摘要：合成孔徑雷達(dá)(SyntheticApertureRadar,SAR)三維成像在復(fù)雜地形測繪、復(fù)雜環(huán)境下目標(biāo)發(fā)現(xiàn)與識別等方面具有重要應(yīng)用潛力，是當(dāng)前SAR領(lǐng)域的重要發(fā)展方向之一。為推動SAR三維成像技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，中科院空天院牽頭設(shè)計(jì)并研制了一套無人機(jī)載微波視覺三維SAR實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)(MV3DSAR)，為相關(guān)技術(shù)研究和驗(yàn)證提供實(shí)驗(yàn)平臺。目前該系統(tǒng)的單極化版本已研制完成，并在天津開展了首次校飛實(shí)驗(yàn)。本文介紹了該系統(tǒng)的基本構(gòu)成、主要性能、以及系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵技術(shù)，給出了首次校飛實(shí)驗(yàn)的實(shí)施情況以及初步的數(shù)據(jù)處理結(jié)果，驗(yàn)證了系統(tǒng)的基本性能指標(biāo)和三維成像能力。該系統(tǒng)為后續(xù)SAR三維成像數(shù)據(jù)集的構(gòu)建和處理方法研究提供了良好的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證平臺。

　　關(guān)鍵詞：SAR三維成像;微波視覺;無人機(jī)載SAR;干涉定標(biāo);運(yùn)動補(bǔ)償

　　1引言

　　合成孔徑雷達(dá)(SyntheticApertureRadar,SAR)三維成像能夠解決三維目標(biāo)及場景投影至二維成像平面而造成的疊掩問題，在陡峭地形測繪、城區(qū)測繪，以及目標(biāo)探測和識別等方面有著重要的應(yīng)用潛力，是SAR技術(shù)發(fā)展的重要方向之一。當(dāng)前提出的SAR三維成像體制主要包括層析SAR和陣列干涉SAR[1]。其中，層析SAR對SAR系統(tǒng)本身沒有特殊要求，但為了保證數(shù)據(jù)的相干性，對SAR軌道或飛行航跡的控制有嚴(yán)格要求，存在數(shù)據(jù)獲取時間周期長、難度大的問題;陣列干涉SAR通常指具有3個或3個以上天線陣元，一次飛行就可獲得3個或3個以上空間多角度相干觀測的SAR系統(tǒng)，其能夠排除時間去相干的影響，一次飛行就可實(shí)現(xiàn)三維成像[2]，因此成為SAR三維成像的一種重要體制，受到了各國的重視。

　　德國于2005年開始研制無人機(jī)載陣列三維SAR系統(tǒng)ARTINO(AirborneRadarforThrre-dimensionnalImagingandNadirObservation)[3]，其利用線陣構(gòu)成的實(shí)孔徑以及由載機(jī)航行構(gòu)成的合成孔徑實(shí)現(xiàn)二維面陣采樣。為了減少雷達(dá)陣元的個數(shù)，采用兩邊發(fā)射中間接收的稀疏陣列配置;同時使用能夠達(dá)到低能耗以及小尺寸的調(diào)頻連續(xù)波(FMWC)Ka波段雷達(dá);使用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)以及差分GPS傳感器記錄航行軌跡，使用CCD和激光單元精確記錄掛載于機(jī)翼上的每個陣元的抖動誤差。ARTINO整套系統(tǒng)安裝于無人機(jī)上，該無人載機(jī)翼展4米、重量25kg，飛行速度10-15米/秒，實(shí)驗(yàn)飛行高度200米左右。

　　其于2010年首飛獲得定標(biāo)點(diǎn)成像結(jié)果[4][5]，試驗(yàn)場地的目標(biāo)為三個相距10米的角反射器，但至今沒有進(jìn)一步的成像試驗(yàn)結(jié)果報道。法國宇航局(ONERA)也開展了無人機(jī)載3DSAR系統(tǒng)(DRIVE系統(tǒng))的研制,工作于Ka波段，中心頻率為35GHz，發(fā)射信號為調(diào)頻連續(xù)波，帶寬800MHz。試驗(yàn)載機(jī)是翼展23米重約600kg的滑翔機(jī)，飛行速度約50米/秒，最高飛行高度9145米。

　　2007年法國宇航局首次公布了其在2006年10月獲取的工作于下視模式的高度方向成像結(jié)果,但目前尚未報道進(jìn)一步的三維成像結(jié)果。中科院電子所2005年開始研制機(jī)載陣列三維SAR系統(tǒng)，采用長2米重150kg的剛性大天線陣來保證基線的穩(wěn)定性，于2015年獲得了國際首幅三維場景成像結(jié)果[2][6]。

