合成孔径雷达马赛克模式成像算法

李财品，何明一

（1.西北工业大学电子信息学院，陕西西安710129；2.中国空间技术研究院西安分院，陕西西安710000）

合成孔径雷达马赛克模式成像算法

李财品1，2，何明一1

（1.西北工业大学电子信息学院，陕西西安710129；2.中国空间技术研究院西安分院，陕西西安710000）

针对马赛克模式边缘成像模块存在斜视成像以及不同成像块拼接存在像素间隔不一致的问题，提出了一种合成孔径雷达马赛克模式成像处理算法。该算法在方位向采用改进的去斜处理方法，去除了信号方位频谱混叠，在此基础上，利用距离多普勒算法进行距离向压缩，距离徙动校正，再使用基于Chirp Z变换（CZT）消除了不同成像块的像素间隔差。仿真实验表明，该算法对马赛克模式具有良好的成像效果。

雷达工程；合成孔径雷达；马赛克模式；斜视成像；Chirp Z变换

0　引言

宽幅高分辨率成像一直以来都是合成孔径雷达（SAR）发展的方向和追求的目标。传统实现宽幅成像的工作模式有扫描模式和TOPS［1］模式，然而这两种工作模式均要以牺牲方位向的分辨率为代价。实现高分辨率的工作模式主要有聚束模式及滑动聚束模式，然而得到的测绘带都比较窄。马赛克（Mosaic）模式的提出克服了先前模式的缺陷，可同时实现宽幅与高分辨率成像，但是其无法像条带模式获得方位向连续的区域，这点与聚束模式及滑动聚束模式相似。

Mosaic模式是一种新型的成像模式。文献［2-4］描述了以色列TecSAR卫星的Mosaic模式的成像原理，但未给出具体的实现方法。文献［5］描述Mosaic模式的系统特性，简述Mosaic模式的特点及与扫描和滑动聚束模式间的差异。文献［6］研究了高分辨率Mosaic成像模式的基本原理以及基于宽带宽角二维相控阵天线实现Mosaic模式的方法。文献［7］对Mosaic模式、扫描模式、TopsSAR和滑动聚束模式做了比较。文献［8］提出了一种基于敏捷平台卫星方位向俯仰机动、距离向电扫实现Mosaic模式的方法，重点描述的是系统参数求解及子成像块的驻留时间分配。文献［9-10］提出了一种基于子孔径处理改进的ECS算法，降低了Mosaic模式对脉冲重复频率的要求，但该方法不仅需要复杂的子孔径划分而且没有考虑边缘成像模块斜视成像情况。文献［11］提出了一种改进的两步法成像处理，首先通过与参考函数的卷积去除了频谱混叠，再利用基于Stolt插值算法完成聚焦，但没有考虑不同成像块拼接存在像素间隔不一致的问题。本文结合距离多普勒算法提出了一种Mosaic模式成像处理新方法，详细推导了算法，解决了该模式边缘成像模块斜视成像与不同成像块拼接存在像素间隔不一致的问题，最后通过仿真验证了该算法的有效性。

1　Mosaic成像模式实现过程

Mosaic成像模式是一种聚束或滑动聚束模式与扫描模式相结合的混合工作模式。其高分辨率采用聚束或者滑动聚束模式来实现，宽测绘带则利用距离向的波束扫描来实现。

基于反射面天线Mosaic模式成像原理如图1所示。首先通过聚束成像模式形成小区域高分辨率图像，然后通过改变天线波束指向获得相邻的小区域图像，再把这些小图像镶嵌在一起，拼成一幅大的图像。反射面天线Mosaic模式方位向聚束成像由卫星平台沿方位向匀速摆动实现，天线波束切换的顺序如图2所示（以距离向扫描8小块为例），即先由距离向由区域1切换到区域8，然后方位向由区域8切换到区域9或者由区域8切换到区域16，接下来又在距离向上切换，其他区域块工作过程依此类推。距离向小块之间的成像区域切换（例如由区域1变换到区域2）由天线距离向电扫描实现，方位向小块之间的成像区域切换（例如由区域8变换到区域9）由天线波束方位向电扫描实现或者由卫星方位向停止摆动一段时间，由卫星本身飞行带动天线波束在地面上移动来实现方位向波束的切换。在实现子区域内成像时不能采用滑动聚束模式，因为采用滑动聚束后方位向在成像块切换时由于卫星运动将导致连续区域（例如区域1变换到区域16）不能连续拼接，这也是基于反射面天线Mosaic模式与相控阵天线Mosaic模式的最大区别。

