1、机载多维度SAR航空观测系统实验初步进展周良将汪丙南王亚超*朱勇涛焦泽坤宋晨王钟斌韩冬丁赤飚(中国科学院空天信息创新研究院北京100190)(微波成像技术国家级重点实验室北京100190)摘要：随着合成孔径雷达(SAR)技术的发展，从极化、频率、角度和时相等多个维度空间联合观测成为SAR发展的重要趋势，但维度联合观测的系统与实验少有报道。该文概要介绍了机载多维度SAR(MSJosSAR)航空观测系统的能力，归纳总结了该系统的技术特点。提出多维度SAR一致性成像方法，实现多波段成像后的配准精度优于1个像元。分析了多波段极化角度特征谱、多方位角层析3维结构重建、多时相相干变化检测等3种SAR多维观
2、测量的初步实验结果，验证了系统的多维观测能力。关键词：机载SAR；多维度SAR；SAR一致性成像；SAR3维成像；相干变化检测中图分类号：TN957.52文献标识码：A文章编号：1009-5896(2023)04-1243-11DOI:10.11999/JEIT220250Preliminary Process of Airborne Multidimensional SpaceJoint-observation SAR SystemZHOULiangjiangWANGBingnanWANGYachaoZHUYongtaoJIAOZekunSONGChenWANGZhongbinHANDong
3、DINGChibiao(Aerospace Information Research Institute,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China)(National Key Laboratory of Microwave Imaging Technology,Beijing 100190,China)Abstract:WiththedevelopmentofSyntheticApertureRadar(SAR)technology,MultidimensionalSpaceJoint-observation,whichincludesp
4、olarimetry,frequency,angle,andtimespaces,hasbecomeanimportanttrendinSARdevelopment,buttherearefewreportsonsystemsandexperimentsaboutit.Inthispaper,thecapabilitiesoftheairborneMultidimensionalSpaceJoint-observationSAR(MSJosSAR)systemarebrieflydescribedandthetechnicalcharacteristicsofthesystemaresumma
5、rized.ASARconsistentlyimagingalgorithmisproposedandtheregistrationaccuracyofMultibandimageisbetterthan1pixel.Thepreliminaryprocessofthreemultidimensionalspacejoint-observations,includingmulti-bandpolarizationanglefeaturequantity,multi-aspecttomographythree-dimensionalreconstruction,areanalyzed,multi
6、temporalcoherencechangedetection,whichverifytheabilityofmultidimensionalspacejoint-observation.Key words:AirborneSAR;MultidimensionalSpaceJoint-observationSAR(MSJosSAR);SARconsistentlyimaging;SAR3Dimaging;Coherentchangedetection1 引言合成孔径雷达(SyntheticAperatureRadar,SAR)通过主动发射微波谱段的电磁波，获取观测对象的散射信息进行成像探测。
7、SAR具有全天时、全天候等特点，已经成为遥感探测的一种重要技术手段，在森林资源探测、目标探测与识别、3维重建、变化监测等方面具有广阔的应用前景13。机载SAR系统具有机动、灵活等特点，主要用于先进的SAR系统技术实验和科学应用研究，成为各国SAR技术发展的重要平台。机载SAR系统开始于20世纪60年代，发展验证SAR的2维成像探测等技术。随后，机载SAR系统开始向多波段、多极化、干涉等方向发展4,5。美国的AIRSAR系统6，可搭载C,L和P3个波段，其中L,P波段为全极化。加拿大CV580机载系统开展C,X双波段重轨干涉实验，研究了机载重轨干涉的形变测量等应用7。法国研究的RAMSES系统8
8、，可同时搭载P,L,S,C,X,Ku,Ka,W中的3套SAR，随着该系统所采用机载平台的退役与更新，后续的SETH系统9可搭载收稿日期：2022-03-10；改回日期：2020-06-20；网络出版：2022-06-27*通信作者：王亚超第45卷第4期电子与信息学报Vol.45No.42023年4月JournalofElectronics&InformationTechnologyApr.2023全极化的P,L,X3个波段。巴西的OrbiSAR系统具有X,P两个波段，X波段为双天线干涉模式10。德国的F-SAR系统11可同时搭载P,L,S,C,X5个波段的雷达，其中X和S具备交轨干涉的能力。国