　　上述現(xiàn)狀表明，為實(shí)現(xiàn)三維成像，當(dāng)前陣列干涉三維SAR系統(tǒng)的復(fù)雜度很高、研制難度很大，系統(tǒng)小型化及其應(yīng)用推廣均具有較大的難度。也即，三維成像對于目前的SAR系統(tǒng)而言是一個“豪華選項(xiàng)”，需要付出很大的成本。為改變這一現(xiàn)狀，將SAR三維成像從“豪華選項(xiàng)”變?yōu)?ldquo;普通選項(xiàng)”，中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院牽頭，在國家自然基金重大項(xiàng)目支持下，正在開展“合成孔徑雷達(dá)微波視覺三維成像理論與應(yīng)用基礎(chǔ)研究”，以期將三維成像對多角度觀測數(shù)量的要求降低至小于等于5，從而降低系統(tǒng)復(fù)雜度或數(shù)據(jù)獲取周期，實(shí)現(xiàn)高效能三維成像，促進(jìn)SAR三維成像技術(shù)的應(yīng)用推廣[1]。

　　在該項(xiàng)目支持下，中科院空天院聯(lián)合中科宇達(dá)(北京)科技有限公司，設(shè)計(jì)研制了一套小型無人機(jī)載陣列干涉SAR系統(tǒng)，稱為微波視覺三維SAR(MicrowaveVisionthree-dimensionalSAR,MV3DSAR)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，用于進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取和技術(shù)驗(yàn)證，并用于SAR微波視覺三維成像數(shù)據(jù)集的構(gòu)建[7]，為該領(lǐng)域的研究提供必要的基礎(chǔ)平臺。目前該系統(tǒng)的單極化版本已經(jīng)研制完成，并于2021年12月初在天津臨港地區(qū)開展了首次集成校飛實(shí)驗(yàn)，初步驗(yàn)證了系統(tǒng)的基本性能和三維成像能力。

　　本文介紹了該系統(tǒng)的基本構(gòu)成、主要性能、以及系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵技術(shù)，給出了首次校飛實(shí)驗(yàn)的方案和實(shí)施情況，以及初步的數(shù)據(jù)處理結(jié)果，并指出了后續(xù)研究方向。 本文后續(xù)內(nèi)容安排如下：第2小節(jié)介紹了MV3DSAR基本情況和系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù);第3小節(jié)敘述了MV3DSAR系統(tǒng)校飛實(shí)驗(yàn)的方案及實(shí)施情況;第4小節(jié)給出了數(shù)據(jù)處理流程和二維成像、系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)定、三維成像等關(guān)鍵步驟的具體方法，并給出了初步的數(shù)據(jù)處理結(jié)果;第5節(jié)總結(jié)全文并指出后續(xù)研究方向。

　　2MV3DSAR系統(tǒng)及關(guān)鍵技術(shù)

　　為了便于開展飛行實(shí)驗(yàn)，降低實(shí)驗(yàn)成本，同時具有較高的可重構(gòu)能力，支撐SAR微波視覺三維成像方法的研究和驗(yàn)證，MV3DSAR系統(tǒng)的設(shè)計(jì)遵循如下基本理念：

　　1)輕量化，工業(yè)級無人機(jī)可掛載;2)基線可重構(gòu)，可以根據(jù)研究需求進(jìn)行天線的靈活配置，從而實(shí)現(xiàn)不同的基線構(gòu)型;3)多極化，可通過天線和通道的模塊化配置實(shí)現(xiàn)單極化和全極化模式。目前，單極化版本的MV3DSAR系統(tǒng)已經(jīng)研制完成，全極化版本尚未進(jìn)行集成和驗(yàn)證，為此，本文重點(diǎn)介紹當(dāng)前的單極化MV3DSAR系統(tǒng)。

　　2.1MV3DSAR系統(tǒng)構(gòu)成

　　MV3DSAR系統(tǒng)的總體構(gòu)成，其主要由微小型SAR載荷、無人機(jī)平臺及導(dǎo)航系統(tǒng)三部分組成，通過結(jié)構(gòu)件進(jìn)行固定和連接。

　　2.2Ku-SAR載荷參數(shù)

