SAR成像模式发展综述

朱　桐,周珊珊

(西安电子科技大学 电子信息攻防对抗与仿真重点实验室,陕西 西安　710071)



SAR成像模式发展综述

朱桐,周珊珊

(西安电子科技大学 电子信息攻防对抗与仿真重点实验室,陕西 西安710071)

摘要由于传统的SAR成像模式不能完全满足人们对一些成像指标的需求。文中提出了3种新兴的SAR成像模式,包括滑动聚束SAR、顶端成像SAR、地球同步轨道SAR (GEO SAR),并对这些模式下的算法进行了深入的研究与分析,从而较大程度上改善了SAR成像的各项性能指标。

关键词滑动聚束;顶端成像(TOPS);地球同步轨道SAR

传统的SAR成像模式各自均有一定的优点以及自身模式带来的限制。滑动聚束(Sliding Spotlighting)成像模式在方位向分辨率和测绘带宽度得到一个良好的折中。TOPS(Terrain Observation by Progressive Scans)是一种新型星载宽测绘带成像方法,其可获得与常规扫描模式(ScanSAR)同样的方位分辨率和更大的幅宽,同时克服了由方位角变化引起的模糊信号比(ASR)和信号噪声比(SNR)的缺陷和扇形效应。地球同步轨道合成孔径雷达(GEO SAR)是一种将SAR有效载荷放置在地球同步轨道卫星上的主动式遥感传感器。与传统低轨SAR相比,具有重访周期短、测绘面积宽及可视范围广等优势,应用前景广阔。然而新的模式下,原始的成像算法将面临诸多问题。下面就这3种模式下成像存在的问题和目前已有的解决方案进行总结。

1滑动聚束合成孔径雷达

在滑动模式下,中心是不固定的,波束在方位方向上匀速滑动,以牺牲方位分辨率得到大的覆盖面积。波束移动导致成像区间的扩大,可获得比聚束雷达更大的成像场景。滑动聚束SAR模式下,波束速度vf大于或小于其平台速度va,vfva时为逆向滑动聚束模式。滑动聚焦模式为方位分辨率和方位场景扩展提供了一个权衡方法[1]。

图1　滑动聚束模式

反向滑动聚束模式(Converse Beam Cross Sliding Spotlight Mode)是另一种新型的滑动聚束模式[1],其的波束速度vf和平台速度是相反的,并在数据获取时天线波束是交叉的。其证明了CBC滑动聚束SAR不仅可与传统的滑动聚束一样获得相同方位分辨率,且可以增强系统的抗干扰能力。

文献[2]中提出了混合双基地SAR系统。若发射机和接收机均使用滑动聚束,其就被称为双滑动聚束模式。由于巨大的混合双基地系统平台速度不同,所以卫星系统工作在标准的滑动模式下和安装在飞机上的系统工作在反向滑动聚焦模式下。

为实现方位向的处理,文献[3]提出了一种新的方位变标方法,其内核与滑动聚束和顶端模式完全相同。特别之处在于重点关注方位向信号的处理,假设距离单元徙动已经被校正,称为基带方位变标(BAS)。方位变标的频谱分析法(SPECAN)的提出避免大量参考函数的使用。然而,滑动聚焦模式仍存在一定的缺点:(1)其需要额外的步骤,以准确地进行方位加权;(2)当使用频谱分析法(SPECAN)方法时,聚焦区域可能出现混叠。同样,大多数TOPS模式下,使用频谱分析法时均会出现混叠。

滑动聚束SAR通过控制天线波束在地面上滑动速度来增加方位相关累积时间。文献[4]中提出模糊问题是SAR的一个系统问题,其相当于一个固有噪声,影响着成像结果。文中分析基于相控阵SAR系统设计的条带SAR方位模糊信号比(AASR)表达式,介绍了滑动聚束SAR的工作特点。

由于FSA可直接处理解频调原始信号,文献[5]提出了可使用FSA算法来处理滑动聚焦场景。滑动聚焦是为了增加场景方位角的大小从而得到比聚束成像大,比条带成像小的图像分辨率。整个场景可通过分离成小场景妥善处理,然后使用EFSA聚焦每一个小场景。

2地形观测逐行扫描(TOPS)合成孔径雷达

TOPS(Terrain Observation by Progressive Scans)即地形观测逐行扫描是一种新型星载宽测绘带成像方案,其克服了由方位角变化引起的模糊信号比(ASR)和信号噪声比(SNR)的缺陷,并在整个信号获取期间通过方位波束转向来克服扇形效应,本文在相同的方位天线模式下观测所有的目标,因此扇形效应消失,且方位模糊和信噪比在方位上是连续的[6]。

TOPS的优点是:(1)其无需聚焦角度或波束形成的矩阵;(2)其不会在大的信噪比下产生偏差;(3)在低信噪比下,其比不相干法更好地整合了频率区[7]。

图2为标准顶端模式和逆顶端模式的几何模型。类似于聚束/滑动聚束模式,在几何模型中其有一个固定的虚拟旋转中心。然而,在标准顶端模式下,旋转中心在传感器的后面如图2(a)所示。在逆顶端模式下,旋转中心在传感器和成像区域之间如图2(b)所示[8]。

图2　标准顶端模式及逆顶端模式几何模型

TOPS(顶端模式)将天线旋转到与聚束雷达相反的方向,导致了相反的效果,这是一个恶化的方向分辨率。文献[9]指出顶部模式克服了扫描SAR模式中脉冲接收过程中由于天线沿轨道转向造成的限制。扫描SAR有一些由目标聚焦时方位天线模式不同所造成的缺点。

