平流层飞艇SAR成像优化策略研究.DOC

1、平流层飞艇 SAR 成像 优化策略研究 贾高伟 杨希祥 （ 国防科技大学 空天科学 学院 湖南长沙 410073） 摘要 ： 平流层飞艇具有驻空高度高、覆盖范围广、驻空时间久、使用效费比高等特点，在侦察监视等领域应用前景广阔。结合平流层飞艇平台特性，分析了平流层飞艇合成孔径雷达（ Synthetic Aperture Radar, SAR）与机载 SAR 的异同；针对平流层飞艇 SAR 的 PRF 冗余及大振幅低频率运动误差，提出了优化方案，并开展了仿真分析验证。仿真结果表明本文提出的优化运动补偿方法能够有效消除平流层飞艇运动误差影响 。 关键词 ：平流层飞艇；快速响应； SAR 系统 中图分

2、类号 ： TN95 文献标志码 ： A 文章编号 ： Imaging Optimization for Stratospheric Airship SAR JIA Gaowei, YANG Xixiang (College of Aerospace Science and Engineering, National University of Defense Technology, Changsha, Hunan, 410073) Abstract： As a new SAR carrier, stratospheric airship has the potential as large o

3、bservation area, long drift time, and better efficiency. It is expected in many different applications, such as reconnaissance, surveillance, and environmental monitoring. In the paper, the imaging difference between the stratospheric airship SAR and airplane SAR is compared. To improve the imaging

4、efficiency, the optimization strategy according to redundant PRF and large amplitude trajectory deviation, respectively. Eventually, necessary simulation test is presented to validate the proposed method. Keywords: Stratospheric Airship; Fast response; Synthetic aperture radar 目前，我国 SAR 系统搭载平台主要有天基、

5、空基和地基三种：近地轨道遥感卫星轨道高度在500km 800km 之间，能够对固定目标或移动速度较慢目标实施高分辨侦察，但星载 SAR 系统开发成本高，代价大，轨道运行特性使其难以对突发关键区域进行快速观测响应。 相比于卫星，飞机的飞行高度低、机动灵活，但滞空时间短，机载 SAR 往往需要高额费用和高频率出勤率才能实现大范围、长时间的预警、侦察和监视。地基 ISAR 对空侦察的范围受到观测点地域限制，监视范围小，不能适应在广阔海域中的应用需求 。 临近空间浮空器（平流层飞艇或气球） 技术的发展为实现大范围区域预警和侦察监视提供了一种新的装备平台 1。平流层飞艇的飞行高度适中（约 20Km）、飞

6、行速度较慢、滞空时间长，将临近空间飞艇配置在国境线、海岸线、争议区域等并配置有效 SAR 载荷，可以对海面、陆地上目标进行有效观测和侦察，填补临近空间观测活动利用的空白，在军事、遥感、勘探、测绘、农业、水利等方面同样具有十分广泛的应用前景 2。 具体地，影响到平流层飞艇实际运行及执行任务能力的关键因素包括：临近空间低压低温环境、平流层飞艇蒙皮材料、平流层飞艇能源管理系统、平流层飞艇飞行控制等。这些因 素将影响平流层飞艇 SAR 系统的温控设计、 SAR 体积重量功耗、 SAR 成像算法及运动补偿 算法 等 3-5。本文将着重分析平流层飞艇 SAR 在成像几何、成像算法、运动补偿处理等方面的特性

7、 。 _ *作者简介 ： 贾高伟（ 1989-），男，河南周口人，讲师，博士， E-mail： ji_ 杨希祥，男，河北阜城人，副教授，博士。 1. 平流层飞艇 SAR 与机载 SAR 的差异 本文分 析的 平流层 飞艇 的运行 高度约18km-20km, 该 环 境条 件下 最 低大 气 温度 约-70 ，大型机载 SAR 平台飞行高度约 8-10Km, 对应的大气温度约 -30 ，因此平流层飞艇 SAR系统设计当考虑器件的低温特性 或载荷 系统的温控系统。同时，为减小 SAR 系统对平流层飞艇能源系统的压力， 应当在 SAR 系统发射功率与天线增益之间做出折衷。 此外 ，平流层飞艇体积庞大

8、，适合安装轻质大面阵高增益天线系统。 在 SAR 工作环境特性、功耗尺寸限制之外，平流层飞艇 SAR与机载 SAR的最大差异体现在巡航速度上。一般机载平台（如运八）的巡航速度在 150m/s ，而平流层飞艇的巡航速度在10-15m/s 之间 1,6-7。这里设定平流层飞艇的巡航速度为 10m/s。低速运动特性对平流层飞艇的影响包括：合成时间延长，航向运动误差 补偿的必要性 及 PRF 冗余。 1.1 成像几何的差异 类似于机载 SAR，平流层飞艇 SAR 的成像几何为： 图 1 平流层飞艇 SAR 成像几何 Fig.1 The geometry of stratospheric airship

