基于方位向多通道的星载SAR Mosaic模式研究

禹卫东 熊名男② 田雨润②



基于方位向多通道的星载SAR Mosaic模式研究

禹卫东①熊名男*①②田雨润①②

①(中国科学院电子学研究所 北京 100190)②(中国科学院大学 北京 100039)

Mosaic模式是聚束和ScanSAR的混合模式，能同时实现高分辨率和大场景成像。该文提出一种基于方位向多通道的Mosaic模式，将成像场景沿距离向和方位向划分为若干子成像块，各块采用滑动聚束模式独立成像后再进行2维拼接。利用短发射子孔径使系统扫描角显著减小，进而降低系统设计难度，同时也使各子成像块距离徙动量减小；方位向多通道接收能提高系统信噪比，利用空间采样降低脉冲重复频率，更有利于波位选择。

合成孔径雷达；Mosaic模式；方位向多通道；脉冲重复频率

1 引言

合成孔径雷达(SAR)能够全天候、全天时地对地进行大面积成像，广泛应用于资源勘探、地面和海洋交通监测等重要领域[1]。受天线最小面积限制，SAR的分辨率和成像范围无法同时提高[2]。聚束和滑动聚束模式通过控制波束指向实现高分辨率，但会失去方位向连续成像的能力[3]。ScanSAR和TOPSAR通过波束在距离向的切换实现大场景覆盖，但会牺牲图像分辨率[4,5]。

Mosaic模式是聚束和ScanSAR的混合模式，已成功应用于TECSAR卫星，在25 km×25 km的范围内实现1.8 m的分辨率[6,7]。TECSAR Mosaic模式通过方位向波束正向扫描提高方位向分辨率，距离向波束在不同的子测绘带之间循环切换增大测绘带宽度。但是TECSAR Mosaic模式存在两点不足：首先，与ScanSAR类似，不连续的成像方式会导致“扇贝效应”[8,9]；其次，为了图像的连续性，Burst图像的方位向长度都必须小于一个波束地面足印长度，当成像场景较大和方位向分辨率要求较高时会导致大量的Burst图像拼接，严重降低成像效率。针对上述不足，本文提出一种基于方位向多通道的星载SAR Mosaic模式。接下来详细讨论该模式的原理，实现方法以及成像处理方法。

2 Mosaic模式原理与实现方法

图1为Mosaic模式原理示意图，将成像场景沿距离向和方位向划分为若干子成像块，SAR行进过程中依次对各子成像块进行滑动聚束模式成像，最后再将各块成像结果进行2维拼接得到整个场景图像。各子成像块的方位向长度可以远大于波束地面足印长度，因此能够避免大量的图像拼接从而提高成像效率。此外，由于各子成像块内采用滑动聚束模式，目标被完整的天线方向图加权，能够有效避免“扇贝效应”。利用方位向短发射子孔径能使系统扫描角显著减小，进而降低系统设计难度，同时也使子成像块距离徙动量减小；方位向多通道接收有助于提高系统信噪比，利用空间采样降低PRF，更有利于波位选择。

图1 Mosaic模式原理示意图

根据沿距离向和方位向分块数的奇偶性，图2给出4种可能的Mosaic分块结构。其中阴影块对应中间子成像块，其余对应非中间子成像块。子成像块参数设计需从阴影块开始，逐渐向边缘递推直至完成所有子成像块的参数设计。下面分两小节讨论中间子成像块和非中间子成像块的参数设计方法。

图2 Mosaic分块结构示意图

2.1 中间子成像块

2.2 非中间子成像块

3 成像处理方法

对于某些子成像块而言会使系统脉冲重复频率(PRF)偏离理想PRF，从而导致方位向非均匀采样，本节提出一种基于方位向多通道的滑动聚束模式信号重建算法。传统条带模式的多通道重建算法将各通道数据经过重构滤波器后直接叠加，使等效PRF稍大于场景的多普勒带宽[11,12]。而滑动聚束模式的波束主动扫描导致其场景多普勒带宽远大于瞬时多普勒带宽，若直接采用条带模式的重建算法会出现频谱混叠[13]。因此在重建算法之前必须进行Deramping操作，使场景多普勒带宽压缩至瞬时多普勒带宽，最后再经过频域补零和Ramping操作恢复出原始回波频谱[14]。

图3 成像场景斜视几何关系示意图

同理，到SAR第接收子孔径相位中心的距离为

由于波束的主动扫描，波束中心所对应的多普勒频率为

经过Deramping操作后，各通道方位向信号为

式(19)并非点目标的真实频谱，而是Deramping操作后压缩至瞬时多普勒带宽内的频谱。成像算法之前需恢复真实频谱，然而真实频谱的带宽远大于瞬时多普勒带宽，可通过在频域补零以减小时域采样间隔，使其能够无混叠地表示真实回波信号。最后在方位时域乘上Ramping因子，来抵消Deramping操作的作用。

