天基视频SAR系统设计及成像算法研究

梁健，张润宁，包敏凤

1.航天东方红卫星有限公司，北京 100094 2.中国空间技术研究院 神舟学院，北京 100086

天基视频SAR系统设计及成像算法研究

梁健1，2，张润宁1，*，包敏凤1

1.航天东方红卫星有限公司，北京 100094 2.中国空间技术研究院 神舟学院，北京 100086

视频合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)作为一种新型微波遥感体制，能够实现对热点区域动态目标的持续监视，目前对视频SAR的研究主要集中在机载平台的视频SAR系统，未对天基视频SAR系统设计及成像算法展开深入研究。文章设计了一种基于双站模式的天基视频SAR系统，其中以静止轨道SAR卫星作为发射源，并利用低轨SAR卫星接收目标区域的回波信号。研究了视频SAR成像性能与各主要工程参数间的关系，并提出一种适用于天基视频SAR的成像算法，该算法能够有效解决双站天基视频SAR成像中大斜视角应用与数据重叠等问题，成像结果正确反映了运动目标的散焦、移位现象，同时静止目标取得了良好的聚焦效果。

天基视频合成孔径雷达；双站；回波模型；成像算法；大斜视角；数据重叠

星载合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)是一种能够实现全天时、全天候对地高分辨观测的微波遥感系统，自美国1978年成功发射Seasat-1 SAR卫星以来，各国都发射并部署了本国的SAR卫星，星载SAR在国土测量、海洋水文观测、环境灾害监测及军事侦察等领域都发挥了重要的作用[1]。

与传统的星载SAR获取微波遥感静态图像相比，天基视频SAR有效扩展了时间维的信息，能够对热点区域进行持续监测，这使得天基SAR系统具有更强的动态信息获取能力，天基视频SAR将SAR成像技术与视频显示技术相结合，经过后续处理能够得到热点区域的SAR视频产品，从而能够直观反映出运动目标的位置、速度及运动趋势等运动参数信息[2]。

近年来对视频SAR的研究主要集中在机载平台，文献[3]提出了圆迹飞行的机载视频SAR系统，并研究了视频SAR的自聚焦算法用来解决圆迹飞行过程中场景旋转的问题。文献[4]对机载平台中振动误差对视频SAR成像质量的影响进行了分析，并给出了补偿方法。针对视频SAR成像处理方法，文献[5]提出了一种基于循环移位寄存器的、应用于机载视频SAR的后向投影(Back Projection，BP)算法，将这种方法应用于视频SAR成像具有较高的运算效率。文献[6]提出了一种基于子孔径加权的视频SAR成像算法，通过对子孔径加权获得了较好的子孔径旁瓣抑制效果。文献[7]首次提出了天基视频SAR的概念，分析了帧频与载波频率之间的关系，并提出了一种基于Deramp线性调频变标方法的视频SAR成像算法，该成像算法并未充分考虑天基视频SAR成像的特点及特殊要求。

本文设计了一种基于高低轨卫星协同工作的天基视频SAR系统，并提出了一种适用于天基视频SAR系统的成像算法，成像结果可为基于SAR视频的运动目标检测、参数估计与成像提供依据。

1 天基视频SAR系统设计[8-9]

天基视频SAR系统如图1所示，其中发射源位于地球静止轨道，而低轨卫星通过编队的方式顺序接收目标区域的回波信号，实现对目标区域的连续视频监测。

该系统主要特点有：1)发射源轨道高，而接收卫星只进行静默接收，故系统具有较强的反辐射攻击能力；2)系统应用模式多样，在波束同步范围内可以进行聚束、条带等模式成像，并且支持多角度观测；3)系统应用潜力大，静止轨道发射源可以作为无人机、普通机载SAR的辐射源，并且通过静止轨道卫星的波束指向调整可以实现更大范围的覆盖。

图1 天基视频SAR系统设计Fig.1 Spaceborne video SAR system design

天基视频SAR系统中低轨卫星工作在聚束模式，传统的聚束模式是通过增加合成孔径时间来提高方位向分辨率[10]，而天基视频SAR是通过对聚束模式下回波数据的合理分割实现视频成像。在给定分辨率与载波频率的前提下，由于在天基视频SAR成像中帧周期小于合成孔径时间，所以相邻帧之间的数据就不可避免地要有重叠。由文献[7]的分析可知，天基视频SAR相邻帧之间的重叠率α可表示为：

