机载前视SAR三维成像原理及分辨率分析

任笑真，杨汝良

(1. 中国科学院电子学研究所 北京 海淀区 100190; 2. 中国科学院研究生院 北京 海淀区 100190)

合成孔径雷达具有全天候、全天时工作能力，在民用和军事领域获得了广泛的应用。越来越多的军事与民用需求已不仅仅满足于二维合成孔径雷达成像，希望对目标实现三维成像。层析成像合成孔径雷达是传统干涉合成孔径雷达的扩展，其在垂直于视线的方向依次增加多个基线，沿高度维合成一个大孔径，具有高度维分辨能力[1-3]。然而在现有的重复飞行模式下，SAR层析成像几乎不可避免地存在航线不均匀分布的问题。不均匀的航线分布是产生成像高度模糊的主要原因[4-5]，减少航行次数则会引起模糊水平的增加或者高度分辨率的减少。

前视SAR系统是一种全新的SAR工作模式[6-9]。前视SAR能够经过一次航行获得目标的三维像，避免了层析成像SAR航线分布不均匀带来的高度模糊问题。文献[4]首先提出了利用前视SAR系统来获得目标的三维像，并进行了初步的仿真试验。

本文分析了采用天线阵模式的前视SAR三维成像原理，根据前视SAR的空间几何关系和回波信号特点给出了实现前视SAR三维成像的处理流程，推导出了前视SAR的三维分辨率。使用X波段前视SAR系统进行了点目标仿真实验。

1 前视SAR三维成像原理

机载前视SAR系统的成像几何配置如图1a所示，x轴表示顺轨向(即距离向)，y轴表示方位向，r轴表示斜距向。平台在离地面高程为H的航线上沿x轴方向以速度v飞行。雷达各接收天线以y=0为中心沿方位向等间隔对称分布。发射天线与接收天线阵分置，位于接收天线阵中心正下方δh处。飞机在飞行过程中，由位于中心处的发射天线以高的脉冲重复频率PRF发射线性调频脉冲，所有的接收天线在y轴上以一定的速度快速切换并依次接收回波，各天线收发顺序如图1b所示。为了保证发射脉冲与天线接收回波相匹配，信号来回双程所用的时间应与接收天线切换时间一致，即脉冲重复频率与接收天线切换频率一致。假设切换速度是vs，相当于一个接收天线在方位向以同样的速度运动，在方位向形成以线性阵列为长度的似合成孔径，可保证方位向不模糊[10-11]。

图1 前视SAR成像几何配置及各天线收发顺序示意图

式中A2为方位-斜距聚焦后目标信号的幅度；Leff为目标方位向的有效合成孔径[11]。

图2 前视SAR顺轨向成像几何关系示意图

从式(6)可以看出，任意一个顺轨-斜距向截面上的点目标，经过斜距向匹配滤波之后的图像沿顺轨向的位置变化为沿Rm的曲线变化。各截面上不同位置的点目标对应不同的互不重叠的曲线。因此对不同位置处的目标，可将进行相位补偿以后计算其相对应的曲线上的信号值之和作为该点的聚焦结果[12]。

相位补偿滤波器形式为：

从式(8)可看出，相位补偿后沿累积曲线相加，可在目标点上实现同相相干叠加，而在非目标点上则是非相干叠加。对所有方位向对应的顺轨-斜距向截面都进行上述处理后，即可获得目标的三维像。

2 前视SAR三维分辨率分析

由式(5)可知前视SAR方位向分辨率为：

式中α为顺轨向波束宽度；θ为波束前视角(即斜距向与高程向的夹角)。

由式(12)可知，前视SAR成像区域高程向的分辨率取决于雷达发射信号的带宽和前视SAR的成像几何，其值等于常规SAR在斜距向上的分辨率乘以一个因子，该因子的值等于波束前视角θ余弦值的倒数。这说明前视SAR三维成像的高程向分辨率主要来自于雷达发射信号在高程向上的有效带宽或有效时宽。

由式(13)可知，前视SAR顺轨向分辨率取决于雷达发射信号的波长、前视SAR顺轨向波束宽度和前视SAR波束前视角θ，随着θ值增大，顺轨向分辨率变差。

根据上面的分析可知，采用天线阵模式的前视SAR系统能够获得方位向、高程向和顺轨向3个方向的分辨率，因此能实现目标区域的三维成像。

3 模拟仿真

根据以上的处理流程，对每个方位向所对应的顺轨-斜距截面进行成像处理便得到成像场景的三维像。三维成像结果的−3 dB包络如图3b所示。从图3a和3b可以看出，点目标在方位向、顺轨向和高度向的成像位置与实际位置基本对应，说明利用前视SAR可进行三维成像，表明了本文算法的有效性。

