双/多基地SAR成像研究进展与趋势及其关键技术

蔡爱民,王燕宇

(1.中国电子科技集团公司 第三十八研究所,安徽 合肥 230088；2.孔径阵列与空间探测重点实验室,安徽 合肥 230088)



双/多基地SAR成像研究进展与趋势及其关键技术

蔡爱民1、2,王燕宇1、2

(1.中国电子科技集团公司 第三十八研究所,安徽 合肥 230088；2.孔径阵列与空间探测重点实验室,安徽 合肥 230088)

对国内外双/多基地合成孔径雷达(SAR)研究进展、趋势及其关键技术进行了综述。简述了双/多基地SAR成像的特点和研究意义，介绍了双基地SAR研究的进展：国外已通过地面、机载试验和在轨卫星等途径验证了双基地SAR成像在慢速目标检测、干涉测量和前视成像等领域的优势；国内对成像、同步等开展了针对性的试验，并获得了成像结果，但还处于有限的理论研究和试验分析阶段。归纳了双/多基地SAR成像技术理论体系不断完善、发展分支不断交叉、体系化和天空地一体化发展的趋势。针对双/多基地SAR成像的不同点，认为构型设计、同步技术、实时成像算法和体系化网络构建是双/多基地SAR成像的关键技术。建议在航天技术逐渐成熟的大背景下，以技术的发展趋势为导向，积极开展双/多基SAR关键技术研究，拓展双/多基地SAR系统的发展空间，使其优势真正走向实用化。

双/多基地SAR成像； 异构平台； 构型； 同步； 实时； 成像算法； 观测网络

0 引言

SAR是现代雷达技术发展的主要成就之一，双/多基地SAR也称双/多站SAR，是指SAR系统的发射和接收分系统在空间上分置于不同的平台上，发射系统以一定脉冲重复频率提供观测区域的照射信号，接收系统接收地面回波并完成成像处理等任务，其中多基地SAR包括发射系统1个和接收系统多个。与单基地SAR系统相比，双基地SAR系统几何关系配置灵活、图像信息丰富，在干涉测量、地面运动目标检测、3D成像、提高雷达系统安全性和抗电子干扰能力等方面具有潜在的体制优势，在民用和军用领域均有很好的应用前景[1-2]。对监视系统来说，基于同步照射和双基地无人机或卫星接收的广域监视设想，实现对空中动目标显示(AMTI)和地面动目标显示(GMTI)有其重要意义。

就双/多基地SAR构成而言，根据搭载发射和接收系统的平台，主要包括：机载双/多基地SAR， SAR的发射和接收系统分别装载于不同的飞机平台上；星载双/多基地SAR，SAR的发射和接收系统装载于不同的卫星平台上；星机双/多基地SAR，SAR的发射系统置于卫星(飞机)平台上，以飞机(卫星)作为接收平台；地机双/多基地SAR，SAR的发射系统置于陆基平台上，而接收系统位于空中平台上，或发射位在飞机平台，接收在陆基平台。同类平台的双基地SAR系统构建相对简单，不同类平台(即异构平台)因为平台运动特点的差异，系统较复杂。从目前的发展来看，双基地SAR成像涉及系统的同步，而机载、地面临时架设站的方式易实现，一般作为验证的有效手段，但运行成本高。由于航天平台轨道的稳定性和在轨运行的长期性，随着航天技术的飞速发展，国际上基于星载平台的双基地SAR系统研究已渐成主流。本文对双/多基地SAR成像研究的进展、趋势和关键技术进行了综述。

1 国内外研究进展

随着国内外相关研究的进展，双基地SAR系统在理论和工程实现上已切实可行，并显现出单基地SAR系统难以比拟的优势。随着越来越多的星载SAR卫星升空，将为双基地SAR系统提供更广阔的发展空间。

1.1 国外

SAR的发展虽有50多年历程，但有关双基地SAR的技术研究则始于20世纪70年代末，至80年代初陆续提出了双基地SAR的设想。美国的Goodyear，Xoniccs公司曾于1979年与美国空军签订了战术双基地雷达验证(TBIRD)计划合同，在试验中获取了双基地SAR图像并成功发现了慢速运动目标，发现了隐蔽在树林中以速度0.6 m/s移动的坦克[3]。鉴于双基地SAR系统的复杂性，直到20世纪末仍以理论研究为主，一直处于探索阶段。

