趣目標區域的回波信號，實現對目標場景的不同角度成像，可同時獲取目標的多角度信息，有利于目標識別與解譯[24]，在高價值目標信息獲取方面具有很大的應用潛力，如圖7所示。

圖7 GEO星機多角度成像模式示意圖[25]Fig.7 The diagram of multi-angle imaging modes for geosynchronous spaceborne/airborne bistatic SAR[25]

3 星源照射雙/多基地SAR關鍵技術

本節將從構型設計、成像方法、同步技術、動目標檢測等方面分析星源照射雙/多基地SAR的相關關鍵技術。

3.1 構型設計

同傳統單基SAR相比，雙基SAR的空間分辨率和成像信噪比同幾何構型息息相關。因此，設計一個滿足成像性能需求的收發幾何構型至關重要。可以說，構型設計是雙基SAR相對于單基SAR而言衍生出的一個新的問題。

在星機雙基SAR中，由于照射源的運動受到軌道特性限制，在特定成像時刻對某一成像場景來說，其空間位置和速度通常是固定的，調整衛星軌道參數或波束指向會造成系統成本和能量消耗的增加，在實際應用中難以實現。因此，在構型設計中，通常通過改變接收站的位置和運動狀態來調整雙基構型[26]，從而達到設想的成像目的。

目前，國內外學者針對不同的場景和任務需求，提出了多種構型設計方案。在構型設計中，涉及到的優化函數有：圖像信噪比、二維分辨率的大小及夾角、地面動目標的信雜噪比、波束連續覆蓋能力、測高精度等。

為了得到滿足指定成像分辨率與信噪比需求的GEO星機雙基SAR的空間構型，電子科技大學Sun等人[14]首次提出將雙基SAR構型設計問題建模為非線性方程組，然后轉化為多目標優化問題，并采用非支配排序遺傳算法(Non-dominated Sorted Genetic Algorithm-II,NSGA-II)進行求解，得到了多個滿足不同場景下成像需求的構型。北京理工大學Cui等人[27]根據最佳輸出信雜比準則，建立了動目標檢測性能與GEO星機雙基SAR的構型參數之間的解析關系模型，并導出了最優信雜噪比的雙基構型。此外，研究人員還針對星機雙基SAR的前視成像性能[28]、熱點區域的連續波束覆蓋能力[29]以及動目標檢測性能[30]等方面開展了構型設計的研究。

當接收站采用無人機(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)平臺時，需要預先設計UAV的飛行路徑，此時，除應考慮UAV平臺的導航性能外，還需要考慮雙基SAR的成像性能。可以把UAV路徑規劃問題分解為導航段和任務段兩個階段，并進行分段協同搜索[31]，使用約束多目標差分進化算法，生成滿足成像和導航任務需求的無人機飛行路徑[23]。

除了星機雙基SAR的構型設計，星載雙/多基地SAR的編隊構型設計也受到了廣泛的關注。文獻[32]研究了GEO-LEO雙基SAR的構型與軌道參數設計，在設計過程中考慮了地面分辨率、二維分辨率夾角以及噪聲等效后向散射系數等成像性能。歐空局[33]提出Cartwheel任務由3顆星構成，組成共面繞飛構型，一方面可以通過衛星的相位均勻分布使系統垂直基線的變化更加平緩；另一方面，共面繞飛構型也大大降低了構型控制成本。

國內也在星載多基地SAR編隊飛行構型設計方面開展了深入研究。目前，針對一發多收的主星帶輔星系統的研究較多，主要包括分布式干涉SAR(Interferometric SAR,InSAR)測高[34]和特定SAR成像任務的編隊構型優化。InSAR測高精度[35]主要受到衛星軌道根數和基線空間分布的影響[36]，通過粒子群算法[37]、希爾方程[38]等方法求解多基構型，可以實現測高精度優化。此外，在GEO-SAR基礎上，通過增加僅接收信號的從星，可構成伴隨式星座。通過設置適當的編隊構型，形成多個相位中心，可在完成成像任務的同時降低系統成本[39]。

3.2 成像方法

SAR成像方法的目的是基于原始回波數據以及系統參數和平臺運動信息，通過信號處理，生成反映地物場景和目標散射分布信息的雷達圖像。它是SAR技術中的核心關鍵之一。針對單基SAR，經過幾十年的大量研究，人們提出了非常多的SAR成像處理方法。從而可以從看似雜亂無序的回波中快捷地得到高精度的雷達圖像，為后續的圖像解譯奠定了基礎。

與單基SAR不同，雙基SAR在獲取回波的過程中，信號從發射到接收，涉及到位置和運動特性存在差異的兩個平臺。換一個角度看，雙基SAR合成的天線大孔徑綜合了收發兩個平臺的運動，因此合成孔徑的形式、分布等與單基SAR也有非常大的差異。基于以上原因，星源照射雙基SAR的回波模型、回波特性以及相應的成像方法與單基SAR也大大不同。

3.2.1 星源照射雙基SAR距離模型

在SAR成像中，距離模型指的是在合成孔徑時間內天線相位中心到目標散射點的距離隨慢時間或脈沖序列變化的過程。該模型是回波建模、性能分析、成像處理等的基礎。對于雙基SAR而言，距離模型為收發站各自距離模型的和。下面分別從照射源和接收站兩個方面進行闡述。

