应用二维电扫描的星载EAR凝视马赛克模式研究

韩晓磊　张庆君　刘　杰　张润宁（北京空间飞行器总体设计部，北京 00094）（航天东方红卫星有限公司，北京 00094）

应用二维电扫描的星载EAR凝视马赛克模式研究

韩晓磊1张庆君1刘杰1张润宁2
（1北京空间飞行器总体设计部，北京 100094）（2航天东方红卫星有限公司，北京 100094）

应用机械扫描实现的星载SAR马赛克模式对卫星平台敏捷机动能力提出高的要求，且由于存在不完全分辨率区域，导致成像效率下降。文章提出一种应用二维电扫描的星载SAR马赛克模式实现方案，它利用二维电扫描，形成多个彼此相邻的聚束图像块，通过拼接这些相邻的聚束图像实现成像范围的扩展，称之为凝视马赛克模式，对应地称采用机械扫描实现的马赛克模式为滑动马赛克模式。文章针对凝视马赛克模式的特点，提出了一种新的系统参数设计方法，通过系统参数设计实例对比分析了凝视马赛克模式和滑动马赛克模式的特点。此外，还分析了相控阵天线不同天线结构对凝视马赛克模式的影响，并通过优化设计得到了满足需求的系统参数。

合成孔径雷达；凝视马赛克；电扫描；高分辨率宽测绘带

1　引言

自从世界上第一颗合成孔径雷达（SAR）卫星——海洋卫星（Seasat）问世以来，由于其具备全天时全天候成像能力，受到世界各国的广泛重视，并得到了快速发展。分辨率和成像范围是SAR卫星两个最重要的性能指标，分辨率反映SAR图像的细节分辨能力，成像范围反映SAR卫星的成像效率和大尺度场景整体观测性能。在传统SAR卫星中受限于最小天线面积等制约因素，分辨率和成像范围不能同时提高。但是在军事侦察、灾害监测等应用领域，须要对大场景进行整体高分辨率成像，传统星载SAR工作模式难以满足此类需求。马赛克模式是一种新兴的SAR工作体制，可以看作聚束和扫描的混合模式，它在距离向通过天线波束不同子测绘带之间切换实现宽测绘带成像，在方位向通过波束反向扫描实现高分辨率成像［1-2］。马赛克模式最早由以色列科学家在2004年的欧洲合成孔径雷达会议上提出，2008年1月21日发射的以色列合成孔径雷达技术试验卫星（TECSAR）成功应用马赛克模式，实现了25km×25 km范围内1.8m分辨率成像［2-4］。文献［1，5］对马赛克模式的原理进行了简要介绍，同时给出了马赛克模式子测绘带全分辨率图像连续的条件。文献［6］提出了一种马赛克模式的实现方式，它的距离向波束切换通过电扫描完成，方位向波束扫描通过机械扫描实现，单个成像块成像过程中，波束中心始终指向远离地面的虚拟旋转中心，波束的地面投影足迹缓慢向前移动，以此扩展方位向成像范围，这正是TECSAR所采用的马赛克模式的实现方式。

传统SAR卫星马赛克模式实现方式要求卫星平台具有高敏捷机动能力，成像过程中，通过卫星平台绕三个主轴姿态机动，带动天线波束扫描，得到马赛克模式成像所需波束指向，俯仰向机动速度可达到0.5（º）/s以上，同时要求卫星姿态机动过程中，保持较高的稳定度，一般要求姿态指向稳定度高于0.001（º）/s，这无疑将增加整星的实现难度。此外，传统马赛克模式要求波束足印在地面上滑动，导致覆盖范围内不完整成像区域出现，拼接时需要将这部分区域剔除，导致成像效率降低。本文提出一种新的SAR卫星马赛克模式实现方式，它充分利用相控阵天线的波束指向二维捷变能力，获得马赛克模式成像所需的波束指向，不须要卫星姿态机动提供雷达波束扫描，降低了卫星控制系统的实现难度。由于成像过程中卫星姿态保持不变，避免了姿态机动导致的GPS天线遮挡问题，降低了高精度测定轨实现难度。同时，成像过程中恒定的卫星姿态降低了数传天线瞄准地面站的难度，保证了数据下传效率。此外，本文提出的马赛克模式通过二维天线电扫描角度设计，使单个成像块成像过程中，波束足印保持不动，避免了不完整成像区域的出现，最大限度地保证了SAR卫星的成像效率。因为这种模式下雷达波束始终瞄准地面确定点，处于凝视状态，称之为凝视马赛克模式，对应地称传统的马赛克模式为滑动马赛克模式。

