圆迹SAR成像技术研究进展

洪 文*



圆迹SAR成像技术研究进展

洪 文

(中国科学院电子学研究所微波成像技术国家重点实验室 北京 100190)

圆迹SAR(Circular SAR, CSAR)是近年来提出并发展起来的一种高分辨3维成像模式，通过传感器平台的曲线运动，获取被观测目标多方位乃至360°全向观测信息，以满足越来越高的精细观测需求。2011年8月，中国科学院电子学研究所微波成像技术国家级重点实验室利用自行研制的P波段全极化SAR系统开展了国内首次机载圆迹SAR飞行实验，成功获取了全方位高分辨圆迹SAR图像，实验结果初步展示了圆迹SAR成像技术在高精度测绘、灾害评估和精细资源管理等领域的应用潜力。该文详细讨论了圆迹SAR成像技术的研究进展，介绍了近年来国内外开展的若干次机载飞行实验以展示圆迹SAR的独特应用优势，总结分析了圆迹SAR的关键技术，最后对其发展趋势进行了展望。

Synthetic Aperture Radar (SAR)；圆迹SAR；全方位观测；高分辨率；3维成像

1 引言

合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar, SAR)是一种主动遥感设备，具有全天时、全天候工作的特点，其利用“合成孔径”和“脉冲压缩”技术分别实现方位向和距离向的高分辨率成像，在军事、民用及其它领域有着广泛的应用，目前已成为高分辨对地观测和全球资源管理的重要手段之一。随着应用技术的发展，军事和民用领域新要求的不断提出，SAR正朝着高分辨、宽测绘、多极化、3维成像等技术方向发展。

本文重点讨论近年来为满足精细观测需求而提出并发展起来的一种全方位高分辨3维成像模式——圆迹SAR(Circular SAR, CSAR)及其研究进展。常规SAR模式依赖传感器平台的直线飞行轨迹及侧视成像几何而获取观测场景在2维斜距面上(方位-斜距)的投影图像，其距离向分辨率、方位向分辨率分别由发射信号带宽和方位多普勒带宽决定。该成像几何下，一方面存在由于地形起伏引起的迭掩、透视缩短和阴影等SAR影像固有变形现象；另一方面由于合成孔径积累时间内观测视角受限，仅能获取观测对象在某小范围方向上的后向散射，给SAR图像解译和目标识别带来了特殊的难点和问题。

与常规直线轨迹SAR模式不同，圆迹SAR模式以雷达随平台作360°圆周运动、波束始终指向同一场景区域为主要数据获取几何。这种观测几何下，圆迹SAR通过对观测场景的360°全方位观测，具有以下特点和优势：(1) 能够获取目标在各方向的散射特征，提高目标识别和地物分类精度；(2) 拓宽波数域有效带宽，理论分辨率达亚波长量级，使低波段高分辨成像成为可能；(3) 所形成的圆周合成孔径能够获取目标的3维位置信息，突破了常规直线轨迹SAR只能获取2维斜距图像的局限，能有效减小甚至消除迭掩、透视缩短和阴影等现象。因此，依据这些独特优势，圆迹SAR在高精度测绘、灾害评估和精细资源管理等领域具有鲜明的应用潜力，一经提出便受到广泛的关注。

本文在介绍圆迹SAR基本成像原理的基础上，详细介绍了近年来国内外研究现状及其飞行试验、特别是中国科学院电子学研究所，微波成像技术国家重点实验室最新开展的国内首次机载圆迹SAR实验，讨论了圆迹SAR成像技术的研究进展，展示了圆迹SAR的独特优势和应用潜力，进而总结分析了圆迹SAR的关键技术，最后对其发展趋势进行了展望。

2 圆迹SAR成像的基本原理

圆迹SAR的成像几何如图1所示。以机载平台为例，雷达平台在距地面高度为的平面作半径为的圆周运动，形成一个圆周合成孔径。其中，雷达旋转角定义为方位向，。平台运动过程中，雷达视线方向始终指向场景区域中心，波束入射角为。