針對短合成孔徑低分辨率情形下的低軌星載照射源，通常用斜視距離模型(Conventional Hyperbolic Range Equation,CHRE)對距離的變化過程進行描述[40]：

其中，v′表示等效雷達速度，θT0表示星載平臺的斜視角，RT0表示方位零時刻的斜距。該等效雷達速度通過以下方法計算得到[41]：

其中，λ表示雷達波長，fdc表 示多普勒質心，f1r表示多普勒調頻率，vs表示衛星實際速度，vg表示星下點移動速度。

針對高分辨情形下的低軌照射源、中軌照射源和高軌照射源，需要考慮衛星在合成孔徑時間內的彎曲軌跡。而CHRE的自由度較低，無法精確描述這種現象，需要進一步研究具有更高精度的距離模型。此外，當照射源采用聚束模式工作時，由于孔徑時間更長，相應地也需要更精確的距離模型。文獻[42]提出了針對聚束模式LEO衛星的距離模型，在CHRE的基礎上添加兩個補償項，提高了距離模型的自由度，從而得到更高精度的距離模型。文獻[43]進一步推導了適用于斜視滑動聚束模式的LEO距離模型，引入了等效加速度，并考慮了等效速度的方位向空變性，將運動軌跡等效為勻加速直線模型，得到擴展斜視距離模型(Expanded Squinted Range Model,ESRM)。文獻[44]提出了改進斜視距離模型(Advanced Hyperbolic Range Equation,AHRE)，通過附加線性項來提升距離模型自由度，消除了3次相位誤差，提高了MEO-SAR照射源距離模型的精度。針對GEO衛星，需要更多的自由度來提升距離模型的精度，因此文獻[45]提出了基于4階多項式擬合的距離模型。

對于接收平臺而言，如果機載平臺為勻速直線運動，也可以采用CHRE對其距離模型進行描述：

其中，vr表示機載平臺飛行速度，θR0表示機載平臺的斜視角，RR0表示方位零時刻的斜距。然而，當接收站高速高機動運動時，通常需要考慮平臺的三維及高階運動特性，如加速度[46]及急動度[47]。采用矢量可以表示如下：

其中，rR,vR,aR與jR分別表示機動接收站的位置矢量、速度、加速度與急動度矢量，rp表示目標點位置矢量。對于星載接收平臺，可以采用與前述星載照射源距離模型相同的方式進行描述。

將以上不同類型發射與接收平臺的距離模型求和，就可以得到不同的星源照射雙基SAR的距離模型，其通用表達式如下：

需要注意的是，對于以GEO為照射源，以LEO衛星或者高速高機動平臺為接收站的雙基SAR，由于GEO照射源軌道高、距離遠，高速高機動平臺或者LEO衛星運動速度快，因此信號傳播過程中接收平臺的運動不能忽略，導致“停走停”假設不再適用。針對該問題，文獻[46]提出了GEO照射源高速高機動平臺接收的雙基SAR構型下的“非停走停”距離模型：

其中，c為光速，τd表示信號的傳播延時。RR(t+τd)表示高速接收平臺的單程斜距模型，可以表示為

針對GEO-LEO雙基SAR，文獻[47]分析了LEO彎曲軌跡條件下的“非停走停”延遲量τd，表示為

其中，kR1和kR2表示接收站的1階、2階多普勒參數。將計算得到的“非停走停”延遲量，代入雙基距離模型中，就可以獲取適用于高軌照射，低軌或者高速高機動平臺接收的雙基SAR距離模型。

3.2.2 星源照射雙基SAR回波頻譜模型

有了雙基SAR的距離模型以后，就可以很方便地獲得雙基SAR的時域回波模型。為了高效地在頻域對回波進行聚焦，還需要進一步研究回波的二維頻譜模型及時頻混合模型。建立雙基SAR頻譜模型的主要問題在于收發雙站距離模型中的雙根式形式使駐定相位點的求解非常困難。通過改進Loffeld頻譜模型[48]，分別求解收發雙站各自的駐定相位點，然后再進行加權求和得到最終的駐定相位點，可以得到二維頻譜。對于GEO星機雙基SAR，由于GEOSAR照射源相對于目標場景的角速度很小，其多普勒貢獻遠小于機載接收站，因此，電子科技大學Sun等人[49,50]提出將雙基距離歷史等效近似為一站固定式雙基SAR，從而將距離模型中的雙根式簡化為單根式形式，導出頻譜模型。此外，也可采用Neo等人[51]提出的級數反演方法推導二維頻譜。雖然在理論上距離模型的階數越高，采用級數反演得到的頻譜模型也就越精確，但是過高的階數會導致回波頻譜模型變得復雜[52]，會影響后續成像算法的推導。