跨入21世纪，加拿大、德国、意大利先后发射了Radarsat，Terrasa，Cosmo-SkyMed系列雷达卫星[4-6]。典型的有Tandem-X，TanDEM-L系统；AFRL的Techsat21系统；ESA的干涉系统；意大利的BISSAT计划；美国的GLORIA系统计划等[7-12]。其中Cosmo-SkyMed星在汶川地震中提供了及时的震后灾情评估数据，显示了星座体制多平台观测的优势[13-14]。除时效性外，干涉测量还显现出星座体制的优越性，并获得了大量的研究结果[6]。

由公开的研究成果可知：德国在双基地SAR成像中的进展最为坚实。从2003年开始，应用科学研究院(FGAN)用试验验证了双基地SAR成像的有效性，2007年星机联合双基地SAR实验成功获得了世界上第一幅星机联合双基地SAR成像结果；2009年进行了一次星机联合前视双基地SAR系统的成像实验，利用遥感雷达卫星TerraSAR-X和机载PAMIR作为系统的发射/接收系统，验证了前视成像的可行性[15-17]。继而在2010年底，用TerraSAT，TanDEM星载双基地模式获得了全球相对高程精度2 m、定位精度12 m结果(如图1所示)[6]。TerraSAR，TanDEM星不仅完成了星基平台的双基地观测，而且还进行了星机异构平台间观测，验证了异构平台间的观测能力。

图1 TerraSAR，TanDEM双基地全球相对高程误差数据处理结果Fig.1 Relative height error map for the first global acquisition by TerraSAR and TanDEM

1.2 国内

电子科技大学对双基地成像算法和前视成像进行了大量开创性的研究，并完成了相关的机载试验[18-19]。中科院电子所与国外合作开展了系统的双站SAR试验，包括同步、双站成像、单航过双站成像、多航过双站成像和双站DBF技术[20]。此外、西安电子科技大学、北京理工大学等高校也在理论研究和试验分析等方面取得了有价值的试验成果。但国内更多的是从成像算法等方面开展研究，工程性的试验研究较少。

中国电科集团38所针对双/多基地SAR系统的研究方向，开展了双基地SAR总体技术研究，突破了系统总体构型设计、运动多站间的三大同步、双基地SAR信号分析与成像处理，以及双基地SAR系统性能评估等关键技术，通过分阶段的验证试验，开展了双基地SAR系统技术的应用研究[21]。2010年成功进行了在线同步的地机双基地SAR飞行试验，获得了国内第一幅在线同步的双基地SAR飞行试验图像(如图2所示)。由于不同双基地的目标RCS不同，由图2可知双基地SAR图像中地物层次感较明显，而单基地SAR图像中基本无法发现明显的地物轮廓(图中白圈标识处)。

图2 双基地与单基地SAR成像结果比较Fig.2 Differences between BiSAR image and mono-SAR image

2 发展趋势

2.1 双/多基地SAR理论技术发展与突破

由于收发分置的特点，与单基地SAR相比，双/多基地SAR系统理论和技术的难度和复杂度明显增加。目前，国际上主要对其成像机理、成像算法、同步技术、构型优化设计和散射机理等进行了研究，而对成像理论研究则是最多的[5、16、22-26]。虽然时域BP算法是一种精确的聚焦方法，但其高运算量和对平台运动轨迹测量精度的高要求迫使研究者分别从频域和RD域探讨高效成像算法，并取得了卓有成效的成果。在成像机理方面，对分辨率理论进行了重点研究，提出了基于梯度的分析方法和基于模糊函数的分析方法，但对模糊理论，特别是第二类模糊问题的研究尚不充分。目前的成像结果基本是通过后处理获得，某些领域的应用还必须解决高效的实时算法。

从研制历程看，国际上双/多基地SAR成像的研究经历了成像实现(离线同步、后处理成像)→在线同步(后处理成像)→在线成像(在线同步、在线成像)→异构平台间成像的发展道路，使双/多基地SAR成像真正走向实用化，具备了面向复杂应用的理论和工程应用基础。

2.2 更多发展分支交叉形成

美国是最早研究双/多基地SAR的国家，由于军事战略调整和军费削减，很多计划被纷纷取消，但其理论技术储备并未停止。目前，德、法、意、英、西班牙等欧洲国家在双/多基地SAR中的研发进展井然有序，特别是德国(DLR，FGAN，ZESS)的进展最快，进步最大。这些国家的研究思路较明确，搭建机载试验系统加快实用化进程。目前已衍生出两个分支，第一个发展方向是星载双/多基地(如德、法、意、加拿大)，另一个则是基于外辐射源的双/多基地SAR(如俄罗斯、德、意、英、西班牙、瑞典、澳大利亚等)[27]。