式中：Vs为卫星的轨道速度；ρa为方位向分辨率；fc为载波频率；fr为帧频；Rm为卫星到场中心的最短斜距；c为光速。

若轨道高度为567 km，方位向分辨率为5 m，载波频率为3.8 GHz，则相邻数据帧之间的重叠率与帧频的关系曲线如图2所示，可以看出，若帧频为5 Hz，则相邻两帧之间数据的重叠率将达到85.56%。

图2 重叠率与帧频的关系曲线Fig.2 Curve of overlapping ratio and frame rate

天基视频SAR系统中低轨卫星通过机械扫描或者电子扫描实现方位向大角度的聚束模式观测，为保证图像质量，对波束扫描过程中指向精度与稳定度提出了较高的要求。同时需在方位向最大斜视角与距离向最大下视角的情况下确定发射功率的需求，本系统中双站模式下时间、空间、相位的同步问题也是系统设计中需解决的关键问题。

2 天基视频SAR回波信号模型

2.1 天基视频SAR双站距离模型[11-12]

天基视频SAR成像几何如图3所示，其中TX为发射机的位置，RX为接收机的位置，(α,δ)为地面目标点P的经纬度，Re为地球半径。

图3 天基视频SAR成像几何示意Fig.3 Geometric mode of spaceborne video SAR system

地球静止轨道卫星轨道高度为H，地心距rg=Re+H，假设卫星定点于Α经度上空，由于地面目标点与静止轨道卫星相对静止，故发射源与地面点P之间的斜距为

接收斜距的计算需将卫星位置与地面目标位置统一到地心惯性坐标系下，地面目标点P(α,δ)在地心固连坐标系下的坐标为

则地面目标点P(α,δ)在地心惯性坐标系下的坐标为

式中：ΩG=ΩG0+ωe(t-t0)为t时刻的格林尼治恒星时；ΩG0为t0时刻的格林尼治恒星时；ωe为地球自转角速度。

而低轨卫星在轨道坐标系下的坐标为

式中：u=ω+f为纬度幅角,ω为近地点幅角,f为真近点角，对于圆轨道有f=ωst，其中ωs为卫星的轨道角速度，t为以近地点为参考点的卫星运动时刻。

则低轨卫星在地心惯性系下的坐标为

式中：Ω为升交点赤经；i为轨道倾角。至此将地面目标位置与卫星的轨道位置都统一到地心惯性坐标系下，由此可计算得低轨卫星与地面目标P之间的斜距为

故天基视频SAR双站精确距离模型为

2.2 回波信号模型

设一理想点目标为Pij(αi,δj)，则经过解调后雷达接收的回波信号为

s0(ij)(τ,η)= wr[τ-Rbi(ij)(η)/c]wa(η-ηc)·

exp[-j2πfcRbi(ij)(η)/c]·

式中：wr(·)为发射脉冲包络；wa(·)为发射与接收波束的合成方向图；τ为快时间；η为慢时间；ηc为多普勒中心频率对应的时刻；fc为载波频率；Kr为距离向的调频率；Rbi(ij)(η)为η时刻发射脉冲的传播距离。

3 天基视频SAR成像

3.1 天基视频SAR成像关键技术问题

天基视频SAR系统中，低轨卫星工作在聚束模式下，通过对聚束模式下回波数据的合理分割实现视频成像，天基视频SAR成像需解决的关键技术问题主要包括：

(1)部分数据帧的大斜视角问题

由于低轨卫星工作在聚束模式，本系统中方位向扫描范围为-45°～45°，部分数据帧斜视角较大，存在严重的距离方位耦合和距离徙动，采用传统的近似方法将会导致图像质量的严重下降。

(2)相邻视频帧数据重叠问题

由上述分析可知，在天基视频SAR中，由于合成孔径时间大于帧周期，故相邻帧之间的数据有较大的重叠，单独对每一帧处理将导致相邻帧之间重叠数据的重复运算，会大大降低运算效率。

(3)实时性问题

天基视频SAR成像需提供实时或准实时的视频帧图像，这要求算法具有较高的运算效率，需在应用先进计算硬件设备的基础上探寻实现并行计算的可能性。

3.2 基于快速并行BP算法的天基视频SAR成像[13]

