[科普中國(guó)]-聚束

聚束模式是合成孔徑雷達(dá)最主要的工作模式之一，在這種模式下，由于天線波束始終指向固定的成像區(qū)域，使得合成孔徑積累時(shí)間得以延長(zhǎng)，因此可獲得很高的分辨率。極坐標(biāo)格式成像算法最早是作為一種有效的旋轉(zhuǎn)目標(biāo)成像方法提出的，但很快就被成功地應(yīng)用于聚束模式成像中，并且大大地提高了聚束的聚焦成像范圍，因此該算法在早期的聚束系統(tǒng)中得到了相當(dāng)廣泛的應(yīng)用，同時(shí)也是聚束中獲得深入研究的一種較成熟的成像算法。

概念美國(guó)Sandia實(shí)驗(yàn)室的Lynx高分辨率SAR系統(tǒng)中，聚束模式的成像分辨率可達(dá)0.1m，所用的成像算法就是一種改進(jìn)的極坐標(biāo)格式成像算法。這種算法的基本思想早在20世紀(jì)80年代就已提出，但在Lynx SAR系統(tǒng)中才真正得以實(shí)現(xiàn)，其基本思想是將二維插值中的距離方向的插值，通過調(diào)整信號(hào)頻率、脈沖發(fā)射時(shí)間和A/D采樣率等硬件方法來實(shí)現(xiàn)，得到回波采樣就是完成距離插值的信號(hào)，方位向采用Chirp Z變換來代替插值和IFFT的壓縮過程。因而整個(gè)處理過程不再需要任何插值操作，使聚束成像得以實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)。1

一種高分辨率聚束 SAR 運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法研究合成孔徑成像雷達(dá)具有全天時(shí)、全天候、作用距離遠(yuǎn)及分辨率高等特點(diǎn)，能夠大大提高戰(zhàn)場(chǎng)的信息獲取能力。國(guó)內(nèi)對(duì)條帶SAR的研究已經(jīng)比較成熟，對(duì)條帶SAR的成像算法以及基于數(shù)據(jù)的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法都進(jìn)行了充分的研究，得到了比較理想的成像結(jié)果。隨著SAR分辨率的不斷增加，聚束SAR的成像及運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)难芯砍蔀榻陙鞸AR研究的一個(gè)熱點(diǎn)之一。聚束SAR成像模式是通過控制天線照射地面固定區(qū)域來增加合成孔徑的累積時(shí)間，從而獲得很高的方位向分辨率。與條帶SAR相比，聚束SAR模式下合成孔徑時(shí)間大大增加，這要求更加精細(xì)的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法。如何對(duì)聚束SAR進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償是聚束SAR成像的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，國(guó)外在聚束SAR成像中主要利用高精度的慣導(dǎo)系統(tǒng)和GPS定位系統(tǒng)輸出的運(yùn)動(dòng)參數(shù)來控制載機(jī)和天線波束的平穩(wěn)性，并且通過慣導(dǎo)和GPS數(shù)據(jù)對(duì)SAR回波數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)先補(bǔ)償，然后進(jìn)行自聚焦處理獲得高質(zhì)量的聚束SAR圖像。

針對(duì)國(guó)內(nèi)SAR研究現(xiàn)狀，特別是在天線指向不穩(wěn)定以及慣導(dǎo)精度不高的情況下，聚束SAR運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)男Ч艿胶艽笙拗啤Ｒ虼?，研究詳?xì)推導(dǎo)了飛行載體的非理想運(yùn)動(dòng)引入的運(yùn)動(dòng)誤差模型并分析其對(duì)成像質(zhì)量的影響，提出了一種有效的基于回波數(shù)據(jù)的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法，結(jié)合經(jīng)典的極坐標(biāo)算法，從飛機(jī)位置誤差的估計(jì)、距離向相位誤差的估計(jì)以及殘余包絡(luò)誤差的估計(jì)3方面進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償， 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明該方法具有良好的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償效果，成像質(zhì)量有較大提高。

