GNSS-R信号的海面SAR成像应用

杨 磊，朱云龙，杨东凯

(北京航空航天大学 电子信息工程学院，北京 100191)

GNSS-R信号的海面SAR成像应用

杨 磊，朱云龙，杨东凯

(北京航空航天大学 电子信息工程学院，北京 100191)

针对GNSS-R海洋遥感探测研究中，传统方法只能对镜面反射点附近海域进行分析，无法获取二维海面反射特征的问题，提出一种使用SAR对海面进行成像的方法：利用导航卫星作为信号源，海面反射的GNSS-R信号作为回波信号，使用背向投影算法进行成像。仿真结果表明：该方法能够对点目标和随机海面进行成像，得到二维海面电磁反射能量分布；证明了利用GNSS-R信号进行海面SAR成像的可行性。

导航卫星；反射信号；合成孔径雷达；背向投影算法

0 引言

合成孔径雷达(synthetic aperture radar，SAR)利用微波成像的方式进行遥感探测，不受天气、时间、环境的影响，相对于光学遥感有着不可比拟的优势。而使用其他如通信卫星、电视广播等辐射源的被动双基SAR，相比传统单基SAR拥有设备简单、功耗低、隐蔽性好的优点。其中，基于导航卫星的双基SAR是当前的热点研究内容之一[1]。

美国于20世纪70年代研发了全球定位系统(global positioning system，GPS)，为用户提供位置服务和时间基准[2]。另外，GPS卫星发射的L波段信号，还为遥感探测提供了一种免费的信号源。使用导航卫星信号进行遥感探测具有以下优势：1)只接收信号，无需发射机，是一种无源探测模式，因此设备简单、成本低；2)L波段电磁波受大气影响较小，穿透云层、雨雪能力强，适合遥感应用；3)当前主要的卫星导航系统有美国的GPS、俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统(global navigation satellite system，GLONASS)、欧盟的伽利略卫星导航系统(Galileo navigation satellite system，Galileo)和中国的北斗卫星导航系统(BeiDou navigation satellite system，BDS)。在未来将会有超过100颗导航卫星在太空中运行，信号资源非常丰富。

在此基础上发展而来的导航卫星反射(global navigation satellite system-reflectometry，GNSS-R)信号遥感应用就是利用地面或海面反射的导航卫星信号进行遥感探测。这项技术自20世纪90年代提出，在国内外学术界得到广泛研究和关注。在海面风场、海冰覆盖、土壤湿度、目标探测等领域都取得了大量研究成果[3-7]。

在基于导航卫星的遥感成像方面，最早于2002年，由文献[8]将SAR概念应用到GPS系统，提出了利用GPS信号对地面进行成像。2008年，文献[9]对固定式接收机场景下的GPS反射信号进行分析，并通过仿真验证了系统的可行性；但由于合成孔径时间长达数个小时，因此该方法不适宜实际应用。文献[10-12]对空地双基SAR(space surface bistatic SAR，SS-BSAR)进行了深入的研究，首次利用GLONASS信号获得了地面SAR图像，之后又进行了车载、机载等平台的一系列实验，以及分析研究了使用Galileo E5新体制信号来提高成像分辨率，验证了使用导航卫星信号进行地面被动SAR成像的可行性。文献[13-14]使用我国自主的BDS导航卫星作为信号源，进行了地面成像试验，扩展了BDS的应用领域。

目前的研究多是针对地面进行成像，而海面由于海浪的影响，和地面的反射特性有很大差别。本文以GPS卫星为例，从海面的电磁散射特性出发，通过建立海面电磁散射模型来模拟海面的回波信号，然后使用背向投影(back projection，BP)成像算法对海面进行成像仿真。