图1 圆迹SAR成像几何示意图

(2)

由式(2)可知，与常规直线轨迹SAR的距离曲线仅包含目标2维斜距位置信息不同，圆迹SAR的距离曲线包含目标的3维位置信息。将式(2)代入式(1)，然后对快时间作傅里叶变换至频率域，并进行距离向匹配滤波可得

(4)

式(5)即为圆迹SAR的波数域信号表达式。圆迹SAR的成像能力不仅与系统参数有关，还与目标散射特性有关，下面分两种情况对圆迹SAR的成像能力进行讨论。

当目标散射各向同性时，例如金属球、Luneburg透镜等，或在整个圆形孔径内雷达观测视角变化较小时(如图1所示，雷达视角变化为)，例如在高轨卫星平台下，圆迹SAR观测视角变化仅为几度，目标散射特性可近似视为不随方位角变化。

其中，IFFT3表示3维傅里叶逆变换。根据式(4)可获得3维波数域频谱的支撑域，支撑域近似为一个圆台曲面(如图2 (a)所示)。圆迹SAR的点扩展函数与该支撑域互为傅里叶变换对，具有3维分辨率(如图2(b)所示)。以下分别对圆迹SAR的平面点扩展函数及其分辨率、高程点扩展函数及其分辨率进行研究和分析。

圆迹SAR 360°观测几何将-平面上的频谱展宽为一个圆环面(即图2(a)所示支撑域在-平面的投影)，方位向和距离向完全耦合，与此频谱对应的平面点扩展函数为贝塞尔(Bessel)函数，分辨率为

圆迹SAR在高程向有效带宽为发射信号带宽在此方向的投影，对应的点扩展函数近似为sinc函数，分辨率为

当圆迹SAR的观测视角变化较大时，例如在机载平台下，波束入射角通常较大，从而雷达的观测视角变化亦较大，场景中多数目标的散射特性在整个观测视角内不再保持恒定，而仅在一定角度范围内保持恒定，此时，圆迹SAR的主要优势不再是3维分辨成像，而是其全方位观测能力。

在人们感兴趣的方向上，目标的重建图像为

该情况下，波数域频谱支撑域只占圆台曲面的一部分(如图3所示)，分辨率及点扩展函数与目标的相干散射角有关，当较小时，波数域频谱近似为一个斜平面，针对此频谱特点，情况(1)中定义的3维分辨率不再适用，需重新定义3个方向的分辨率：定义数据采集平面上沿斜距方向的分辨率为距离分辨率，沿航迹方向的分辨率为方位分辨率，垂直于数据采集平面方向上的分辨率为垂直分辨率，垂直分辨率表征了圆迹SAR对目标的3维重建能力，3个方向分辨率分别为

(10)

由式(10)可知，相干散射角的大小将影响方位分辨率和垂直分辨率，越小，分辨率越差，圆迹SAR对目标的3维重建能力也越弱。

本节内容对圆迹SAR的基本成像原理进行了介绍，分两种情况对圆迹SAR的成像能力进行了理论分析：(1) 当目标散射各向同性或雷达相对目标视角变化较小时，圆迹SAR对目标具有高分辨3维成像能力，可实现目标的精确3维定位；(2) 当雷达相对目标观测视角变化较大时，圆迹SAR的主要优势在于其全方位观测能力，可获得多角度乃至全方位的目标散射特性分布及其最大信噪比SAR回波信号，为精细目标识别和地物分类等应用提供支撑。

图2 目标散射特性在圆迹SAR观测视角范围内保持恒定时的3维波数域支撑域及点扩展函数

图3 当目标散射特性仅在圆迹SAR的一定观测视角范围内保持恒定时，3维波数域的支撑域

3 圆迹SAR研究概况

圆迹SAR的概念早在上世纪90年代中期就被提出，以解决常规直线轨迹SAR的小角度观测几何对目标识别存在的漏警问题。因为目标的高信噪比SAR特征只能在有限的角度范围内被观测到，360°全方位观测的圆迹SAR成像模式能很好地解决这一问题。发展至今，圆迹SAR成像技术的研究经历了实验室研究和机载实验研究两个阶段。