3.2.3 星源照射雙基SAR成像方法

星源照射雙基SAR成像方法要解決的核心問題是回波信號的空變性，不同成像方法采用不同的技術途徑以解決空變性。通常，雙基SAR成像算法可以劃分為時域成像算法、頻域成像算法和波數域成像方法。時域成像方法為反向投影(Back Projection,BP)方法及其變式等。時域成像方法成像精度高，適用性廣，但算法復雜度高，效率低，因此通常不適用于線上實時處理。頻域成像方法主要包括距離多普勒方法(Range Doppler Algorithm,RDA)、調頻變標方法(Chirp Scaling Algorithm,CSA)以及 ω-k方法等。頻域方法能夠有效提升成像處理的效率，但是一定程度上犧牲了算法的普適性和精度。波數域方法是指極坐標格式算法(Polar Formatting Algorithm,PFA)方法，由于波數域與空間域具有傅里葉變換對的關系，能夠直接將SAR圖像投影到空間直角坐標系中。但是該方法通常只適用于特定成像模式，如聚束模式。針對星源照射的雙基SAR，許多學者提出了不同的改進方法以實現高精度成像。以下按照不同的照射源和接收平臺類型，闡述星源照射雙基SAR相關的成像方法。

(1) LEO星地雙基SAR成像方法

LEO星地雙基SAR為典型的一站固定雙基SAR，其方位分辨主要由LEO-SAR衛星提供，相對于單基SAR，收發雙站與目標點之間的相對位置會隨著方位時間改變，因此回波的二維空變特性更為顯著。目前，針對LEO星地雙基SAR成像方法的研究，主要集中在頻域成像方法的改進方法。北京理工大學Zeng等人[53,54]通過CSA實現距離單元徙動(Range Cell Migration,RCM)的均衡，消除了回波的距離向空變以及方位向的調頻斜率空變，然后利用非線性調頻變標(Nonlinear Chirp Scaling,NLCS)均衡方位向的3階相位空變，進而實現方位向的一致壓縮。此外，將距離向均衡階數提升到3階后，能實現更精確的距離徙動校正(Range Cell Migration Correction,RCMC)。也有學者利用壓縮感知對LEO星地雙基SAR回波數據進行稀疏成像處理[55]。

當LEO衛星采用凝視聚束模式時，合成孔徑時間長，分辨率高，因此需要更高精度的距離模型來推導回波頻譜，或者利用PFA成像，可避免復雜的頻譜推導。中國科學院電子學研究所Zhang等人[56]改進了傳統雙基PFA成像方法，并利用非均勻快速傅里葉變換(Nonuniform Fast Fourier Transform,NUFFT)的高效性，可避免PFA二維插值操作，從而降低了算法復雜度。文獻[49]對滑動聚束LEO星地雙基SAR成像方法進行了研究，提出了適用于LEO衛星彎曲軌跡的高精度距離模型，并基于此推導了回波頻譜。該方法針對滑動聚束模式造成的多普勒質心空變問題，改進了方位預處理方法，消除了雙基移變構型和波束轉動造成的頻譜混疊，實現了星地雙基SAR高精度成像。實測數據成像結果如圖8。

圖8 星地試驗成像結果[49]Fig.8 The imaging result of spaceborne and ground-based bistatic SAR[49]

(2) LEO星機雙基SAR成像方法

相對于LEO星地雙基SAR，在LEO星機雙基SAR中，由于機載平臺也提供多普勒信息，因此距離方位耦合更為嚴重，高階多普勒參數對聚焦效果的影響更為顯著，需要進一步考慮如何解決多普勒參數的高階空變性。對此，電子科技大學Wang等人[57]利用NLCS方法對方位空變的各階多普勒參數都進行均衡，實現了方位向的一致聚焦。文獻[58]通過距離向與方位向變標傅里葉逆變換(Scaled Inverse Fourier Transform,SIFT)，既解決了RCM的非線性空變，去除了距離與方位的耦合，也解決了多普勒參數的空變。

當機載接收站采用大斜視或前視模式時，RCM的線性分量較大，距離方位具有較強的耦合性，在二維頻域中距離頻率與方位頻率存在較大的非線性耦合，并且RCM是空變的。為了消除耦合性，文獻[59]提出了兩步RCMC方法，先通過變標均衡方位向RCM的空變，再通過插值消除距離向RCM的非線性空變，從而消除了距離方位耦合。文獻[60]在二維頻域中對相位中的空變向系數進行線性化近似，將相位變為非均勻采樣的二維傅里葉變換形式，利用NUFFT實現了殘余空變相位的補償，提高了運算效率。

當LEO衛星采用滑動聚束、TOPS等成像模式時，多普勒質心的空變性較為嚴重，導致TOPS模式和滑動聚束模式的SAR圖像存在方位折疊問題。可以通過子孔徑劃分、方位預處理以及NLCS解決星機雙基SAR成像中的多普勒參數的空變性。另外，時域成像算法也能有效避免以上問題，采用FBP[61]算法，通過方位向子孔徑劃分，對收發站均采用滑動聚束模式的星機雙基SAR回波數據進行處理，也可以實現LEO星機雙基SAR的高精度聚焦，如圖9所示。

圖9 TerraSAR-X/F-SAR雙基SAR成像結果[61]Fig.9 The imaging result of TerraSAR-X/F-SAR bistatic SAR[61]