2　凝视马赛克模式工作原理

凝视马赛克模式在单个成像块成像期间，波束围绕本成像块的地面成像场景中心进行旋转扫描，波束地面足印保持不动，处于凝视状态，通过增加累积成像时间，提高方位向分辨率，直到满足分辨率需求。当一个成像块区域成像完成后，波束切换到下一条子测绘带进行成像，以此提高测绘带宽度，依次切换子测绘带，直到距离向满足覆盖需求。所有子测绘带循环一次后，跳回最初的子测绘带进行这个子测绘带内的下一个成像块成像，此时成像块成像场景中心发生改变，向前跳跃一个波束地面覆盖区长度，实现方位向成像场景的扩展（事实上，跳跃距离应小于波束地面覆盖区长度，以保证同一子测绘带内相邻两个成像块图像能以一定的重叠度进行拼接），工作原理如图1所示。凝视马赛克模式的每个成像成像块都是一个斜视聚束，它们的成像区域相邻，通过拼接这些相邻的聚束图像实现成像范围的扩展。

凝视马赛克模式所需的雷达波束扫描可以通过相控阵天线实现，它具备波束指向灵活捷变能力，可以根据指向需求快速调整，增加了系统灵活性。同时不需要卫星平台进行实时姿态机动，降低了平台实现难度。凝视马赛克模式在单个成像块成像过程中波束地面足印不移动，避免了因滑动造成不完全分辨率图像的出现，所以实现相同的成像指标，它所需要的方位向扫描范围较滑动马赛克模式少，它的成像效率更高（凝视马赛克模式的图像中也存在少量不完全分辨率图像，这是由波束地面足印的旋转造成的，这与聚束模式相同［7］）。但是由于整个成像块成像过程中，地面目标始终对应天线方向图的同一位置，缺少波束移动的平滑作用，因此，凝视马赛克模式的方位向不均匀现象较滑动马赛克模式更为严重［7-9］。

图1　马赛克模式工作原理示意Fig.1　Pictorial concept of mosaic mode

凝视马赛克模式的分辨率与波束宽度无关，只由这个成像块的成像时间和空间几何关系决定，通过增加成像时间可以获得远高于条带模式的方位向分辨率。由于方位向波束扫描范围有限，分辨率的提高是以牺牲成像场景为代价，通过调整每个成像块的合成孔径时间能实现分辨率和成像场景之间的折中权衡。由SAR的分辨率理论可知:多普勒带宽决定最终的方位向分辨率，而多普勒带宽由成像过程中波束转过的角度决定；如图2所示，根据文献［10］，瞬时多普勒频率为

式中:θs为瞬时斜视角；Vs为卫星速度；λ为载波波长。

图2　凝视马赛克单个成像块空间几何关系Fig.2　Spatial geometry relation of single burst of staring mosaic mode

凝视马赛克模式某一成像块成像过程中，起始扫描角为θstart，结束扫 描角为θend，则整个成像时间内的多普勒带宽Ba为这两个瞬时斜视角所对应的多普勒频率之差:

式中:fstart，fend分别为起始和结束扫描角对应的多普勒频率。根据合成孔径雷达分辨率原理，方位向分辨率ρa得

将式（2）代入式（3），可以得到方位向分辨率为

式中:γw_a为方位向展宽因子。

在凝视马赛克模式中，波束除了需要在距离向不同子测绘带间切换外，还需要在方位向实时调整波束指向，以使波束在单个成像块成像时间内始终覆盖相同地面区域。此外，为了适应子测绘带间切换时的视角变化，以及实现方位向成像场景扩展，凝视马赛克模式在成像块切换时，波束指向在方位向也需要跳变。可见，实现凝视马赛克模式需要天线系统能灵活控制波束指向，并需要天线具有波束指向快速跳变能力，同时为了使不同成像块图像能准确拼接，需要精确控制地面成像区域位置，这对波束指向精度又提出了非常高的要求。机械扫描天线由于惯性作用很难实现上述波束操作，而电扫描方式能通过控制不同天线阵元的信号相位和幅度，快速改变天线波束的指向和形状，有利于减少波束切换时的时间损失，电扫描方式的这些特点使它非常适合用于实现凝视马赛克模式。

3　应用二维电扫描的凝视马赛克模式系统设计方法

根据式（4），凝视马赛克模式的方位向分辨率由单个成像块的起始和结束扫描角决定，在凝视马赛克模式系统设计时，需要根据分辨率需求计算出所有成像块的初始和结束扫描角。由于具体某一成像块的起始和结束扫描角与它之前成像块的扫描情况有关，所以系统设计时需要从中间成像块开始设计，当一个成像块的系统参数计算完成后，它们将作为下一个成像块计算时的输入参数，如此递推计算，直到成像范围满足覆盖要求。计算过程中需要判断每个成像块的噪声等效后向散射系数（NESZ）和模糊度（ASR）是否满足设计要求（其中模糊度指标包含两部分，分别为距离模糊度（RASR）和方位模糊度（AASR））。如不满足，更改方位向波束宽度，重新进行上述计算，直到满足设计要求，具体流程如图3所示。

所有成像块按不同子测绘带沿方向分配到不同组，具有奇数和偶数个子测绘带的凝视马赛克模式地面成像场景结构如图4所示，该图中每个子测绘带的第0组成像块位于场景中心。图4中成像块符号中的数字下标代表成像块所在的子测绘带号和方位向成像块组号，如Bd_2_0代表第2条子测绘带的第0组成像块。具有奇数个子测绘带的凝视马赛克模式，零斜视角位置位于中间子测绘带中间成像块的中央位置，如图4（a）中Bd_2_0成像块。具有偶数个子测绘带的凝视马赛克模式零斜视角位置位于两个中间子测绘带中间成像块的切换位置，如图4（b）中的 Bd_2_0和 Bd_3_0成像块之间的切换位置。上述两种情况下，都是子测绘带1的左侧第一个成像块（Bd_1_—2）被首先照射，然后其它子测绘带被依次照射成像。系统设计时，首先从零斜视角位置所在的中间成像块开始设计，这时需要对子测绘带的奇、偶情况进行区分。

图3　凝视马赛克模式系统设计流程图Fig.3　Flow diagram of staring mosaic mode system design

图4　凝视马赛克模式的地面成像场景结构示意Fig.4　Timeline configuration of the staring mosaic mode

1）奇数个子测绘带

零斜视角位置在中间子测绘带的第0组成像块中间，如图4（a）中Bd_2_0成像块，系统设计从此成像块开始。第0组成像块（Bd_2_0）的中心斜视角为0º，它的成像几何对称分布，因此起始和结束斜视角绝对值相同，根据式（4）容易得到起始和结束扫描角分别为计算得到这两个扫描角后，通过空间几何关系可以很容易得到这个成像块的合成孔径长度和驻留时间［］。