3.1 实验室研究

上世纪90年代至本世纪初，圆迹SAR成像技术研究主要为成像机理研究，验证手段为点目标仿真及可控暗室实验。最具代表性的是美国纽约州立大学的M. Soumekh和华盛顿大学的T. K. Chan的研究工作，他们对圆迹SAR的成像机理进行了深入研究，以目标散射各向同性为假设前提，推导了场景中心目标的点扩展函数和分辨率，得出圆迹SAR的亚波长级高分辨能力及3维成像能力，分别提出了波前重建、共焦投影等圆轨SAR层析3维成像算法，并开展了可控实验环境下的原理性验证，分别获取了T-72坦克和飞机模型的3维图像。这一阶段其研究成果主要局限于标准圆轨迹SAR模式下的简单目标成像。

国内开展圆迹SAR成像技术方面相关研究的单位有：中国科学院电子学研究所、清华大学、中国民航学院、北京航空航天大学、中国科学院空间中心等。清华大学和中国民航学院的研究人员从现代信号处理的角度出发，利用非相干技术针对曲线SAR提出了3维目标特征提取方法和自聚焦算法；北京航空航天大学通过数值仿真对不同形状的曲线合成孔径的点扩展函数及3维分辨能力进行了分析；中国科学院空间中心针对曲线SAR的特例——圆迹SAR的点扩展函数及3维分辨能力进行了推导和分析，并讨论了其旁瓣抑制问题。中国科学院电子学研究所是国内较早系统地开展圆迹SAR成像技术研究的科研单位。从2005年至今，中国科学院电子学研究所在圆迹SAR信号处理和地面实验验证方面开展了大量基础性研究工作：如，推导了不同散射相干角条件下的点扩展函数和分辨率；针对不同平台，包括高轨卫星、机载和地基平台，开展了体制研究，进行了系统设计和成像能力论证；提出了多种相干聚焦成像算法及运动补偿方法，可实现复杂场景的大面积、精确、快速成像；此外，构建了地基试验系统并开展了大量地面实验验证。

3.2 机载实验研究

2004年开始，法国宇航局(ONERA)、瑞典国防研究院(FOI)、德国宇航局(DLR)以及中国科学院电子学研究所等研究机构相继利用机载试验平台开展了圆迹SAR飞行试验，挖掘圆迹SAR在对地观测中的应用优势，下面将对最具代表性的圆迹SAR机载实验进行详细介绍。

(1) VHF波段圆迹SAR对植被覆盖下隐蔽目标的识别

2004年，法国宇航局与瑞典国防研究院合作开展了国际首次机载圆迹SAR数据获取试验，瑞典国防研究院利用SAR系统CARABAS-II获取了圆迹SAR数据，发射信号频率为20-90 MHz，作用距离约为11 km，入射角约为58°。该实验利用低波段信号的穿透能力及圆迹SAR的多角度观测能力对植被覆盖下的隐蔽车辆进行识别。试验表明，相比于传统直线轨迹SAR，圆迹SAR能够大大提高隐蔽目标的检测率，在虚警率为30/km的情况下，检测率由0.4提升至0.8。

(2) X波段圆迹SAR的DEM获取

2007年，法国宇航局利用新研制的SETHI机载SAR系统在法国Nîmes城区开展了X波段圆迹SAR飞行试验，该实验利用圆迹SAR的多角度观测几何获取了场景区的数字高程模型(Digital Elevation Model, DEM)，精度达2 m。图5为DEM提取结果，位于图像中央的罗马竞技场有一侧高度较低，这一特点与所示光学图像相符，此外，罗马竞技场内的阶梯、房屋建筑间的小道、甚至竞技场附近的几棵树都很好地展现在了图像中，实验结果初步显示了圆迹SAR在城市测绘中的应用潜力。