(3) GEO照射源雙基SAR成像方法

對于GEO星機雙基SAR，由于GEO照射源脈沖重復頻率(Pulse Repetition Frequency,PRF)低，GEO-SAR的發射信號PRF通常小于200 Hz，會導致回波方位頻譜混疊，出現虛假目標，因此首先需要解決的是方位向頻譜模糊的問題。

針對該問題，電子科技大學Wu等人[62]提出方位向多通道接收技術，抑制多普勒模糊，并合理設計通道間隔，使方位向模糊信號比(Azimuth Ambiguity Signal Ratio,AASR)最小。此外，將稀疏恢復方法和多通道接收技術結合[63]，可以減少接收機系統的復雜度，提高GEO星機雙基SAR的成像效率，成像效果如圖10所示。

圖10 稀疏恢復效果對比[64]Fig.10 Comparison of sparse reconstruction results[64]

在成像方法部分，也可將多通道接收與加權FFBP成像方法結合[65]，實現高效成像。此外，電子科技大學Sun等人[50]提出使用一站固定式等效回波模型，通過將GEO星機雙基SAR回波模型等效為一站固定式雙基SAR，簡化距離模型的表達形式，從而求解出二維頻譜，再利用 ω-k方法實現回波聚焦。文獻[66]提出了兩步NLCS方法處理多通道GEO星機雙基SAR數據。通過第1步NLCS均衡方位質心，減少通道數；再利用第2步NLCS均衡方位向高階相位。

針對GEO星地雙基SAR，北京航空航天大學Guo等人[67]分析了其多普勒特性，并提出多普勒二階空變均衡方法，從而實現方位一致壓縮。

針對高速機動平臺接收的GEO雙基SAR，通常采用凝視聚束模式，波束域的形狀呈現明顯的傾斜特性，此時如果采用常規的波束域映射，會導致數據的利用率降低[68]。文獻[46]采用KAM (K-set Affine Mapping)映射方式，使數據在二維波束域呈現矩形，可以顯著提高數據的利用率。并且由于高速機動平臺的運動速度更快，相對于機載平臺能夠提供更高的多普勒，因此其多普勒質心空變更為嚴重，文獻[69]通過預處理方法去除方位頻譜的混疊。

(4) 星載雙基SAR成像方法

對于星載雙基SAR，如LuTan-1,TanDEMX[26]，對圖像進行干涉處理并獲取高程信息是十分重要的，因此需要成像方法具有相位保留能力。Li等人[70]提出了保相的改進RD方法，基于LT-1的系統參數，推導了精確的頻譜模型，并結合雙通道波束重構改進了RD的處理流程，得到了保留了相位信息的雙基SAR圖像。

3.3 同步技術

合成孔徑雷達要實現精確的二維成像，必須具備對回波幅度、時延和多普勒信息的精準測量能力。這就要求發射子系統和接收子系統具有統一的時間基準和頻率基準[71]，即時頻同步。此外，發射與接收的天線波束印跡需要在待成像地域實現較好的重疊，以保證回波數據的接收，即空間同步。

對于空間同步，通常可根據目標位置和收發平臺的位置解算波束指向，通過實時調整波束指向實現收發波束腳印對準。對于GEO星機雙基SAR系統，由于GEO軌道高以及波束腳印面積大，雙基平臺的波束不需要復雜的實時調整，就能夠實現長時間的波束重疊。對于GNSS星機雙基SAR系統，地球表面幾乎任何位置都能接收到GNSS星座的信號，接收平臺可以隨時隨地接收目標場景的回波，因此通常不需要特定的空間同步方法。而對于LEO星機雙基SAR，收發平臺速度差異大，LEO衛星波束腳印面積遠小于高軌衛星，方位向通常只有幾公里的范圍，因此LEO星機雙基SAR的空間同步是十分重要的。在LEO星機雙基SAR試驗中[71]，通常根據成像區域坐標，計算衛星的到達時刻，并提前部署機載接收站在預定時刻到達指定區域，對目標場景實現波束覆蓋。

對于時頻同步，時頻同步系統需要為收/發站提供時間基準信號和頻率基準信號，并保證時間基準信號的時間同步精度、頻率基準信號的穩定度。星源照射雙基SAR的時頻同步通常采用直達波同步方法，采用兩個通道分別接收直達波和回波信號，并使用門控采集與數字鎖相環技術，實現收發平臺的時頻同步[71]。中國科學院電子學研究所Zhang等人[56]在2015年，開展了星地雙基成像試驗，采用基于直達波的時間和相位同步，實現了相位誤差的校正。而對于星載雙基SAR而言，收發平臺可以通過通信鏈路交換時鐘和頻率信息，來實現同步。Tan-DEM-X通過一種稱為“同步鏈路”的方式將收發雙站之間的同步信號進行差分，得到補償相位，從而實現了時頻同步[26]。對于GNSS照射源的雙基SAR而言，通常也采用直達波實現時頻同步[26]，如圖11所示。還可以采用雙向時間傳遞法[1]、衛星共視法[72,73]等方法實現時頻同步。

圖11 GNSS星載雙基SAR直達波同步系統[5]Fig.11 The direct-signal synchronous system for bistatic SAR with GNSS illuminators[5]

