基于間歇模式的SAR 成像仿真設計

劉亞奇, 潘鶴斌, 蘇皎陽, 張金強, 付朝偉

(1.上海無線電設備研究所, 上海 201109;2.上海目標識別與環境感知工程技術研究中心,上海 201109;3.中國航天科技集團有限公司交通感知雷達技術研發中心, 上海 201109;4.海軍裝備部駐上海地區第六軍事代表室, 上海 201109)

0 引言

合成孔徑雷達(synthetic aperture radar,SAR)是一種高分辨率的有源微波遙感成像雷達,雷達圖像中含有豐富的信息,可用于目標多種特性的測量。SAR 自帶照射源,對天時、云霧和降水不敏感,可以在黑暗、云雨條件下工作。某些波段的電磁波可以穿透葉簇甚至地表等遮擋物,因此具有全天候、全天時、反偽裝等光學成像系統所不具備的優點[1]。目前,SAR 已廣泛應用于地球遙感、海洋研究、農業/林業資源勘探、環境監測、建筑/橋梁/車輛探測等民用領域,在軍事偵察、目標監測、精確制導等軍事領域也具有廣闊應用前景,已成為當今高速發展的研究熱點之一。

目前,SAR 已經從最初的單一視角雷達,發展成為多功能、多頻段、高分辨、多模式、多極化的雷達。為滿足不同的應用需求,新的SAR 成像模式被提出,相應地對SAR 所提供信息的質量和容量也提出了更高的要求。

單發單收體制SAR 中掃描模式SAR(ScanSAR)仍然是實現寬測繪帶最經典且高效的方法[2]。ScanSAR 通過周期性切換天線波束的視角,得到由子測繪帶拼接而成的寬測繪帶的雷達圖像,滿足了一次作業就能得到監測區域大面積、寬測繪帶圖像的需求[3]。這種工作模式實現了測繪帶寬相對于條帶模式幾倍的擴展,但同時也面臨犧牲方位向分辨率的問題。

因此,滿足匹配導航需求的SAR 成像體制設計是目前的重要研究領域,未來還將發展更多的工作模式。對于先進的機動平臺匹配導航應用系統,必然以高性能的SAR 成像算法為基礎。雖然國內在該方面研究已經取得長足的進步和顯著的成果,但是成像性能還存在不足,且現有SAR 子孔徑成像算法難以滿足實際應用要求,SAR 成像算法還有待改善[4-6]。

本文在對國內外機動平臺SAR 成像研究成果充分認識和分析的基礎上,結合匹配導航的需求,提出一種適用于機動平臺的SAR 實時成像體制。以匹配導航對SAR 圖像的需求為最基本的設計輸入,采用間歇(Burst)模式,解決SAR 成像大幅寬與實時性的矛盾。首先對SAR 各指標逐層進行分解,討論技術指標與系統參數之間的制約關系,進而給出系統參數設計方法。在此基礎上提出一種機動平臺平飛段大斜視實時成像算法,并給出適用于機動平臺的雷達實時成像系統的設計仿真流程。

1 雷達實時成像體制設計

1.1 Burst模式SAR指標體系

Burst模式SAR 各部分參數相互耦合、互相影響,因此在討論雷達實時成像設計流程之前,有必要建立該雷達的指標體系。Burst模式SAR指標體系主要包含牽引指標、雷達波形參數、天線參數、波位參數、飛行參數等部分。

SAR 設計的核心是建立其指標體系,并對各相關參數關系深刻理解和把握。各相關參數相互耦合,且上下級參數間具有制約關系。Burst模式SAR 指標體系如圖1所示。利用該指標體系可以更清晰地說明基于Burst模式的SAR 實時成像體制的設計思路及各參數間的相互關系。

