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1、天基S A R G M T I 的几个问题3天基S A R G M T I 的几个问题( 摘要)保铮( 西安电子科技大学雷达信号处理重点实验室)天基合成孔径雷达( S A R ) 成像已得到广泛应用，在天基S A R 的基础上，进行地面动目标检测( G M T I ) 处理，可以在固定场景图上直接显示出动目标，便于应用，因而受到广泛关注。但S & R G M T I 的实现还有不少问题需要解决，特提出与大家共同讨论。天基S A R 成像技术已经成熟，如果在该S A R 雷达沿航向的一定距离处，增加一个接收天线和通道，并同样进行成像处理，便可得到与原雷达通道所成图像相同的固定场景图，只是时间上有
2、一定的时延。将这两幅复图像经图像配准、通道均衡后作相减处理，则两者的固定场景由于完全相同( 不考虑固定杂波的微小内部运动等因素) 而被消去，地面动目标则由于两图的成像时间有一定时差、两者的像元有一定的相位差，因而动目标会在差图像里显示出来( 某些速度的动目标也会被消去，称为盲速，将在后面说明) 。上述方法实际上用的是天线相位中心偏置( D P C A ) 原理。传统的D P C A 用的是不同时刻的回波相减，要求相应时刻的天线相位中心( 或等效相位中心) 位置应精确相同，例如，用调整脉冲重复周期的方法来实现；在这里则要求成像基准点的等效天线相位中心位置精确相同。由于成像实现了高分辨，某一像素相
3、应于很小的空间，若成像基准点的天线相位中心位置有小的差别，可以通过图像配准作校正。不仅对沿航向的位置差，对正交于航向的位置差也可作校正，类似于I n S A R 中作高程测量时所用的方法。S A R G M T I 一般用于低轨道卫星，卫星的速度是很高的，约7 k i n s ( 即7 m m s ) ，即若两天线的等效相位中心距离为7 m ，则在相同参考位置成像的时间差只有 I I I S 。对于速度较慢的目标，回波在其间的相位变化太小了。为了减小对动目标的最小可检测速度( M D V ) ，必须加大这一时间差，也就是要加大两天线闯的距离，一般为百米量级。几百米的天线距离给实际实现带来困难，
4、在一颗卫星上加装很长的天线是一种方案，另外的方案是采用拖曳式天线，或用分布式小卫星“o 。当前，一种讨论较多的分布式天基S A R 是主从式，即雷达发射机装置在一个一般的低轨卫星上，另外发射两( 多) 个只装有接收机设备而轨道相近、运转周期相同的小卫星，构成小卫星群( 座) ，这一星座与主卫星相距几十千米或更远，而星座内各星的距离为几百米到千米量级。分析表明，这种运行周期相同的星座的构形不可能保持不变，它们以一定的虚拟中心、按H i l l 方程转动，常用的有C a r t w h e e l 型和P e n d u l u m 型或为混合型，星座的转动周期与星座绕地球的转动周期相同，即在不长
5、的成像时间内，各个小卫星基本与主卫星绕地球近似为直线平行运动，但在不同的地球纬度处小卫星之间以及它们与主卫星的位置关系是变化的。如上所述，以两颗小卫星为例，可以从它们接收到的回波对地面场景( 含地面运动目标) 成像，只要两颗小卫星问有一定的沿航向基线，就可用前面介绍的D P C A 方法，将两幅复图像相减，消除固定杂波而检测出动目标。必须指出，上述基本原理虽然简单，但要获得好的G M T I 检测性能则不是一件简单的事。2 0 0 5 年中国合成孔释雷达会议论文集为_ 厂使两幅复图像的固定杂波能很好地相减，两者必须尽可能一致，这在单站S A R 罩比较容易做到，因为单站S A R 的精确成像算