1 系统简介

1.1 系统组成

基于GNSS-R信号的海面SAR成像系统如图1所示。

系统主要包括发射平台和接收平台2个部分：发射平台为运行在太空中的GPS卫星；接收平台为岸基固定式或机载运动式，包括一个通用信号采集器和2个接收天线。右旋极化天线作为直射天线朝上放置，用于接收卫星发射的直射信号；直射信号经过海面反射后，极化形式发生了改变，因此使用左旋极化天线接收海面的反射信号。信号经过远距离的传播和海面的二次反射，衰减较大，所以左旋极化天线通常使用高增益的窄波束天线。

1.2 信号处理流程

信号处理的流程如图2所示。

直射信号和反射信号分别由对应的天线接收；以接收机的位置为参考点，利用直射通道定位解算后得到的位置信息生成参考信号；利用直射通道的信息对反射通道数据进行同步处理，生成回波信号；使用BP算法对数据进行处理，获得海面SAR图像。

BP算法成像的过程实际上是信号在时域的相干累加，算法流程如图3所示。

图3中：R为反射信号相对于直射信号的传播距离差；λ为信号的波长。回波信号以参考信号为基准，进行脉冲压缩后，可以获得不同时延处的相关值。根据定位解算得到的卫星和接收机的位置信息能够确定成像场景的几何关系。以接收机位置处为参考点，计算成像区域内各点的反射信号相对于直射信号的传播距离差和时延。通过时延从距离向脉冲压缩信号中获得该点的相关值，然后根据传播距离差做相位补偿后，得到该点成像结果。最后将不同时刻获得的成像结果进行相干累加，就可以得到最终的图像。BP算法可以适用于各种场景，并且由于算法没有经过任何近似，所以成像精度较高。BP算法的缺点是由于需要对场景中的每个点进行计算，运算量大。

1.3 直射信号

GPS卫星所发射的信号是频率高度稳定的信号，在信号上调制了伪随机码(pseudo random noise，PRN)和导航电文。并且各卫星之间保持严格同步。其中一颗卫星的信号数学表达式为

(1)

和传统雷达信号相比，GPS信号有以下不同：

1)调制方式。传统雷达所使用的信号通常为线性调频、步进调频等调频信号，而GPS信号为伪随机码调制的信号，属于扩频信号。

2)信号带宽。雷达的距离向分辨率与信号带宽有关，为提高雷达的距离向分辨率，通常雷达信号带宽较宽，如1 m分辨率对信号带宽的要求为150 MHz，而GPS信号的带宽由PRN码决定，C/A码的带宽只有2 MHz。因此使用GPS信号时，相对于传统雷达，距离向分辨率较低。

3)信号形式。传统雷达通常为脉冲体制，而GPS信号为连续波形式。

1.4 GNSS-R信号

GPS卫星所发射的信号，入射到海面上发生反射，反射信号的数学表达式为

(2)

相对于直射信号，反射信号有以下特点：

1)极化方式改变。根据电磁波传播理论，GPS信号经海面反射后，极化方式由右旋变为左旋，反射系数由菲涅尔反射系数决定[15]。

2)信号能量降低。由于GPS卫星距离较远，信号衰减大、能量低，经空间传播和海面反射后，信号能量进一步下降。

3)多径叠加。探测区域内不同的点到接收机和卫星的距离不同，因而时延也不同。海面上海浪的起伏也会产生多次反射，所以在GNSS-R信号中呈现为多径叠加的效应。

2 GNSS-R海面SAR成像仿真

2.1 点目标成像仿真

为了验证算法的正确性和系统的性能，首先进行点目标成像仿真。设计如图4所示的仿真场景。

其中成像区域位于坐标系中心的1 000 m×1 000 m的正方形区域，在成像区域中有5个点目标分别位于(0，0，0)、(-250，0，0)、(250，0，0)、(0，-250，0)、(0，250，0)位置。固定接收机位于(-1 000，0，50)位置，机载接收机位于(-1 000，0，500)位置，飞行速度为50 m/s，方向为Y轴负方向。GPS卫星的运动轨迹及速度由历书仿真得到。