圖1 Burst模式SAR 指標體系

1.2 Burst模式SAR成像原理

在設計Burst模式SAR 時,算法誤差及計算效率是選擇成像算法時的重要考慮因素。在實際應用中,傳統的SAR 主要有兩種工作方式:一種是聚束模式,一種是條帶模式。聚束模式下方位分辨率可以很高,但是距離測繪帶寬度受限,且方位測繪帶也不連續。條帶模式下測繪范圍能夠完全覆蓋目標區域,并保證相鄰條帶之間足夠的重疊寬度。

目前SAR 多采用平板天線,不能進行波束掃描,SAR 成像只能采用條帶模式。由于條帶模式數據量大,擬采用Burst模式降低數據量、提高實時性。根據分辨率、測繪帶寬、噪聲等效后向散射系數、成像延遲等要求以及雷達相關參數,設計了一種Burst模式SAR 成像流程,如圖2所示。雷達開機工作一段時間后(小于合成孔徑時間)轉入待機狀態,待機期間進行信號處理,然后再次開機,如此循環多次。對雷達錄取的多個Burst數據單獨進行SAR 成像處理,最后對多個Burst圖像進行拼接,獲取滿足指標要求的SAR 圖像。

圖2 Burst模式SAR 成像流程示意圖

1.3 Burst模式SAR成像幾何模型

建立匹配中心航向坐標系oxyz,原點o為地面某一點,x軸水平指向預定航行方向,y軸沿地表法線方向,指天為正,z軸由右手法則確定。Burst模式SAR 成像幾何模型[7-8]如圖3所示。

圖3 Burst模式SAR 成像幾何模型

圖3中,H表示飛行高度,v表示飛行速度,RS表示雷達斜距,R0表示雷達最近斜距,θ表示雷達下視角,θ0表示零多普勒面下視角,φ表示雷達斜視角,?表示雷達方位角。設雷達工作于Burst模式,點目標Pn(xn,yn,zn)為Burst成像場景中心點,即Burst時間中心時刻的波束中心指向該點。

2 Burst模式SAR 典型參數設計

(1) 測繪帶寬度

測繪帶寬度

式中:θf為測繪帶遠端下視角;θn為測繪帶近端下視角。根據雷達距離向波束寬度,測繪帶寬度隨雷達波束中心下視角的變化情況如圖4所示。隨著雷達波束中心下視角的增大,測繪帶寬度增大。但是,雷達波束中心下視角的增大將導致斜距增大,進而導致回波信號信噪比降低。測繪帶寬度應綜合考慮脈沖重復頻率和信噪比后確定。

圖4 測繪帶寬度隨雷達波束中心下視角的變化

(2) 脈沖重復頻率及波位參數

脈沖重復頻率應大于多普勒頻率帶寬,同時需要考慮發射信號干擾、底視回波干擾、方位模糊度和距離模糊度的影響。

發射信號干擾對脈沖重復頻率的限制應滿足

式中:Frac(·)為取小數函數;Rn為測繪帶近端斜距;Rf為測繪帶遠端斜距;fpr為脈沖重復頻率;c為電磁波波速;τp為發射脈沖寬度;τrp為保護時間;Int(·)為取整函數。

底視回波干擾對脈沖重復頻率的限制應滿足

式中:τ0為底視回波持續時間;Z0為非負整數。

綜合考慮發射信號干擾、底視回波干擾、方位及距離模糊度和信噪比等影響因素,設計4個波位的波束中心下視角。根據波束中心下視角與脈沖重復頻率的函數關系繪制斑馬圖,如圖5所示。可以看出,其中3條縱向深灰色區域為避開發射信號干擾和底視回波干擾的有效脈沖重復頻率和波束中心下視角區域,圖中小方框對應4個波位的脈沖重復頻率。

