吴照宪，吴 海

(中国船舶重工集团公司第723研究所，扬州 225001)

一种改善图像拼接效果的相控阵scanSAR工作模式

吴照宪，吴 海

(中国船舶重工集团公司第723研究所，扬州 225001)

针对常规扫描式合成孔径雷达(scanSAR)图像拼接效果较差，存在二维拼缝的问题，提出一种相控阵scanSAR工作模式，该模式利用相控阵天线波束具有快速切换的特点，使波束在各子测绘带之间进行脉冲级切换，再结合提出的成像方法，可以获得无缝拼接的scanSAR宽测绘带图像，克服了常规scanSAR的缺点。理论分析和仿真验证都表明了所述方法的正确性和有效性。

扫描式合成孔径雷达；相控阵；工作模式；图像拼接

0 引 言

遥感应用中，常要求一次作业就能得到监测地区的大面积宽测绘带图像，扫描式合成孔径雷达(scanSAR)顺应了这一需求[1]，它通过周期性切换天线波束的视角，实现波束在几个不同子测绘带之间的轮换，最终得到由子测绘带拼接而成的宽测绘带雷达图像。

常用的scanSAR工作模式是将天线波束在每个子测绘带的相应观测区域内驻留一段时间，通过对每个波束驻留区域分别成像来获得子帧SAR图像，然后将各子帧图像拼接成宽测绘带SAR图像。这种scanSAR图像拼接是一种二维拼接，距离向需要将不同子测绘带图像拼接成宽测绘带图像，方位向需要将不同子帧图像拼接成连续的图像。但是不论子帧图像还是子测绘带图像都受到天线方向图的调制[2]，从而使子图像各区域的能量出现差异，导致拼接后的图像出现明暗调制，这不仅影响视觉效果，也为后续的图像匹配、目标识别等应用带来困难。

目前校正这种调制的常用方法是在图像域中对天线方向图引起的调制函数进行补偿，但有时即使经过复杂的计算，仍然难以将调制完全补偿掉，这是由于天线平台受各种扰动因素的影响，导致波束指向是时变的，而图像是通过多个脉冲积累起来的，时变的方向图补偿难以适用于图像域，并且补偿算法复杂，计算量大。

当前相控阵天线的应用越来越广泛，很多具备SAR功能的雷达也应用了相控阵体制[3-4]。本文根据相控阵天线波束快速切换的特点，提出一种基于相控阵体制的scanSAR工作模式，并给出了一种新的成像处理方法，它能够获得较为理想的scanSAR图像拼接效果。通过仿真，验证了所述方法的正确性和有效性。

1 常规scanSAR的图像拼接

目前常规的scanSAR工作模式是通过波束在每个子测绘带的相应区域驻留一段时间，然后对驻留区域分别成像[5]。具有3个子测绘带的scanSAR工作模式如图1所示，图中横轴和竖轴分别表示方位向和距离向，scanSAR按图中序号递增顺序进行子帧图像成像，每次对1帧图像进行成像，然后将各子帧图像拼接起来得到大面积SAR图像。

图1 常规scanSAR工作模式

从图中可以看出，scanSAR的图像拼接是二维拼接，方位向将不同子帧图像拼接成连续的长条图像，距离向将各不同子测绘带图像拼接成宽测绘带图像。但是无论子帧图像还是子测绘带图像都受到天线方向图的调制，该调制使得每个子帧图像的不同区域出现亮暗变化，并最终导致二维拼接后的图像亮暗交替变化，拼缝处出现明显断裂痕迹，这不仅影响图像的视觉效果，也影响图像的后续应用，因此，必须对该调制进行补偿。下面首先对该调制的调制函数进行分析。

对于scanSAR来说，每个子帧图像都是由若干个脉冲积累起来的，因此子帧图像的调制函数应为所有脉冲的调制函数求和的结果[2]。假设某子帧图像由N个脉冲积累而成，则第n个脉冲在子帧图像位置(x,y)处的调制函数Gn(x,y)可以表示为：

(1)

式中：x和y分别为方位向和距离向的采样点；Gnt(x,y)和Gnr(x,y)分别为发射和接收方向图在地面的投影。

因为scanSAR的积累时间一般很短，不考虑该段时间内目标后向散射系数变化等情况,则由天线方向图引起的子帧二维调制函数为：

(2)

SAR一般使用天线方向图主瓣3 dB以内的波束部分，该部分天线方向图一般为连续可微的函数，所以该二维调制函数G(x,y)也应为二维连续可微函数。通常一帧图像的二维调制函数形状应和常规的二维天线方向图类似，但调制函数在帧与帧之间会出现不可导点甚至不连续点，这些都将导致图像拼接处不连贯，出现断裂痕迹，视觉效果变差。以方位向为例，帧与帧之间的调制函数通常如图2所示，图中子帧1和子帧2的方向图之间不连续。