图3 成像场景目标真实位置分布与前视SAR三维成像结果

为详细分析成像效果，图4给出了前视SAR三维成像的3个截面图。从图4a～图4c可看出，点目标在方位向、顺轨向和高程向聚焦效果良好。

图4 前视SAR三维成像结果的二维截面图

4 结束语

本文以收发分置的前视SAR系统为对象，分析了前视SAR三维成像原理，推导了前视SAR的三维分辨率。前视SAR通过在机翼下安装一个由各独立的天线阵元组成的天线阵，在方位向形成以真实天线阵为长度的似合成孔径获得方位向分辨率，利用飞行方向上的合成孔径获得顺轨向分辨率，利用雷达发射信号在高程向上的有效带宽或有效时宽获得高程向分辨率。通过前视SAR系统对成像场景中点目标进行了模拟仿真，得到了目标三维成像效果图。仿真结果表明点目标在方位向、顺轨向和高程向都取得了良好的聚焦性能，证明了前视SAR系统具有三维分辨能力，能够实现三维成像，同时也证明了本文算法的有效性。

[1] REIGBER A. Airborne polarimetric SAR tomography[D].Stuttgart: University of Stuttgart, 2001.

[2] FORNARO G, PAUCIULLO A, SERAFINO F. Multipass SAR processing for urbanized areas imaging and deformation monitoring at small and large scales[C]//IEEE 2007 Urban Remote Sensing Joint Event. Paris: IEEE, 2007.

[3] NANNINI M, SCHEIBER R, HORN R. Imaging of targets beneath foliage with SAR tomography[C]//EUSAR 2008.Friedrichshafen, Germany: VDE VERLAG GMBH, 2008.

[4] LOMBARDINI F, PARDINI M, GINI F. Sector interpolation for 3D SAR imaging with baseline diversity data[C]//IEEE 2007 Waveform Diversity and Design Conference. Pisa: IEEE, 2007.

[5] LOMBARDINI F, PARDINI M, VERRAZZANI L. A robust multibaseline sector interpolator for 3D SAR imaging[C]//EUSAR 2008. Friedrichshafen, Germany: VDE VERLAG GMBH, 2008.

[6] SUTOR T, WITTE F, MOREIRA A. A new sector imaging radar for enhanced vision — SIREV[C]//Proceedings of SPIE. [S.l.]: SPIE, 1999.

[7] KRIEGER G, MITTERMAYER J, WENDLER M, et al.SIREV-sector imaging radar for enhanced vision[J].Aerospace Science and Technology, 2003, (7): 147-158.

[8] MITTERMAYER J, WENDLER M. Data processing of an innovative forward looking SAR system for enhanced vision[C]//EUSAR 2000. Munich, Germany: VDE VERLAG,2000.

[9] 曹建蜀, 汪学刚. 机载前向阵雷达近程杂波频移补偿[J].电子科技大学学报, 2006, 35(3): 320-323.CAO Jian-shu, WANG Xue-gang. Doppler compensation in airborne forward-looking radar for ground short range clutter[J]. Journal of University of Electronic Science and Technology of China, 2006, 35(3): 320-323.

[10] 陈 琦, 杨汝良. 机载前视合成孔径雷达Chirp Scaling成像算法研究[J]. 电子与信息学报, 2008, 30(1): 228-232.CHEN Qi, YANG Ru-liang. Research of chirp scaling imaging algorithm for air-borne forward-looking SAR[J].Journal of Electronics and Information Technology, 2008,30(1): 228-232.

[11] 陈 琦. 机载斜视及前视合成孔径雷达系统研究[D]. 北京: 中国科学院电子学研究所, 2006.CHEN Qi. Study on systems of airborne squint mode and forward looking mode synthetic aperture radar[D]. Beijing:Institute of Electronics, of Chinese Academy of Sciences,2006.

[12] ISHIMARU A, CHAN T K, KUGA Y. An imaging technique using confocal circular synthetic aperture radar[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,1998, 36(5): 1524-1530.