圖5 Burst模式SAR 斑馬圖

(3) 地距分辨率

地距分辨率ρrg主要與發射信號帶寬Br和雷達入射角η有關,其計算公式為

式中:Wr為距離向加窗處理展寬系數。設計各波位發射信號帶寬時,應使4個波位均滿足分辨率要求,且不同波位的分辨率基本一致。

(4) 方位向分辨率

方位向分辨率

式中:λ為雷達工作波長;θa為方位向波束寬度;Ka為方位向加窗處理展寬系數。對于Burst成像模式,θa受到Burst時間的影響,因此方位向分辨率與Burst時間有關。雷達開機時間越短,方位向分辨率越低,數據量越小,但是信噪比越低。綜合考慮上述因素,且要求4個波位的方位向分辨率相同,對方位向分辨率進行設計。4個波位對應的方位向分辨率及Burst時間、Burst方位向測繪長度、Burst間隔時間等相關參數仿真結果如圖6 所示。其中,Burst 間隔時間為上一個Burst雷達待機時刻與下一個Burst雷達開機時刻之間的時間間隔。

(5) 方位模糊度

方位模糊度

式中:Ga(·)為方位向天線方向圖函數;fD為多普勒頻率;fDc為多普勒中心頻率;m為模糊區編號,實際應用中一般取[-10,10];Bps和Bpe分別為方位向成像處理器的起始頻率和截止頻率。對于每一Burst時間,方位向中心和邊緣處的目標分別被方位向天線以不同角度照射,導致方位模糊度不同。

(6) 距離模糊度

距離模糊度

式中:σ0(·)為目標的后向散射系數函數;τ為時間周期;Gr(·)為距離向天線方向圖函數;Ri,m表示第個m模糊區的第i個下視角對應的雷達斜距;ηi,m表示第m個模糊區的第i個下視角對應的雷達入射角;Ri,0,ηi,0 表示信號區第i個下視角對應的雷達斜距和入射角。

(7) 噪聲等效后向散射系數

噪聲等效后向散射系數

式中:α為地面坡度;k為玻耳茲曼常數;T為接收機噪聲溫度;F為系統噪聲系數;Latm為大氣傳輸損耗;Lsys為系統損耗;Laz為方位向損耗;PT為峰值發射功率;GT為發射天線增益;GR為接收天線增益;M為多視數。對于每一Burst時間,方位向中心和邊緣處的目標分別被方位向天線以不同角度照射,對應不同的方位向損耗及不同的噪聲等效后向散射系數。

3 Burst模式SAR 實時成像算法

3.1 算法流程

結合慣導測量數據與雷達回波數據,設計機動平臺Burst模式SAR 實時成像算法。首先估計Burst回波的多普勒參數,然后結合擴展線性調頻變標(extended chirp s caling,ECS)算法[9]得到子孔徑圖像,最后校正子孔徑圖像偏移并經多視處理,得到Burst模式SAR 圖像。算法流程如圖7所示。

圖7 Burst模式SAR 實時成像算法流程圖

多普勒參數估計包括多普勒中心頻率估計與多普勒調頻率估計,估計過程中需要利用慣導數據和回波數據。利用多普勒中心頻率估計結果fDc,結合非迭代圖像偏置算法[10]可以進行多普勒調頻率估計,此處不再贅述。

3.2 子孔徑成像處理

單個點目標的基帶回波信號

式中:tr為距離向快時間;ta為方位向慢時間;A0為一個復常數(后續推導忽略);ωr(·)為發射脈沖包絡;Rs(·)為雷達至點目標的瞬時斜距;ωa(·)為方位向雙程天線方向圖函數;tac為方位向慢時間中心;fc為雷達載頻;Kr為信號的線性調頻率。

采用ECS算法完成回波數據的子孔徑成像,具體流程如圖8 所示,詳細過程參見文獻[11]。圖中FFT/IFFT 表示快速傅里葉變換/逆變換。

圖8 ECS算法成像處理流程

3.3 Burst模式成像處理

由于單幅Burst模式SAR 圖像的理論方位向分辨率遠高于實際應用要求,容易想到采用子孔徑劃分,結合勻速直線模型,分別構造匹配濾波函數進行方位向聚焦。但是該方法需要獲取每個子孔徑內飛行器的平均速度,運算量大且難以實現。

