基于GF-3照射的星机双基SAR成像及试验验证**

武俊杰， 孙稚超， 杨建宇， 吕 争， 李东涛， 缪昱宣， 陈天夫， 左伟华， 李财品， 海 宇， 安洪阳， 李中余， 赵良波， 张庆君， 庄超然

(1.电子科技大学， 四川成都 611731； 2.中国空间技术研究院遥感卫星总体部， 北京 100094； 3.中国空间技术研究院西安分院， 陕西西安 710100； 4.中国资源卫星数据与应用中心， 北京 100094)

0 引言

双基合成孔径雷达(SAR)由于收发站分离，具有隐蔽性强、成本低、配置灵活、生存能力及抗干扰能力强的特点[1]。按照收发站平台组合的不同，双基SAR可以分为机载[2-4]、星载[5-7]、星机[8-11]、星地[12-13]和星弹[14]等多种模式。其中，国内外针对机载双基SAR已经开展了大量的研究工作，包括成像算法、同步技术、试验验证等[15-20]，为双基SAR技术的发展奠定了坚实的基础。

LEO星机双基SAR采用LEO-SAR卫星作为照射源，机载平台作为接收站，省去了机载平台所必需的发射机，为系统节约了空间、重量、成本及能耗。因此，可实现对地成像平台的轻量化、小型化和低功耗，可装载于微小型无人机等低载荷平台上，增强系统的平台适应性以及对地成像能力。在LEO星机双基SAR中，通过调整接收站的波束指向，可以实现扫描、条带、聚束等多种不同的成像模式，从而适应不同应用场合对观测方向、成像分辨率、条带宽度等成像性能的具体要求。与GEO或MEO等其他星载SAR平台相比，LEO-SAR照射源运动速度快，且可实现大发射带宽与高地面功率密度，显著提升星机双基SAR系统成像的空间分辨率和信噪比，提高成像质量。

国内外的研究机构针对低轨星机双基SAR已经开展了较系统的理论研究与试验验证工作。1984年，美国宇航局用SIR-B低轨SAR卫星和CV-990飞机上搭载的一部L波段雷达，完成了LEO星机双基SAR试验系统并成功地验证了系统成像可行性[21]。1992年，NASA的喷气推进实验室(JPL)利用ERS-1雷达卫星作为发射站开展了星机双基SAR试验。整个试验的成像时间只持续3 s，回波数据由一种改进的距离多普勒算法进行成像处理[22-23]。1994年，美国空军实验室利用SIR-C成像雷达卫星作为发射站，接收站为NASA的DC-8型飞机完成了星机双基SAR试验。飞机上配备了两副双频、双极化天线分别接收C波段、垂直极化的ERS-1雷达回波，以及L和C波段、水平和垂直极化的SIR-C雷达回波，并实现了双波段、双极化星机双基SAR成像试验验证。德国DLR和FGAN分别采用F-SAR和PAMIR系统作为机载接收站，利用TerraSAR-X卫星作为发射站，于2007至2009年，完成了一系列LEO星机SAR成像试验[24-25]。由于波束同步时间短，试验中采用了滑动聚束的方法来增大收发站波束的共同照射时间。试验成功获取了高分辨率的成像结果，能更准确地反映目标区域的特征。在国内，针对LEO星机双基SAR的研究主要集中在成像理论与成像算法方面[26-28]。

2020年10月，电子科技大学联合航天科技集团五院遥感卫星总体部、航天科技集团五院西安分院，利用高分三号卫星作为照射源，机载接收站被动接收，完成了星机双基SAR的飞行试验验证，据公开文献报道，这是国内首次星机双基SAR飞行试验。

由于LEO星机双基SAR发射站轨道低、过顶时间短，与接收载机的波束同步照射时间只有秒级，聚束条件下也只能达到10 s量级，给收发双站之间的高精度同步与成像带来较大的挑战。本文首先分析了星机双基SAR的成像性能并给出了处理流程。随后，描述了基于高分三号SAR卫星照射的星机双基SAR试验构型与收发站系统结构，并给出了试验的成像结果。结合成像区域的光学图像分析了系统成像性能。

