第1章 绪论
合成孔径雷达(synthetic aperture radar，SAR)具有对场景目标的二维高分辨成像能力，从而能够提供更加丰富的场景观测信息。作为一种主动微波成像系统，SAR可以实现全天时、全天候的观测，在军事侦察和国民经济建设中具有广泛的应用前景。
作为一种新体制SAR系统，双基地SAR(bistaticSAR， BSAR)引起了研究人员的极大兴趣。BSAR系统通常是指发射机和接收机在空间上分置于不同平台的SAR系统。与传统的单基地SAR系统相比，BSAR系统具有独特的技术优势：系统配置灵活、功能多样；抗干扰和战场生存能力强；可以获取更加丰富的场景目标散射信息等。
本书主要介绍一种利用在轨卫星作为发射机，采用其他平台(包括飞艇、飞机、汽车及固定站等)搭载接收机的 BSAR系统，即基于星载照射源的 BSAR系统。基于星载照射源的 BSAR系统充分利用在轨的卫星资源，只需要研制相对简单的接收机，因此系统研制成本较低；基于星载照射源的 BSAR接收机不发射电磁信号，因此安全性好、战场生存能力强；基于星载照射源的 BSAR干涉测量系统在系统构成、工作模式、信息获取等方面均有独特之处，具有很好的科学意义和实用价值。
本书介绍基于星载照射源的 BSAR的成像技术，主要包括空时频同步、回波模拟、成像算法及干涉应用等，具体涉及两种配置的 BSAR系统：基于导航卫星的 BSAR系统和基于SAR卫星的 BSAR系统。基于导航卫星的 BSAR系统是指将在轨导航卫星发射的导航信号作为辐射源，通过在近地静止平台上搭载接收机组成的 BSAR系统。基于SAR卫星的 BSAR系统是指将在轨星载SAR系统作为发射机，采用其他平台(包括飞艇、飞机、汽车及固定站等)搭载接收机的 BSAR系统。两种 BSAR系统均属于收、发平台异构(Hybrid)的 BSAR系统，两者具有一些相似点，如均采用非合作的卫星作为发射机、均属于远发近收的系统构型等。同时，由于采用的星载发射机类型不同、几何构型不同，两者的工作模式、系统特性、信号处理方法等各不相同。
1.1 BSAR技术研究的兴起与发展
*早的BSAR技术研究可以追溯到20世纪70、80年代。当时，Xonics公司、 Goodyear Aerospace公司的研究部门在美国国防部、空军等单位的资助下开展了机载 BSAR技术的理论和实验研究，从原理上验证了 BSAR成像的可能性。进入2000年，欧洲各国陆续开展了各种配置的机载 BSAR实验研究，突破了系统设计、信号同步和成像处理等关键技术。
2000年前后，利用分布式小卫星搭载SAR系统组网工作进而实现遥感观测、干涉测量等任务的系统概念一度炙手可热。各国的研究机构先后提出了一系列宏伟的研究计划，典型的系统概念包括 Tech-Sat21计划[1]、干涉车轮(interferometric cartwheel)计划[2]、 BISSAT计划[3]、 RADARSAT-2&3计划[4]以及干涉钟摆(inteferometric pendulum)计划[5]等。遗憾的是，由于技术和经费等方面的困难，上述研究计划尚未有实际的系统问世。2007年，由意大利空间局和法国联合研发的 COSMO-SkyMed小卫星星座成功发射[6]。该系统在聚束模式下的分辨率可以达到1m，主要用于军事侦察、环境监测和灾害监视等任务。2010年，由德国宇航中心(Deutsches Zentrum für Luft-und Raumfahrt，DLR)、联合 EADS Astrium公司以及 Infoterra公司共同开发的 TanDEM-X系统成功组网开始工作[7]。该系统采用两颗几乎相同的 TerraSAR-X卫星，通过双星编队飞行，可以获取全球范围内的数字高程模型(digital elevation model，DEM)数据。 TanDEM-X系统示意图及其产品如图1.1所示。 TanDEM-X的工作模式包括单发单收、单发双收以及乒乓模式，代表了当时星载 BSAR技术研究的*高水平[8，9]。
图1.1 TanDEM-X系统示意图及其产品
随着在轨卫星资源的不断增多，许多研究机构开始考虑利用在轨卫星(包括SAR卫星、导航卫星、通信卫星等)作为发射机，采用其他平台(包括飞艇、飞机、汽车及固定站等)搭载接收机来构建新体制的异构 BSAR系统。
1.1.1 基于SAR卫星的 BSAR技术
1.星地 BSAR 对于星地 BSAR系统，接收站容易布置，因此实验较易开展。比较有代表性的是：西班牙加泰罗尼亚理工大学(Universitat Politècnica de Catalunya，UPC)研制的 SABRINA系列[10]，以欧洲航天局(European Space Agency，ESA)的 ERS-2、 ENVISAT或 Terra SAR-X为照射源，利用多通道接收机接收观测场景的散射波数据；德国锡根大学研制的 HITCHHIKER系统，以 TerraSAR-X为照射源，开展了一系列多极化和多基线干涉实验[11]。中国北京理工大学以遥感一号卫星为照射源，也开展了相关的星地双基地实验，取得了不错的实验结果[12]。下面对上述几个具有代表性的星地 BSAR接收系统及其关键技术进行介绍。
1)西班牙 SABRINA系统
西班牙加泰罗尼亚理工大学研制的 SABRINA-C系统，以欧洲航天局的 ERS-2或 ENVISAT卫星为机会照射源，通过地面固定站的双通道 C波段接收机接收卫星直达波信号和观测场景的散射波信号，经过同步及成像处理，获得观测场景的成像结果。SABRINA-C系统及观测场景和成像结果如图1.2所示。
图1.2 SABRINA-C系统及观测场景和成像结果