聚束 SAR 的運(yùn)動(dòng)誤差分析載機(jī)在空中的運(yùn)動(dòng)誤差按照對(duì)SAR成像的影響可以分為兩類，即影響天線相位中心到目標(biāo)距離，以及不影響天線相位中心到目標(biāo)距離的運(yùn)動(dòng)誤差。其中前一種運(yùn)動(dòng)誤差會(huì)影響回波的多普勒中心頻率以及多普勒調(diào)頻率，使得方位向處理困難；后一種的運(yùn)動(dòng)誤差會(huì)影響天線波束的照射區(qū)域，在圖像上表現(xiàn)為圖像灰度和信噪比的變化，但并不影響圖像的聚焦。

載機(jī)的偏航和俯仰，都會(huì)影響天線到目標(biāo)的位置變化，造成SAR圖像的散焦；載機(jī)的橫滾不會(huì)引起載機(jī)到目標(biāo)距離的變化，不會(huì)引起SAR圖像的散焦，而天線平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)會(huì)引起天線波束中心發(fā)生改變，不會(huì)影響天線到目標(biāo)的位置。天線平臺(tái)的橫滾運(yùn)動(dòng)也是會(huì)影響天線相位中心的變化，在圖像上表現(xiàn)為距離向的兩邊會(huì)產(chǎn)生明暗相間的變化，使得圖像在距離向的信噪比不均勻。

載機(jī)的偏航和俯仰運(yùn)動(dòng)引起圖像的散焦，使回波的多普勒中心和多普勒調(diào)頻率隨時(shí)間變化，造成方位向處理的困難。因此基于回波數(shù)據(jù)的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償主要是從原始數(shù)據(jù)中獲得時(shí)變的多普勒信息，從而去除載機(jī)偏航和俯仰的影響。在成像幾何關(guān)系中， 我們只考慮斜平面的情況，聚束 SAR 工作模式的示意圖如圖 1 所示。

基于數(shù)據(jù)的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法在上一節(jié)中，分析了載機(jī)運(yùn)動(dòng)引入的誤差對(duì)成像的影響，本節(jié)提出一種基于原始數(shù)據(jù)的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)。聚束SAR 的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償主要包括下面3 個(gè)方面：飛機(jī)位置誤差的估計(jì)、距離向相位誤差的估計(jì)以及殘余包絡(luò)誤差的估計(jì)。由于經(jīng)典極坐標(biāo)算法是聚束SAR 成像的一種快速有效的算法，本節(jié)將結(jié)合極坐標(biāo)算法討論聚束 SAR 的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償問題。

（1）飛機(jī)位置誤差的估計(jì)

在極坐標(biāo)成像中，首先要將數(shù)據(jù)沿方位向進(jìn)行去斜處理。直接對(duì)整塊數(shù)據(jù)進(jìn)行相位估計(jì)并不能得到很好的結(jié)果，聚束 SAR 的合成孔徑時(shí)間很長(zhǎng)，載機(jī)的運(yùn)動(dòng)誤差已經(jīng)擴(kuò)散在若干個(gè)距離門中。因而，在實(shí)際中，將方位向數(shù)據(jù)分成若干個(gè)子孔徑，對(duì)每個(gè)子孔徑運(yùn)用 MD方法或最小熵法對(duì)子孔徑的調(diào)頻率進(jìn)行估計(jì)。本文采用CZT(Chirp-Z Transform)變化來消除子孔徑內(nèi)部的距離向和方位向的耦合，然后運(yùn)用 MD(Map Drift)方法進(jìn)行子孔徑調(diào)頻率估計(jì)。圖2為子孔徑內(nèi)調(diào)頻率估計(jì)的流程圖。

（2）距離向相位誤差的估計(jì)