图1　Mosaic模式原理图Fig.1 Principle diagram of mosaic mode

图2　波束切换顺序图Fig.2 Beam switching sequence

基于相控阵天线Mosaic模式工作过程由于波束的灵活指向则相对会简化一些。子区域内高分辨率成像不仅可以采用聚束模式来实现，也可以采用滑动聚束模式来实现。

然而，这两种天线体制下的Mosaic模式成像都存在一个问题，即边缘成像模块（例如区域1）工作在斜视聚束模式下（要求的分辨率越高，斜视角度就越大），需要通过信号处理补偿斜视角才能获得高质量图像。

2　Mosaic模式回波数学模型

Mosaic模式信号的发射接收方式与扫描模式相类似，各个子带之间的回波信号是不连续的，即相位彼此独立，同一子带内的信号也呈现“分块不连续”的特点。

设发射线性调频信号调频率为kr，R（ta；ro）为目标斜距，σ为地表后向散射系数，ta为方位慢时间，t为距离快时间，Tc为每一子块的中心时刻，TB为每一子块驻留的时间，Tr为脉冲宽度，r0为目标点最近斜距，λ为发射波长，c为光速，则采用聚束模式与扫描模式结合的Mosaic模式回波信号可以表示如下：

3　Mosaic模式成像处理

采用Mosaic模式实现高分辨时，需要方位向大角度转动，会引入大斜角（尤其是边缘成像块）。此外，星载SAR卫星由于偏航牵引的作用也会引入等效斜视角。与目前常规正侧视成像方式相比，其回波信号的特征发生了显著的变化，回波信号多普勒频率中心变化激烈。同时，回波信号的徙动量随着斜视角的增大也会变大。因此，如果在成像过程中不考虑斜视角的影响会降低成像的质量。斜视下的星地几何关系如图3所示，其中，Os为某一成像块的合成孔径中心，Og为地面场景中心，Ps为卫星飞行的瞬时位置，Pg为地面任意目标点。

图3　斜视聚束模式示意图Fig.3 Squint beam mode

瞬时斜距表达式为

又因为ro=Rscos θ，则

式中：Rs为合成孔径中心到场景中心距离；θ为合成孔径中心与场景中心的连线跟卫星飞行方向夹角的余角；v为卫星飞行速度；to为地面目标点离场景中心点距离时刻。将（3）式进行泰勒展开得到

在存在斜视角情况下，会引入多普勒中心频率fDc偏移及多普勒调频率fDr的变化，成像时应进行补偿［8］。多普勒中心频率的补偿可以根据信号回波变换到频域后进行补偿，补偿因子为

式中：fc为雷达信号载频频率；fr为距离向频率。将原始信号距离向快速傅里叶变换（FFT），再经过因子H1补偿后信号回波表达式如下：

通过补偿后，相对速度变为vcos θ，多普勒中心补偿为0.

此时，由于星载情况下系统脉冲重复频率的选取受限测绘带，不选择太大，信号在方位向上存在混叠，采用去斜技术对信号方位向进行处理可以去除混叠［12-13］。

斜视下的去斜操作是将信号原始数据采集后，与一个改进的方位向参考因子卷积。

改进的参考因子为

式中：rref为参考斜距，参考斜距选择值可参考文献［13］。与常规的参考因子相比较，改进参考因子考虑了斜视角的处理。

此时信号的表达式为

接下来对信号进行距离向处理，采用斜视距离-多普勒算法来实现，距离压缩函数

在距离向处理完成后，进行方位向快速傅里叶逆变换（IFFT），然后将信号与相位因子H3（tr，ta；Rs）相乘（频谱算法）。最后在方位向进行CZT.