　　MV3DSAR系統(tǒng)最核心的是Ku波段陣列干涉SAR，其采用調(diào)頻連續(xù)波體制，信號帶寬為1.2GHz，中心頻率為15.2GHz，重量為7.07kg。目前版本MV3DSAR為單極化系統(tǒng)，等效的天線陣列通道數(shù)為4，也即一次飛行可以獲得4幅相干的單極化SAR圖像，后續(xù)將進(jìn)一步擴(kuò)展為全極化系統(tǒng)。系統(tǒng)天線支架結(jié)構(gòu)長度為1.29米，有效長度為1.284米，在有效長度內(nèi)的0mm、107mm、214mm、…、1284mm處一共打有12排孔，用于固定天線并實(shí)現(xiàn)各種基線的靈活配置。

　　本系統(tǒng)將每個極化的陣列通道數(shù)設(shè)計(jì)為4，主要是考慮城區(qū)等實(shí)際場景中，疊掩數(shù)目大部分為2、小部分為3，疊掩數(shù)目大于3的情況占比非常小，為此可重點(diǎn)考慮疊掩數(shù)目小于等于3的情況[8]。對于單極化而言，4個通道將獲得4個幅度、4個相位共8個觀測量，而2個疊掩則包含2個斜高向位置、2個幅度、2個相位共6個待求量，因此理論上可以通過4幅相干圖像三維成像達(dá)到區(qū)分兩個疊掩的目的;而對于全極化而言，4組全極化相干圖像可獲得16個幅度、16個相位共32個觀測量，理論上可以實(shí)現(xiàn)3個疊掩，即3個斜高向位置、12個幅度、12個相位共27個未知量的求解，從而可以滿足大部分應(yīng)用的需求，相關(guān)分析可參考文獻(xiàn)[9]。

　　需要說明的是，SAR三維成像所需空間相干觀測數(shù)量的理論邊界是一個十分復(fù)雜的問題，其與高程向分辨率、信噪比、三維成像方法等眾多因素均相關(guān)，目前已有一些相關(guān)研究[8][10][11]但仍然存在很大的探索空間。尤其，在SAR微波視覺三維成像新方法下所需相干觀測數(shù)量的理論邊界，是一個值得探索研究的問題。

　　2.3系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

　　MV3DSAR系統(tǒng)致力于小型化、經(jīng)濟(jì)化、高精度，在系統(tǒng)研制過程中突破的主要關(guān)鍵技術(shù)包括以下幾個方面：

　　1)系統(tǒng)非線性誤差處理技術(shù)

　　Ku-SAR系統(tǒng)采用調(diào)頻連續(xù)波體制，由系統(tǒng)引入以及信號本身存在的非線性誤差會對SAR成像結(jié)果產(chǎn)生影響。為此，Ku-SAR一方面采用預(yù)失真補(bǔ)償手段提高激勵信號線性度，另一方面通過在實(shí)驗(yàn)室采用延遲線定標(biāo)方法與非線性處理方法對信號中的系統(tǒng)非線性誤差項(xiàng)進(jìn)行估計(jì)與校正[12]，使得校正后的信號非線性相位誤差小于±0.2弧度，保證SAR成像結(jié)果滿足指標(biāo)要求。

　　2)高精度運(yùn)動補(bǔ)償數(shù)據(jù)獲取技術(shù)

　　Ku-SAR系統(tǒng)搭載于輕小型運(yùn)動平臺，實(shí)際作業(yè)時平臺可產(chǎn)生較大范圍的運(yùn)動誤差及姿態(tài)變化，需對其進(jìn)行精確測量，以便后續(xù)處理中進(jìn)行補(bǔ)償[13][14]。Ku-SAR系統(tǒng)集成了微型慣性測量單元(MIMU)的控制模塊以及GPS位置測量模塊，結(jié)合導(dǎo)航系統(tǒng)將測量所得慣性導(dǎo)航數(shù)據(jù)與GPS位置數(shù)據(jù)融合，通過雙捷聯(lián)處理方法獲取相對位置精度優(yōu)于0.3mm的運(yùn)動誤差數(shù)據(jù)，以滿足成像處理的要求。

　　3)多通道一致性技術(shù)

