基于DBF技术的高分辨率宽测绘带星载SAR系统研究

刘亚东 陈倩

（1 北京空间飞行器总体设计部，北京 100094）（2 中国科学院电子学研究所，北京 100190）

1 引言

合成孔径雷达（SAR）作为一种成像雷达，空间分辨率和测绘带宽是其最为重要的两个性能指标。然而，传统的星载SAR 系统都受制于最小天线面积的约束，空间分辨率和测绘带宽不能同时提升［1］。后续提出的各种新的成像模式，包括聚束模式（Spotlight）、扫 描 模 式（ScanSAR）、马 赛 克 模 式（Mosaic）等，只是针对不同应用需求在两者之间进行一定折中［1-2］，并没有从本质上解决上述固有矛盾。

为了实现更广泛的应用需求，获得更高的SAR图像性能，新一代星载SAR 系统必须突破高分辨率宽测绘带（HRWS）这个传统瓶颈。基于数字波束形成（DBF）技术的新型星载SAR 成像体制，能够从真正意义上解决分辨率与测绘带之间的矛盾，实现HRWS成像。国内对基于DBF 的SAR 系统的研究起步较晚，但也取得了一些理论和实践成果。西安电子科技大学的李真芳博士等重点研究了偏置相位中心方位多波束（DPC-MAB）SAR 系统的方位向后DBF技术，利用多通道机载数据进行了验证［3］。中国科学院电子学研究所的王小青博士研究了基于距离向多孔径接收实现宽测绘带的方法，陈倩博士等研究了多发多收SAR 在HRWS方面的应用，并利用机载实测数据进行了验证［4］。成都电子科技大学的王文青博士研究了基于DBF 的临近空间宽测绘带成像［5］。

本文针对高分辨率和宽测绘带的矛盾，重点研究了典型的基于DBF 技术的HRWS星载SAR 系统。根据成像指标要求的不同，将这些系统分为中等分辨率、超高分辨率和超宽测绘带三类，并针对这些应用场合对现有基于DBF的HRWS星载SAR体制进行了分类梳理与研究。最后，本文分析归纳了基于DBF技术的HRWS星载SAR系统关键技术与研究重点，作为未来HRWS星载SAR系统发展的若干建议。

2 数字波束形成技术

对于平板相控阵天线，传统的模拟波束形成（ABF）利用射频（RF）波束开关或者带有幅相调节功能的收发（T／R）组件，形成一个或少数几个特定指向的波束。其缺点在于：天线硬件需求量大，需要一定的反应时间，且指向精度完全依赖于硬件，工作效率较低。随着高性能计算机、大规模集成电路和数字信号处理技术的发展，20世纪90年代提出将DBF应用于平板相控阵天线，以提高波束形成的灵活性与精确性，同时减少硬件需求量。图1为平板相控阵天线DBF的工作原理图。T／R 组件不再包括幅相加权模块，而只负责解调和A／D 转换，将各个通道信号变换到数字域，之后传递给数字信号处理（DSP）模块进行数字域的滤波和幅相加权等处理，最终实现特定指向的波束形成。根据加权系数选择方式不同，将DBF 分为非自适应［3-4］和自适应［3-8］两大类。

由于DBF要对不同通道信号进行独立A／D 采样与数字域的加权处理，因此DBF 与多通道SAR系统这两个概念是相互依赖、相互统一的。广义的DBF处理包括星上实时的DBF 和星下的后DBF。前者一般应用于通道数较多、运算较为简单、数据量较大且不易下传的情况，而后者一般应用于通道数较少、需要后续精处理的情况。在HRWS 星载SAR系统设计中，两类DBF 都有重要的应用价值。图2和图3分别为这两类DBF的典型应用场合。

图1 平板相控阵天线DBF原理Fig．1 DBF principle based on planar phased array antenna

图2为距离向DBF扫描接收（SCORE）的工作原理图。为了实现距离向的宽测绘带，采用部分孔径发射形成一个宽波束覆盖的整个宽测绘带，接收端采用较长的俯仰向天线进行星上实时DBF接收，将长天线分为多个俯仰向接收子孔径，通过实时计算各子孔径DBF加权系数，产生高增益窄波束跟踪地面回波，在保证收发天线增益的同时能有效抑制距离模糊［5-9］。

图2 距离向扫描接收技术原理Fig．2 SCORE technique in elevation

图3为DPC-MAB SAR 的工作示意图。为了保证一定的测绘带宽，选择低于方位多普勒带宽的脉冲重复频率（PRF），在方位向上将整副相控阵天线分为N个接收子孔径，每个子孔径通过星上ABF网络形成N个偏置相位中心的方位向接收波束，利用多通道（对应为N通道）下传链路将数据下传到地面，同时保留各个通道的独立信息，在地面完成较为复杂的多通道后DBF处理，从而实现多通道方位信号重构。