经过频域补零和Ramping操作之后，可得无混叠的场景回波时域信号为

图4给出了多通道Mosaic模式子成像块的信号处理流程图。

图4 多通道信号处理流程图

4 分析与仿真

本节设计一个X波段的Mosaic模式SAR系统，轨道平均高度为675 km，需要在80 km×80 km范围内实现1 m×1 m的分辨率，设计需求参数如表1所示。

表1需求参数表

参数数值 载波波长(m)0.0311 轨道平均高度(km)675 成像场景大小(km)80(range)×80(azimuth) 分辨率(m)1(range)×1(azimuth) AASR(dB)-20 RASR(dB)-20 NESZ(dB)-20

4.1 系统设计

图5 方位向天线示意图

为得到方位向均匀采样数据，系统PRF需要工作在理想PRF附近。

为了使回波多普勒频谱不混叠，系统等效PRF需大于系统瞬时多普勒带宽，故系统的PRF需满足：

图6为PRF选取结果，其中回波散布范围用竖直黑色线段表示，数字代表子成像块编号，星载SAR数据的接收时间需要回避发射信号干扰(实线)和星下点回波干扰(虚线)。9个子成像块所选择的PRF都能满足式(22)和式(23)的要求。详细的波位信息见表2，完整的系统设计参数见表3。

图6 系统设计斑马图

表2波位及相应参数表

成像块PRF(Hz)成像时间(s)波束扫描速度起始扫描角中心斜视角结束扫描角 1 80011.58-0.250721.5429 20.091418.6399 2 84011.14-0.247015.7471 14.370712.9943 3 87010.90-0.253710.1264 8.7451 7.3637 4100010.71-0.2578 6.9933 5.6119 4.2305 5 91210.68-0.2626 1.40270 -1.4027 6 89010.78-0.2469 -4.0754 -5.4067-6.7380 7 90210.82-0.2653 -7.6840 -9.1204-10.5569 8 85011.14-0.2452-13.0093 -14.3757-15.7421 9 98011.60-0.2426-17.9543 -19.3607-20.7671

表3 系统设计参数表

4.2 性能分析

图7为第4子成像块的性能指标仿真结果图，图7(a)为AASR随方位向位置的分布图，图7(b)为RASR随下视角的分布图，图7(c)为NESZ的2维分布图。对剩余8个子成像块进行仿真分析，可得整个成像场景内的最差AASR为-24.6 dB，最差RASR为-43.1 dB，最差NESZ为-22.8 dB，能满足大多数SAR应用，也验证了本文提出的Mosaic模式的有效性。

图7 第4子成像块性能参数示意图

4.3 成像处理

5 结束语

本文提出了一种基于方位向多通道的Mosaic模式，将成像场景沿距离向和方位向划分为若干子成像块，每个子成像块采用滑动聚束成像方式，各块独立成像后再进行2维拼接。并对其原理与实现方法，成像处理方法进行了深入详细的讨论，最后通过一个设计实例验证了该模式的可行性。文中成像算法的研究是基于理想的双曲模型，未考虑卫星轨道弯曲的影响，性能参数计算时没有考虑到信噪比标定因子、多通道的幅相一致性等因素，同时各子成像块独立成像后需要精确的2维拼接，这些是进一步研究的方向。

图8 点目标多通道重建示意图

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禹卫东： 男，1969年生，研究员，博士生导师，研究方向为合成孔径雷达系统设计及信号处理.

熊名男： 男，1989年生，硕士生，研究方向为星载高SAR新体制设计与信号处理.

田雨润： 男，1988年生，硕士生，研究方向为地球同步轨道SAR.

Study on Space-borne SAR Mosaic Mode Based on Azimuth Multichannel

Yu Wei-dong①Xiong Ming-nan①②Tian Yu-run①②

①(,,100190,)②(,100039,)

The Mosaic mode is a hybrid mode of spotlight and ScanSAR, which can obtain SAR images with a large coverage and a high resolution. In this paper, a new Mosaic mode is proposed. The image scene is divided into several sub imaging blocks along the range and azimuth direction. Each block is imaged by sliding spotlight and then pieced together. Short transmit sub-aperture makes the scanning angle decrease significantly, which reduces the difficulty of system design. It also makes the range migration of each block smaller. Azimuth multichannel is helpful to improve the system Signal to Noise Ratio (SNR). PRF (Pulse Repetition Frequency) can be reduced by space sampling, which is constructive to select the proper PRF in the timing diagram.

Synthetic Aperture Radar (SAR); Mosaic mode; Azimuth multichannel; Pulse Repetition Frequency (PRF)

TN958

A

1009-5896(2014)12-2994-07

10.3724/SP.J.1146.2013.02031

熊名男 xmngucas@163.com

2013-12-26收到，2014-05-16改回