9、 SAR 设 H 为平流层飞艇高度， BW 为合成孔径积累角， 0R 为零多普勒斜距， R 为雷达相位中心（ APC）同目标 n n n( , ,0)T x y 之间的瞬时斜距，设平流层飞艇巡航速度为 V 。结合 SAR 成像知识，中心斜距处平流层飞艇 SAR 的合成孔径长度为： BWSAR 02 tan( )2LR (1) 设平流层飞艇 SAR与机载 SAR的典型参数如下： 表 1 参数对比 Tab.1 Parameters comparison 参 数 机载 SAR 平流层飞艇 SAR 运行高度 8000m 20000m 运行速度 150m/s 10m/s 雷达载频 10GHz 10GHz

10、 信号带宽 400MHz 400MHz 方位向波束宽度 2.3 2.3 雷达下视角 4575 4575 结合表 1可以计算得到中心斜距处机载 SAR的合成孔径长度为 567m,对应合成孔径时间为3.78s；而中心斜距处平流层飞艇 SAR 的合成孔径长度为 1417m，对应的合成孔径时间约为94.5s。 以观测静止 场景或目标 为例， 理论上 合成孔径时间的延长对成像质量并无影响，但无论是机载 SAR 还是平流层飞艇 SAR，都无法避免气流扰动及控制偏差带来的轨迹偏离 ，这对实际成像处理带来了挑战 。 1.2 运动误差的影响 平流层飞艇的总体布局，飞行机理和工作模式不同于导弹、飞机等飞行器 1,

11、 8。平流层飞艇主要依靠浮力气体提供静升力，具有很大的体积 /质量比，惯性大等特点，附加质量和附加惯性作用明显。同时，平流层飞艇为充气柔性体，存在一定程度的弹性变形，外界大气环境对飞艇有着复杂的多物理场耦合作用 ，因此其运动误差特性不同于常规飞机 。针对 SAR 成像关注的航迹和姿态，其特点概括为： （ 1） 体积 /质量比大，飞行速度缓慢，惯性特征显著，运动误差的频率响应主要是低频。 （ 2） 平流层飞艇体积大，在临近空间环境中（低动压）气动控制效率低，控制响应迟缓，导致其偏离预设航迹的幅度大。 由此得知，平流层飞艇将带来 大 振幅 低频率运动误差 。 一般地，方位向多普勒调频率可以定义 为

12、 2 02 / /vR ， v 为航向理想速度。对于航向速度误差 v ， 引入的多普 勒调频率相对 比值 为22( ) /v v v 。由于 平流层飞艇巡 航速 度慢，因而相同的 航向速度偏差对应的多普勒调频率 相对 变化量 很大，对方位向成像影响显著 ，需要进行 PRF 实时调整予以克服。 1.3 PRF 冗余的影响 以正侧视条带 SAR 为例， SAR 的多普勒带宽为： BWa 4 sin( )2VB (2) SAR 系统设计时要求 aPRF B ，由表 1 可知， 在 同等方位分辨率条件下， 机载 SAR 和平流层飞艇 SAR 对应的多普勒带宽分别为 300Hz和 20Hz，有 15 倍

13、冗余。 PRF 冗余将增加方位向处理数据量， 但 通过方位滤波或抽样等处理带来的效益并不高。 2. 相应的 优化 策略 第二章的分析表明，平流层飞艇 SAR 相比于机载 SAR，具有合成时间长、孔径长、 PRF冗余大、运动误差幅度较大等特点。从成像机理上讲，这些因素并不会直接影响 SAR 成像质量。但为了提高成像效率、更为高效地利用平流层飞艇平台开展对地高分辨率成像，有必要对平流层飞艇 SAR 成像过程 进行优化，具体包括冗余PRF 的利 用以及改进 适用 于 频 域 成像算法 的运动补偿流程。 2.1 冗余 PRF 的利用 结合平流层飞艇运动速度慢的特点， 利用 阵列数字波束形成技术，可以分

