摘要：合成孔徑雷達(SyntheticApertureRadar,SAR)三維成像在復雜地形測繪、復雜環境下目標發現與識別等方面具有重要應用潛力，是當前SAR領域的重要發展方向之一。為推動SAR三維成像技術的發展和應用，中科院空天院牽頭設計并研制了一套無人機載微波視覺三維SAR實驗系統(MV3DSAR)，為相關技術研究和驗證提供實驗平臺。目前該系統的單極化版本已研制完成，并在天津開展了首次校飛實驗。本文介紹了該系統的基本構成、主要性能、以及系統和數據處理的關鍵技術，給出了首次校飛實驗的實施情況以及初步的數據處理結果，驗證了系統的基本性能指標和三維成像能力。該系統為后續SAR三維成像數據集的構建和處理方法研究提供了良好的實驗驗證平臺。

　　關鍵詞：SAR三維成像;微波視覺;無人機載SAR;干涉定標;運動補償

　　1引言

　　合成孔徑雷達(SyntheticApertureRadar,SAR)三維成像能夠解決三維目標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、城區測繪，以及目標探測和識別等方面有著重要的應用潛力，是SAR技術發展的重要方向之一。當前提出的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系統本身沒有特殊要求，但為了保證數據的相干性，對SAR軌道或飛行航跡的控制有嚴格要求，存在數據獲取時間周期長、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，其能夠排除時間去相干的影響，一次飛行就可實現三維成像[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年開始研制無人機載陣列三維SAR系統ARTINO(AirborneRadarforThrre-dimensionnalImagingandNadirObservation)[3]，其利用線陣構成的實孔徑以及由載機航行構成的合成孔徑實現二維面陣采樣。為了減少雷達陣元的個數，采用兩邊發射中間接收的稀疏陣列配置;同時使用能夠達到低能耗以及小尺寸的調頻連續波(FMWC)Ka波段雷達;使用慣性導航系統以及差分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翼上的每個陣元的抖動誤差。ARTINO整套系統安裝于無人機上，該無人載機翼展4米、重量25kg，飛行速度10-15米/秒，實驗飛行高度200米左右。

　　其于2010年首飛獲得定標點成像結果[4][5]，試驗場地的目標為三個相距10米的角反射器，但至今沒有進一步的成像試驗結果報道。法國宇航局(ONERA)也開展了無人機載3DSAR系統(DRIVE系統)的研制,工作于Ka波段，中心頻率為35GHz，發射信號為調頻連續波，帶寬800MHz。試驗載機是翼展23米重約600kg的滑翔機，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果,但目前尚未報道進一步的三維成像結果。中科院電子所2005年開始研制機載陣列三維SAR系統，采用長2米重150kg的剛性大天線陣來保證基線的穩定性，于2015年獲得了國際首幅三維場景成像結果[2][6]。

　　上述現狀表明，為實現三維成像，當前陣列干涉三維SAR系統的復雜度很高、研制難度很大，系統小型化及其應用推廣均具有較大的難度。也即，三維成像對于目前的SAR系統而言是一個“豪華選項”，需要付出很大的成本。為改變這一現狀，將SAR三維成像從“豪華選項”變為“普通選項”，中國科學院空天信息創新研究院牽頭，在國家自然基金重大項目支持下，正在開展“合成孔徑雷達微波視覺三維成像理論與應用基礎研究”，以期將三維成像對多角度觀測數量的要求降低至小于等于5，從而降低系統復雜度或數據獲取周期，實現高效能三維成像，促進SAR三維成像技術的應用推廣[1]。

　　在該項目支持下，中科院空天院聯合中科宇達(北京)科技有限公司，設計研制了一套小型無人機載陣列干涉SAR系統，稱為微波視覺三維SAR(MicrowaveVisionthree-dimensionalSAR,MV3DSAR)實驗系統，用于進行數據獲取和技術驗證，并用于SAR微波視覺三維成像數據集的構建[7]，為該領域的研究提供必要的基礎平臺。目前該系統的單極化版本已經研制完成，并于2021年12月初在天津臨港地區開展了首次集成校飛實驗，初步驗證了系統的基本性能和三維成像能力。

　　本文介紹了該系統的基本構成、主要性能、以及系統和數據處理的關鍵技術，給出了首次校飛實驗的方案和實施情況，以及初步的數據處理結果，并指出了后續研究方向。 本文后續內容安排如下：第2小節介紹了MV3DSAR基本情況和系統關鍵技術;第3小節敘述了MV3DSAR系統校飛實驗的方案及實施情況;第4小節給出了數據處理流程和二維成像、系統參數標定、三維成像等關鍵步驟的具體方法，并給出了初步的數據處理結果;第5節總結全文并指出后續研究方向。