　　Ku-SAR系統(tǒng)具有多個接收通道，以滿足多極化、陣列干涉等任務(wù)需求。多通道信號之間延時、增益與相位的一致性是保證后續(xù)處理正確性的核心關(guān)鍵因素。Ku-SAR系統(tǒng)采用了基于低溫共燒陶瓷(LowTemperatureCo-firedCeramic,LTCC)技術(shù)的多通道一致性設(shè)計(jì)、一致性定標(biāo)回路與內(nèi)定標(biāo)設(shè)計(jì)、多通道間電磁屏蔽防串?dāng)_設(shè)計(jì)等有效方案[15]，使得系統(tǒng)通道間相位一致性達(dá)到±5度以內(nèi)，為在實(shí)驗(yàn)室對系統(tǒng)多次重復(fù)上電測量得到的通道間相位差異結(jié)果，其包括了發(fā)射通道、接收通道、天線模擬環(huán)路的誤差影響。相對于美國華盛頓大學(xué)于2019年在文獻(xiàn)[16]中報道的通道間相位誤差在0.4至1弧度內(nèi)變化(±0.3弧度)而言，本系統(tǒng)通道間相位一致性明顯更優(yōu)，為獲取有效數(shù)據(jù)提供了可靠保障。

　　4)小型化設(shè)計(jì)技術(shù)Ku-SAR系統(tǒng)針對小型化設(shè)計(jì)需求，在系統(tǒng)的多個組成模塊上均采用小型化設(shè)計(jì)方案[15][17]。其中，數(shù)字模塊采用基于AXI(AdvancedeXtensibleInterface)總線的FPGA一體化設(shè)計(jì)技術(shù)，將控制、AD、DA、定時等多個模塊集成在一個單片模塊上，形成了集控制、處理等多功能為一體的高度集成化數(shù)字模塊;在射頻模塊上采用LTCC工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)各個射頻元器件的集成方案[18]，形成具有高集成度，高可靠性的射頻模塊。

　　通過各模塊的小型化設(shè)計(jì)，使得Ku-SAR系統(tǒng)達(dá)到較小的體積和重量，滿足可搭載于工業(yè)級無人機(jī)的要求，便于實(shí)驗(yàn)任務(wù)的開展。3MV3DSAR校飛實(shí)驗(yàn)為了驗(yàn)證MV3DSAR系統(tǒng)的基本性能指標(biāo)和三維成像能力，我們于2021年12月1日-2日在天津臨港經(jīng)濟(jì)區(qū)開展了首次集成校飛實(shí)驗(yàn)。

　　3.1實(shí)驗(yàn)對象

　　實(shí)驗(yàn)對象為臨港商務(wù)大廈，其由2棟15層塔樓及二層裙房組成，大廈區(qū)域占地面積22905.6平方米，樓高69.2米，樓間距57.6米，裙房高12.4米、長105.6米、寬72.4米。該大樓結(jié)構(gòu)具有一定的代表性，且周邊比較空曠，便于進(jìn)行定標(biāo)器布設(shè)。

　　3.2航線及基線設(shè)計(jì)

　　為兼顧航高限制、成像范圍、最大不模糊高度、高程向分辨率以及三維成像最終結(jié)果的完整性，此次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的飛行高度為400米，波束范圍內(nèi)的成像幅寬為356.18米。天線采用2發(fā)2收方式共形成4個等效天線相位中心，通過空間模糊函數(shù)的分析，優(yōu)選了2種基線構(gòu)型。

　　虛線表示結(jié)構(gòu)件上打孔的位置，R1、R2為兩個接收天線安裝的位置，T1、T2為兩個發(fā)射天線安裝的位置，藍(lán)色圓點(diǎn)表示等效天線相位中心的位置，兩種模式的等效基線。最大不模糊高度和斜高向理論瑞利分辨率曲線如圖7所示。可見，隨著入射角的增加，不模糊高度逐漸變大，但同時瑞利分辨率也逐漸變差，且由于飛行高度較低，近距到遠(yuǎn)距的瑞利分辨率相差一倍以上，在三維成像處理及結(jié)果分析中需充分考慮入射角的變化。

　　此外，模式2最大基線較長，理論的高程分辨率更佳，而模式1最小基線較短，可以獲得更大的最大不模糊高度。然而，臨港大廈69.2米的高度已超過0.107米最小基線對應(yīng)的50米左右的不模糊高度，給三維成像帶來了額外的挑戰(zhàn)。此外，由空間模糊函數(shù)圖可見，兩種模式分別在斜高向的±8.4m、±28.4m和±15.2m、±21.6m處存在高相關(guān)區(qū)域，需要在三維成像處理中采用有效手段來避免求解錯誤。綜上可見，本MV3DSAR的三維成像處理存在很大的難度，本文第4節(jié)中將通過引入圖像視覺語義信息[19]等方法以獲得較好的三維成像成果。