3.4 動目標檢測

除了實現對靜止地物場景的成像以外，星源照射雙基SAR還可以實現對地面運動目標的檢測和定位。

1997年，美國的MITRE公司Guttrich等人[74]提出用靜止軌道GEO衛星發射信號，并采用高空無人飛機作為接收平臺，實現大范圍的場景監視以及實時的動目標檢測。

隨著國內外學者的不斷研究，越來越多的單基SAR動目標檢測方法被推廣運用到星源照射雙基SAR動目標檢測中。例如，通過將空時自適應處理[75]和偏置相位中心天線技術[76]應用于雙基SAR，可以檢測和定位淹沒在強地雜波中的緩慢移動目標。然而，當目標快速移動時，難以準確估計目標的位置和速度參數，導致目標的方位位置模糊。

北京理工大學的Zhang等人[77]提出了GEO星機雙基地多通道SAR (GEO-SABM SAR)，利用GEO-SAR作為照射源，機載平臺多通道接收，利用速度SAR技術抑制地雜波并增強信噪比，實現對動目標的檢測和定位。在GEO-LEO雙基SAR構型下，利用方位Chirp-Fourier變換域對多通道基線進行補償，可有效地抑制雜波，并進行動目標成像[78]。

然而除了雜波之外，雷達平臺沿航跡方向的速度分量會造成目標方位向散焦，而沿斜距方向的速度分量會引起多個假目標的出現。文獻[79]分析了運動目標的方位多通道脈沖響應，提出了一種GEOSA-BiSAR多通道重建方法，在方位向的多通道原始數據融合前，先進行距離徙動校正(RCMC)和方位向非線性調頻變標處理(ANLCS)，以消除斜距變化帶來的影響，同時降低原始數據的多普勒帶寬；然后通過信號強度比(Signal Intensity Ratio,SIR)對斜距方向的動目標速度分量進行估計，可以較好地完成對虛假目標的抑制。對于海面上艦船動目標的檢測結果，與傳統檢測算法的對比，如圖12所示，可以看出該算法抑制了虛假目標，實現了動目標檢測。

圖12 海面動目標成像結果比較[79]Fig.12 Comparison of the imaging results of the distributed moving target[79]

北京理工大學的Cui等人[80]提出了一種自適應的動目標檢測方法，建立了精確的GEO SA-BiSAR多通道信號模型，并提出了修正的自適應空間濾波器完成雜波抑制和波束形成，可以對運動參數進行估計。針對GEO星機雙基SAR的動目標三維速度估計問題，可通過分數階傅里葉變換(Fractional Fourier Transform,FrFT)對多普勒質心和頻率進行估計[81]，從而獲得運動目標的三維速度。

前面提到的GEO星機雙基SAR中的PRF模糊問題同樣會導致動目標回波的方位向欠采樣，從而造成虛假目標。針對此問題，電子科技大學An等人[82]提出了基于稀疏分離的GEO雙基SAR動靜目標成像檢測方法，將動目標和靜止目標建模為聯合速度估計和稀疏分解問題，然后使用粒子群優化算法(Particle Swarm Optimization,PSO)和交替方向乘子法(Alternate Direction Multiplier Method,ADMM)聯合優化求解，實現動靜目標同時成像和動目標速度估計，結果如圖13所示。

圖13 GEO SA-BiSAR的非稀疏分布式成像場景模擬[82]Fig.13 Nonsparse distributed imaging scene simulations for GEO SA-BiSAR[82]

4 星源照射雙/多基地SAR試驗驗證

除理論方法研究以外，目前國內外針對星源照射雙/多基地SAR還開展了若干地面和飛行試驗驗證，照射源主要涉及星載SAR和GNSS等不同系統。

4.1 SAR衛星為照射源的試驗驗證

早在20世紀80年代，美國就開展了國際上第1次星機雙基SAR飛行試驗驗證。利用“挑戰者號”航天飛機搭載SIR-B (Shuttle Imaging Radar)雷達作為照射源，發射L波段信號，以CV-990飛機作為接收站，采用條帶成像模式和直達波同步方法，驗證了星機雙基SAR的可行性[6]。1992年，美國噴氣推進實驗室(JPL)使用歐洲遙感一號衛星(European Remote Sensing Satellite 1,ERS-1)作為照射源[83]，一架美國國家航空航天局(NASA)的飛機作為接收站，以俄克拉荷馬城區為成像區域，開展了星機雙基SAR試驗。合成孔徑時間為3 s，使用一種改進的RD算法對試驗數據進行處理，得到了分辨率為12 m的星機雙基SAR成像結果，并將此結果與對應的單基SAR成像結果進行對比，分析了單/雙基成像結果的區別。

在2007年4月和11月，西班牙加泰羅尼亞理工大學(Universitat Politècnica de Catalunya,UPC)[84]分別利用ERS-2和ENVISAT衛星為照射源，以自行研制的SABRINA系統固定在建筑物樓頂作為接收站，這是C波段第1個用于雙基SAR干涉測量的接收系統，開展了星地雙基干涉SAR試驗。兩次試驗采用不同的構型，分別獲取兩片區域的前向和后向散射信號，最后將得到的DEM高程圖疊加到相應的衛星正射影像上，如圖14所示。