图3 方位向DPC多通道后DBF处理示意图Fig．3 Post-DBF processing for DPC-MAB SAR

除了基于平板相控阵天线的DBF原理，基于数字阵列馈源的反射面天线同样可以实现距离向DBF扫描接收（见图4）。相比相控阵天线，该反射面天线实现DBF 的过程更为简单，硬件需求也更小，只要通过设置一定的门限，选通回波方向对应的阵列馈源单元对其接收信号进行求和，即可实时跟踪回波方向。反射面天线在宽幅成像应用场合下具有较大优势［10-12］。

图4 数字阵列馈源的反射面天线数字波束形成原理图Fig．4 DBF technique based on reflector antenna

3 基于DBF技术的新体制HRWS星载SAR 系统

根据在不同应用场合下对分辨率和测绘带宽的不同需求，可以将HRWS星载SAR 系统分为超高分辨率、中等分辨率和超宽测绘带，如图5所示。本节主要针对这三类应用场合分别介绍其适用的新体制SAR 系统的工作原理。这些系统基于新一代智能化多孔径天线技术（SMART），有效克服了传统高分辨率与宽测绘带之间的矛盾，在未来的遥感领域具有重要的应用价值。

图5 针对不同应用要求的新体制HRWS星载SAR系统Fig．5 New HRWS space-borne SAR systems for different application requirements

3．1 中等分辨率成像体制

在HRWS星载SAR 系统研究领域，最早提出的基于多波束的解决方案包括DPC-MAB［3-8］，SPCMAB和MEB［1，13-14］几类，它们都适用于植被监测、舰船检测等中等分辨率和中等测绘带宽的SAR 应用场合。其基本思想是：在传统单波束体制的基础上，通过增加接收波束的个数来成倍获取地面信息，从而降低分辨率或测绘带宽对PRF的要求。然而，SPC-MAB和MEB方案具有子波束间相互干扰严重的缺点，因此往往不能满足SAR 成像性能的需求。后来提出的STWE 波形和距离向SCORE 接收的先进技术，较好地解决了子波束之间的干扰问题，使这两种关键技术应用到传统的多波束方案中，能进一步提升SAR 系统性能。图6 为改进后的DPC-MAB DBF SAR、STWE-SPC-MAB DBF SAR和MEB DBF SAR。

图6 适用于中等分辨率的HRWS星载SAR 系统工作原理Fig．6 HRWS space-borne SAR system with middle resolution

在DPC-MAB DBF SAR 体制下，天线在方位向和距离向尺寸往往较大，且采用方位距离二维多通道的构型。发射端通过激活部分子孔径产生距离向和方位向的宽波束，保证一定的方位分辨率和测绘带宽，同时，为了保证测绘带回波能在同一个接收窗内被完整接收，系统工作在较小的PRF；接收端利用整副天线的全部孔径同时进行回波接收，距离向通过实时调整DBF 网络多个子孔径的加权系数来控制波束指向，产生一个高增益的笔状窄波束，对回波进行跟踪、扫描、接收，方位向获得多个通道的回波，下传到地面进行方位向多通道的重构处理，消除采用较小PRF 导致的单通道回波多普勒混叠现象。因此，该体制可认为是距离向实时DBF和方位向后DBF的充分结合，一方面通过方位重构处理抑制方位模糊，另一方面通过距离向窄波束接收抑制距离模糊。

在STWE-SPC-MAB DBF SAR体制下，方位向采用空时编码波形，即在每个发射窗内通过方位向实时DBF依次产生多个不同指向的子波束，照射方位向不同区域，同时依次发射多个子脉冲信号。由于采用空时编码波形，接收窗内每个时刻不同方位区域的回波来自不同的距离门，因此，可以利用距离向的多个高增益窄波束同时进行扫描接收，利用空域的分离更大程度上抑制不同子波束之间的干扰。这样，接收端可以得到多个通道的回波信号，不同通道对应方位向不同指向（即不同多普勒频率），因此后续可以通过方位向多个通道频谱合成实现高分辨率。

MEB DBF SAR 体制采用距离向较长的SAR天线，发射端只激活一小部分天线单元产生距离向和方位向的宽波束，为了保证方位模糊比，系统工作在较高的PRF。接收端采用距离向多个子波束同时进行DBF扫描接收，压缩了宽测绘带回波在接收窗内的散布时间，保证了距离模糊比性能。不过，该体制的缺点在于，受发射窗干扰影响，在不同子测绘带之间会存在一定的测绘盲区。