得到每一子块的图像后，还需要进行辐射校正与图像二维拼接，得到最终图像。

整个信号处理的流程如图4所示。

图4 Mosaic模式处理流程图Fig.4 The processing flow chart of mosaic mode

图4处理方法同样适合于子区域采用滑动聚束成像的Mosaic模式，因为其同样存在边缘模块斜视成像及二维拼接像素间隔不一致的问题，只不过在方位向聚焦后需要进行重采样，克服方位向图像域的混叠。重采样方法已相对成熟，这里不做详细介绍。

4　实验验证及仿真分析

为了验证算法的有效性，选取一组星载SAR参数（如表1所示）进行点目标仿真。

表1　仿真参数Tab.1 Simulation parameters

在表1参数下可得每一子块的观测场景为8 km×8 km（波束展宽），为了实现方位向40 km的测绘带方位向至少需要5子块拼接而成（如果考虑重叠则需要更多的子块）。另外，通过表1参数也可以得到SAR在条带模式下理论方位分辨率为2 m，为了实现0.5 m分辨率采用聚束模式来实现。

聚束模式下，方位分辨率和目标照射时间的关系为

式中：ρa为方位分辨率；Rr为雷达作用距离；T为波束持续照射目标时间。相应地，聚束成像的方位向扫描角度为

可以计算出单一成像区域实现0.5 m分辨率需要方位向扫描角度为1.79°，但是为实现距离向40 km测绘带需要波束距离向切换5次，则驻留时间为单一成像区域的5倍，方位向扫描角度增加5倍。因此，为实现40 km×40 km测绘带又保证分辨率为0.5 m，共需要天线方位向扫描44.75°.如若以场景中心为天线方位向0°角，则需要天线左右扫描范围为［-22.37° 22.37°］.

为了简化仿真过程，选取Mosaic模式典型的子块进行成像。这里选取左边缘模块、中间模块、右边缘模块成像（沿方位向），分别编号为第1子块，第2子块，第3子块，每块大小约为8 km× 8 km，其中左右边缘模块最大的斜视角（成像块合成孔径中心）为21°左右。图5（a）～图5（c）为距离向上第1个波位成像，图5（d）～图5（f）为距离向上第2个波位成像，整个共6块进行成像，最后进行图像拼接。

通过对点目标进行评价，以第1小块为例，各个点目标的性能（未加窗）如表2所示。

表2　点目标性能评估Tab.2 Performance evaluations of point target

同样以第1子块成像为例仿真没有采取斜视角补偿措施下的成像，如图6所示。

由图6可知，如果在成像处理时不考虑斜视角的处理则不仅聚焦效果不好，位置发生偏移，而且在大斜视角的情况下甚至会出现散焦。

图5　Mosaic模式成像Fig.5 Imaging for mosaic mode

5　结论

Mosaic模式是一种新颖的成像模式，可以同时实现宽测绘带与高分辨率。本文给出了Mosaic模式具体实现过程、Mosaic模式的数学回波模型、成像处理算法，该算法在方位向采用改进的去斜处理方法去除了信号方位频谱混叠，利用距离多普勒算法进行距离向压缩，距离徙动校正，再使用基于CZT消除了不同成像块的像素间隔差，适用于SAR的Mosaic模式成像处理。然而，Mosaic模式中采用聚束模式成像，天线波束中心点与天线波束边缘增益最大会降低6 dB（成像幅宽按天线波束宽度3 dB处计算），影响图像质量。因此，如何提升图像质量将是Mosaic模式研究的另一个研究课题。

图6　没有补偿斜视角成像Fig.6 Imaging without squint angle compensation

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［1］Prats P，Scheiber R，Mittermayer J，et al.Processing of sliding spotlight and tops SAR data using baseband azimuth scaling［J］. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing，2010，48（2）：770-780.

［2］Sharay Y，Naftaly U.TECSAR：design considerations and programme status［J］.IET Radar，Sonar and Navigation，2006，153（2）：117-121.

［3］Naftaly U，Levy-Nathansohn R.Overview of the TECSAR satellite hardware and Mosaic mode［J］.IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing Letters，2008，5（3）：423-426.

［4］Naftaly U.TECSAR-performance，design and status［C］∥5th European Conference on Synthetic Aperture Radar.Berlin：VDEVerlag，2004：27-30.