图2 帧与帧之间的调制函数

理论上可以对每帧图像的调制函数进行精确计算并补偿。但实际中，scanSAR平台在飞行过程中经常存在不稳定性，特别在无人机这样的平台上，由于各种扰动因素的影响，使得天线波束相对飞行轨迹存在各种偏移、滚动，导致由天线方向图得到的调制函数和理论上或实测的出现较大偏差，且各脉冲之间的偏差并不一致，这不仅使得调制函数难以获得，且计算量也大大增加，调制函数的补偿因此变得困难，有时甚至无法补偿到较理想的效果。

2 相控阵scanSAR工作模式

目前基于相控阵体制的合成孔径雷达已得到了广泛应用，由于相控阵天线具有波束快速切换等特点，它必将给SAR带来各种新的工作模式。本文根据上述scanSAR图像拼接的困难，并结合相控阵的特点，提出了一种新的相控阵scanSAR工作模式，它能够克服上述常规scanSAR图像拼接的问题。

利用相控阵天线波束快速切换能力，可以实现波束在各子测绘带间的脉冲级切换。对有L个子测绘带的相控阵scanSAR，其工作模式为：第1个脉冲指向第1个子测绘带，第2个脉冲指向第2个子测绘带，……，第L个脉冲指向第L个子测绘带，然后第L+1个脉冲再次指向第1个子测绘带，如此往复循环。

条带SAR对脉冲重复频率fPRF(strip)的要求是大于多普勒带宽Ba，即：

(3)

相控阵scanSAR相当于L个条带SAR，因此相控阵scanSAR的脉冲重复频率fPRF(scan)是常规条带SAR脉冲重复频率的L倍，L为子测绘带个数，即:

(4)

对于常规scanSAR来说，其脉冲重复频率和条带SAR是一致的，因此相控阵scanSAR的脉冲重复频率是常规scanSAR的L倍，这使得数据量也增加了L倍，这是相控阵scanSAR的缺点，但是数据量的增加却提高了相控阵scanSAR的方位分辨率。

由于相控阵scanSAR相当于L个条带SAR，因此其方位分辨率和条带SAR是一致的，而常规scanSAR的方位分辨率是条带SAR的1/L，所以相控阵scanSAR的方位分辨率是常规scanSAR的L倍。因此较之常规scanSAR，相控阵scanSAR还具有方位高分辨率的优点。

3 相控阵scanSAR的成像方法

相控阵scanSAR的优点是为图像拼接带来了便利，它首先利用了条带SAR的拼接方法[6-12]。对于条带SAR来说，只存在图像的方位向拼接，一般用复用数据的方法可以克服方位向的拼缝。条带SAR的1帧图像一般是由同一段回波处理得到的，且通常将回波的中心对准图像的中心，由于天线方向图的原因，这将导致1帧图像的两端能量偏低，帧与帧之间的调制函数存在着1个不可微的奇点，使帧与帧之间图像不连续，中间出现1条类似断裂的痕迹。

但若利用相同的一段回波成出较窄的1帧图像，考虑到天线方向图顶端通常比较平坦，则调制函数也将变得平坦。如图3所示，将一段数据分别分成2个子帧和8个子帧，分8个子帧的调制函数明显比分2个子帧的调制函数要平坦得多。根据经验，一般复用率为4～8时，条带SAR图像将基本不存在拼缝。

图3 条带SAR图像拼接时的调制函数

但对于常规的scanSAR来说，各子测绘带的数据是不连续的，无法进行数据复用，因此方位向拼缝无法用上述方法解决。

对于相控阵scanSAR，考虑到它是由L个条带SAR组成，因此可以将各子测绘带都分别作为1个条带SAR，将其数据分别成像后得到L个条带SAR的图像，然后将其沿距离向拼接起来，得到1幅完整的图像。在这种方法中可以利用条带SAR的复用数据法克服方位向拼缝，但是距离向的拼缝仍然存在。由于各子测绘带距离向幅度值在方位向是时变的，因此距离向拼缝仍然难以解决。

本文提出一种新的相控阵scanSAR成像处理方法，它是将各子测绘带的所有数据按时间顺序统一成条带SAR数据，再按照条带SAR成像处理的方法进行处理。首先它利用条带SAR数据复用的方法使得方位向没有拼缝，另外这种方法由于不存在距离向的图像拼接，在距离向也没有拼缝，因此可以得到二维无缝拼接的宽幅scanSAR图像。