3．2 超高分辨率成像体制

在侦察、目标识别等应用中，对SAR 图像分辨率要求较高。例如，要详细描述导弹、车辆等目标，至少需要厘米级的超高分辨率。对于条带模式，要实现高分辨率会导致方位向收发天线孔径过小，从而造成方位模糊比的上升和天线增益的下降，同时额定峰值功率也变小，因此，对于超高分辨率的需求，条带模式具有较大缺陷。结合滑动聚束SAR合成孔径时间长的优点，以及方位向多波束可有效降低系统工作PRF的优势，可以采用多波束滑动聚束模式来实现超高分辨率的HRWS星载SAR系统设计。

较为实用的多波束滑动聚束SAR，包括DPCMAB滑动聚束体制和STWE-SPC-MAB滑动聚束体制，如图7所示。与第3．1节中介绍的条带工作模式不同，这两种多波束滑动聚束体制天线在方位向都具备扫描能力，而滑动聚束的原理就是利用天线沿逆航迹向的匀速扫描增加目标合成孔径时间，从而提高方位向分辨率。因此，上述两种方案均可利用方位向较长的天线实现高分辨率，克服条带模式在超高分辨率成像方面的不足。当然，与传统滑动聚束SAR一样，多波束滑动聚束SAR也面临着方位向成像区域的间断性问题，但很多场合并不一定需要方位向连续成像，因此仍具有重要的应用价值。

图7 适用于超高分辨率的HRWS星载SAR工作原理图Fig．7 HRWS space-borne SAR systems with ultra-high resolution

DPC-MAB滑动聚束SAR 和第3．1 节中的条带模式类似，都采用方位向分离相位中心的多个子孔径同时接收回波，距离向采用SCORE 技术进行扫描接收，两者的主要区别在于方位向是否扫描。在滑动聚束模式下，由于天线在方位向的扫描，场景回波的多普勒中心随方位时间发生变化而造成多普勒混叠，因此方位向多通道重构处理变得更加复杂，要采用有别于条带模式的新的算法进行方位解混叠。

STWE-SPC-MAB滑动聚束SAR 也是在第3．1节中条带模式的基础上加入了天线方位向的扫描，同样存在由天线指向变化引入的多普勒混叠，因此，不能直接进行多通道频谱拼接，必须进行一定的预处理来抑制多普勒混叠。

综上所述，在分辨率要求较高的HRWS 应用场合，多波束体制与滑动聚束模式相结合，一方面，增加了相同尺寸天线对应的合成孔径时间，从而提高方位分辨率；另一方面，采用多波束接收，有效降低了系统工作的PRF，从而保证一定的测绘带宽，因此具有重要的实用价值。

3．3 超宽测绘带成像体制

在海洋动力环境监测等应用中，需要的成像带宽往往高达几百千米，若采用传统条带工作模式，很难选出甚至根本无法选出合适的波位，因此必须采用新的模式或新的工作体制，才能实现超宽测绘带成像。图8给出了几种适用于超宽测绘带成像的SAR 系统设计方案。其中：图8（a）为第3．1节介绍过的MEB条带模式，它的缺点在于发射窗干扰导致测绘盲区的存在。图8（b）是DPC-MAB 扫描模式，牺牲方位向的分辨率换取测绘带的扩展，不同的子测绘带工作在不同的PRF，因此可以实现超宽测绘带的无缝覆盖。需要强调的是，可以将传统ScanSAR 模式与MEB 相结合，通过MEB 降低系统工作的PRF，从而减少所需脉冲串（Burst）的个数。图8（c）是DPC（SPC）-MAB＋MEB 扫描模式，它结合了MEB的ScanSAR 模式，通过增加距离向波数个数减少ScanSAR 所需Burst 个数，不同Burst选用不同的PRF实现测绘带无缝覆盖。若将图8（c）中PRF 的个数取得足够密、足够多，就演变为极限形式，即图8（d）中的VPRF＋MEB条带模式和VPRF＋DPC（SPC）-MAB＋MEB条带模式，通过连续改变PRF进而连续改变测绘盲区的位置，因此不会有完全不被照射到的区域，只是少数区域会发生接收脉冲部分丢失的现象，要通过后续方位向的进一步处理进行增益补偿。需要指出的是，在图8的几种体制下，接收端均可以采用距离向SCORE接收，有效抑制距离模糊［15-16］。