本文的结构安排如下:第一节描述了LEO星机双基SAR的成像性能与处理流程。第二节给出了基于高分三号照射的星机双基SAR试验构型、与收发站系统结构。最后，给出了成像结果与成像性能分析。

1 星机双基SAR系统与成像性能分析

LEO星机双基SAR系统如图1所示，该系统由一个低轨SAR卫星(LEO-SAR)作为照射源，机载平台作为接收站，接收目标区域回波信号，实现双基SAR成像。低轨发射站可采用滑动聚束和扫描等不同的工作模式，实现波束宽度达10～100 km的大范围对地照射，为机载接收站提供宽幅的波束覆盖，满足不同应用条件下的成像需求。机载平台可工作于前视、斜视、侧视和后视等不同模式，被动接收目标区域的回波信号，实现多视向双基SAR成像。

图 1 LEO星机双基SAR系统

1.1 成像性能分析

SAR系统的辐射特性可以由NEσ0量化表示如下[29]：

(1)

式中，Dc为占空比，k为玻耳兹曼常数，T0为噪声温度，F0为接收机噪声系数，Ls为传播损失，Sc为分辨单元面积，Ta为合成孔径时间，RRP为接收站作用距离，ΦPD为照射源的地面功率密度:

(2)

PT为发射功率，GT为发射天线增益，RTP为发射站作用距离，GR为接收站的天线增益，由天线物理尺寸Ap、天线效能因子ηe和信号波长λ决定。

(3)

NEσ0与SAR图像的SNR成反比，因此更低的NEσ0意味着更好的辐射灵敏度。

图 2 距离分辨率随双基投影角和接收站入射角变化示意图

典型频段天线尺寸、传播损耗、接收机噪声系数等参数可参考文献[30]。假设噪声温度为300 K，天线效能因子为0.5。典型星载照射源参数如表1所示。在3 s的合成孔径时间内，基于LEO-SAR照射源的星机双基SAR的NEσ0约为 -42.2 dB，显著优于MEO-SAR照射源的-35.3 dB和GEO-SAR照射源的-30.5 dB。对于GNSS照射源来说，假设合成孔径时间为100 s，基于GNSS照射源的星机双基SARNEσ0最低，约为-13.1 dB。因此，LEO-SAR作为照射源通常可以提供更高的成像信噪比。

表1 典型星载照射源参数

地面分辨率是衡量星机双基SAR成像性能的重要指标，是斜距平面分辨率在地面上的投影。

地面距离向分辨率由发射带宽Br、双基角β和等效入射角Φ决定，表达式如下[29]：

(4)

式中，c为光速常量，k1为与发射信号波形相关的常数，当发射信号为矩形波时，k1=0.886。双基角β和等效入射角Φ由发射站和接收站的空间位置共同决定。双基角β是发射站和接收站的距离矢量的夹角，等效入射角则是双基单位距离矢量的和矢量所对应的入射角。

在LEO单基SAR中发射站与接收站处于同一平台，因此双基角β=0°且等效入射角Φ等于LEO-SAR平台的入射角φT。受到LEO-SAR轨道高度和运动特性的限制，入射角通常在一定范围内。因此，要提高LEO单基SAR的距离分辨率唯有增大发射信号带宽，但导致系统复杂度提高；对于双基地SAR来说，等效入射角Φ是由成像中心时刻t0所对应的等分向量ub(t0)确定。

ub(t0)=uT(t0)+uR(t0)

(5)

式中，uT(t0)和uR(t0)分别为目标点指向发射站和接收站单位矢量。通过引入机载接收站，增大双基等效入射角，从而改善分母中的空间构型依赖项cos(β/2)sinΦ，使得cos(β/2)sinΦ>sinφT，进而提高地面距离分辨率。