(3) L波段圆迹SAR全方位成像

2009年，德国宇航局利用E-SAR系统，开展了L波段全极化机载圆迹SAR数据采集实验，发射信号带宽为94 MHz，作用距离约为6 km，入射角约为51°。2011年7月，DLR在IGARSS会议上公开了L波段全极化360°圆迹SAR正射图像，这也是圆迹SAR对地观测高分辨全方位成像效果的首次展示，相比于常规SAR图像，圆迹SAR图像显示了极为精细和丰富的地物信息，展现了该成像模式在对地观测中的重要应用潜力。图6将圆迹SAR全方位图像与常规SAR图像进行了比较，有力证明了圆迹SAR的独特优势：(a) 圆迹SAR通过360°观测，拓展波数域频谱，实现高分辨率成像，SAR图像固有的相干斑得到有效抑制，如图7的第1行图像所示，跑道上的照明灯在圆迹SAR图像中清晰可见，而在常规SAR图像中淹没于相干斑；(b) 圆迹SAR全方位观测能够获取目标的最高信噪比SAR特征，从而更好地描绘目标轮廓，如图7的第2行图像所示，建筑物与地面构成的2面角仅在垂直方向具有最强的散射强度，在圆迹SAR图像中，建筑物的矩形轮廓分明，而在常规SAR图像中，仅呈现为一条线段或L形，给图像解译带来了困难；(c) 圆迹SAR形成的2维孔径对目标有3维重建能力，如图7的第3行图像所示，与极化技术相结合，植被区的冠层和树干得到了很好的分离。

图5 2007年，法国宇航局利用SETHI机载SAR系统采集的X波段机载圆迹SAR数据获取了法国Nîmes城区的全方位观测DEM

(4) P波段圆迹SAR全方位成像

2011年8月，中国科学院电子学研究所，微波成像技术国家级重点实验室利用自主研制的P波段全极化SAR系统，在四川省绵阳市彰明镇开展了国内首次圆迹SAR飞行试验，成功获取了360°全方位高分辨圆迹SAR正射图像，实验参数如表1所示。图8为两组不同场景的成像处理结果，图9通过将圆迹SAR图像与常规SAR图像进行细节对比，展示了圆迹SAR的应用优势：(a) 圆迹SAR的全方位观测能力能够获取常规SAR难以获取的信息，如图9 (a)所示，横架的输电线仅能在垂直于其走向的方向上被观测到，常规SAR难以扑捉其图像，而圆迹模式却能够获取其图像；(b) 圆迹SAR的全方位观测能够获取目标的轮廓信息，如图9 (b)～9 (e)所示，人造目标与地面形成的2面角在垂直方向散射较强，而在其他方向散射较弱，因此蓄水池、高铁桥墩、梯田田埂等目标在常规SAR图像中仅显示为一个或若干个强点，难以直接从图像进行判读，而在圆迹SAR图像中，目标的轮廓能被清晰勾勒，利于图像解译；(c) 圆迹SAR能够提高分辨率，抑制相干斑噪声，并有效减小阴影现象，如图9 (e)所示，单站SAR成像中，镜面反射具有较强的反射回波，因此常规SAR图像通常由若干强点主导，另外，分辨率受限于多普勒带宽，图像中有明显的相干斑，图像解读人员需要专业SAR背景，而圆迹SAR将360°回波进行综合，获得的图像效果接近于光学的漫反射成像效果，且相干斑得到有效抑制，更有利于人眼这一光学系统的识别和解读。

表1 中国科学院电子学研究所圆迹SAR飞行实验主要参数

参数数值 PRF3000 Hz 工作波长0.5 m 带宽200 MHz 飞行半径»3000 m 平台高度»3000 m 极化方式HH HV VH VV

4 圆迹SAR的关键技术

圆迹SAR展现的独特优势是以更高的系统技术要求和更复杂的信号处理为代价的。作为一种新兴模式，圆迹SAR仍处于试验探索阶段，虽然国内外已通过多次机载试验验证了其可行性和成像效果，但仍有不少关键技术有待解决和完善以满足实际应用需求。雷达系统方面的关键技术主要包括：高精度导航技术、高精度波控技术等；信号处理方面的关键技术主要包括：成像处理技术、运动补偿技术、旁瓣抑制技术等。下面详细讨论信号处理方面的主要关键技术及其发展现状。