随着机载试验平台试验技术的成熟，雷达新技术、数字技术被移植到双站SAR成像中，以及将DBF，MIMO技术用于双/多基地SAR系统中[20、28]。充分利用数字化技术，实现资源、硬件和信息的共享，实现低成本和高性能，成为技术发展的新趋势。

2.3 体系化发展成为趋势

目前在轨运行的基于星座体制的天基观测平台的特点有：

a)成像体制可继承。按技术的进步路线，先发射功能性卫星，再提高性能。Radarsat-2，TanDEM星的性能指标都较各自的第一颗卫星有很大程度的提高，但成像体制基本一致，系统指标具继承性，两者可协同工作。

b)系统指标能满足协同工作要求。以TanDEM为例，因在研制路线中采用了长远规划，平台间的作用距离、轨道条件、同步链路能满足双基地工作模式的要求。

基于TerraSAR-X，TanDEM-X雷达卫星的TanDEM-X计划能提供单航过全极化干涉SAR数据，并可作为半有源系统模式工作[6]。工作于L波段的TerraSAR-L，TanDEM-L系统具极化干涉测量能力，计划于2019年发射，将在未来的全球三维植被结构测量、生物量估计和冰川移动观测等领域发挥重大作用。在国内，双站机载极化干涉SAR系统尚处于试验阶段，而星载全极化干涉SAR系统则还没有，相关研究所需的数据只能借助国外系统或仿真产生[20]。

2.4 天空地一体化传感网络

通过多平台协作不仅可完成单一平台难以完成的任务，而且能获得更丰富的目标信息。因此，目前国外研究者普遍认为这种基于多平台的分布式雷达测量体制代表了未来雷达的一种新发展趋势，如德国DLR的KEYDEL认为未来微波成像雷达系统将是一个基于软件并集成有通信、导航定位能力的多基地(分布式)全球侦察遥感系统(如图3所示)[29]。

图3 天(卫星)、空(飞机)、地(高塔)一体化传感器网络Fig.3 Elements of a sensor web with part of communication scheme

采用分布式体制不仅增加了系统的可靠性与灵活性，而且收发平台可位于低轨、中轨甚至高轨等不同类型轨道，构型的优化配置便于不同应用，如连续监视、宽测绘带、单航过交轨干涉、顺轨干涉、高分辨或雷达层析成像等。目前，德国基本按此思路发展其SAR成像技术。

3 关键技术

3.1 构型设计

构型条件是影响双/多基地SAR成像效果的关键。以此为切入点，机载平台因便于构型的优化设计，开展了大量试验。天基平台受轨道条件限制，其构型条件必须是基于轨道条件的有限组合，但其轨道稳定、长时间运行、轨道高、易实现大场景成像、易实现组网观测等优势是机载平台难以比拟的。对星载平台，因为交汇点的差异，并不能在地球所有区域实现双基地工作，故仍是值得研究的课题。

双基地SAR具3D成像的潜力，目标分辨率与收、发平台的运动参数有关。星载SAR系统中，针对不同的应用，卫星轨道配置各异，不同的轨道配置可获得不同的重访间隔时间和图像分辨率。机载双/多基地SAR的工作方式和任务形式更灵活，也会面临相同问题。因此，航路规划和空间配置优化研究是重要的研究领域。

3.2 同步

收发信号的时间同步和信号频率同步是SAR正常成像的保证，常规SAR成像收发同体，同步易实现，而双基地SAR因空间分置，成为SAR成像的难点。空间同步的实现相对简单，波束追赶法是目前常用的空间同步方法，且适于异构系统间的同步方案[17、23、30]。

频率同步方法一般可分为独立同步、直接同步、第三方同步和非合作式同步多种[5、31-32]。因受构型和成本的限制，多站SAR星座有时只能在部分协作状态下运行，如无法以直达波实现信号同步，或在实现高分辨率成像时需精准确定收发双站间的同步信号。另外，对星载平台，由于轨道差异导致的距离变化，须考虑相对论对时频产生的影响[33]。采用相位推导和双站SAR成像定位实现的半合作式同步技术，可显著降低双站SAR成像对系统硬件的需求，将是一种有前景的技术[34]。目前来看，从信号本身出发，无需苛刻的同步条件实现双基地成像，将成为未来同步技术研究的一个主要方向[5]。