当中心成像块计算完成以后，将分为照射前、后两个方向按组计算所有成像块的参数，注意在计算照射时间早于零斜视角位置的成像块参数时（左侧成像块（例如Bd_2_1）及第0组成像块位于中间子测绘带上方的成像块（例如Bd_1_0）），先根据中心成像块的起始扫描位置计算前一个成像块的结束扫描位置，在忽略波束切换时间的情况下二者是重合的。然后根据这个结束扫描位置，结合这个成像块的地面场景中心位置，计算它的结束扫描角。随后根据下式，能得到它的起始扫描角为

然后根据起始和结束扫描角，可以得到这个成像块的合成孔径长度和驻留时间，进而得到它的起始扫描位置，以此来计算下一个成像块的结束扫描角，以此类推。

在计算照射时间晚于零斜视角位置的成像块参数时（右侧成像块（例如Bd_2_1）及第0组成像块中位于中间测绘带下方的成像块（例如Bd_3_0）），首先根据中心成像块的结束扫描位置计算后一个成像块的起始扫描位置，在忽略波束切换时间的情况下二者是重合的，随后根据这个起始扫描位置，计算它的起始扫描角。然后根据下式，能得到这个成像块的结束扫描角为

随后可以计算这个成像块的合成孔径长度和驻留时间，得到它的结束扫描位置，以此来计算下一个成像块的起始扫描角，以此类推直到满足覆盖要求。

2）偶数个子测绘带

具有两个中间成像块，如图4（b）所示，系统设计从这两个中间成像块开始。上方中心成像块（如图4中Bd_2_0成像块）的结束扫描角为0，可以根据式（6）计算它的起始扫描角。下方中心成像块（如图4中Bd_3_0成像块）的起始扫描角为0，可以根据式（7）计算它的结束扫描角。中间成像块计算完成后，利用上方中心成像块（如图4中Bd_2_0成像块）的起始扫描位置计算前一个成像块（如图4中Td_1_0）的结束扫描位置，利用下方中心成像块（如图4中Bd_3_0成像块）的结束扫描位置计算后一个成像块（如图4中Bd_4_0成像块）的起始扫描位置，计算方法与奇数个子测绘带情况相同，这里不再累述。

计算出成像块系统参数之后，需要根据它的斜视几何，计算这个成像块的噪声等效散射系数和模糊度，评估是否符合系统设计要求，如果不满足性能要求，需要减小波束宽度以改善这些性能参数。随后，通过斜视几何计算这个成像块的图像长度，此参数将作为下一组成像块计算的输入参数，用来确定该成像块的中心位置。随后计算图像的总长度，如果任何一条子测绘带的图像总长度不能满足设计要求，则需要增加一组成像块，然后重复上述操作，直到满足方位向覆盖要求。

4　实验验证

4.1凝视马赛克模式与滑动马赛克模式对比分析

凝视马赛克模式在单个成像块成像过程中波束地面足印不移动，避免了滑动马赛克模式中存在的不完全分辨率成像区域问题，所以，它较之滑动马赛克模式具有更高的成像效率。凝视马赛克模式的高效率是通过波束地面足印不移动，使整个波束覆盖区成为有效成像区域得到的。但是，由于波束边缘覆盖区的天线增益下降，且缺少波束移动的天线方向图平滑作用，导致凝视马赛克模式相比于滑动马赛克模式，方位向系统性能指标恶化，且起伏更为严重［11］。

本部分通过系统设计实例与滑动马赛克模式作对比，分析凝视马赛克模式的性能特点。系统设计的输入参数见表1，分别采用文献［6］和本文给出的系统设计方法完成滑动马赛克模式和凝视马赛克模式系统方案设计。同样设计具有三条子测绘带的滑动马赛克模式和凝视马赛克模式系统方案，每条子测绘带宽度为12.0km，相邻成像块之间的重叠度为5%，这两个系统方案的距离向覆盖特性相同。