图1.2(a)为 SABRINA-C系统，图1.2(b)为观测场景和成像结果。图1.2(b)下部为观测场景的数字高程图，中间部分为系统观测场景的光学图片。从图1.2中可以看出，通过 SABRINA-C系统，可以得到观测场景的 DEM。根据西班牙加泰罗尼亚理工大学提供的实验结果，SABRINA系统测高精度在20m以内，目前的测绘范围约为3km×2km。
2)德国 HITCHHIKER系统
2009年，德国锡根大学开发出 HITCHHIKER系统。该系统以 TerraSAR-X为机会照射源，当 TerraSAR-X工作在聚束模式下时，能够录取带宽为300MHz的散射波数据，从而可以提供高分辨率的观测场景双基地成像结果。
图1.3(a)为 HITCHHIKER系统，从图中可以看出，一副天线垂直向上接收卫星的直达波信号，另一副天线对着观测场景，接收散射波信号。图1.3(b)为经过同步及成像处理后，观测场景的双基地成像结果，场景大小约为3km×8km。由成像结果可以看出，观测场景的目标能够得到很好的聚焦，植被、河流等轮廓都清晰可见，从而验证了该系统同步及成像算法的有效性。
图1.3 HITCHHIKER系统及成像结果
2010年，HITCHHIKER系统散射波接收天线增加到三个，并开展了多基线干涉实验及多极化实验，这里不再详细介绍。
3)中国星地 BSAR系统
对于星地 BSAR系统，国内的许多研究机构，如西安电子科技大学[13]、电子科技大学[14]、北京理工大学[12]、中国科学院电子学研究所[15]、国防科技大学[16]等都开展了大量 BSAR同步、成像等关键技术的研究。其中，北京理工大学利用我国自主研发的遥感一号卫星，开展了星地 BSAR实验，取得了不错的研究成果。在星地 BSAR实验中，遥感一号卫星工作于 L波段，固定站放置在一栋大楼的楼顶，距离地面约20m，观测场景为北京良乡某一区域，如图1.4(a)所示。该区域目标种类比较丰富，有森林、街道、建筑物以及农田等。
图1.4(b)为星载单基地SAR成像结果。图1.4(c)为利用改进的非线性 CS(chirp scaling)成像算法得到的双基地成像结果。观测场景大小约为4km(方位向)×8km(距离向)， BSAR成像分辨率约为9.1m(方位向)×2.7m(距离向)。从图1.4中可以看出，相较于星载单基地SAR成像结果，BSAR系统中，接收站高度较低，导致入射角较大，从而使得遮挡和阴影比较明显。但是，对比成像结果可以看出，BSAR成像结果中的植被信息和道路、农田等边缘信息比较明显，从而有利于进行 BSAR散射特性和道路边缘检测等内容的研究。
图1.4 北京理工大学星地 BSAR实验结果
2.星机 BSAR
星机 BSAR以星载SAR为照射源，接收机搭载于机载平台上。相较于固定站，机载平台有以下方面的优势：①固定站需要等到卫星通过某一固定观测场景时才能开展实验，机载平台比较灵活，能够根据卫星轨道适当调整接收机运行轨迹；②机载平台高度较高，降低了遮挡和阴影对双基地成像结果的影响；③机载平台结合接收机波束控制，能够对 BSAR系统多种工作模式进行研究。
1)早期的星机双基地系统
*早的星机双基地实验是1984年美国喷气动力实验室开展的相关实验[17]。在此次实验中，发射系统为搭载于航天飞机上的 SIR-B系统， L波段接收机放置于 CV-900型飞机上，*终获取了分辨率约为20m的双基地成像结果。1992年，以第一颗欧洲航天局的卫星(ERS-1)为发射机，美国喷气动力实验室开展了星机双基地实验[18]。1994年，以 SIR-C系统为发射机，该实验室又开展了一次星机双基地实验，观测场景为阿拉斯加某一区域，*终成像分辨率约为12m。但由于技术条件的限制以及缺少 BSAR成像处理设备，这几次实验取得的成果较差[19]。
2)TerraSAR-X/F-SAR星机双基地系统
2007年，德国宇航中心开展了一系列星机 BSAR实验[20-23]。该星机双基地系统以德国 TerraSAR-X为照射源，机载 F-SAR系统为接收机。卫星高度约为514km，速度约为7600m/s，工作带宽为100MHz。机载平台飞行高度为2180m，飞行速度约为90m/s。为了提高方位向成像宽度， TerraSAR-X工作于滑动聚束模式。
利用时域成像算法，对双基地数据进行成像处理，得到的成像结果如图1.5所示。从图1.5中可以看出，经过成像处理后，能够得到观测场景的双基地成像结果，目标点能够得到很好的聚焦。
图1.5 TerraSAR-X/F-SAR星机双基地实验结果
3)TerraSAR-X/PAMIR星机双基地系统
德国弗劳恩霍夫高频物理与雷达技术研究所(Fraunhofer Institute for High Frequency Physics and Radar Techniques，FHR)和锡根大学以 TerraSAR-X为照射源，以机载多功能阵列成像雷达(phased array multifunctional image radar， PAMIR)为接收机，开展了一系列星机双基地实验[24，25]。图1.6为星机 BSAR系统星载照射源和机载平台的图片。 PAMIR搭载于 C-160运输机上，安装在机腹位置，飞行高度约为300m，*大飞行速度为120m/s。波束宽度为3.3°(方位向)×10°(距离向)。方位向波束扫描角度范围为±45°。PAMIR能够工作于条带、聚束、滑动聚束、动目标扫描检测等多种工作模式，因此大大扩展了双基地系统的应用范围。
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