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机载多波段全极化FMCW合成孔径雷达最新实测成果

  基于调频连续波(FMCW)技术的合成孔径雷达(SAR)是近些年日趋成熟的新技术。与传统的脉冲SAR雷达相比,FMCW-SAR具有质量轻,体积小,功耗低等优点,在遥感以及航道监测领域极具潜力。本文公布了机载FMCW全极化同步L,X波段SAR在国内进行的第一次遥感测试结果以及该型雷达对阿尔卑斯山冰川断层成像的部分结果。

  我国的航道分布范围广,船只大小混杂,往来密度高,而航道两侧植被分布差异巨大。目前通过星载光学照片和普通地面传感器的航道监测法难以满足对航道的实时监测要求。合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar, SAR)是雷达发展领域的一个新高度,能够对目标进行远距离,全天候的成像。而机载SAR技术恰好可以满足航道监测的实时性和全天候要求。传统的SAR技术采用脉冲技术,通过对发射脉冲进行压缩获取高分辨率图像。然而脉冲技术的缺点是需要在极短的时间内发射高能量脉冲,因而对射频部分的要求极高,脉冲SAR体积大,功耗高,重量大,对硬件部分的要求高。这限制了脉冲SAR在小型,微型化方面的应用。此外,造价成本极高,价格高昂,难以在民用方面如应急抢险救灾等方面推广。

  近年来出现的调频连续波(FMCW)合成孔径雷达(SAR)技术采用全新的信号发射体质,相较于传统的脉冲式SAR,FMCW-SAR具有设备体积小,重量轻,功耗低,成像精度高等优点,能够装载在轻型飞机,甚至无人机上对地面进行成像。

  新型的基于调频连续波技术的全极化L,X波段机载雷达于2015年在荷兰成功研制。该雷达具有全极化工作模式并能同时工作在L-和X-波段。具体的技术参数如表-1。系统集成了两套导航设备,包括GNSS系统和惯性基准系统用以对飞机进行运动补偿调整。该系统的两个接收信道可以进行切换以达到对不同极化模式进行切换的目的。此外,该雷达具有可拓展性,能够在P,L,C,X,Ku,Ka波段进行工作。该机载SAR工作在L波段时,中心工作频率为1.3 GHz,工作带宽为200MHz,距离向分辨率为0.75m,方位向分辨率18cm,发射功率为10W,发射与接收均为双通道,可以工作在全极化状态,当飞行高度为5 km时,成像覆盖面为4-8 km。当该机载SAR工作在X波段时,中心工作频率为9.6 GHz,工作带宽为300MHz,距离向分辨率为0.5m,方位向分辨率18cm,发射功率为10W,发射与接收为双通道,当飞行高度为5 km时,成像覆盖面为4-8 km。

  该新型雷达于2016年5月17-19日在中国河南省安阳市进行首次试飞。在安阳的机载试验中,雷达搭载Cessna-208民用飞机。该雷达工作时不需要对飞机进行较大改装,仅需将侧门拆去,并安装上简易塑料拉门。雷达安置在机舱内,如图1所示,四个白色正方体为四个天线,其中两个是发射天线,两个是接收天线。四个天线可以工作在全极化模式(VV,VH,HV,HH)。在起飞时关闭拉门避免气流对起飞造成影响,升空后打开拉门,通过四个天线发射并接收信号。本次测试工作在侧视条带模式。

  地表植物对不同极化模式下的电磁波信号反射率不同,因而通过不同的极化成像可以对地面植被建筑物进行分类,因而该技术在土地测绘领域应用前景广阔。图2 展示了在HH极化下,同时获取的L波段和X波段下的成像结果。受到本文篇幅限制,图2仅提供完整图像的一部分。获取这幅图像时,飞行高度为1960米,成像覆盖面积为35 km2,其中方位向长度为10 km,宽度为3.5km。从成像结果对比可以看出,X波段由于频率较高而波长较短,可以提供更加清晰的成像结果,而L波段频率较低因而具有更强的穿透性,相反的,成像结果则不如X波段清晰。本次试验是国内第一次引进的FMCW全极化SAR,并进行的公开实机测试。

  欧航局在2015年对位于奥地利米特尔贝格附近的蒂罗尔阿尔卑斯山温带冰川进行了分层成像实验,探究了该地区冰川60米深的层次结构 [1]。这为分析冰川构造和未来变化趋势提供重要数据。主要的实验区位于3000米至3200米的冰川上部的一块平地。 为了验证机载SAR对冰川成像的可行性和准确性,首先使用了IDS双频(200/600MHz)的探地雷达(GPR)在试验区域进行探测,总探测长度为18km。接着利用机载SAR对该区域进行了分层成像。其中,机载SAR为L波段全极化FMCW-SAR,中心频率为1275MHz,带宽为150MHz,空间分辨率≤ 2 x 2 m。装载SAR的飞机为BLOM-CGR公司运营的CASAC-212,雷达放置于机舱内,收发天线经改装后位于飞机腹部。该次试验从两个方向进行飞行(南北向;北南向),每个方向飞行20次,共获取40组数据,采用的成像模式为侧视条带成像。由于该次飞行未采用自动驾驶技术,并受到湍急气流的影响,飞机会呈现不稳定的飞行轨迹,飞行运动误差约为50m。

  获取的回波信号被存储在内嵌的FPGA并进行后处理。首先采用时域BP法对回波数据进行聚焦处理。这种方法尽管效率不高但是可以完美还原飞机的飞行轨迹,保留不同飞行轨迹下数据的相关性,并能将不同飞行轨迹下产生的图像对同一个参考DEM进行归一。第二步是对因飞行轨迹误差而引起的相位误差进行校正,[1]提出了双相位中心定位法(Phase Center Double Localization Method)对误差相位进行补偿。该方法利用三个飞行轨迹,即两个实际飞行规矩和一个参考轨迹对空间基线进行校正。经过处理去除了残余相位,提高了图像的精准性。由于冰层会对电磁波产生折射现象,所以信号合成的图像与冰层下面真正的结构会产生一定的误差,因而需要做进一步的补偿校正。

  最终图像处理结果如图3所示,L波段的全极化SAR能够探测冰层下60m深的断层图像。其中图3(a)与(b)分别描绘了从两个不同方向(南北向;北南向)对同一区域进行断层成像的结果,采用的是HV极化模式,这一极化模式对断层处的粗糙分界面极为敏感。通过对比图3可以看出两幅图均探测到基岩部分。此外,由于基岩本身的粗糙特性,L波段的信号对基岩更加敏感,因而呈现出更加清晰的回波图像。这一实验验证了利用FMCW机载SAR对冰川内部结构探测的可行性。

  本文公布了L-和X-波段全极化FMCW-SAR在国内的首次遥感测试结果,以及在阿尔卑斯山进行的冰川断层实验结果。FMCW合成孔径雷达具有重量轻,体积小,结构相对简单等优点,可以轻松装载在小型民用飞机上。这些优点推进了FMCW-SAR在民用,尤其是航道监测领域的发展。

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