6、法已经成熟。而现在碰到的是两个基线长度不同的双站S A R 成像，双站的精确成像仍是研究中的问题。对不同基线长度的双站成像必须注意它们的计算精度。对于两个不同通道的成像结果要一致，必须实现通道均衡，成像通道的系统特性可以用点散布函数( P S F ) 来描述。若场景以散射点模型表示，S A R 图像相当于系统的二维点散布函数与场景二维散射点分布的卷积。特别是对构形不同( 如基线不同) 的双站S A R ，要设法使两者具有尽可能相同的点散布函数。两幅复图像能很好相减，还要求两者相应的像素具有高的相干性。因为一个像素中仍包含有大量散射点，像素所相应的回波实际为其中众多散射点子回波的和，在单站S A
7、 R 的两幅图像单，只有两者对像索的视角相同，即两者散射点子回波的相位蓑均相同，才有相干系数为1 的高相丁性；否则，随着视角差的加大，散射点子回波的相位差的变化随之增加，两像素的相干系数会迅速下降。为此，在两个单站的S A R G M T I 系统中，应去除成像过程中方位视角不同的部分( 当两雷达的波束指向角有差别时会发生) ，以提高两者像素的相干性。至于由于垂直于航向的基线而使波束的仰角不同的去相干，也应采用类似于I n S A R 高程测量巾的解去相下方法加以消除。舣站S A R 的相下性问题要复杂些，对一个像素要同时考虑来自发射机的入射角和面向接收机的反射角，当双站具有不同长度的沿航向基
8、线时，入射线、反射线的张角是不同的。当两者张角的角分线一致时，相干系数近似最大，但仍小于l ，且随张角差的增加而减小。对于这种情况，在图像配准条件下，如何提高相干性是值得研究的。应当指出，S A R 的高程测量和动目标检测同属于I n S A R ，都要利用双( 多) 站 或双( 多) 通道 ，后者的双站利用沿航向基线，而前者的双站则利用正交于航向的基线。既然同为干涉式处理，任一像素对双站必须有好的相干性，而动目标检测对相干性的要求比高程测量高得多。以相干系数等于0 9 为例，两幅复图像相减后的固定杂波衰减只有7 分贝。将相干系数提高到0 9 9 ，杂波衰减也只有1 7 分贝。可见，为了提高地
9、面动目标检测性能，必须设法提高两幅复图像相应像素的相干性。S A R G M T I 的分辨率单元选多大为合适，也是需要研究的问题。为了减小单元回波的杂波强度咀及提高像素对双站的相干性，分辨单元应当取小一些。但分辨单元取小在S A R G M T I 里也有限制，因为小的横向分辨单元要求有长的合成孔径时间，即对所观测的场景需有较长的驻留时间，这会带来两个方面的限制：其一是目标在该时间内会造成速度较高的动日标发生越距离单元徙动( M T R C ) ，这会使动目标严重散焦并降低强度；其二是S A R G M T I 通常只是对所需的区域进行观测，在一次航程里应对该区域进行多次观测，天线应具有扫描
10、功能，只再访时间一般应不超过6 0 s 。这样就可在一次航程里得到动目标形成的航迹场景图，这对战场感知是十分必要的，而且在航迹处理中可使虚警率大幅度下降。由于f ：述两个原因，S A R G M T I 的分辨单元应适中选取，如取为1 0 1 5 m 。对这样的分辨率，一般的动目标在场景图像里显示为“点”或“斑点”目标，难以对目标进行分类或识别，而对地面动目标的识别通常是必要的，为此雷达可对检测到的动目标发射单次( 或少数几次) 宽带脉冲，获其高分辨距离像( H R R P ) ，用作动目标识别。以上是设计分布式天基S A R G M T I 系统应当充分考虑的一些问题，而将该系统用下寅际，对
11、得到的数据进行S A R G M T I 处理时，还要对一些问题特别加以关注。天基S A R G M T I 的几个问题首先仍是图像配准问题，分布式卫星不可避免地会有位置误差，通过系统的测量和估计，可将星座问基线的误差控制在分米级，这样的精度不满足S A R G M T I 的要求，要在成像配准算法中解决。两图像的配准要在同一大地坐标里进行，而S A R 是一个两坐标成像测量系统，其成像实际为三维空间在航向的轴向和径向二维坐标平面里的投影，只在航行的高度和场景高度已知时，才能从成像平面准确映射到大地平面。分布式卫星的高度可能有差别，地面的高程也可能没有先验信息，因而两通道的成像和映射误差会不一