　　4MV3DSAR數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)及初步結(jié)果

　　本次MV3DSAR集成校飛實(shí)驗(yàn)的主要目的是驗(yàn)證MV3DSAR系統(tǒng)在分辨率、通道幅相不平衡等方面的基本性能指標(biāo)，并驗(yàn)證其進(jìn)行三維成像的可行性。由于本次實(shí)驗(yàn)獲取了2個模式8個方向的觀測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量較大，且該系統(tǒng)只有4個通道，三維成像難度很大，因此相關(guān)研究和數(shù)據(jù)處理工作目前仍在進(jìn)行之中。本小節(jié)主要給出對于系統(tǒng)誤差的標(biāo)定方法與結(jié)果，以及初步的三維成像結(jié)果，以驗(yàn)證系統(tǒng)的基本性能和三維成像的可行性。

　　4.1數(shù)據(jù)處理總體流程

　　針對多個觀測方向獲取的陣列干涉SAR數(shù)據(jù)，我們設(shè)計(jì)的總體處理流程。首先對每個方向的4通道陣列干涉SAR原始回波數(shù)據(jù)進(jìn)行二維成像處理;然后基于系統(tǒng)誤差具有良好穩(wěn)定性的前提，通過多個方向的SAR圖像數(shù)據(jù)聯(lián)合進(jìn)行系統(tǒng)誤差參數(shù)標(biāo)定，包括系統(tǒng)延遲誤差、通道幅度和相位誤差，并確定和驗(yàn)證基線參數(shù);隨后進(jìn)行干涉圖像配準(zhǔn)和相干性分析，為第三維成像提供基礎(chǔ);接著進(jìn)行第三維成像處理，得到三維點(diǎn)云和點(diǎn)云對應(yīng)的散射系數(shù);最后對三維成像結(jié)果進(jìn)行分析與評價，從而得到最終的三維成像結(jié)果和對三維成像性能的分析結(jié)果。

　　在上述處理流程中，關(guān)鍵技術(shù)包括二維成像、系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)定、第三維成像這三個方面。二維聚焦的精度將直接影響圖像信雜噪比，從而影響三維成像效果;同時二維聚焦精度也將影響圖像語義信息的提取，對SAR微波視覺三維成像造成影響。系統(tǒng)延遲、基線、基線角、通道幅度/相位差異等參數(shù)對三維成像的求解結(jié)果有很大影響，尤其當(dāng)通道數(shù)量較少時，三維成像求解的病態(tài)性愈加嚴(yán)重，微小的參數(shù)誤差就可能導(dǎo)致結(jié)果的嚴(yán)重偏差，甚至使得三維重建失敗，因此，系統(tǒng)參數(shù)的標(biāo)定至關(guān)重要。第三維成像則是本系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的核心環(huán)節(jié)，直接決定三維成像的成敗。為此，后續(xù)小節(jié)將重點(diǎn)針對上述關(guān)鍵步驟進(jìn)行處理方法的闡述并給出初步處理結(jié)果。

　　4.2二維成像

　　通過航跡解析，8個方向航跡(ID0-ID7)與參考勻速直線航跡的偏離程度，飛行方向上由于非勻速運(yùn)動引起的偏離在2米以內(nèi)，在垂直飛行方向航跡控制在1米以內(nèi)，且大部分控制在0.4米半徑的“管道”內(nèi)，航跡控制較好。通過姿態(tài)數(shù)據(jù)解析，8個方向飛行的姿態(tài)數(shù)據(jù)測量結(jié)果，橫滾角變化在3°以內(nèi)，偏航角變化在2°以內(nèi)，俯仰角變化在4°以內(nèi)，姿態(tài)變化相對較大。

　　5結(jié)束語

　　本文介紹了微波視覺三維SAR實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)(MV3DSAR)的組成、系統(tǒng)參數(shù)和研制關(guān)鍵技術(shù)，并給出了該系統(tǒng)首次集成校飛實(shí)驗(yàn)的模式設(shè)計(jì)、航線設(shè)計(jì)和定標(biāo)器布設(shè)情況，最后給出了系統(tǒng)誤差標(biāo)定的方法和結(jié)果，并給出了初步的三維成像結(jié)果，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的基本性能和三維成像能力，可以為后續(xù)SAR微波視覺三維成像理論方法研究和驗(yàn)證提供支撐平臺。在國家自然基金重大項(xiàng)目支撐下，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)后續(xù)將進(jìn)一步開展基于微波視覺的SAR三維成像方法研究，并繼續(xù)開展該實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理和指標(biāo)評估工作，推動SAR三維成像技術(shù)的應(yīng)用。

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