圖14 SABRINA系統試驗結果[84]Fig.14 The test results of SABRINA system[84]

2007年11月，德國宇航中心(German Aerospace Center,DLR)開展了星機雙基地SAR試驗。該試驗以TerraSAR-X衛星作為照射源，搭載機載雷達系統F-SAR的飛機作為接收站。照射源采用滑動聚束模式，接收站使用條帶模式，利用直達波進行時頻同步，使用BP算法對回波數據進行處理，得到的成像結果如圖15所示[85]。這是第1次X波段的星機雙基SAR試驗，此次試驗驗證了移變模式下星機雙基SAR成像的可行性。除此之外，雙基地SAR可以靈活地調整構型，獲取目標區域不同角度的散射系數，還可得到更高的信噪比的成像結果，與單基SAR成像結果形成互補。

圖15 德國DLR星機雙基SAR試驗成像結果[85]Fig.15 Imaging results of German DLR spaceborne/airborne bistatic SAR experiment[85]

2009年，德國夫瑯和費高頻物理和雷達技術研究所(FGAN-FHR)開展了星機雙基SAR成像試驗，同樣使用TerraSAR-X作為照射源，接收站為Transall C-160飛機，配備了FGAN-FHR研制的機載相控陣多功能成像雷達(Phased Array Multifunctional Imaging Radar,PAMIR)。該次試驗首次采用逆滑動聚束模式，在這種模式下，收發站波束分別使用不同的滑動因子，可以增加天線波束重疊時間，提升成像分辨率，合成孔徑時間約為3.6 s，試驗使用直達波進行時頻同步，使用改進的BP算法進行成像處理，如圖16所示[86]。

圖16 德國FHR雙基后視SAR成像結果[86]Fig.16 Imaging results of German FHR bistatic SAR experiment with back-looking mode[86]

2013年，美國圣地亞實驗室開展了星地雙基SAR成像試驗[87]，分別以COSMO-SkyMed和TerraSAR-X衛星作為照射源，接收站固定在Manzano山頂，海拔為340 m，到成像場景中心的斜距為3.68 km。接收站為雙通道，分別對應直達波天線和回波接收天線，照射源采用聚束模式以獲取更高的方位分辨率，回波數據使用PFA算法進行處理，距離分辨率和方位分辨率分別為0.708 m和1.641 m，成像結果如圖17所示。

圖17 美國圣地亞實驗室星地雙基SAR成像試驗結果[87]Fig.17 Imaging results of spaceborne and ground-based bistatic SAR experiment conducted by US Sandia laboratory Laboratory[87]

在國內，北京理工大學Wang等人[88]于2010年開展了星地雙基SAR成像試驗，以我國的遙感1號衛星(YaoGan-1,L波段)作為照射源，地面固定站接收回波信號，使用改進的CS算法對數據進行處理，該算法可以應用于空變較強的雙基SAR構型，試驗使用直達波進行同步。從圖18所示的單雙基成像結果對比可以看出，在該雙基構型下，能觀測到場景中更豐富的植被信息。但是由于觀測角度和遮擋的原因，雙基構型下人造建筑物的散射強度要弱于單基成像結果，如紅框中所示[88]。

2012年，Zeng等人[89]又利用中國遙感3號衛星(L波段)為照射源，地面固定站接收回波信號，進行了星地雙基干涉SAR試驗。通過橢球投影模型推導出了一種新的干涉相位與地形高度的轉換關系，可以獲得更為精確的DEM高程圖。并使用該方法對北京理工大學良鄉東部地區的DEM進行了重構，得到目標的平均相對高度與實際測量高度的偏差在1 m內，驗證了雙基地干涉法生成高精度DEM的可行性。

2013年，中國科學院電子學研究所Wang等人[90]開展了星地雙基SAR試驗，該試驗首次將俯仰向波束形成技術(Digital Beamforming in Elevation,DBE)用于雙基構型，可獲得高增益的窄波束，并在不降低接收天線增益的情況下增大測繪帶。試驗以TerraSAR-X作為照射源，地面固定接收站位于海拔為270 m的山頂上，由5個通道接收回波，剩余的一個通道接收直達波信號以完成數據同步。照射源采用滑動聚束模式以獲得更長的相干積累時間和更高的方位分辨率，成像場景大小為5 km×5 km，成像結果如圖19所示。圖19(a)為單通道獲取的圖像，由于天線增益較低，導致圖像信噪比較低。圖19(b)為5通道DBF處理后的圖像，通過該技術可以形成高增益的窄波束，使得圖像的信噪比提升了6.5 dB左右。

圖19 單通道和5通道DBF獲取的圖像對比[90]Fig.19 Comparison of imaging results between single channel DBF and five channel DBF[90]