(1) 成像处理技术

面向对地观测应用(机载高轨星载平台)的圆迹SAR聚焦成像处理需要考虑轨迹非规则性、成像精度及计算效率。非规则轨迹给成像算法的实现带来了困难，首先经典的直线轨迹SAR快速成像算法，及M. Soumekh提出的标准圆轨迹条件下的波前重建算法都不再适用。而可用于任意成像几何的常规后向投影(Back-projection, BP)算法又存在计算量巨大的问题，计算复杂度为。为了解决这一问题，德国宇航局的研究人员基于常规FFBP(Fast Factorized Back-Projection)算法的原理，提出了适用于非规则圆轨迹SAR成像的高精度FFBP，计算复杂度为/2+()，结合GPU，运算速度可大幅提高。中国科学院电子学研究所的研究人员则基于常规PFA算法的基本原理，提出了适用于非规则圆轨迹SAR成像的精确极坐标格式算法，其优势是计算效率高，计算复杂度为。

(2) 运动补偿技术

直线轨迹SAR的运动补偿主要指将非理想轨迹补偿为理想的直线轨迹，避免图像在2维斜距面上的散焦。圆迹SAR的运动补偿有所不同，其本身就具有3维重建能力，因此不需要将非规则轨迹补偿为理想轨迹，只需要补偿由轨迹测量误差或大气扰动等原因造成的斜距误差或相位误差。与常规成像模式相比，圆迹SAR的合成孔径时间更长，例如机载条带SAR的合成孔径时间仅为几秒或十几秒，而圆迹SAR的合成孔径时间长达几分钟，导航系统要在如此长的时间内保证/16的测量精度是不易实现的，尤其当工作频率较高时。为了解决这一问题，法宇航在机载实验中，预先在场景中安放多个位置已知的定标器，数据处理过程中采用3角测量法反演精确轨迹。德国宇航局则利用安放于场景中散射各向同性的Luneburg透镜，从其图像的频域信号中提取相位误差，补偿于数据，实现图像的精确聚焦。中国科学院电子学研究所则提出了基于逆回波生成的相位梯度算法，该算法利用图像中的特显点生成逆回波，从逆回波信号中提取相位误差补偿于回波数据，以实现自聚焦的目的，该方法的优势是在于不依赖于定标设备，而是利用圆迹SAR数据本身进行相位误差估计，且算法中使用的最大似然估计具有良好的鲁棒性。

(3) 旁瓣抑制技术

圆迹SAR的360°观测几何将平面频谱扩展为一个圆环面，圆环面的中空部分控制着平面点扩展函数的旁瓣水平，即中心频率和带宽的比值直接决定旁瓣水平，该比值越大，旁瓣越高，反之亦然，在发射信号为单频信号时，峰值旁瓣比为-7.9 dB，在最小发射频率为零频的极限情况下，旁瓣可降为-17.57 dB。当雷达系统工作频率较高，信号带宽又相对较窄时，较高的旁瓣将影响图像的清晰度。圆迹SAR频谱的中空部分可认为是信息缺失，传统的基于谱分析的频谱加权方法不能从根本上降低旁瓣，因为这种方法只是简单地将信息缺失部分补0。文献[30]中针对旋转目标成像的旁瓣抑制问题提出了变迹滤波器的方法，该方法也是沿用了频谱加权的思想，只有当相对带宽大于50%时，旁瓣抑制才略有改善，限制了该方法的适用范围。利用重建目标稀疏特性的优化方法，如L1优化，在旁瓣抑制方面具有重要潜力，但该方法在SAR领域的应用目前还处于发展阶段。因此如何有效地抑制圆迹SAR旁瓣是一个重要问题，也是一个难题，有待进一步解决。