3.3 成像算法

成像算法是双站SAR研究的理论基础与核心。与单站SAR类似，双站SAR也是利用平台与目标区域的相对运动产生的多普勒频移，在方位向积累形成多普勒带宽，从而获得高分辨率图像。目前基本是借鉴单站SAR成像的成熟算法，从时域处理算法和频域处理算法两个角度，将其扩展、改进后使之适合双站成像处理。时域类成像算法，易于实现脉冲间的补偿和局部成像，适用于各种几何配置的双基地SAR成像处理。德国星机联合前视双基地SAR系统成像实验，通过时域成像算法获取了清晰的二维前视成像结果，显示了时域成像广泛的适用性[17]。时域成像算法的缺点是涉及大量的插值运算，计算效率较低，难以实现实时成像。寻求高效的频域处理算法，使其具备与单站成像算法相近甚至相同的成像性能是双站SAR成像处理研究的主要目标，目前而言是实现实时成像的唯一途径。高效准确的运动补偿是成像技术的关键，尤其是对异构平台的非匀速、非直线运动，运动补偿显得尤为重要。

3.4 体系化观测网络构建

马航事件再一次将卫星监视能力提升至全球。随着微波卫星数量的增加和天基预警雷达等项目的推进，为基于天基双/多平台微波成像的应用创造了条件。针对技术发展趋势和空天资源发展趋势，着眼于陆地资源调查、海洋动力环境综合监测、自然灾害预警等对地观测的重大需求，开展高低轨异构多基微波成像新体制研究，是满足多渠道观测的有效路径。通过立体观测，实现高时空分辨率成像、高精度三维测绘、多维度信息获取，满足目标多样化、环境复杂化、任务多元化的微波遥感应用需求。

目前国际性的地球观测体系主要由欧美国家主导，如欲改变此现状，对卫星资源的需求将是海量的，而技术的推动需解决大量技术难题，如星组协调、多维信息获取等。采用一发多收模式将是解决快速重访的有效措施，也是优化资源配置、降低项目成本的有效方法。这一体系化观测能力的实现需要网络化建构技术的支撑，以实现该复杂系统的协同工作。

4 结束语

体制上的优势，使双/多基地SAR具有的优良特性和应用潜力，成为当前重要的研究领域。机载试验是推动双基地SAR成像的原始动力，而随着航天平台技术的成熟，整合航天技术一体化观测趋势为双/多基地SAR系统的研究与应用提供了良好的机遇。随着关键技术的解决，双基地SAR成像将逐渐走向实际应用。以技术的发展趋势为导向，积极开展双基SAR关键技术研究，将使双基地SAR系统有广阔的发展空间。

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Progress Incidence and Key Technology of Bi/Muti SAR Imaging

CAI Ai-min1, 2, WANG Yan-yu1, 2

(1. China Electronics Technology Group Corporation No.38 Research Institute, Hefei 230088, Anhui, China; 2. Key Laboratory of Aperture Array and Space Application, Hefei 230088, Anhui, China)

The progress, trend and key technologies of bi/multi SAR in domestic and abroad was interviewed in this paper. The characteristics and study meaning of bi/multi SAR imaging were outlined. The research progress in biSAR in the world was introduced. The advantages had been verified through the ground, airborne, in-orbit satellites tests and other means in slow target detection, interferometry measurements and foresight imaging by biSAR in abroad. Some special tests had been carried out in biSAR imaging and synchronization, and some imaging results were achieved, but still hovering in theoretical and experimental analysis in domestic. The development trend was summarized, which were continuous improvement in the development of theoretical system, cross-branch developing constantly merging, and sky, ground systems integrated. The key technologies, such as geometry configuration design, synchronization, real-time imaging algorithm and architecture of the network construction for bi/multi SAR imaging were analyzed. It was suggested that in the background of aerospace technology blooming and with the trend of the technology development, carry the bi/multi SAR key technologies out in research, expand the development fields and bring the advantages of bi/multi SAR system to practical use actively.

Bi/multi SAR imaging； Platform; Configuration; Synchronization; Real-time; Imaging algorithm; Network architecture

1006-1630(2016)04-0112-07

2016-03-07；

2016-05-18

国家863计划资助(2014AA7014049)

蔡爱民(1978—)，男，博士，高级工程师，主要从事成像雷达系统设计。

TN958

A

10.19328/j.cnki.1006-1630.2016.04.019