［5］刘光炎，孟喆.合成孔径雷达Mosaic模式系统性能分析［J］.微波学报，2011，27（3）：88-92. LIU Guang-yan，MENG Zhe.Analysis of Mosaic mode system performance for synthetic aperture radar［J］.Journal of Microwaves， 2011，27（3）：88-92.（in Chinese）

［6］林幼权.星载高分辨率宽幅成像技术分析［J］.现代雷达，2011，33（1）：1-4. LIN You-quan.Analysis of high-resolution wide-swath technology for the spaceborne SAR［J］.Modern Radar，2011，33（1）：1-4.（in Chinese）

［7］赵志伟，董锡超，金丽花，等.星载合成孔径雷达先进成像模式研究［C］∥第二十三届全国空间探测学术交流会论文集.厦门：中国空间科学学会，2010：1-8. ZHAO Zhi-wei，DONG Xi-chao，JIN Li-hua，et al.Research on advanced imaging mode for spaceborne SAR［C］∥23rd National Space Exploration Symposium.Xiamen：Chinese Society of Space Reasearch，2010：1-8.（in Chinese）

［8］韩小磊，李世强，王宇，等.基于敏捷卫星平台的星载SAR Mosaic模式研究［J］.宇航学报，2013，34（7）：971-979. HAN Xiao-lei，LI Shi-qiang，Wang YU，et al.A study on spaceborne SAR Mosaic mode for an agile satellite［J］.Journal of Astronautics，2013，34（7）：971-979.（in Chinese）

［9］王威，刘中伟，宋小全，等.星载Mosaic模式SAR成像算法研究［J］.飞行器测控学报，2013，32（2）：182-187. WANG Wei，LIU Zhong-wei，SONG Xiao-quan，et al.Research on imaging algorithm for spaceborne Mosaic mode synthetic aperture radars［J］.Journal of Spacecraft TT&C Technology，2013，32（2）：182-187.（in Chinese）

［10］Wang Wei，Liu Zhong-wei，Song Xiao-quan，et al.Research of imaging method for spaceborne Mosaic mode SAR［C］∥IEEE 11th International Conference on Signal Processing.Beijing：IEEE，2012：1847-1851.

［11］HAN Xiao-lei，LI Shi-qiang，YU Wei-dong，et al.On the Mosaic mode spaceborne SAR［C］∥International Geoscience and Remote Sensing Symposium（IGARSS）.Munich，Germany：IEEE Geoscience and Remote Sensing Society，2012：3983-3986.

［12］An D X，Zhou Z M，Huang X T，et al.A novel imaging approach for high resolution squinted spotlight SAR based on the deramping-based technique and azimuth NLCS principle［J］. Progress In Electromagnetics Research，2012，123：485-508.

［13］Sun Guang-cai，Xing Meng-dao，Wang Yong，et al.Sliding spotlight and TOPS SAR data processing without subaperture［J］. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing，2011，8（6）：1036-1040.

［14］赵淑清，胡伟，周志鑫.ScanSAR成像及测绘带拼接像素间隔的归一化［J］.系统工程与电子技术，2006，28（9）：1321-1337. ZHAO Shu-qing，HU Wei，ZHOU Zhi-xin.ScanSAR imaging and pixel spacing normalizing in combination［J］.Systems Engineering and Electronics，2006，28（9）：1321-1337.（in Chinese）

A New Imaging Algorithm for Synthetic Aperture Radar Mosaic Mode

LI Cai-pin1，2，HE Ming-yi2
（1.School of Electronics and Information，Northwestern Polytechnical University，Xi'an 710129，Shaanxi，China；2.Xi'an Branch，China Academy of Space Technology，Xi'an 710000，Shaanxi，China）

An imaging processing algorithm is proposed for the issues of squint imaging at the edge of imaging module and inconsistent pixel interval at different imaging blocks of mosaic mode.The signal azimuth spectrum aliasing in azimuth direction is eliminated effectively by using an improved de-ramping processing technology.On this basis，the range Doppler algorithm is used for range compression and range migration correction.Then the spectral algorithm based on CZT transform is used to eliminate the difference between the pixel intervals of sub-blocks.The simulation result shows that the proposed algorithm can be used for the imaging of mosaic mode.

radar engineering；synthetic aperture radar；mosaic mode；squint imaging；Chirp Z transform

TN951

A

1000-1093（2015）01-0111-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2015.01.016

2013-10-28

高分辨率对地观测重大专项（GFZX04011602）；空间微波技术国防科技重点实验室基金项目（9140C5305020902）

李财品（1984—），男，博士研究生。E-mail：licaipin2007@163.com；何明一（1958—），男，教授，博士生导师。E-mail：licaipin2010@163.com