5 圆迹SAR成像技术展望

如何与特定应用结合，以最大限度发挥圆迹SAR的优势，是本领域专家学者普遍关心的问题。我们认为圆迹SAR成像技术的后续工作主要包括以下3个方面：

(1) 多维度散射特性研究及目标识别

圆迹SAR的多角度观测几何能够获取比常规SAR的单一角度观测几何更丰富的信息，其回波包含多角度的目标散射特性分布信息。圆迹SAR成像模式渴望成为深入理解多维度散射特性及其在SAR图像中表征等问题的重要数据获取和研究手段，对SAR成像在高精度目标识别中的应用具有重要的意义。

(2) 3维高精度土地覆盖分类

与极化手段相结合，圆迹SAR的多角度观测优势有望进一步提高地物分类水平和精度。圆迹SAR 3维重建能力有望获取植被的垂直结构，以实现生物参数的精确反演和生物量的评估，因此基于极化圆迹SAR的3维高精度土地覆盖分类研究是一个重要的研究课题。

(3) DEM反演与正射成像相结合的精细测绘

现有常规SAR测绘的一个主要问题是其侧视成像几何带来的阴影和迭掩问题，圆迹SAR的全方位观测几何能够较大程度地减小阴影及迭掩现象；同时其能够利用单通道、多角度数据进行DEM反演，较干涉技术相比具有较低的系统复杂度，可以作为一种有效的DEM信息获取途径。因此，基于圆迹SAR数据的DEM反演与正射成像相结合的处理技术在精细测绘领域具有重要的应用潜力。

6 结束语

圆迹SAR因其高分辨、全方位观测及3维重建能力等独特优势近年来受到了国内外学者的广泛关注，已成为当前的国际研究热点之一。国内外开展的多次机载圆迹SAR试验展示了常规SAR模式所无法企及的成像效果，初步显示了其在高精度测绘、灾害评估和精细资源管理等领域的重要应用潜力。目前国内外对圆迹SAR的研究还处于试验探索阶段，该领域的技术发展离实际应用尚有一段距离，需要进一步开展相关研究，发挥其在对地观测中的应用优势。

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Progress in Circular SAR Imaging Technique

Hong Wen

(National Key Laboratory of Science and Technology on Microwave Imaging, Institute of Electronics,Chinese Academy of Sciences, Beijing100190, China)

Circular SAR (CSAR) is a newly developed all-directional high resolution 3D imaging mode in recent years, to satisfy the demand of finer observation. The National Key Laboratory of Science and Technology on Microwave Imaging, Institute of Electronics, Chinese Academy of Sciences (MITL, IECAS), had the first test flight experiment in Aug. 2011 with a P-band full polarization SAR system, and successfully obtained the all-directional high resolution circular SAR image. The initial results show that CSAR technique has the encouraging potential capability in the fields of high precision mapping, disaster evaluation, resource management and the other related applications. This paper firstly makes a detailed discussion on the progress of circular SAR imaging technique, which emphases on the several airborne experiments performed these years to show CSAR’s attractive features, then studies and illustrates the key techniques, and finally discusses the development trends.

Synthetic Aperture Radar (SAR); Circular SAR (CSAR); All-directional observation; High resolution; 3D imaging

TN957

A

2095-283X(2012)02-0124-12

10.3724/SP.J.1300.2012.20046

2012-06-08收到，2012-06-12改回；2012-06-18网络优先出版

国家自然科学基金重大项目(60890070)和重大专项项目(GFZX04030701)资助课题

洪文 whong@mail.ie.ac.cn

洪 文(1968-)，女，研究员，博士生导师，研究经历包括北京航空航天大学电子工程系副教授、德国宇航院雷达与微波技术所客座研究员、中国科学院电子学研究所微波成像技术国家重点实验室研究员等。近年研究方向为极化/极化干涉合成孔径雷达数据处理及应用、3维微波成像新概念新体制新方法等。