对图4所示仿真场景，使用GPS信号利用BP算法进行点目标SAR成像仿真。结果如图5所示。

在图5中，图5(a)对应为机载接收机，合成孔径时间为4 s；图5(b)对应为固定式接收机，合成孔径时间为100 s。由图5可以得到以下结论：

1)能够利用GPS信号进行SAR成像，但是由于GPS信号C/A码带宽只有2 MHz，距离向分辨

率不高；因此图像在X轴方向(距离向)出现了“拉长”现象。这表明使用GPS信号不能像传统SAR雷达一样进行高精度成像，而只能对地表进行大面积特征识别。

2)机载接收机成像结果优于固定式接收机，这是由于机载接收机和目标的相对运动角度更大；而固定式接收机的相对运动全部由GPS卫星提供，因此需要较长时间才可以得到较大的相对运动角度。

2.2 海面成像仿真

海面成像仿真的过程与点目标成像仿真过程类似，只是回波信号的仿真不同。在点目标成像仿真中，回波信号由5个点目标的回波叠加而成；而在海面成像仿真中，需要对海面的电磁散射特性进行分析建模，以生成海面回波。

海面属于随机粗糙面范畴，研究随机粗糙面的电磁散射特性通常有2种方法：一是基于经验模型进行仿真，计算量小、速度快，但精度不高，适合工程使用；二是使用数值方法进行分析，精度高，但计算量大、速度慢，适合科学研究使用[16]。为了提高仿真效率，本文使用模型的方法。

2.2.1 仿真流程

海面成像仿真流程如图6所示。

其中直射信号使用C/A码进行延时得到，延时时间由GPS卫星到接收机之间的距离确定。海面回波信号的产生分3步：首先利用海浪谱，使用双叠加模型生成随机海面；然后根据海面电磁散射模型，得到海面的电磁散射系数分布；最后将C/A码根据场景中各点的距离和散射系数进行延时和衰减后，仿真生成二维随机海面的回波信号。

2.2.2 海浪谱模型

海浪谱是对随机海面进行统计描述的最重要工具。海浪谱定义为海面高度相关函数的傅里叶变换，是描述海面粗糙度的统计量。

常用的海浪谱模型有PM谱、APEL谱、JONSWAP谱和Elfouhaily谱等。其中文献[17]提出的Elfouhaily谱是由PM谱、JONSWAP谱等多个海浪谱修正和融合之后得到，对波浪的低频和高频部分描述更加细致。

Elfouhaily谱表示为

(3)

式中：k表示波数；Bl表示低频部分(重力波)；Bh表示高频部分(张力波)。

图7为根据式(3)计算的不同风速(3～20 m/s)下的海浪谱。

2.2.3 双叠加模型

海浪谱仅描述了海面的统计特性，无法直接用于海面电磁散射的分析。由随机波浪理论可知，平稳状态下成熟发展的海面可以视为各态历经的平稳随机过程。海面上某一点的瞬时高度是由多个不同振幅、频率、方向和初始相位的余弦波叠加

(4)

图8为使用Elfouhaily海浪谱生成的5和15 m/s风速下，1 000 m×1 000 m范围的随机海面。

为简化分析，不考虑风向的影响，在仿真时风向设置为0°。从图中可以看出，随着风速的增大，海面高度起伏变大，表现为海浪谱更加粗糙。

2.2.4 海面电磁散射模型

通常用于研究海面电磁散射的有基尔霍夫近似模型、复合表面模型(双尺度模型)、小斜率近似模型等。

在GNSS-R海洋遥感应用中广泛使用的ZV模型中使用的是基尔霍夫近似的几何光学法建立的电磁散射模型[18]，形式为

(5)