在高分辨率 SAR 中(如分辨率小于 0.2 m)，距離向信號(hào)的帶寬非常寬，雷達(dá)信號(hào)經(jīng)發(fā)射、調(diào)制、接收及 AD 采樣量化后，形成數(shù)字信號(hào)。然而，在沒有采用去斜接收技術(shù)的接收機(jī)中，要使接收機(jī)在1 GHz 以上的頻帶寬度內(nèi)有平坦的幅度響應(yīng)及非常小的相頻響應(yīng)(通常要求小于π/4 )，是不現(xiàn)實(shí)的。此外距離向的線性調(diào)頻信號(hào)一般是用 DDS 產(chǎn)生的， 要使信號(hào)始終保持理想的線性調(diào)頻是非常困難的，實(shí)際中如此大帶寬的線性調(diào)頻信號(hào)其相位并不是非常穩(wěn)定的，通常會(huì)隨著時(shí)間做緩慢的變化。上面的兩個(gè)原因都會(huì)引起接收后的信號(hào)在距離向上產(chǎn)生畸變，影響壓縮效果。在有的系統(tǒng)中，采用了記錄接收機(jī)的漏信號(hào)波形的方法來改善距離向壓縮的效果。但有時(shí)系統(tǒng)并沒有記錄這樣的漏信號(hào)，這就需要從信號(hào)中提取距離向相位誤差。在高分辨率聚束 SAR 成像中，可以采用 PGA算法對(duì)系統(tǒng)的相頻響應(yīng)進(jìn)行辨識(shí)，在辨識(shí)中必須要補(bǔ)償載機(jī)的非理想運(yùn)動(dòng)，來提高精度。

（3）殘余包絡(luò)誤差的估計(jì)

經(jīng)過距離向相位估計(jì)以及載機(jī)位置誤差估計(jì)后，進(jìn)行極坐標(biāo)算法的方位向插值操作，但此時(shí)距離向壓縮信號(hào)的包絡(luò)仍然存在誤差，這會(huì)影響成像的效果。此時(shí)包絡(luò)誤差主要由下面兩個(gè)原因引起：其一是由于在載機(jī)位置估計(jì)中采用了兩次積分的形式，在兩次積分中初值都選為零，這樣不能估計(jì)載機(jī)非理想運(yùn)動(dòng)引入的線性的位置誤差，當(dāng)這種線性位置誤差超過一個(gè)距離門時(shí)，會(huì)引起包絡(luò)誤差；另外一個(gè)因素是利用子孔徑的方法來估計(jì)多普勒調(diào)頻率時(shí)，由于受子孔徑大小的限制，使估計(jì)值存在誤差，經(jīng)過二次積分后，產(chǎn)生殘余的包絡(luò)誤差。

由于在 SAR 圖像中存在一些強(qiáng)散射的孤立點(diǎn)，因此可以根據(jù)這些特顯點(diǎn)來跟蹤信號(hào)包絡(luò)的變化，其基本思想與 PPP自聚焦算法有些相似。在實(shí)際中采用如下的步驟來進(jìn)行殘余包絡(luò)誤差的估計(jì)：

(1)先進(jìn)行方位向 IFFT 變換，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行成像。

(2)將圖像分成子塊：如 32×64 大小。以每個(gè)子塊的最大值與中值的比作為選擇孤立點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)，選擇若干個(gè)特顯點(diǎn)。

(3)將選中的每個(gè)小塊的數(shù)據(jù)最大值循環(huán)移動(dòng)到中心位置，并在方位向進(jìn)行傅里葉變換。將所有選擇的特顯點(diǎn)按此操作進(jìn)行非相干累加。

(4)將第3 步得到的圖像，距離向進(jìn)行插值后，求出每個(gè)方位向上的最大值的位置。

(5)將所得到的曲線用多項(xiàng)式進(jìn)行擬合，來求出殘余包絡(luò)誤差。

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償結(jié)果為了驗(yàn)證本文提出的聚束SAR運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償處理的效果，對(duì)實(shí)測(cè)聚束SAR數(shù)據(jù)進(jìn)行了成像實(shí)驗(yàn)，聚束 SAR 的分辨率為 0.2 m，雷達(dá)系統(tǒng)工作在 X 波段，信號(hào)帶寬為 1 GHz，采樣率為 1.5 GHz，天線轉(zhuǎn)角為-5o～5o，接收機(jī)沒有采用去斜接收技術(shù)，距離向信號(hào)成像為普通的脈壓方式。