2015年，中國科學院電子學研究所Zhang等人[56]成功開展了聚束模式的星地雙基SAR成像試驗。此次試驗以TerraSAR-X衛星作為照射源，固定接收站設置在海拔為341 m的山頂。利用直達波進行同步，并通過FR均衡方法提升了信噪比。試驗采用在高斯網格下的二維非均勻快速傅里葉變換的PFA算法解決了波束轉動帶來的方位向頻譜混疊問題，并在成像之后，進行波前彎曲校正和地理坐標重定位，如圖20所示[56]。圖20(c)是在圖20(a)的基礎上，進行波前彎曲校正和地理坐標重定位后的圖像，圖中紅色箭頭標注的是成像場景中的一條公路。可以看出圖20(a)中的公路存在明顯的彎曲，而經過波前彎曲校正和地理坐標重定位后，彎曲問題得到明顯改善，成像質量接近BP算法處理得到的圖像。

圖20 成像結果對比[56]Fig.20 Comparison of imaging results[56]

2020年，電子科技大學與中國空間技術研究院合作，開展了國內首次星源照射雙基SAR成像試驗，使用GF-3號SAR衛星作為照射源，利用直達波進行時頻同步。試驗使用改進BP算法進行成像處理，成像結果與光學遙感圖像的對比如圖21所示[91,92]。

圖21 成像結果與光學遙感圖像對比[91]Fig.21 Comparison of imaging results with optical remote sensing images[91]

德國宇航局還于2010年發射TanDEM-X衛星，可與TerraSAR-X衛星采用編隊飛行的方式，形成一個單軌雙天線(TerraSAR-X/TanDEM-X,TSX/TDX)系統，可對地球進行觀測，得到精確的DEM高程圖。除此之外還能很好地克服大氣延遲、軌道誤差等引起的相位噪聲[93]。

我國分別于2022年1月和2月成功發射陸探一號的兩顆衛星，是第1個具備提供整個中國連續地形圖像能力的SAR衛星星座，形變測量精度可達毫米級，在地表形變測量、地形制圖、地質災害(滑坡、泥石流、地震、火山)監測等方面具有很大應用潛力，同時可對森林生物量進行測量，是實現碳循環監測提供有效技術手段[1]。目前陸探一號衛星已經實現在軌成像，圖像質量優異。

4.2 GNSS為照射源的試驗驗證

針對以GNSS衛星作為照射源的雙/多基地SAR，英國伯明翰大學[94]在2005年前后，以俄羅斯全球導航衛星定位系統(Global Orbiting Navigation Satellite System,GLONASS)為照射源，使用位于建筑物頂部并能沿軌道進行運動的車廂作為接收站，完成了GNSS星地雙基SAR的試驗驗證，但是由于GLONASS系統以及處理技術的限制，所獲得成像結果的距離分辨率僅達到56 m。為了進一步提升成像質量，2013年，伯明翰大學又以歐盟的伽利略衛星導航系統為照射源，分別使用汽車和AS355直升機作為接收站，進行了GNSS星機雙基和星地雙基SAR成像試驗，利用直達波信號進行同步，使用BP算法對數據進行處理，將距離分辨率提升到了25.2 m，方位分辨率提升到了20 m[4]，星機雙基SAR成像結果如圖22所示。

北京理工大學Zeng等人[95]于2015年，以我國北斗-2全球導航衛星作為照射源，接收站固定在一建筑物頂部，開展了GNSS星地雙基SAR成像試驗。為了改善發射信號落地功率密度低導致圖像信噪比不足的問題，提出一種照射源多航過數據相干融合的方法。圖23(a)為單次航過的成像結果，圖23(b)為圖22航過進行相干融合后的結果。可以看出，相干融合后的圖像質量得到了明顯的提升，與單航過相比，信噪比提升約10.7 dB。

圖22 伯明翰大學GNSS星載/機載雙基SAR成像試驗結果[4]Fig.22 The results of GNSS spaceborne/airborne bistatic SAR experiment conducted by Birmingham University[4]

圖23 圖像相干融合結果[95]Fig.23 Results of coherent fusion image[95]

2015年，英國伯明翰大學和中國國防科技大學合作，Zhang等人[96]開展了以GLONASS衛星為照射源的星地雙基SAR成像試驗，合成孔徑時間為300 s。該試驗使用了一種新的同步成像一體化算法，通過同步預處理抵消了直達波信號中導航信號的影響，然后根據系統的幾何特性，對同步相位誤差進行補償，最后使用BP算法對回波信號進行處理，將目標區域的SAR成像結果疊加到衛星光學圖片上如圖24所示，可以看出成像結果與實際場景的匹配度較好，但是場景中存在部分弱散射目標被強散射目標淹沒的情況。

圖24 伯明翰大學和國防科技大學GNSS星地雙基SAR成像試驗結果[96]Fig.24 Spaceborne and ground-based bistatic SAR experiment conducted by Birmingham University and National University of Defense Technology[96]

2014年，為了改善GNSS信號帶寬較窄導致距離分辨率低的問題，伯明翰大學和北京航空航天大學合作[97]，通過將伽利略導航衛星E5頻帶的信號進行融合，理論上可以將GNSS雙基SAR的距離分辨率提升到6 m。