14、时收发数据，拓展平流层飞艇 成像（观测）范围 。具有来讲，包括方位向多波束切换和距离向多波束切换两类，结合具体雷达参数，也可以将两者有效结合起来。 (1) 方位向多波束切换 在不同的脉冲重复间隔（ PRI），通过数字波束生成不同斜视角的波束，以三种波束角为例，在三个时刻，分别以后斜视角 s ，正侧视，前斜视角 s 辐射电磁波。随后对接收到的回波区分，分别生成后斜视回波矩阵，正侧视回波矩阵，前斜视回波矩阵。同样的合成孔径长度内，可以得到三幅雷达图像，通过拼接、裁剪重叠区域，能够获取更长的方位向测绘宽度。如图 2 所示，PRI1， PRI2， PRI3 三个时刻 对应的飞艇空间位置近乎相同，图中显

15、示是为区分示意三个不同时刻。 若按照正侧视录取回波，对应的方位向测绘宽度 观测场景图 2 方位向多波束切换示意图 Fig.2 Multi-beam switch in azimuth direction 为 0L ，采用方位向波束切换后，对应的测绘宽度为 sumL 。通过参数设计，该处理模式能够 允许SAR 在成像过程中间歇性关机，节约电量。 (2) 距离向多波束切换 另一种利用冗余 PRF 的方式是距离向多波束形成，同样地以三个波束为例，在 PRI1， PRI2，PRI3 三个时刻，生成下视角为 1 ， 2 ， 3 的三个波束并辐射电磁波。随后对接收的回波区分，成像得到对应于不同测绘带的雷达

16、图像。各测绘带之间的重叠区域用于图像拼接。在这一成像模式下，需考虑到距离模糊问题， 并选取合理的 雷达回波 接收 增益。距离向多波束切换，能够很大程度 地增大测绘带宽。 高度向地距向方位向图 3 距离向多波束切换示意图 Fig.3 Multi-beam switch in range direction 需要说明的是，无论是方位向还是距离向多波束切换，机械扫描因重量大，响应时间较长等原因，都不适合于平流层飞艇。可以通过多通道多天线设置或者相扫来实现多波束切换。 2.2 大空变运动误差的 影响与消除 （ 1）大幅度运动误差的影响 测绘带图 4 实际运行轨迹下平流层飞艇 SAR 成像几何 Fig.

17、4 The geometry of stratospheric airship SAR in the presence of motion errors 图 4为非理想情况下正侧视 平流层飞艇 SAR的成像几何示意图。在笛卡尔直角坐标系 XYZ 中， O为坐标原点，预定航迹高度为 H，预定沿X 向飞行，图中沿 X向虚线代表实际飞行轨迹，P 为实际飞行轨迹上的 雷达相位中心 (APC)位置。相对于理想飞行， 设 雷达 APC沿 X、 Y、 Z向误差分别为 m()Xt ， m()Yt 和 m()Zt ， mt 是方位慢时间。 可以得到 P 点的坐 标为m m m( ( ), ( ), ( )X t

18、 Y t Z t。 m()Xt 表示 APC沿 X向的实际位置，对于测绘带中任意一点 n n n( , ,0)T x y ，其与雷达 APC的瞬时斜距为： 2 2 2m m n m n m( ) ( ( ) ) ( ( ) ) ( ( ) )R t X t x Y t y Z t H （ 3） 定义目标 nT 到理想航迹的零多普勒斜距为： 220 nR H y （ 4） 理想情况下，目标 nT 到雷达 APC 之间的瞬时斜距为： 2 2 2r m m n n( ) ( )R t V t x y H （ 5） 则非理想运动轨迹引入的瞬时斜距误差为： mmm2 2 2m n m n m2 2 2m

19、 n n()( ) ( )( ( ) ) ( ( ) ) ( ( ) )()rRtR t R tX t x Y t y Z t HV t x y H （ 6） m()Rt 是运动补偿的核心要素，在运动补偿处理中， m()Rt 的表达形式及方位空变性是重点需要考虑的。结合成像知识， SAR 平台运动误差可以分为沿视线方向（ Line of Sight, LOS）和沿方位向。 如前文所述，这里假设 方位向速度误差 已由 实时调整 PRF 克服。为此，这里忽略沿方位向（ X 向）速度误差， 仅 考虑 LOS 向运动误差。 经方位向 PRF 调整后，可以等效认为 SAR平台 匀速运动，进而得到瞬时运动

20、误差的表达形式为 2 2 2r m m n m n m2 2 2m n n( ) ( ) ( ( ) + ) ( ( ) )()R t V t x Y t y Z t HV t x y H （ 7） 针对常规机载 SAR 成像几何， rm()Rt 的近似表达式为 9： 0r m m mrmmm( ) ( ) sin ( ) c os ( t )c os ( ) sin ( ) c os RR t Y t Z tRY t Z t （ 8） 基于式（ 8），取 0 得到视线平面内运动误差为 L o s m m m( ) ( ) s i n ( ) c o s R t Y t Z t （ 9） 针对