表1　系统设计输入参数表Table1　Eystem design input parameters

续 表

对比分析两种马赛克模式的系统设计结果，具体见表2。

表2　凝视马赛克与滑动马赛克系统设计结果对比表Table2　Design result contrast between staring mosaic and sliding mosaic

由设计结果可知，滑动马赛克模式通过方位向波束在±11.77º范围内扫描，实现方位向31.2km范围内的1.0m分辨率成像。同样条件下，凝视马赛克模式仅需要方位向波束在±10.99º范围内扫描，就能实现方位向35.6km范围内的1.0m分辨率成像。由此可见，凝视马赛克模式相比于滑动马赛克模式具有更高的成像效率。图5为凝视马赛克模式与滑动马赛克模式图像强度变化对比图，由图5可见凝视马赛克模式的“扇贝效应”比滑动马赛克模式更严重，在滑动马赛克模式中方位向图像强度变化量最大，仅为1.43dB，而在凝视马赛克模式中方位向强度变化量大于5.39dB（此值在图像拼接有效范围内得到）。图6为凝视马赛克模式与滑动马赛克模式的方位模糊性能对比图，由图6可见凝视马赛克模式的方位模糊比（AASR）性能不及滑动马赛克模式，而且沿方位向起伏严重，在滑动马赛克模式中AASR最差为—23.71dB，AASR方位向起伏小于2.47dB，而在凝视马赛克模式中AASR最差为—14.29dB，AASR方位向起伏大于12.73dB。图7展示了凝视马赛克模式与滑动马赛克模式的NESZ性能表现，由图7可知凝视马赛克模式相比于滑动马赛克模式，NESZ性能指标恶化，而且沿方位向起伏更为严重，在滑动马赛克模式中NESZ最差为—20.19dB，NESZ方位向起伏小于2.11dB，而在凝视马赛克模式中NESZ最差为—16.28dB，NESZ方位向起伏大于5.54dB。

图5　凝视马赛克模式与滑动马赛克模式图像强度变化对比图Fig.5　Image intensity fluctuation contrast between staring mosaic and sliding mosaic

图6　凝视马赛克模式与滑动马赛克模式方位模糊性能对比图（以第2条子测绘带为例）Fig.6　Azimuth ambiguity performance contrast between staring mosaic and sliding mosaic （Take second subswath as an example）

图7　凝视马赛克模式与滑动马赛克模式NESZ性能对比Fig.7　NESZ performance contrast between staring mosaic and sliding mosaic

4.2凝视马赛克模式设计实例分析

由上述分析可知，凝视马赛克模式成像效率优于滑动马赛克模式，但它的AASR和NESZ性能较之滑动马赛克模式恶化，并且沿方位向起伏更为严重。本部分将对上述凝视马赛克模式设计实例的系统参数进行优化设计，以得到AASR和NESZ性能满足需求的系统设计实例。首先，通过增加成像块之间的重叠度，将每个成像块的有效成像区域缩减10%，以此提高图像拼接处的性能表现。其次，通过增加脉冲重复频率（PRF）改善AASR性能。最后，将峰值发射功率增加到12000W，天线效率提高到0.8，噪声系数降低到3.2dB，以此改善NESZ性能。系统设计实例中PRF选择结果如图8所示，系统设计参数见表3。最终通过方位向波束在±11.16º范围内扫描，实现了方位向30.5km范围内的1.0m分辨率成像。值得注意的是这样的性能指标提高，是以牺牲部分成像效率和增加工程实现难度为代价的。