图8 几种适用于超宽测绘带的SAR 体制Fig．8 Several SAR systems with ultra-wide swath

另外，数字阵列馈源的反射面天线对于实现距离向多波束有着明显优势，其采用集中馈电方式，能够同时产生多个高增益的子波束覆盖不同的子测绘带，且接收端可以简便地实现星下点回波抑制和多个子测绘带的DBF扫描接收，如图9所示。

综上所述，利用多波束的ScanSAR 工作模式，或者采用VPRF的多波束条带工作模式，均可有效克服超宽测绘带带来的测绘盲区问题，提高HRWS星载SAR 系统的成像性能。当然，其系统硬件复杂度也会相应变大，且信号处理过程变得更加复杂。

图9 基于数字阵列馈源天线的两种超宽幅HRWS星载SAR 系统Fig．9 Two ultra-wide swath HRWS space-borne SAR systems based on reflector antenna with digital array feed

4 结论及建议

针对传统星载SAR系统高分辨率与宽测绘带两个核心成像指标之间的矛盾，本文分类研究了基于DBF技术的HRWS星载SAR 新体制。它们均以智能化多通道天线构型和DBF技术为基础，通过提高系统复杂度实现星载SAR 成像性能的提升，可从根本上解决传统的HRWS固有矛盾，并且具备更为灵活的系统功能模式。在未来HRWS星载SAR 系统的发展中，建议将以下几项关键技术作为研究重点。

（1）智能化多孔径天线技术。相对于传统星载SAR 系统，本文讨论的几种基于DBF 的HRWS星载SAR 体制对天线均提出了较高要求，要具备距离向和方位向的实时扫描能力，有较高的指向精度要求。实现实时的零陷抑制或其他自适应的波束形成，就要求天线具备更复杂的波束形成网络和更成熟的波束赋形技术。此外，由于距离向和方位向实现DBF 需要的通道数和T／R 组件数目较多，对天线尺寸、质量有较高要求，因此对卫星平台的承载能力提出了挑战。

（2）方位向多通道预处理技术。为提高测绘带宽，往往采用较小的PRF，因此单个通道获得的SAR数据在方位频域是混叠的。方位向多通道数据的联合处理，是获得高性能、高分辨率SAR 图像的关键。在方位向多通道SAR 成像时，首先要将多个通道数据整合成单路数据，且保证方位向的过采样率，后续直接利用现有单通道成像算法即可得到图像。

（3）距离向实时DBF技术。为较大幅度地提升距离向模糊性能和天线增益，距离向实时DBF技术成为上述所有HRWS新体制的共用关键技术。通过A／D 采样变换到数字域后，按一定算法进行数字域滤波和幅相加权，从而控制波束指向。在选择DBF加权算法时具有较大的灵活性，可以采用非自适应加权系数，也可以采用自适应的算法，因此，如何合理地设计DBF算法也是研究的重点和关键。

（4）多通道的SAR 数据压缩技术。基于DBF的HRWS星载SAR 系统，由于采用二维多通道同时获取地面信息，且距离向为了获得高分辨率，常采用较大信号带宽，从而导致数据采集量较传统星载SAR系统成倍提高，对卫星数据传输带来较大压力。因此，多通道的SAR 数据压缩技术对有效降低SAR数据率具有非常重要的研究意义和实用价值。

（5）DBF 的工程化实践与探索。现阶段，对于HRWS模式的整体性理论框架已基本建立，并开始探索工程实践中一系列问题的解决方案［17］，如脉冲延展所造成的增益损失，通道间幅相不一致性对方位频谱恢复及成像带来的影响，以及地形起伏造成的SCORE失配等。在未来，针对该模式的研究工作将重点围绕工程实践展开。

（6）多通道的误差分析及内定标技术。在多通道SAR 系统结构中，通道间的幅相一致性是系统有效工作的前提。由于工艺水平及器件精度等问题，幅相不一致的问题总是存在的，且会对后期的系统性能有较大的影响。现阶段，方位向多通道预处理算法在理论研究方面已较为成熟，但这些现存算法大多数适用于理想情况，即不考虑多通道之间不一致性等非理想因素。因此，如何利用内定标技术和后期的信号处理方式解决这一问题，具有重要的意义。

（7）反射面天线体制的HRWS星载SAR 系统研究。相比于平面相控阵天线，反射面天线具有更小的质量和更低的成本，同时功耗与热耗也较小。因此，利用反射面天线实现HRWS星载SAR 成像具有一定的潜在优势。目前，对反射面天线HRWS星载SAR 系统的研究还处在概念研究阶段，为进一步推进其发展，仍有以下几个问题要深入研究：①根据需求设计反射面天线，包括抛物面的结构、尺寸及馈元的数目、布局等；②不同馈元接收信号的特性分析，以有效实现俯仰向接收波束扫描及方位向频谱拼接；③反射面天线方向图的二维耦合对系统模糊比——方位模糊比（AASR）和距离模糊比（RASR），以及噪声等效后向散射系数（NESZ）等性能的影响。