文献[6]中提出了4种改进CS算法的成像方法,由于顶端成像技术的原始数据和其他模式的唯一不同就是其方位信号分量,只有经过预处理和后处理之后这些算法才适用于TOPS模式,但随之增加了计算负担。因此,文中需要一个专门的处理器来获得有效的聚焦。

文献[7]中指出非相干子空间方法(ISSM)是最简单的处理宽带信号方法之一。其将传感器的输出通过了一个滤波器组将宽带信号分解为多个窄带信号,然后应用窄带技术,如MUSIC方法,独立于滤波器组的输出。故对所有频点的结果进行平均,得到最终的DOA估计。文献[7]提出了基于正交子空间投影法的新的宽带信号子空间DOA估计方法。不同于相关方法,匹配信号和噪声子空间必须匹配以形成广义协方差矩阵。顶端成像决定了与DOA相关的变化是否能够实现匹配。

文献[10]介绍了多通道方位处理相关的新型扫描SAR和地形观察逐步扫描(TOPS)系统的概念。调查显示,多通道扫描SAR系统可实现超测绘带宽度成像的高方位分辨率和紧凑天线长度。多个接收孔径的新型的SAR系统可克服这一固有限制。文献[11]提出了基于TOPS的宽带DOA估计,称为“Squared-TOPS”(方顶模式)。Squared-TOPS两次使用了转换后的信号子空间和噪声子空间,并对测试信号子空间和噪声子空间的正交性进行测试。方顶模式的优点在于,在低信噪比条件下,与TOFS模式和TOPS模式相比分辨率得到了提高。

3地球同步轨道合成孔径雷达

地球同步轨道合成孔径雷达(Synchronous Synthetic Aperture Radar,GEO SAR)是一种将SAR有效载荷放置在地球同步轨道卫星上的主动式遥感传感器。与传统低轨SAR相比,具有重访周期短、测绘面积宽、可视范围广等优势,应用前景广阔,然而其难点在于抛物线模型不适用于GEO SAR。地球同步轨道卫星实际上是周而复始地运行在一定倾角与偏心率的轨道上的卫星,这样卫星与地球之间是存在相对运动的。说明GEO SAR满足SAR成像的基本原理,平台与地面目标之间存在着相对运动,能实现孔径合成,获得高质量的SAR图像。

图3　GEO SAR系统的几何结构

文献[12]讨论了在抛物线原则和数学模型下来自飞行平台的空间方位角误差对GEO直接定位的影响,通过相位误差和图形像素的几何失真,间接地影响相应的GEO定位中。基于F.Leberl成像等式的SAR模型,高精度的全局差别定位系统(DGPS)以及导航记录数据,都是SAR GEO定位应用中方便而经典的技术。

文献[13]中提出星载SAR成像中包含了由SAR图像获取几何模型、成像模式、反射率特性和图像形成过程中产生的固有GEO定位误差。由于在SAR图像获取模型中产生的GEO定位误差是不可避免的,本文应在图像的形成过程中考虑这些误差并进行校正。故使用GEO定位误差校正方法来分析和校正方位偏差、地面距离非线性误差以及定向误差。

在将来的星载合成孔径雷达系统中,例如0.3 m的高分辨率的星载合成孔径雷达系统和地球同步星载合成孔径雷达系统,“Stop-and-Go”假设的影响是不容忽视的,文献[14]中给出了基于“Stop-and-Go”假设的精确斜距模型,接着提出了改进的成像算法,从而对由“Stop-and-Go”假设引入的误差以及弯曲合成孔径轨迹的影响进行补偿。最后,基于广义模糊函数和投影理论,明确任意方向的分辨率特征,同时可看出在地球同步轨迹星载合成孔径雷达系统中,目标点旁瓣方向的点分布函数的水平投影不再彼此正交。文献[15]中考虑到信号传播过程中卫星和地球之间的相对运动,在对地同步SAR中提出了传播斜距的精确分析方法。具有较好时间分辨率的GEO?SAR,可克服现有成像系统的局限性,使瞬变现象的密度解释GPS时序分析具有极小的空间密度数量级。文献[16]重点关注赤道上成像的问题,分析了GEO SAR的覆盖面积,分析了由经典轨线模型和菲涅耳近似引入的误差,主要推导了改进的二次距离压缩方法,从而对线性轨道产生的误差进行校正。

4结束语

在合成孔径雷达的发展过程中,成像算法的改进和革新是必不可少的。本文在传统经典成像模式的基础上,对3种新兴的成像模式包括滑动聚束(Sliding Spotlighting,SAR),顶端成像(TOPS)SAR,地球同步轨道SAR(GEO SAR),及其算法进行深入分析和概述,随着技术的进步,3种新兴的成像模式得到了广泛的应用,实现了功能、性能上的诸多改进。本文对这3种新兴的SAR成像模式的基本原理、几何结构、算法研究、误差分析有一个全面的认识,从而较大程度上改善了SAR成像的各项性能指标。

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A Review of SAR Imaging Model Development

ZHU Tong,ZHOU Shanshan

(Key Laboratory of Electronic Information Defense and Simulation,Xidian University,Xi’an 710071,China)

AbstractTraditional SAR image modes can not totally satisfy the requirements of image performance.This paper puts forward three new modes of SAR imaging,i.e.,Sliding Spotlighting SAR,TOPS SAR,and geosynchronous orbit SAR (GEO SAR).The algorithms of the three image modes are discussed,which refine the properties of SAR image greatly.

Keywordssliding spotlighting SAR;TOPS SAR;GEO SAR

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.05.050

收稿日期:2015-08-05

作者简介:朱桐(1991—),女,硕士研究生。研究方向:数字信号处理。

中图分类号TN958

文献标识码a

文章编号1007-7820(2016)05-187-04