月基SAR仿真成像研究

谷昕炜，陈 杰，杨 威，王鹏波

(北京航空航天大学 电子信息工程学院，北京 100083)

0 引言

合成孔径雷达(SAR)是一种主动微波遥感测绘工具，它不受光照、云层等因素影响，可以全天时、全天候工作，甚至具有穿透某些特殊地物的能力，在地形测绘、目标识别等领域有着广泛的应用[1]。

现有的星载、机载SAR系统无法满足全球性大尺度观测的应用需求。机载SAR飞行高度较低、控制灵活，擅长对小块区域进行快速高分辨率成像，但是缺点是成像带宽较小，同时飞机的飞行还会受到能源、天气和空域等条件的约束；而星载SAR的轨道高度可由几百千米高至上万千米，虽然具有较大的成像带宽，但由于受到卫星轨道的限制，仍需要耗费极长的时间才能完成一次地球表面的完整照射。

进入21世纪，逐渐有科学家提出了月基合成孔径雷达(Lunar-SAR)的概念，以月球为SAR平台进行全球性大尺度观测。因为在月球表面只需要2°的天线波束宽度，即可覆盖整个地球。Moccia对月基SAR的可行性进行了分析，计算了系统的总体设计要求和成像性能，给出了分辨率和带宽的理论表达式[2]。Fornaro对月基SAR的潜力和性能做了详尽地分析和阐述，并提出了干涉式月基SAR的概念[3]。郭华东院士基于月基SAR的成像潜能，提出了面向全球变化探测的研究需求[4]，并给出了GCOLB-SAR(GlobalChangeObservationLunarbasedSAR)的设计概念，详尽地分析了其时间、空间覆盖性[5]，并在后续的研究中对其多普勒特性和干涉性一一做出了解释[6]。

月基SAR作为一种未来技术，虽然目前已经有较多的可行性及应用领域方面的研究和预测，但计算机回波仿真成像研究仍然缺乏成果。本文结合已有研究及真实的月球运动模型，给出了完整的月基SAR回波仿真及成像结果展示，验证了月基SAR的可行性，并对月基SAR的系统设计，调整调试提供了可靠的支持。

1 月基SAR回波仿真

1.1 月基SAR与低轨星载SAR的区别

月球是地球的一颗天然卫星，与人造卫星相同，其所有的运动都可以用开普勒三定律来描述，而潮汐锁定现象的存在，使月基SAR的实现成为可能。但月球远超过其他人造卫星的超大斜距为系统设计和回波仿真带来了由量变到质变的设计难度。

Seasat是一颗典型的低轨SAR卫星，其轨道高度约为800km，离地心距离约为7 171km[7]。而月心到地心的距离约为380 000km，约是地球半径的60倍，同样是其他低轨卫星的数十倍[8]。这意味着月基雷达任何微小的抖动和误差都极有可能导致波束中心偏离地球，或者引入极强的星下点回波。

另一方面，月球半径有1 737km，这便不能将月球简单地看作质点，其自转速度必须在仿真过程加以考虑[9]。同时月球的自转轴与公转轴不平行，相当于一个天然滚转角。最后，月基SAR实现的是从一颗星体表面到另一颗星体表面的照射，星体自身半径和二者之间的距离都对照射轨迹有着较大的影响，所以往往被忽略的天体章动和平动现象，也必须加入到仿真模拟中[10]。

1.2 主要参数设计与回波展示

月基SAR系统参数设计，主要面临以下2个难点：

① 地球的自转角速度约是月球公转角速度的27.3倍，这意味着系统的方位向多普勒带宽主要来源于地球自转。而由于地球曲率的影响，地表不同位置的点速度矢量有着很大的差别，所以虽然月基SAR的研究是为了获取更大的观测带，但系统的波束宽度设计需要特别谨慎，以避免频域模糊问题[11]。

② 月基SAR是一个大斜视系统，所有的频率参数都随时间变化，所以观测时间不宜设置过长，以免为成像带来难度[12]。

基于以上考虑，仿真系统所采用的部分主要参数以及方位向频率参数计算结果如表1所示。设计条件为月球位于地球北半球时，布设在月球赤道的雷达以正侧视的姿态照射南半球，距离向场景中心为南纬15°。

表1Lunar-SAR仿真关键参数

参数及符号数值载波频率f0/Hz5×109距离向调频率Kr/(Hz/s)-1×1012脉冲持续时间Tr/s3×10-5仿真时间Ta/s70方位向采样率PRF/Hz500距离向天线尺寸Lr/m12.2方位向天线尺寸La/m400场景中心纬度latitudesc南纬15°多普勒中心频率fd/Hz530.038多普勒调频率fr/(Hz/s)0.978

单一点目标回波及脉冲压缩结果如图1和图2所示，因为全场景数据量过于庞大，只给出场景中心2 000m×2 000m结果。图中可以看到明显的距离徙动现象。

图1 单点目标回波实部

图2 回波脉冲压缩

2 月基SAR成像结果

目前的绝大多数SAR成像算法如RD(RangeDopplerAlgorithm)、CS(ChirpScalingAlgorithm)等都是基于线性孔径假设的，即假设SAR的成像带展开是一个平行四边形[13]。在实际应用中，虽然无法严格满足这一假设，但常见的机载SAR、星载SAR飞行高度较低，在一定的误差范围内可以进行近似处理[14]。但是月基SAR由于斜距过大，单一时刻的波束范围即可包括半个地球，其相对运动更多依赖地球的自转效应，是一种burst模式[15]，无法满足线性孔径假设，所以只能采取BP(Back-ProjectionAlgorithm)算法进行成像[16]。

单点目标和9点目标的成像结果如图3和图4所示，单点目标距离向和方位向一维强度曲线如图5和图6所示。

图3 单点目标

图4 9点目标

图5 距离向一维强度

图6 方位向一维强度

根据成像及一维切片结果，可以看到方位向和距离向都得到了较好的压缩，峰值旁瓣比也与-13dB的理论值较为吻合[17]。因为月球公转轨道是椭圆的，除了近地点和远地点，雷达都不是垂直照射，所以点目标所表现出的大斜视特性也与理论模型相符[18]。

3 结束语

在雷达总体设计领域，计算机仿真是重要且必要的准备工作之一，而有效成像更是其他后处理应用的基础。月基SAR的大斜距导致其在仿真模型上与传统星载SAR有很大的差别，并表现出了不同的性质。本文结合现有的研究成果，加以考虑几乎所有的地月几何关系，构建了一整套Lunar-SAR仿真成像系统。在月球赤道布设合成孔径雷达以burst模式对约1/6的地球表面积进行成像，并可通过调整天线尺寸、波束指向来调整雷达的覆盖性；调整距离向信号带宽、一次照射时间等来调整成像分辨率[19]。

另一方面，极大的数据量、雷达与场景间特殊的相对运动规律导致目前只能用BP算法进行成像，效率较低[20]。而成像结果表现出的分辨率和积分旁瓣比等也较理论值有所衰减。所以更快捷的成像算法，更深入的月基SAR特性分析等都是未来研究中十分重要的方向。

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