（References）

［1］Currie A，Brown M A．Wide-swath SAR ［J］．IEE Proc．F-Radar Signal Process，1992，139（2）：122-135

［2］Freeman A，Johnson W．The myth of the minimum SAR antenna area constraint［J］．IEEE Trans．Geosci．Remote Sens．，2000，38（1）：320-324

［3］Li Z F，Wang H Y，Su T，et al．Generation of wideswath and high-resolution SAR images from multichannel small spaceborne SAR systems［J］．IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters，2005，2（1）：82-86

［4］邓云凯，陈倩，郑慧芳，等．一种基于频域子带合成的多发多收高分辨率SAR 成像算法［J］．电子与信息学报，2011，33（5）：1082-1087

Deng Yunkai，Chen Qian，Zheng Huifang，et al．A highresolution imaging algorithm for MIMO SAR based on the sub-band synthesis in frequency domain［J］．Journal of Electronics ＆Information Technology，2011，33（5）：1082-1087（in Chinese）

［5］Wang W Q，Peng Q C．Digital beamforming for nearspace wide-swath SAR imaging［C］／／Proceedings of International Symp．on Antennas，Propagation and EM Theory．New York：IEEE，2008：1270-1273

［6］Krieger G，Gebert N，Moreira A．Unambiguous SAR signal reconstruction from nonuniform displaced phase center sampling［J］．IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters，2004，1（4）：260-264

［7］齐维孔，禹卫东．基于滤波器组的星载SAR DPC-MAB技术方位向非均匀采样信号的重构［J］．系统工程与电子技术，2008，30（7）：1218-1222

Qi Weikong，Yu Weidong．Reconstruction of nonuniform azimuth sampling signals of space borne SAR DPC-MAB technique based on filter banks［J］．Systems Engineering and Electronics，2008，30（7）：1218-1222（in Chinese）

［8］马仑，李真芳，廖桂生．一种稳健的利用分布式小卫星获取宽域、高分辨SAR 图像的方法［J］．航空学报，2007，28（5）：1190-1194

Ma Lun，Li Zhenfang，Liao Guisheng．Robust approach to achieve wide swath and high resolution SAR image by using distributed small satellites［J］．Acta Aeronautica et Astronautica Sinica，2007，28（5）：1190-1194（in Chinese）

［9］Krieger G，Gebert N，Moreira A．Multidimensional waveform encoding：a new digital beamforming technique for synthetic aperture radar remote sensing［J］．IEEE Trans．Geosci．Remote Sens．，2008，46（1）：31-46

［10］Younis M，Huber S，Patyuchenko A，et al．Performance comparison of reflector-and planar-antenna based on digital beam-forming SAR［J］．International Journal of Antenna and Propagation，2009：doi：1155／2009／614931

［11］Xu W，Deng Y K．Multichannel SAR with reflector antenna for high-resolution wide-swath imaging［J］．IEEE Antennas and Wireless Propagation Lett．，2010，9（12）：1123-1126

［12］Gerber N，Krieger G．Ultra-wide swath SAR imaging with continuous PRF variation［C］／／Proc．EUSAR．Aachen，Germany：EUSAR，2010：966-969

［13］Younis M，Fisher C，Wiesbeck W．Digital beamforming in SAR systems［J］．IEEE Trans．Geosci．Remote Sens．，2003，41（7）：1735-1739

［14］Gebert N，Krieger G，Moreira A．Digital beamforming on receive：techniques and optimization strategies for high-resolution wide-swath SAR imaging［J］．IEEE Transaction on Aerospace and Electronic Systems，2009，45（2）：564-592

［15］Krieger G，Younis M，Gebert N．Advanced digital beamforming concepts for future SAR systems［C］／／Proc．IEEE．Geosci．and Remote Sens．Symp．New York：IEEE，2010：245-248

［16］Gerber N，Krieger G，Moreira A．Multichannel azimuth processing in ScanSAR and TOPS mode operation［J］．IEEE Trans．Geosci．Remote Sens．，2010，48（7）：2994-3008

［17］Gerber N，Almeida F Q，Krieger G．Airborne demonstration of multichannel SAR imaging［J］．IEEE Geosci．and Remote Sens．Lett．，2011，8（5）：963-967