此设计实例采用二维电扫描实现，在扫描角度较大时存在栅瓣升高、波束展宽及主瓣增益下降等方向图畸变，将导致AASR和NESZ等性能参数恶化。通过减小天线阵元间距，能有效降低上述畸变影响，但这需要增加大量的发射/接收（T/R）组件，将导致系统的质量、复杂度和成本升高。本部分对比分析阵元间距分别为0.7λ、1.0λ和2.0λ三种天线结构对系统性能的影响，对比结果见表4。这里不同天线结构体现在方位向上，而距离向天线结构相同，因此对距离模糊的影响可以忽略。由于本实例选择的PRF使方位模糊区在三种天线方案下都避开了天线方向图的栅瓣，因此不同天线结构下方位模糊的差别不大。三种天线结构下的图像强度起伏对比结果如图9所示，可见随着天线阵元间距增加，图像强度方位向变化量增加，所得图像的方位向非均匀现象变严重。NESZ性能表现对比结果如图10所示，可见随着天线阵元间距增加，NESZ性能逐渐恶化，且沿方位向起伏增大。

图8　系统设计斑马图Fig.8　Diamond diagram showing system design

表3　系统设计参数表Table3　Eystem design parameters

表4　三种天线结构对系统性能的影响分析结果表Table4　Eystem performance analysis result for three different antenna structures

图9　不同天线结构下图像强度变化对比Fig.9　Image intensity fluctuation contrast for different antenna structures

图10　不同天线结构下NESZ性能对比Fig.10　NESZ performance contrast for different antenna structures

由上述分析可知，当天线阵元间距从0.7λ增加到1.0λ，系统性能指标下降并不明显，但当天线阵元间距增加到2.0λ时，系统性能急剧恶化到不可接受。系统设计过程中需要综合考虑天线阵元间距减小带来的性能提升和所付出的成本，选择合适的天线方案。例如，综合考虑上述因素后，本系统设计实例中最终采用阵元间距为1.0λ的天线方案。

5　结束语

本文提出了一种新的应用二维电扫描的星载SAR凝视马赛克模式，它通过拼接二维相邻的聚束图像实现大场景高分辨率成像，能够同时兼顾分辨率和成像范围，大幅提升SAR卫星的成像性能指标。分析了凝视马赛克模式的性能特点，给出了一种基于二维电扫描的实现方式，针对此模式提出了一种新的系统设计方法。通过系统设计仿真实例，对比滑动马赛克模式，分析了凝视马赛克模式的性能特点。本文的仿真与分析结果说明:凝视马赛克模式单个成像块的有效成像区域为完整的波束足印，不存在天线足印滑动导致的不完全分辨率区域，相比滑动马赛克模式，具有更高的成像效率。同时，这种模式所须的方位向波束扫描和距离向波束跳变，通过相控阵天线的二维电扫描实现，具有波束指向灵活的特点，同时降低了SAR卫星平台控制分系统、测控分系统和数传分系统等的实现难度。

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（编辑：张小琳）

Study on a Space-borne SAR Staring Mosaic Mode Based on Two-dimensional Electronic Steering

HAN Xiaolei1ZHANG Qingjun1LIU Jie1ZHANG Running2
（1 Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China）
（2 DFH Satellite Co.，Ltd.，Beijing 100094，China）

The space-borne SAR mosaic mode realized by mechanical steering requires very high agility maneuver ability，and the appearance of the imaging area with incomplete resolution brings on the decrease of the imaging efficiency.In the paper，we propose a novel mosaic mode based on two-dimensional electronic steering.The mode can generate many adjacent spotlight images using two-dimensional electronic steering.Then，it extends the coverage by integrating the spotlight images.In this paper，we name the novel mosaic as staring mosaic，whereas name the mosaic mode realized by mechanical steering as sliding mosaic.According to the characteristics of staring mosaic，we present a new system design method in the paper.Furthermore，staring mosaic mode is compared with sliding mosaic mode with a system design example.Moreover，we analyze the effect of different antenna configurations to staring mosaic mode.Finally，through optimization design，a satisfied system example is present.

SAR；staring mosaic；electronic steering；high-resolution wide-swath

TN958

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2016.03.003

2015-09-09；

2016-04-21

国家重大航天工程

韩晓磊，男，博士，从事合成孔径雷达卫星工作体制与信号处理研究。Email：hanxiaolei23@163.com。