图2给出了星机双基SAR地面距离分辨率随双基投影角和接收站入射角变化的关系图。设发射信号为矩形包络的线性调频信号，带宽为240 MHz，LEO发射站的入射角为45°。从图2中分析可知，双基SAR的地面距离分辨率随接收站入射角的增大而改善。因此，可以通过增大接收站入射角改善等效入射角Φ，从而提高LEO星机双基SAR的距离分辨率。另外，双基SAR的地面距离分辨率还会随着双基角β投影的增大变差，尤其当双基投影角大于90°时，地面距离分辨率随着双基投影角的增大而急剧恶化。图中红色等高线代表单基LEO-SAR的距离分辨率值(0.78 m)，可以看到该等高线围成的深蓝色区域表示了LEO星机双基SAR距离分辨率优于单基LEO-SAR分辨率所对应的双基构型范围。

另一方面，地面方位分辨率可以根据雷达参数以及平台运动参数求解[29]：

(6)

式中：k2为与方位向包络有关的常数；ωE为等效角速度，是发射站和接收站的等效运动速度的矢量和在地面上的投影：

ωE=||H⊥(ωTA+ωRA)||

(7)

其中，||·||是求模算子，ωTA和ωRA分别是发射站和接收站绕目标点运动的角速度，H⊥是成像本地平面的投影矩阵。

(8)

式中，I为3×3的单位矩阵，ug为成像本地平面的单位法向量，上标T表示矩阵转置。

图3给出了LEO星机双基SAR的地面方位分辨率随双基投影角和双基速度夹角变化的关系图。设定合成孔径时间为3 s，接收站入射角为45°。地面方位分辨率随速度投影夹角和双基投影角变化。当双基投影角与速度投影夹角相等时方位分辨率较好，这是因为此时接收站提供的角速度分量最大。在双基投影角与速度投影夹角相等的情况下，双基投影角越接近180°方位分辨率越差，这是因为此时接收站和发射站提供的角速度分量方向相反，等效角速度较小。

图3 方位分辨率随双基投影角和速度夹角变化

2 试验验证

为验证星机双基SAR成像性能，开展了基于高分三号SAR卫星照射的星机双基SAR成像试验[31]。本节先描述了星机双基SAR成像试验构型与收发系统组成，随后给出了成像结果并分析了系统成像性能。

2.1 试验构型

本次试验中，高分三号运行于743 km高度的轨道，工作于聚束模式。接收站工作于斜视条带模式。图4给出了星机双基SAR试验的几何构型。相关试验参数列于表2。

图4 星机双基SAR试验构型

表2 星机双基SAR试验参数

2.2 系统组成与处理方法

星机双基SAR接收系统安装于机舱内，包含两个通道，CH1和CH2。CH1接收来自高分三号的直达波信号，CH2接收照射区域反射的回波。星机双基SAR接收系统与实验场景如图5所示。

图5 接收机系统和试验场景

LEO星机双基SAR的数据处理过程分为两步：直达波同步和BP算法成像。其处理流程图如图6所示。

图6 数据处理流程图

2.3 试验结果

图7展示了光学遥感图像与星机双基SAR成像结果的对比图，图像展示的是舟山市城镇的景象，其中典型场景有山峰、水塘、建筑和道路。图像的竖直方向为5 km，水平方向为3 km。而且由于接收站的擦地角较小，导致图像中山峰的阴影较长。

针对星机双基SAR试验成像结果中特征明显的地物，展开了实地考察，验证了星机双基SAR成像结果的准确性与真实性。

大棚区域多为钢架结构的蔬菜大棚，其横向距离为2～3 m，纵向距离约为40 m，因此双基SAR图像中此处呈现为平行的条状亮线，如图8与图9所示。

图9 实物照片

从成像结果中选取孤立强点，并绘制目标点的剖面图，如图10所示。从图中可以看出，方位向的分辨率为1.39 m，距离向的分辨率为0.92 m，与理论值(1.4 m,0.88 m)基本一致。

(a) 方位剖面图

3 结束语

本文分析了LEO星机双基SAR的成像性能，描述了基于高分三号SAR卫星照射的星机双基SAR成像试验构型与接收系统，给出了星机双基SAR成像试验的成像结果，并结合成像场景的光学图像分析了成像性能。通过成像结果，验证了成像处理方法的有效性，实测分辨率与理论分辨率一致。此次试验是国内首次星机双基SAR试验，对星机双基SAR构型下的理论研究和应用具有一定的意义。