　　2MV3DSAR系統及關鍵技術

　　為了便于開展飛行實驗，降低實驗成本，同時具有較高的可重構能力，支撐SAR微波視覺三維成像方法的研究和驗證，MV3DSAR系統的設計遵循如下基本理念：

　　1)輕量化，工業級無人機可掛載;2)基線可重構，可以根據研究需求進行天線的靈活配置，從而實現不同的基線構型;3)多極化，可通過天線和通道的模塊化配置實現單極化和全極化模式。目前，單極化版本的MV3DSAR系統已經研制完成，全極化版本尚未進行集成和驗證，為此，本文重點介紹當前的單極化MV3DSAR系統。

　　2.1MV3DSAR系統構成

　　MV3DSAR系統的總體構成，其主要由微小型SAR載荷、無人機平臺及導航系統三部分組成，通過結構件進行固定和連接。

　　2.2Ku-SAR載荷參數

　　MV3DSAR系統最核心的是Ku波段陣列干涉SAR，其采用調頻連續波體制，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，等效的天線陣列通道數為4，也即一次飛行可以獲得4幅相干的單極化SAR圖像，后續將進一步擴展為全極化系統。系統天線支架結構長度為1.29米，有效長度為1.284米，在有效長度內的0mm、107mm、214mm、…、1284mm處一共打有12排孔，用于固定天線并實現各種基線的靈活配置。

　　本系統將每個極化的陣列通道數設計為4，主要是考慮城區等實際場景中，疊掩數目大部分為2、小部分為3，疊掩數目大于3的情況占比非常小，為此可重點考慮疊掩數目小于等于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到區分兩個疊掩的目的;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，理論上可以實現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用的需求，相關分析可參考文獻[9]。

　　需要說明的是，SAR三維成像所需空間相干觀測數量的理論邊界是一個十分復雜的問題，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，目前已有一些相關研究[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量的理論邊界，是一個值得探索研究的問題。

　　2.3系統關鍵技術

　　MV3DSAR系統致力于小型化、經濟化、高精度，在系統研制過程中突破的主要關鍵技術包括以下幾個方面：

　　1)系統非線性誤差處理技術

　　Ku-SAR系統采用調頻連續波體制，由系統引入以及信號本身存在的非線性誤差會對SAR成像結果產生影響。為此，Ku-SAR一方面采用預失真補償手段提高激勵信號線性度，另一方面通過在實驗室采用延遲線定標方法與非線性處理方法對信號中的系統非線性誤差項進行估計與校正[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成像結果滿足指標要求。

　　2)高精度運動補償數據獲取技術

　　Ku-SAR系統搭載于輕小型運動平臺，實際作業時平臺可產生較大范圍的運動誤差及姿態變化，需對其進行精確測量，以便后續處理中進行補償[13][14]。Ku-SAR系統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，結合導航系統將測量所得慣性導航數據與GPS位置數據融合，通過雙捷聯處理方法獲取相對位置精度優于0.3mm的運動誤差數據，以滿足成像處理的要求。

　　3)多通道一致性技術

　　Ku-SAR系統具有多個接收通道，以滿足多極化、陣列干涉等任務需求。多通道信號之間延時、增益與相位的一致性是保證后續處理正確性的核心關鍵因素。Ku-SAR系統采用了基于低溫共燒陶瓷(LowTemperatureCo-firedCeramic,LTCC)技術的多通道一致性設計、一致性定標回路與內定標設計、多通道間電磁屏蔽防串擾設計等有效方案[15]，使得系統通道間相位一致性達到±5度以內，為在實驗室對系統多次重復上電測量得到的通道間相位差異結果，其包括了發射通道、接收通道、天線模擬環路的誤差影響。相對于美國華盛頓大學于2019年在文獻[16]中報道的通道間相位誤差在0.4至1弧度內變化(±0.3弧度)而言，本系統通道間相位一致性明顯更優，為獲取有效數據提供了可靠保障。

　　4)小型化設計技術Ku-SAR系統針對小型化設計需求，在系統的多個組成模塊上均采用小型化設計方案[15][17]。其中，數字模塊采用基于AXI(AdvancedeXtensibleInterface)總線的FPGA一體化設計技術，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字模塊;在射頻模塊上采用LTCC工藝優化設計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計，使得Ku-SAR系統達到較小的體積和重量，滿足可搭載于工業級無人機的要求，便于實驗任務的開展。3MV3DSAR校飛實驗為了驗證MV3DSAR系統的基本性能指標和三維成像能力，我們于2021年12月1日-2日在天津臨港經濟區開展了首次集成校飛實驗。