21、常规机载 SAR 成像几何，利用 式 (9)表示雷达 APC 在视线平面内运 动误差 是满足要求的 。 式（ 9）的成立前提是 m()Yt 、 m()Zt 远小于 rm()Rt ，而这样的假设对于平流层飞艇 SAR而言不再适合。相应地， 对瞬时斜距误差进行如下处理： rm2 2 2m n m n m2 2 2m n n220 m mmmr m r m2 2 20 m 0 m m m3rmmm( , )( ) ( ( ) ) ( ( ) )()( ) ( ) ( ) s in ( ) c o s ( ) 2 ( ) 2 s in ( ) 2 c o s ( ) ( ) ( ) 8 ( )c o

22、s ( ) ( ) s in ( ) c o sRtV t x Y t y Z t HV t x y HR Y t Z tY t Z tR t R tR Y t R Z t Y t Z tRtY t Z t 22mm02 2 230 m m m m30m( ) ( )2 2 ( s in ( ) c o s ( ) ) ( ) ( ) c o s ( )8 ( )Y t Z tRR Y t Z t Y t Z tRt (10) 令 rm()Rt 取 0R （即 0 ），得到零多普勒位置对应的运动误差，亦即 LOS 向运动误差为： L o s m22mmmm02 2 20 m 0 m m m30

23、( , )( ) ( ) ( ) s in ( ) c o s 2 2 s in ( ) 2 c o s ( ) ( ) ( ) 8RtY t Z tY t Z tRR Y t R Z t Y t Z tR （ 11） 理想位置实际位置图 5 视线平面运动误差示意图 Fig.5 the motion errors in the LOS plane 图 5 给出了 Los m( , )Rt 、 0R 、 等参数的几何示意。 结合式（ 10），对于某一时刻 mt 对应的运动误差 m()Yt 和 m()Zt ，波束边缘处对应的误差为： am22B W m mmm020 m m22mm 3 BW30m

24、()( ) ( )c o s ( ) ( ) s in ( ) c o s 2 ( s in ( ) c o s ( ) )( ) ( ) c o s ( )8 ( ) 2RtY t Z tY t Z tRR Y t Z tY t Z tRt （ 12） 则对应的运动误差最大方位空变量为： a L os m a m( ) ( )r R t R t （ 13） 量化地，对于平流 层飞艇 SAR， 设 m()Yt 和m()Zt 满足余弦曲线，振幅 均 为 100m。 结合表1 中雷达参数及成像几何，随着下视角的增大，计算得到 如图 6(a)所示曲线 。观察发现 ，式 (9)引入的近似误差 在 距离

25、分辨单元 的量级 ， 会严重降低成像质量。 图 6(b)表示利用式（ 11）计算对应的近似误差，可以看到在零多普勒位置，近似引入的误差小于波长，满足成像要求。此时的运动误差对于波束边缘点将引入空 变误差，如图6(c)所示，可以看到由于运动误差幅度较大，对于波束边缘点仍存在不容忽略的空变误差，但量 (a) 传统公式近似引入的误差 (a) The errors derived from the traditional formula (b) 公式 (11)对应的近似误差 (b) The errors derived from equation (11) (c)公式 (11)对应的误差最大空变量 (

26、c) the maximum of space variable by equation (11) 图 6 运动误差量化分析 Fig.6 Numerical analysis of motion error 值在小于一个距离分辨单元，表明可以在一阶补偿中忽略式 (11)引入的方位空变量。但在二阶补偿中，必须考虑方位空变性。 运动误差的补偿，涉及三个方面，一是运动误差的精确表达形式，二是运动误差的方位空变性，三是运动误差的距离空变性。对于距离空变性，可以通过距离向分子带成像处理，并以距离向子测绘带中心斜距对应的误差完成一阶运动补偿，本文对此不再展开阐述。后续的运动误差补偿着重考虑前两因素的影响。

27、 （ 2）基于频域成像处理 的 运动 误差消 除 事实上，无论是讨论运动误差的解析表达式还是考虑运动误差的空变性，都是为了配合频域成像算法，如 NCS 算法， K 算法，因为 频域 成像算法 计算量小，对数据存储空间要求也小，利于实时成像处理。 在频域成像处理中，“两步运动补偿法”是可行且高效的运动补偿方法。以NCS 算法为例，基于式 (11)，在距离频域方位时域，进行一阶运动补偿，此时的补偿因子为： m oc o1 L os m r e fe x p ( j2 ( , ) )H k R t （ 14） k 表示距离向波数，随后进行变标处理、距离徙动校正、回波数据变换至距离压缩，方位时域。由于