式中：σ0为海面的电磁散射系数；R为菲涅尔反射系数；q为散射矢量；q⊥为散射矢量的水平分量；qz为散射矢量的z向分量；Ppdf为海面坡度的概率密度函数，通常这个值难以确定，但在仿真中，可以通过建立的随机海面计算得到。图8中2种风速下海面的电磁散射系数分布如图9所示。从图9中可以看出，和海面高度类似，随着风速的增大，海面粗糙度增加，对应的电磁散射系数分布也更加粗糙。

2.2.5 仿真结果分析

海面成像仿真仍使用图4所示场景，成像区域为1 000 m×1 000 m的随机海面，不包含5个点目标。由图5分析可知，机载接收机由于具有较大的相对运动角度，相对于固定式接收机能够在较短时间内获得更好的分辨率性能。因此在仿真中使用机载接收机模式，不同风速下的仿真成像结果如图10所示。

从图9～图10中可以看出，对于不同风速下的海面，由于粗糙度不同，电磁散射系数的分布也不同，从而成像结果也出现较大差别；使用GNSS-SAR成像的方式能够反映出海面的特征。

3 实验验证

3.1 实验场景

为了验证本文提出的方法，对某次机载海上实验所采集的数据使用该方法进行处理。

本次实验使用了机载接收机模式。接收天线使用双天线，其中右旋极化天线朝上放置，用于接收GPS卫星所发射的直达波信号。左旋极化天线朝下放置，用于接收海面反射的反射波信号。成像区域设定为2 000 m×2 000 m海域。2路信号在通用信号采集器中进行采样量化处理，其中，中频频率为175.42 MHz，采样频率为700 MHz，数据量化位数为8个比特，信号采集时间为1 min。在信号采集过程中，飞机保持直线飞行。

3.2 实验结果分析

采集器采集的直射信号和反射信号保存为中频数据文件，数据使用软件接收机以离线方式进行处理：首先对直射信号进行捕获跟踪，获取GPS卫星和接收机的位置速度，以及信号频率、导航电文等信息；然后分别生成参考信号和回波信号后，使用BP算法对海面进行SAR成像，结果如图11所示。为了直观显示，对成像结果使用最大值进行归一化处理。

从图11中可以看出，成像结果较好地反映了海面的特征，图像中的高亮部分对应海面的强反射区域，暗色部分表明该区域反射较弱。

4 结束语

本文利用GNSS-R信号，使用SAR成像的方法对海面进行探测，获取海面的二维图像。通过理论仿真和实验数据验证，结果表明：

1)利用GNSS-R信号能够通过被动双基SAR成像的方法对地表进行成像，进而获得地表的反射特征。

2)该方法使用GNSS-R信号，只需接收信号，无需发射机，设备简单、功耗低，适宜机载或星载使用。

3)该方法可以充分利用现有的导航卫星信号，特别是扩展了我国自主的BDS的应用领域。

4)使用SAR成像的方法对海面进行探测，能够获取大范围的二维海面反射特征，解决了传统方法只能获取海面镜面反射点处区域的不足，探测范围更大。

5)由于GPS信号C/A码带宽较窄，距离向分辨率不高，影响成像结果，未来可采用新体制的BDS信号来提高分辨率。

本文研究以GPS卫星为例，其中的分析方法和结论同样适用于其他卫星导航系统。

[1] CHERNIAKOV M.双基地雷达：一项新兴技术[M].陈筠力，译.北京：中国宇航出版社，2015：441-464.

[2] TSUI J B Y.Fundamentals of global positioning system receivers[M].New York：Wiley Interscience，2000：1-5.

[3] MARTIN-NEIRA M.A passive reflectometry and interferometry system (paris):application to ocean altimetry[J].Esa Journal，1993，17(4):331-355.

[4] 杨东凯，张益强，张其善，等.基于GPS散射信号的机载海面风场反演系统[J].航空学报，2006，27(2):310-313.

[5] 杨磊，吴秋兰，张波，等.SVRM辅助的北斗GEO卫星反射信号土壤湿度反演方法[J].北京航空航天大学学报，2016，42(6):1134-1141.