9、内中科院空天院、中电38所等先后开展了机载SAR系统的研制。中科院空天院十五期间研制了国内第1套机载X波段干涉SAR12，参与研制国内第1套业务化运行的X,P双波段机载SAR系统13。随着SAR机载系统技术的发展，SAR数据观测能力也由传统的单一通道的成像处理，扩展到多通道(干涉、极化)14,15、多时相16,17、多波段18,19、多角度2022等。文献21利用多方位角的层析SAR数据实现了植被区域的3维重建；文献22开展了机载圆迹层析观测实验，实现了全方位角度(360)的3维成像。纵观机载SAR系统及处理技术的发展，SAR的观测能力从传统的“时间-空间-波段-极化”单维度拓展到多个维度观测
10、的融合处理2325。文献26提出了多维度SAR的概念，科学地建立了多维度观测空间与多维度的内涵。多维度SAR要求从极化、频率、角度、时相等至少两个维度空间内进行观测，通过信号与信息综合处理，获得观测对象的空间位置、散射机理和运动特性等几何特征与物理特性的信息获取技术。但在国内能够支撑多维度相关研究的机载SAR系统尚属空白，缺乏相应研究数据，亟需开展相关系统研制和数据处理工作，促进多维度观测的理论发展、科学研究与应用。在此背景下，中国科学院空天信息创新研究院联合国内优势单位，在高分辨率对地观测重大专项项目支持下，研制出国内首套覆盖6个波段的全极化多维度合成孔径雷达工程样机，基于新舟60遥感飞机平
11、台完成全系统集成，构建形成机载多维度SAR航空观测系统(简称“多维度SAR系统”)，本文归纳总结了多维度SAR系统的技术特点，初步分析了3种多维度SAR观测应用，并进行了实验验证。2 多维度SAR系统的技术特点多维度SAR系统是以波段、极化、角度等多个维度联合工作为探测手段，可获取6波段、全极化、360全方位目标电磁散射信息，涵盖P,L,S,C,X,Ka共6个波段，是目前国内波段最全的SAR系统。可同步实现6波段、全极化、高分辨率对地观测，具备干涉、差分、圆迹、地面运动目标检测(GroundMovingTargetIndication,GMTI)等多模式成像能力，分辨率0.0510m，其中C和
12、Ka具备双天线干涉能力，满足1:10000和1:5000测图需求，整体性能达到国际先进水平。系统的工作参数如表1所示，系统的天线安装等如图1所示。多维度SAR系统主要由P,L,S,C,X,Ka6个雷达分系统、维度联合分系统和其他设备(如定位定姿设备、导航等)等组成，其系统特点包括：(1)灵活的工作方式。各雷达分系统的工作方式可根据用户需求、实验场景等进行灵活动态调整。各雷达分系统可统一或者部分集成安装在新舟60平台上，联合开展多维度观测工作。各雷达分系统也可安装在运12、塞斯纳208B等中小型平台上，独立开展观测实验工作。(2)各雷达分系统的信号相参。维度联合分系统可为各雷达分系统提供统一的时
13、间基准、统一的频率基准。通过统一的时间基准、GPS时间和秒脉冲信号等，准确记录各雷达分系统同步脉冲信号的时间，实现各雷达分系统的高精度授时，波段间发射脉冲相对延迟在70ns以内；通过统一的频率基准，测量并记录基准频率信号传输过程的相位误差。通过统一的时间基准和频率基准，实现了各雷达分系统的多波段信号相参，满足多维度SAR联合观测的应用需求。(3)丰富的联合观测工作模式。多维度SAR系统具有多种工作模式。可同时进行全极化条带成像，实现地物的多波段数据同时观测。系统的C,Ka波段具有双天线交轨干涉能力，C波段、Ka波段的基线长度分别约4.1m,1.5m，可同时获取不同频段的全极化干涉数据。多维度S
14、AR系统可获取多航过多角度观测数据，如重轨干涉、差分干涉、多方位角观测、层析数据获取等。表 1 机载多维度SAR航空观测系统参数类别PLSCXKa工作模式全极化、交轨干涉(C,Ka)、重轨干涉、圆迹作业距离(km)10100极化方式全极化PRF(Hz)5002000100050010005000带宽(MHz)200200300300500900分辨率(m)1110.50.50.31244电子与信息学报第45卷3 多维度SAR系统的实验验证多维度SAR系统建设完成后，于2020年9月11月在甘肃敦煌开展了技术飞行实验。实验了多维度SAR系统的全极化成像、多角度观测、多航过等多种工作模式，初步开展
15、了多维度SAR观测实验。研究了多维度SAR一致性成像方法，分析了3种多维度SAR联合观测应用，并给出初步的实验结果。3.1 多维度SAR一致性成像方法多维度SAR系统可同时获取6个波段的同时相观测数据。由于各波段的采样延迟、波束宽度、脉冲重复频率(PulseRepetitionFrequency,PRF)、采样频率等系统参数差异明显，各波段的天线相位中心位置也不同，各波段单独成像后的像元间隔、斜视角、覆盖区域等均不相同，图像间存在距离和方位空变，几何畸变较大，难以直接进行多波段数据分析应用。基于此，研究一种多维度SAR一致性成像方法，构建统一的成像处理框架，采用统一的成像参数，在成像过程中对回
16、波数据进行处理，直接生成空间分辨率、覆盖范围均相同的多波段SAR图像。多维度SAR一致性成像选取C波段作为基准波段。首先根据各波段位置姿态信息、天线相位中心位置矢量等，生成严格平行的参考航迹；其次，根据各雷达分系统的天线相位中心计算各波段相对于基准波段的偏移量；然后根据各波段分系统的采样频率、PRF等系统参数，确定统一的采样频率、PRF、斜视角等成像参数，采用成像方法进行成像处理，成像处理过程中分别进行距离向和方位向的信号重采样、频谱滤波等处理，生成空间分辨率相同的多波段自配准图像。实验采用多维度SAR系统在敦煌同时获取的6个波段SAR数据，经过一致性成像、极化合成等处理，生成的一致性成像结果如图2所示。从图2中可以看出，相同地物在不同波段的散射特性差异明显，如P,L等长波段穿透能力强，地表散射较弱，在农田区域表现为暗色区域；X,Ka波段波长短，可清晰反映地表地物的散射特性。不同波段的地物散射特性差异明显，进一步增加在图像域匹配的难度。将多维度SAR一致性成像后的图像高度向2等分，宽度向3等分，分成6块区域。分别从6个波段图像选取1块区域拼接成一幅图像，如图3所示。图3上半部分从左往右