28、运动误差的方位空变性，需要利用子孔径处理的方式克服空变性。在每一段子孔径内，近似认为运动误差是不变的。利用方位频率同雷达成像角 之间的对应关系 2 sin /afV ，将 子 块回波 变换到方位频域，则不同方位频率对应于不同的雷达成像角，利用这种关系可以进行与斜视角相关的方位空变相位 误差补偿，具体补偿因子为： m o c o 2 c r m i d L o s m i d r e fe x p ( j 2 ( ( , ) ( , ) ) )iiH k R t R t （ 15） 其中 midit 表示第 ,0i i I 个子孔径的方位中心时刻， I 为总的子孔径数量。 r mid( , )i

29、Rt 为第 i 个子孔径对应的沿不同下视角的平均运动误差， Los mid ref( , )iRt 为第 i 个子孔径对应的沿中心斜距处 LOS 向运动误差。 ck 为中心波数。完成二阶补偿后，将子孔径数据变换至方位时域，重新合并，再进行方位脉冲压缩处理。如此即完成了 空变运动误差补偿。 3. 仿真分析 对于第 2.2 节介绍的改进运动补偿方法，本章进行仿真验证，采用表 1 所示平流层飞艇 SAR 1 2 34 5 67 8 9(a) 目标布置示意图 (a) displacement of multi targets (b) 采用经典运动补偿 方法 对应的成像结果 (b) The result

30、s processed with traditional MOCO method (c) 未考虑方位空变性 的成像结果 (c) The results processed without considering the azimuth space variance (d)完整的运动补偿成像结果 (d) The results processed with the proposed MOCO method 图 7 仿真结果对比 Fig.7 Results comparison 参数，并设运动误差 Y 和 Z 为振幅 100 米的余弦曲线，距离向测绘子带宽度设为 150 米。在场景中设置 9 个点

31、目标，方位向间隔 20 米，地距向间隔 30 米。结合成像处理，可以得到如图7 所示仿真结果。直观地，利用本文方法处理能够有效消除运动误差的影响，得到的良好的成像结果。 以边缘处点目标 3 为例，三种不同的运动补偿处理对应的 距离向 /方位向成像结果剖面图 如图 8 所示，其中点线、短划线、实线分别对应传统“两步法”运动补偿（ MOCO）、未考虑方位空变、本文所提方法处理得到的成像结果。对比发现，针对平流层飞艇 SAR 运动 误差幅值大、周期长的特点，传统的运动误差近似处理已经不能满足应用需要，同时，运动误差的方位空变性必须予以考虑。本文提出的运动误差近似处理及方位空变性处理方法，能够克服运动

32、误差的影响，得到聚焦良好的 SAR 图像。 (a) 距离向成像结果剖面图 (a) Profiles in range (b) 方位向成像结果剖面图 (b) Profiles in azimuth 图 8 方位向成像结果对比 Fig.8 The comparison of results in azimuth 量化地，图 8(b)中本文方法对应的方位向点散 布函数的分辨率为 0.33m，同理论值一致；峰值旁瓣比（ PSLR）约为 -12.6dB，积分旁瓣比（ ISLR）约 -9.1dB，尽管 PSLR 和 ISLR 同精确成像的理论值有所降低，但满足实际应用，表明了 2.2 节运动补偿流程的可行

33、性。 未来 工作将考虑 本文误差补偿方法对图像几何失真的影响10。 4. 结论 本文建立了平流层飞艇 SAR 成像几何，结合平流层飞艇典型运行环境，对比分析了平流层飞艇 SAR 与机载 SAR 系统的异同，分析得到 ：相比于机载 SAR，平流层飞艇 SAR 并没有颠覆性的区别，适用于机载 SAR 的成像算法依旧适用于 平流层飞艇 SAR，但对应的成像效率较低。但低速条件下航向运动误差对成像影响更为显著，需予以补偿； 针对 PRF 冗余，本文提出了方位向波束切换和距离向波束切换策略提高平流层飞艇 SAR 成像效率； 分析得到 平流层飞艇存在 大振幅低频率的轨迹偏移 结论 ， 并 提出了改进的运动

34、补偿策略，使之能够配合频域成像算法，仿真分析表明了所提改进方法的有效性。 参考文献 1 杨跃能，平流层飞艇动力学建模与控制方法研究D，长沙：国防科技大学， 2013. YangYueneng, Dynamics Modeling and Flight Control for a Stratopheric Airship D. Changsha: National University of Defense Technology, 2013. 2 WenQin Wang, Near-Space Vehicle: Supply a Gap between Satellites and Airpla

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