这种方法由于将所有数据统一处理，因此不需要考虑脉冲顺序。但是信号处理时，必须将所有脉冲调整到同一个起始距离波门，这通常需要插值来完成。但是若合理调整各脉冲的起始接收时间，可以避免插值处理。

4 仿真分析

对scanSAR工作模式和成像方法进行仿真，以验证其图像的拼接效果。

为对比起见，首先仿真常规scanSAR，仿真参数设置如下，有3个子测绘带，平台高度：5 000 m，平台速度：100 m/s，工作频率：15 GHz，脉冲重复频率：1 000 Hz，脉宽：10 μs，带宽：80 MHz，距离采样频率：100 MHz，方位波束宽度：4°，俯仰波束宽度：8°，3个子测绘带的下视角分别为45°、53°和61°。其成像并二维拼接后的图像如图4所示，图中可见拼缝十分严重，视觉效果很差。

图4 常规scanSAR成像结果

相控阵scanSAR仿真时，脉冲重复频率为3 000 Hz，其余和常规scanSAR一致。图5(a)是相控阵scanSAR的成像结果，成像方法是将其作为L个条带SAR并分别成像，然后在距离向拼接起来。该处理方法由于利用了条带SAR的图像拼接方法，在方位向没有拼缝，但在距离向存在拼缝，距离向出现明显断裂痕迹。

图5(b)是利用本文提出的将整个数据统一为1个条带SAR的成像处理方法得到的，从成像结果可以看到，方位向没有拼缝，距离向在不同子测绘带之间仍然有能量较低的条带，但不同于上述方法，各子测绘带之间过渡得十分自然，通过简单的乘以加权系数的方法得到图5(c)。可以看出图中没有任何拼缝，视觉效果很好。

仿真说明本文提出的相控阵scanSAR工作模式可行，再结合所提的成像处理方法，能够得到较高质量的宽测绘带图像。

图5 相控阵scanSAR成像结果

5 结束语

本文根据常规scanSAR在图像拼接方面的缺陷，提出了一种相控阵scanSAR工作模式，它利用相控阵天线可以进行快速波束切换的特点，实现波束在子测绘带之间的脉冲级切换，并通过本文提出的将所有子测绘带统一为条带SAR的成像处理方法，得到了二维无缝拼接的图像。

[1] 张澄波.综合孔径雷达——原理、系统分析与应用[M].北京：科学出版社，1989.

[2] 保铮，邢孟道，王彤.雷达成像技术[M].北京：电子工业出版社，2005.

[3] 张光义，赵玉洁.相控阵雷达技术[M].北京：电子工业出版社，2006.

[4] 张光义.相控阵雷达原理[M].北京：国防工业出版社，2009.

[5] 黄伟.扫描式合成孔径雷达成像算法研究[D].成都：电子科技大学，2013.

[6] 郑世友，周晔.无有效重叠区域的SAR图像拼接方法[J].中国图象图形学报，2009(10):2054-2060.

[7] 郑世友，周晔，贺丰收，郑瑶.有重叠区域的SAR图像序列拼接新方法[C]//东南大学：2009年中国智能自动化会议论文集.南京：东南大学出版社，2009:1462-1467.

[8] 张凯文.SAR图像拼接技术的研究及其应用[D].重庆:重庆理工大学,2012.

[9] 姚汉英，孙文峰，李平，钱李昌.SAR图像拼接效果的评价方法研究[J].计算机工程，2010(8):196-198.

[10]FROST V S,STILES J A.A model for radar images and its application to adaptive digital filtering of multiplicative noise [J].IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence,1982,4(2):157-165.

[11]FOUCHER S,BENIE G B,BOUCHER J M.Multiscale MAP filtering of SAR images [J].IEEE Transactions on Image Processing,2001,10(1):49-60.

[12]BENTABE L,JODOUIN S,ZIOU D,et al.Road vectors update using SAR imagery:a snake-based method [J].IEEE Transactions on Geosciences and Remote Sensing,2003,41(8):1785-1803.

A Phased Array scanSAR Operating Mode Improving Image Mosaic Effect

WU Zhao-xian，WU Hai

(The 723 Institute of CSIC,Yangzhou 225001,China)

Aiming at the problem that the mosaic effect is bad and 2-D mosaic-sew exists to the general scanSAR image,this paper puts forward a phased array scanSAR operating mode,which uses phased array antenna beam has characteristics of rapid switch to make the beam perform pulse switch among sub-swathes,then combining with the imaging method proposed in this paper,the scanSAR wide swath image without mosaic-sew can be obtained which overcomes the shortcoming of conventional scanSAR.The theoretical analysis and simulation validation indicate that the method is correct and effective.

scanSAR;phased array;operating mode;image mosaic

2016-02-18

TN958

A

CN32-1413(2016)06-0001-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.06.001