由于合成孔徑時(shí)間比較長(zhǎng)，大約 20s，飛機(jī)在合成孔徑時(shí)間內(nèi)存在很大的位置誤差，并且沒有采用去斜接收技術(shù)，接收機(jī)的帶寬需大于 1 GHz，在接收機(jī)帶寬內(nèi)存在相頻誤差，在信號(hào)處理中應(yīng)予以補(bǔ)償。對(duì)實(shí)測(cè)聚束 SAR 的成像結(jié)果圖4所示。

圖中的成像結(jié)果表明，利用文中提出的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法能夠準(zhǔn)確估計(jì)出載機(jī)的位置誤差、距離向的相位誤差和殘余包絡(luò)誤差，與未進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)膱D像相比，聚焦效果顯著增強(qiáng)，圖像質(zhì)量明顯提高。2

利用三維聚束濾波方法消除相關(guān)噪聲在地震資料處理中，如何有效地消除多次波等相關(guān)噪聲是一個(gè)長(zhǎng)期存在的復(fù)雜問題。人們?yōu)榇颂岢隽硕喾N去噪方法，在現(xiàn)行的地震資料處理系統(tǒng)中，較為常用的有f 一k 方法和拉冬變換方法。但是這些方法也受到使用條件的限制，尤其在地質(zhì)情況較復(fù)雜地區(qū)的三維地震資料處理中，往往難以得到令人滿意的去噪效果，影響資料信噪比的提高和精確的速度分析與偏移成像。

三維聚束濾波方法原理Hayikn對(duì)源于雷達(dá)和聲納信號(hào)處理的聚束濾波方法給出了很好的概括和總結(jié)。Hu和White詳細(xì)介紹了二維最小方差無偏聚束濾波方法在地震資料處理中消除多次波的理論和實(shí)例。Hu等運(yùn)用聚束濾波方法處理我國(guó)陸地和海上的實(shí)際資料也取得了很好的效果。Hong等給出了三維聚束濾波方法的初步研究成果。

為了在三維資料中更好地描述一次波和多次波的時(shí)間特性，采用四個(gè)參數(shù)（零炮檢距雙程旅行時(shí)間、速度、傾角和方位角）來確定一次波和多次波三維動(dòng)校正雙曲時(shí)距曲面。前兩個(gè)參數(shù)與二維時(shí)距曲線相同，后兩個(gè)參數(shù)是對(duì)三維時(shí)距關(guān)系的修正。方位角可以通過觀測(cè)系統(tǒng)得到。為研究?jī)A斜地層構(gòu)成的復(fù)雜構(gòu)造，通過對(duì)幾個(gè)給定傾角的嘗試，采用最優(yōu)化方法使得動(dòng)校正曲線與實(shí)際曲線最佳擬合來確定地層傾角。這樣三維聚束濾波方法就可以用于實(shí)際的地震資料處理。

研究結(jié)論聚束濾波方法的最大優(yōu)點(diǎn)是它服從多重約束可以自我修正，而且還可以對(duì)濾波性能進(jìn)行直接控制，因而其濾波效果很容易通過經(jīng)驗(yàn)測(cè)試的方法檢測(cè)和優(yōu)化。通過每一個(gè)約束引人一個(gè)參數(shù)調(diào)節(jié)平衡點(diǎn)，控制了信號(hào)畸變和噪聲的增益。三維聚束濾波方法引入四個(gè)參數(shù)(零炮檢距雙程旅行時(shí)間、速度、傾角和方位角)來描述一次波與多次波 等相關(guān)噪聲三維動(dòng)校正時(shí)距關(guān)系，然后根據(jù)信號(hào)與相關(guān)噪聲同相軸在時(shí)間上的差異，消除來自反射平面外部和內(nèi)部的各種相關(guān)噪聲。合成資料試驗(yàn)結(jié)果證明，三維聚束濾波方法能夠有效地消除反射平面外的相關(guān)噪聲同相軸；對(duì)實(shí)際三維地震資料的應(yīng)用進(jìn)一步表明，虛假層位可以通過有效消除相關(guān)噪聲的同相軸來清除。3

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

李勇 - 副教授 - 西南大學(xué)