针对天基视频SAR的成像特点及需解决的关键技术问题，提出了一种可以并行实现的快速BP算法。作为一种精确的时域算法，BP算法避免了几何近似，所以在天基视频SAR应用中，能够很好地解决双站模式复杂距离模型下的成像及大斜视角情况下距离向与方位向耦合严重的问题；在BP算法的应用中，方位向的分辨率随相干累积脉冲数的增加而提高，故基于BP算法的天基视频SAR成像可以有效避免相邻帧重叠数据的重复运算，即当前帧成像时可以利用上一帧重叠数据的运算结果，由此有效提高运算效率。同时通过子孔径的划分可以进一步提高BP算法的运算速度，基于子孔径的处理还可以实现并行计算，能够有效保证视频SAR图像实时或准实时的输出。

基于BP算法的天基视频SAR成像流程如图4所示，首先将回波信号划分为若干个子孔径，为了实现通过子孔径叠加，避免重复运算，要求帧周期为子孔径长度的整数倍，若单个视频帧的合成孔径长度为L，将其划分为N个子孔径，则每个子孔径的长度为Lsub=L/N。每个子孔径的成像可以并行计算，生成低分辨的图像，最后进行子孔径合成则可得到单帧的全分辨图像。

图4 单帧天基视频SAR成像流程Fig.4 Flow diagram of one frame SAR image formation

单个子孔径内进行距离压缩，距离压缩后的信号为

sBM(ij)(τ,η)= sB0(ij)(τ,η)⊗

式中：Τc(ij)为选择的参考点的时延，由于距离向回波时延很难与采样点重合，所以要对距离压缩后的信号sBM(ij)(τ,η)进行插值，插值结果为

SBUM(ij)(t,η)=

式中：τ=nΔτ为插值前的采样点；2Ns为插值核截断的长度；hw(t)为加窗锐化后的插值核函数。由于处理的回波数据已经经过解调，要实现相干累加，需进行回波相位补偿，回波相位补偿后的结果为

计算目标点与子孔径内每个雷达位置的距离时延为

式中：η=nΔη为方位向的采样点。则第k子孔径中点目标Pij的成像结果为

成像过程中各子孔径并行计算，可以有效提高运算效率，最后将N幅子孔径的低分辨图像相干累加，即可得到第i个视频帧的全分辨图像为

4 计算机仿真分析

4.1 目标运动对SAR成像的影响

当场景内的目标运动时，在快时间方向位置变化很小，满足SAR成像的“停走”近似，方位向的相干累积时间比较长，由目标运动引起的相位调制会导致目标的SAR方位向图像发生变形[14-15]，目标运动对SAR方位向图像的影响是由于目标运动导致目标与静止场景的多普勒参数不一致，利用静止场景的多普勒参数对运动目标聚焦必然导致目标方位向的图像发生移位、散焦、幅度下降等现象。

由文献[11]的分析可知，若动目标距离向的速度和加速度为(vr,ar)，方位向的速度和加速度为(va,aa)，则由于目标运动导致的方位向图像的偏移为

式中：Rc为最近斜距；x0为目标初始方位向位置；vs为雷达的速度，由目标运动引起的方位向图像展宽为

式中：Ts为单个视频帧图像的合成孔径时间，由上述分析可以看出，由于vs≫vr,va，所以距离向速度为引起方位向图像偏移的主要因素，而引起方位向图像展宽的主要因素为方位向速度va与距离向加速度ar。

4.2 仿真参数

选择合理的参数对成像算法进行验证，静止轨道卫星与低轨卫星的参数如表1所示。

表1 雷达仿真参数

Table 1 Simulation parameters of spaceborne video SAR

静止轨道卫星低轨卫星轨道高度35786km轨道高度567km定点经度125°(E)轨道倾角20°工作频率3 8GHz偏心率0信号带宽60MHz升交点经度45°天线口径30m下视角40°脉冲宽度40μs方位向扫描范围-45°～45°

场景中心经纬度为[125°(E),24.243 8°(N)],场景大小为2 km×2 km。模拟场景中有25个点目标，初始时刻按5×5均匀排列，第一列与第五列以及第一行与第五行的点目标静止，假设场景中心的目标坐标为(0,0)，其余目标的运动参数如表2所示。

