基于阵列SAR的稀疏重航过三维成像

目前，基于InSAR的三维成像方法已得到深入研究和广泛应用，主要通过交轨向两幅天线获得的干涉相位经反演获得地物的第三维高程信息，InSAR通常工作在侧视。由于地物高程经干涉相位反演，高程向有精度概念但没有传统的由信号包络宽度决定的分辨率概念，为获得高的高程精度，其相位误差要控制在度量级。

要在斜距-方位-高程三个方向均形成由信号包络宽度决定的三维分辨率，可使用交轨阵列SAR，由于交轨向的阵列尺寸较小，通常需要用重航过方式扩大交轨向的孔径长度以形成高的第三维分辨率。显然，这种三维成像方式不同于InSAR，不仅可用于侧视，而且可用于下视解决叠掩问题；为形成窄的信号包络，可使用常用的自聚焦技术，其相位误差控制在数十度量级即可。

作为一项新的对地成像观测手段，阵列SAR技术及其应用目前已引起广泛关注，其核心的三维成像技术包括阵列形变误差补偿、重航过成像处理等方面，为便于技术实现并使系统简化，稀疏阵列设计和稀疏重航过方式也成为重要的研究内容。

1. 阵列形变误差测量和补偿

可采用分布式位置和姿态测量系统（POS）对阵列天线多个子阵的相位中心位置进行实时测量，获得阵列形变误差后在成像处理过程中实施误差补偿。单节点差分GPS的位置测量精度约在3cm量级，已基本满足0.5m分辨率三维成像匹配滤波器的构造要求，但不能实施精确的相位误差补偿，需辅以自聚焦处理或基于阵列形变空间相关性的干涉相位处理。要特别指出的是，2018年有文献报道，基于双节点GPS，国外编队飞行干涉SAR卫星的基线测量精度已达到2mm量级，这意味着阵列SAR若采用多个节点的分布式POS，其阵列形变相对误差测量精度也可能达到2mm量级，并使X波段阵列形变误差的高精度补偿成为可能。我国高分辨率对地观测系统重大专项，支持了单节点重量100g分布式POS的研制工作，相信在不远的将来，会较好地解决阵列SAR阵列形变误差测量和补偿问题。

2. 稀疏阵列和稀疏重航过成像

用交轨阵列SAR对地实现三维成像时，在交轨向采用稀疏阵并实施稀疏重航过采样，显然有利于技术实现和高效应用。

目前稀疏阵列SAR设计工作已得到深入研究，通过合理设计，也可实现空间满采样并采用传统方法获得三维图像。在稀疏阵和稀疏重航过不能获得空间满采样时，此时问题转化为稀疏采样成像问题，

压缩感知（CS）是稀疏采样成像的一类方法，可用于空间域和变换域（如频域或小波域），但稀疏性是其应用的基础。对地成像时地物的复杂性，限制了基于空间域稀疏CS成像方法的应用，但当斜距-方位分辨率较高时，地物高程向散射点可认为具有稀疏性，这使得交轨阵列SAR在交轨向可以稀疏阵列和稀疏重航过方式实施空间域稀疏采样并有可能实现三维成像。

根据CS理论，如果图像在变换域是稀疏的，那么在稀疏采样条件下，也应能够重建图像。由于干涉处理后的SAR复图像在变换域是稀疏的，即可使用CS理论在稀疏采样条件下进行SAR复图像重构，由此形成基于干涉处理变换域稀疏雷达成像方法。与传统满采样成像方法相比，该方法在约50％的稀疏采样条件下，仍可获得接近满采样的成像效果。

基于干涉处理变换域稀疏雷达成像方法可推广至三维成像领域，交轨阵列SAR的多子阵结构，使交轨干涉处理变换域稀疏成为可能，并可以很强的普适性在交轨稀疏采样条件下实现三维成像。

要特别说明的是，对CS成像方法，其分辨率可看作是基于点扩展函数的局部极值的数值解，传统的匹配滤波方法仍是其性能评价的基础。在数值求解过程中，成像分辨率首先受限于收敛准则的选取，而收敛准则又涉及等效孔径长度、信号带宽、信噪比、信号稀疏性、散射系数变化范围、稀疏采样形成的副瓣和可能的栅瓣（通常可用随机采样减少栅瓣影响）等多个因素。对用于三维成像的交轨阵列SAR，交轨向重航过形成的等效孔径长度和空间采样稀疏度，应是决定三维成像效果的主要因素。

中科院电子所李道京研究员团队在基于阵列SAR的稀疏重航过三维成像方面进行了有益的探讨，相关研究工作已发表在《雷达学报》2018年第7卷第6期“稀疏重航过阵列SAR运动误差补偿和三维成像方法”（田鹤，李道京）。

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