12、样，且有空变性。为此，两图像除进行宏观的粗配准外，还要进行局域的精配准。完全用系统估计的方法得到足够的误差精度和配准精度是困难的，用自适应配准处理可能是一条途径，图像的空变性是缓慢的，两幅复图像在较小的局域里，可能有幅相、尺度、平移和旋转等差异，噪声等随机因素也会使两者有小的差别。如果能确定所讨论的小的局域场景确为固定杂波，则将其中一幅图像作一定变换就可使两图像精确配准。为此，当对某一单元进行检测时，可在其周围选取不存在动目标或具有其他异常特性( 如水面或阴影等) 的单元作为参考单元，也就是参考单元与检测单元对双( 多) 站测量具有相同特性，通过对它的变换可使检测单元精确配准n 一。在这样的操
13、作中，参考单元去污染是重要的。由于采用了不同构形双站的双通道，可以预计到，即使作了正确的预处理，在固定杂波的条件下，差图像还会有较多的杂波剩余。由于S A R 的高分辨，差图像杂波剩余的概率分布会“长尾化”，即有较多的强点状剩余，作恒虚警率处理时要考虑L 5 一。动目标检泓还存在速度响直问题，对只有丽颗小卫垦的S A R G M T I 系统，在速度响应方面等同于普通地基雷达的两脉冲相消，速度响应形状是一定的，只是频率尺度可以改变，如果用长的基线，其最小可检测速度( M D V ) 可以减小，但周期性的盲速也随之减小而增多；反之，用短的基线，可以延伸盲速，但M D V 会加大。为了改善速度响应
14、( M D V 和盲速两方面综合改变) ，须增加系统的自由度，即添加小卫星的数目，其对速度响应的控制与一般地基雷达多脉冲M T I 相消类似，这里不再讨论。另一需要指出的问题是动目标的定位，采用线性调频信号，对于速度不很快的动目标，S A R 处理仍能对其进行聚焦，只是由于频时耦合在方位向会产生偏移，因此要对动目标回波重新定位。由于动目标回波对原中心频率有偏移，有可能据此算出它在方位向的偏移量，但这只在固定杂波剩余远小于动目标回波的情况下才有可能。在一般情况下，应沿航向再加一路接收天线和通道，从3 个接收通道输出分别得到场景图像，将这3 个图像两两相减，得到固定杂波被抑制的两幅差图像，其中动目
15、标回波的相位差是不同的，由此可估计出该动目标的横向位置。由于有多个接收天线和通道，也可在同一时刻选取两个作为基准的等效天线相位中心，并分别得到固定杂波被抑制的差图像，然后用干涉法估计出动目标的横向位置。近年来，天基S A R G M T l 受到广泛关注，逐渐形成研究热点。本文只是就其中可能发生的问题进行了思考，有些问题已基本解决，有些还有待于进一步研究。本文的内容曾与王彤、李真芳、张振华等作过较详细讨论，并得到他们的帮助。参考文献lnA L e a t h e r w o o d 。W LM e l v i n ，R A c r e e C o n f i g u r i n gaS T )
16、 a r s eA p e r t u r eA n t e n n af o rS p e c eb o r n eM T IR a d a r I E E ER a d a rC o n f e r e n c e ，2 0 0 32J H G E n d e r S i g n a lT h e o r e t i c a lA s p e c t so fB i s t a t i cS A I LI n t e r n a t i o n a lG e o s c i e n c ea n dR e m o t e2 0 0 5 年中国合成孔径雷达会议论文集35S e n s i n gS y m p o s i u m2 0 0 3 ( I G A R S S 0 3 )I W a l t e r s c h e i d ，J H G E n d e r ，A R B r e n n e r ，0 ，L o f f e l d B i s t a t i cS A P , P r o