表2 运动目标运动参数

Table 2 Movement parameters of moving targets

目标坐标vr/(km·h-1)ar/(km·h-2)va/(km·h-1)aa/(km·h-2)S(2，2)(-0 5，0 5)-15000S(2，3)(0，0 5)-10000S(2，4)(0 5，0 5)00050S(3，2)(-0 5，0)001200S(3，3)(0，0)002000S(3，4)(0 5，0)0-500S(4，2)(-0 5，-0 5)1501200S(4，3)(0，-0 5)1002000S(4，4)(0 5，-0 5)0-5050

4.3 仿真结果

天基视频SAR计算机仿真结果如图5所示，帧频为5 Hz，其中图5(a)为初始状态下25个点目标静止时的成像结果，可以看出，目标静止时各点目标取得了良好的聚焦效果。图5(b)为天基视频SAR第1帧的成像结果，由S(2,2)、S(2,3)、S(2,4)的成像结果对比可以看出，距离向的速度越大，目标方位向的偏移越大，距离向的速度与方位向的加速度对目标方位向的展宽影响较小。由S(3,2)、S(3,3)、S(3,4)的成像结果对比可以看出，目标方位向的速度越大，其方位向的展宽越严重，距离向加速度也是导致目标方位向展宽的主要原因。由S(4,2)、S(4,3)、S(4,4)的成像结果可以看出，当目标同时存在方位向速度、距离向速度与距离向加速度时，目标的方位向图像既发生了移位也发生了展宽。图5(c)图与(d)分别为天基视频SAR第10帧与第18帧的成像结果，由S(2,4)、S(3,4)、S(4,4)的成像结果可以看出，由于目标存在距离向与方位向的加速度，随着时间逐渐变大，这3个目标的方位向速度与距离向速度也逐渐变大，方位向的展宽与移位也越来越大。由此可见天基视频SAR的成像结果正确反映了目标的运动信息，可以为后续基于SAR视频的动目标检测、运动参数估计，以及运动目标的重定位与成像提供依据。

5 结束语

本文设计了一种基于高低轨卫星协同工作的天基视频SAR系统，并建立了该双基地构型下的回波信号模型，针对系统中天基视频SAR成像需解决的3类关键技术问题，提出了一种基于子孔径划分的、可并行计算的视频SAR成像算法，并进行了计算机仿真验证。仿真结果表明：视频成像结果正确反映了目标的运动情况，能够为基于SAR视频的运动目标检测、参数估计，以及重定位与成像提供依据。本文的研究成果能够为未来天基视频SAR系统的构建与应用提供建议与参考。

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(编辑：车晓玲)

Research on spaceborne video SAR system design and image formation algorithm

LIANG Jian1，2，ZHANG Running1，*，BAO Minfeng1

1.DFH Satellite Co.，Ltd.，Beijing 100094，China 2.Shenzhou Institute of China Academy of Space Technology，Beijing 100086，China

As a new microwave remote sensing mode，a video SAR can provide a continuous surveillance over a region of interest.Researches about spaceborne video SAR were limited.Most of current researches about video SAR only focus on aircraft platform.A spaceborne video SAR system was developed with the transmitter on geostationary satellites and the receiver on the low earth orbit(LEO) satellites. The relationship between the imaging performance and the main system parameters has been studied. Then an image formation algorithm was presented，which could satisfy the imaging quality of video SAR in high squint mode and avoid unnecessary duplication of processing. The Doppler smear and offset of the moving targets were reflected by the processed images. Meanwhile, the stationary targets can be finely focused on.

spaceborne video SAR; bistatic SAR; echo model; image formation algorithm; high squint; data overlap

10.16708/j.cnki.1000-758X.2016.0068

2016-05-20；

2016-08-25；录用日期：2016-11-24；

时间：2016-12-16 11：28:59

http:∥www.cnki.net/kcms/detail/11.1859.V.20161216.1128.003.html

梁健(1990-)，男，博士研究生，liangjiancast@163.com，研究方向为星载SAR系统设计及信号处理技术

*通讯作者：张润宁(1966-)，男，研究员，13661051645@139.com，研究方向为微波遥感卫星总体设计技术

梁健，张润宁，包敏凤.天基视频SAR系统设计及成像算法研究[J].中国空间科学技术，2016，36(6)：22-28.

LIANGJ，ZHANGRN，BAOMF.ResearchonspacebornevideoSARsystemdesignandimageformationalgorithm[J].ChineseSpaceScienceandTechnology，2016，36(6)：22-28(inChinese).

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http:∥zgkj.cast.cn