2019年，北京航空航天大學Zhou等人[98]以全球衛星導航定位系統(Global Positioning System，GPS)為照射源，接收站置于3 m高的足球場主席臺上，以大學內的建筑為成像區域，開展了GNSS星機雙基SAR成像試驗，成功獲取了300秒合成孔徑時間的數據，使用一種新的成像算法對回波數據進行處理，對徙動單元進行校正后，引入一個3次相位因子來均衡同一徙動單元的多普勒調頻率，最后進行方位向相位補償和幾何校正，得到的成像結果和光學圖像對比如圖25所示，通過觀察圖中的強散射點區域，可以看出足球場東部的鐵絲網、排球場東部的鋼絲網、游泳館邊緣、體育館邊緣、體育館塔尖和教學樓邊緣(圖中標記為1-6)與光學圖中的位置一致，且該算法成像精度與BP算法近似，而計算效率提升近10倍。

圖25 光學圖像與成像結果的對比[98]Fig.25 Comparison between the optical image and the radar image[98]

從以上對目前國內外已經開展的星源照射雙基SAR成像試驗，尤其是星機、星地雙基SAR成像試驗來看，主要以LEO-SAR衛星作為發射源，以飛機或地面固定站作為接收站，對一站固定式雙基SAR進行成像試驗驗證。目前，典型的星源照射雙/多基地SAR系統和計劃如表2所示。

表2 星源照射雙/多基SAR典型系統/試驗介紹Tab.2 Typical system introduction of bi/multi-static SAR system with spaceborne illuminators

5 未來發展趨勢

綜上所述，星源照射雙/多基地SAR目前已積累了大量的研究成果，并通過試驗驗證了其可行性和成像能力。隨著平臺、載荷的發展，面對更高的應用需求，星源照射雙/多基SAR將在以下幾個方面進一步發展。

5.1 空間分辨與成像幅寬進一步提升

高分辨、大幅寬成像可顯著提升SAR系統對感興趣目標的信息獲取能力，為大范圍地質測繪、高精度偵察與目標識別等應用提供了技術基礎。星源照射雙基SAR的收發站配置靈活，可采用不同的成像模式實現成像分辨率和幅寬的進一步提升。

首先，星載發射站波束覆蓋范圍廣，通過合理的設計收發雙站的構型與成像模式，可以充分地利用發射站的波束覆蓋，實現更大的成像幅寬。此外，還可以采用多接收站編隊飛行，提升星源照射雙/多基SAR的空間分辨率。

5.2 多基接收與信息融合，獲取更豐富的目標信息

基于星源照射的多機協同成像檢測技術，將在災害救援、國土測繪、戰術偵察等領域發揮重要的應用價值。在接收多基的情況下，地物的散射信息，可同時被多個接收站利用，在解決好時、頻、空同步問題后，各接收站協同工作、信息共享，可獲得目標區各個角度的豐富信息。

各個接收站的信息融合是提升多基性能的關鍵，需要針對不同空間構型，構建高精度成像算法，充分利用不同角度的散射信息，消除成像過程中，由地勢變化產生的散射體位置偏移，進而得到高精度成像結果。

5.3 星座照射提升全球觀測能力

為了彌補單平臺的成像能力的缺陷，采用多顆衛星組成星座可以顯著提升系統的成像能力。例如，LEO-SAR可以實現全球覆蓋，但是重訪周期長，且波束覆蓋范圍較小。采用多LEO衛星組網可以降低重訪周期并提升成像幅寬。此外，GEO-SAR雖然重訪時間短、波束覆蓋范圍廣，但是無法實現全球覆蓋。也需要采用多顆GEO-SAR分布在不同經度上實現全球覆蓋。因此，SAR衛星星座是未來的重要發展方向。

基于星座照射的雙/多基地SAR成像系統，發射星座可以為接收站提供重訪周期更短、功率密度更高、可用帶寬更大、覆蓋范圍更廣的波束照射，為未來的SAR成像應用提供更優質的照射源。

5.4 全球變化的動態觀測與環境、資源等數據的更有效獲取

星載雙基SAR可以形成穩定、可變的垂直航跡基線，實現單航過長基線InSAR和層析SAR，完成地表高度的高精度反演。此外，隨著天線技術的發展，波束形成技術可以支持更多不同的成像模式，從而顯著提升系統的成像幅寬和空間分辨率。再結合多極化、多視角、多頻段等信息，可以大大提升系統對目標信息的獲取能力，可廣泛應用于全球變化的動態觀測，例如，地表形變與城市沉降監測、三維植被、冰層結構反演、大氣測量、洋流監測等。

6 結語

星源照射雙/多基地SAR是雷達探測領域的重要研究方向之一，20世紀80年代受到國內外研究機構的廣泛關注。本文首先介紹了國內外星源照射雙/多基地SAR的系統組成。然后，分析了星源照射雙/多基地SAR的關鍵技術，包括構型設計、成像方法、同步技術和動目標檢測。從不同平臺組合的角度出發，分別分析了星載、地面及機載平臺的運動特性與回波模型，并對LEO星機雙基SAR、GEO/MEO星機雙基SAR等不同平臺組合模式的成像方法以及動目標檢測方法進行詳細分析，對比了方法之間的異同和優勢。最后介紹了國內外在星源照射雙/多基地SAR方面的試驗驗證工作。未來，對于星源照射雙/多基地SAR，我們預計將在高分辨、大幅寬星機雙基成像、多無人機多任務協同成像、成像識別一體化等方向繼續深入研究。