本文利用勻速直線模型對Burst數據進行方位向匹配濾波。以中心子孔徑作為參考,偏離中心的子孔徑存在附加線性相位誤差,僅會導致子孔徑圖像的偏移,而不會散焦。

對各子孔徑圖像進行整體偏移校正。先估計各子孔徑圖像相對于中心子孔徑圖像的偏移量,按照子孔徑序號對估計結果做線性擬合,再根據擬合的偏移量值校正各子孔徑圖像的二維偏移。此時殘余的子孔徑圖像偏移量已不再影響Burst成像效果,經多視處理即可得到Burst模式SAR圖像

式中:Ms為子孔徑數量;FFT(·)表示快速傅里葉變換函數;si(·)表示偏移量校正后的第i幅子孔徑圖像;|·|表示取模值運算。實際劃分子孔徑數由方位向分辨率要求確定。

4 仿真實驗及應用分析

以單幅Burst模式SAR 圖像的生成過程為例,分析本文算法的運算效率,并以每秒浮點運算次數(FLOPs)來表示其運算量。設距離向及方位向的采樣點數分別為Nr,Na,每次距離向/方位向進行FFT 和IFFT 的浮點運算量為5NrNalog2Nr和5NrNalog2Na,一次復乘操作的浮點運算量為6NrNa,則所提算法的運算量如表1所示。其中,N為多普勒中心估計所用回波數據塊的距離單元數,ΔN為多普勒調頻率估計中的距離向平均所用距離單元數。

表1 所提算法的運算量匯總表

令Nr=2 048,Na=4 096,N=700,ΔN=50,Ms= 16,估算出的總運算量約為5.5 GFLOPs。

在Matlab R2017a版本上處理1k B×4kB大小的Burst模式SAR 回波仿真數據。計算機硬件配置為Intel(R)Core(TM)i7-6700 CPU@3.40 GHz,生成單幅Burst模式SAR 圖像的總處理時長為2.746 s。參考Xilinx 公司Virtex7系列xc7vx690t型FPGA 處理板,其硬件加速比[12]一般在10以上,即實際硬件處理時間將小于0.27 s,能夠滿足機動平臺Burst模式SAR 實時成像的要求。

利用仿真數據驗證算法的可行性。在觀測場景內設置9個點目標,斜視角為20°,機動平臺按照最大過載進行恒加速飛行。仿真所用的雷達參數見表2。

表2 仿真所用雷達參數

圖9為未進行子孔徑圖像偏移校正的單幅Burst圖像直接進行多視處理后得到的多視實圖像,圖中1～9分別表示9個目標。

圖9 單幅Burst圖像多視處理后SAR 圖像

提取圖9中目標1的成像結果進行成像指標分析。目標1的方位向脈沖響應和距離向脈沖響應分別如圖10和圖11所示。進行圖像拼接后得到多視Burst模式SAR 圖像。其成像指標評估結果如表3所示。

表3 多視Burst模式SAR 成像指標評估結果

圖10 圖像偏移校正前目標1的二維脈沖響應剖面圖

圖11 圖像偏移校正后目標1的二維脈沖響應剖面圖

由圖10、圖11及表3可知,經過子孔徑偏移校正后,點目標的二維脈沖響應仿真結果更接近sinc函數,二維分辨率和峰值旁瓣比指標性能均有所提升,基本達到了理論值。

5 結論

結合匹配導航的需求,提出了一種適用于機動平臺的Burst模式SAR 實時成像體制。采用Burst模式,解決SAR 成像大幅寬與實時性的矛盾,進而給出系統參數設計方法。在此基礎上提出一種機動平臺平飛段大斜視實時成像算法,并給出適用于機動平臺的雷達實時成像系統的設計仿真流程。所提算法對平臺存儲資源的需求低,實時性好,能夠滿足Burst模式SAR 成像體制需求。