　　3.1實驗對象

　　實驗對象為臨港商務大廈，其由2棟15層塔樓及二層裙房組成，大廈區域占地面積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。該大樓結構具有一定的代表性，且周邊比較空曠，便于進行定標器布設。

　　3.2航線及基線設計

　　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果的完整性，此次實驗設計的飛行高度為400米，波束范圍內的成像幅寬為356.18米。天線采用2發2收方式共形成4個等效天線相位中心，通過空間模糊函數的分析，優選了2種基線構型。

　　虛線表示結構件上打孔的位置，R1、R2為兩個接收天線安裝的位置，T1、T2為兩個發射天線安裝的位置，藍色圓點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�？梢姡�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，近距到遠距的瑞利分辨率相差一倍以上，在三維成像處理及結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米最小基線對應的50米左右的不模糊高度，給三維成像帶來了額外的挑戰。此外，由空間模糊函數圖可見，兩種模式分別在斜高向的±8.4m、±28.4m和±15.2m、±21.6m處存在高相關區域，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數據處理關鍵技術及初步結果

　　本次MV3DSAR集成校飛實驗的主要目的是驗證MV3DSAR系統在分辨率、通道幅相不平衡等方面的基本性能指標，并驗證其進行三維成像的可行性。由于本次實驗獲取了2個模式8個方向的觀測數據，數據量較大，且該系統只有4個通道，三維成像難度很大，因此相關研究和數據處理工作目前仍在進行之中。本小節主要給出對于系統誤差的標定方法與結果，以及初步的三維成像結果，以驗證系統的基本性能和三維成像的可行性。

　　4.1數據處理總體流程

　　針對多個觀測方向獲取的陣列干涉SAR數據，我們設計的總體處理流程。首先對每個方向的4通道陣列干涉SAR原始回波數據進行二維成像處理;然后基于系統誤差具有良好穩定性的前提，通過多個方向的SAR圖像數據聯合進行系統誤差參數標定，包括系統延遲誤差、通道幅度和相位誤差，并確定和驗證基線參數;隨后進行干涉圖像配準和相干性分析，為第三維成像提供基礎;接著進行第三維成像處理，得到三維點云和點云對應的散射系數;最后對三維成像結果進行分析與評價，從而得到最終的三維成像結果和對三維成像性能的分析結果。

　　在上述處理流程中，關鍵技術包括二維成像、系統參數標定、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。系統延遲、基線、基線角、通道幅度/相位差異等參數對三維成像的求解結果有很大影響，尤其當通道數量較少時，三維成像求解的病態性愈加嚴重，微小的參數誤差就可能導致結果的嚴重偏差，甚至使得三維重建失敗，因此，系統參數的標定至關重要。第三維成像則是本系統數據處理的核心環節，直接決定三維成像的成敗。為此，后續小節將重點針對上述關鍵步驟進行處理方法的闡述并給出初步處理結果。

　　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動引起的偏離在2米以內，在垂直飛行方向航跡控制在1米以內，且大部分控制在0.4米半徑的“管道”內，航跡控制較好。通過姿態數據解析，8個方向飛行的姿態數據測量結果，橫滾角變化在3°以內，偏航角變化在2°以內，俯仰角變化在4°以內，姿態變化相對較大。

　　5結束語

　　本文介紹了微波視覺三維SAR實驗系統(MV3DSAR)的組成、系統參數和研制關鍵技術，并給出了該系統首次集成校飛實驗的模式設計、航線設計和定標器布設情況，最后給出了系統誤差標定的方法和結果，并給出了初步的三維成像結果，驗證了該系統的基本性能和三維成像能力，可以為后續SAR微波視覺三維成像理論方法研究和驗證提供支撐平臺。在國家自然基金重大項目支撐下，項目團隊后續將進一步開展基于微波視覺的SAR三維成像方法研究，并繼續開展該實驗數據的處理和指標評估工作，推動SAR三維成像技術的應用。

　　參考文獻

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　　[3]J.Klare,M.Weiss,O.Peters,A.Brenner,J.Ender,ARTINO:ANewHighResolution3DImagingRadarSystemonanAutonomousAirbornePlatform,2006IEEEInternationalSymposiumonGeoscienceandRemoteSensing

　　[4]Weiss,Matthias,Peters,Olaf,Ender,Joachim,FirstFlightTrialswithARTINO,EuropeanConferenceonSyntheticApertureRadar2008.

　　作者：仇曉蘭*①②③④焦澤坤①④楊振禮⑤程遙②③藺蓓②③羅一通②③王衛②③董勇偉⑤周良將①④丁赤飚*①④