[6] 程朋根，郑守住，陈晓勇，等.GNSS-R技术在海冰反演中的应用[J].测绘工程，2014，23(4):1-5.

[7] LIU L F，ZHANG Q S，GU J K.The detection of marine ship target based on GNSS-R of stratosphere[J].Applied Mechanics & Materials，2014，643：258-262.

[8] LI Y，RIZOS C，DONSKOI E，et al.3D multi-static sar system for terrain imaging based on indirect GPS signals[J].Wuhan University Journal of Natural Sciences，2002，1(1):34-39.

[9] USMAN M，ARMITAGE D W.Details of an imaging system based on reflected GPS signals and utilizing SAR techniques[J].Journal of Global Positioning Systems，2009，8(1):87-99.

[10]ANTONIOU M，CHERNIAKOV M，MA H.Space-surface bistatic synthetic aperture radar with navigation satellite transmissions：a review[J].Science China，2015，58(6):1-20.

[11]ANTONIOU M，CHERNIAKOV M.GNSS-based bistatic SAR：a signal processing view[J].Journal on Advances in Signal Processing，2013，2013(1):1-16.

[12]MA H，ANTONIOU M，CHERNIAKOV M.Passive GNSS-based SAR resolution improvement using joint Galileo E5 signals[J].IEEE Geoscience & Remote Sensing Letters，2015，12(8):1640-1644.

[13]田卫明，曾涛，胡程.基于导航信号的BiSAR成像技术[J].雷达学报，2013，2(1):39-45.

[14]曾涛，敖东阳，胡程，等.基于北斗导航卫星的多角度双基地SAR成像与融合[J].雷达学报，2014，3(6):632-640.

[15]杨东凯.GNSS反射信号处理基础与实践[M].北京：电子工业出版社，2012：75-76.

[16]张民，郭立新，聂丁，等.海面目标雷达散射特性与电磁成像[M].北京：科学出版社，2015：1-44.

[17]ELFOUHAILY T，CHAPRON B，KATSAROS K，et al.A unified directional spectrum for long and short wind-driven waves[J].Journal of Geophysical Research，1997，102(C7):15.

[18]ZAVOROTNY V U，VORONOVICH A G.Scattering of GPS signals from the ocean with wind remote sensing application[J].IEEE Transactions on Geoscience & Remote Sensing，2000，38(2):951-964.

Application of GNSS-R signals in sea surface SAR imaging

YANGLei，ZHUYunlong，YANGDongkai

(School of Electronic and Information Engineering，Beihang University，Beijing 100191，China)

Aiming at the problem that traditional methods can only analyze the sea area near specular points，and it is difficult to get the reflection characteristics of sea surface with two dimensions in GNSS-R marine deteciton of remote sensing，the paper proposed an imaging method of sea with SAR： the navigation satellites were used as signal source，GNSS-R signals were used as echo，and BP algorithm was used to carry out the imaging.Simulation results showed that the proposed method could image the point targets and random sea surface，and obtain the energy distribution of electromagnetic reflection of sea surface with two dimensions，which proved the feasibility of the SAR imaging method of sea using GNSS-R signals.

navigation satellite；reflection signal；SAR；BP algorithm

2016-11-21

杨磊(1981—)，男，山东滕州人，硕士研究生，研究方向为卫星导航信号处理及应用。

朱云龙(1978—)，男，北京人，讲师，研究方向为自适应信号处理、卫星导航。

杨磊，朱云龙，杨东凯.GNSS-R信号的海面SAR成像应用[J].导航定位学报，2017，5(3):94-100.(YANG Lei，ZHU Yunlong，YANG Dongkai.Application of GNSS-R signals in sea surface SAR imaging[J].Journal of Navigation and Positioning，2017，5(3):94-100.)

10.16547/j.cnki.10-1096.20170319.

P228

A

2095-4999(2017)03-0094-07