研究团队
陈志扬, 李元昊, 胡程, 王圣镭, 陈心朋: 北京理工大学
Mihai DATCU: 布加勒斯特理工大学空间信息研究中心
Andrea Virgilio MONTI-GUARNIERI: 米兰理工大学电子信息与生物工程系
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Chen Z Y, Li Y H, Hu C, et al. Repeat-pass space-surface bistatic SAR tomography: accurate imaging and first experiment. Sci China Inf Sci, 2024, 67(9): 192304
本文讨论了影响重轨星地双基地合成孔径雷达（SS-BiSAR）层析成像精度的关键问题：轨道误差的影响和相应的补偿方法。该项工作对由轨道误差引起的图像几何失真和干涉相位误差进行了建模，并提出了一种基于chirp-Z变换的校正方法。此外，还建立了精确的层析成像模型来提高三维重建精度。通过利用中国陆探一号（LT-1）卫星进行的首次L波段重轨SS-BiSAR层析成像实验，验证了所提方法的有效性。
>>研究背景
与传统的单基地星载SAR相比，SS-BiSAR提供了额外的观测角度，使其在局部区域高精度多维形变反演方面具有潜在应用前景。重轨SS-BiSAR层析成像能够精确估计建筑物表面和陡峭地形，可用于精确消除形变反演过程中的地形相位误差干扰。然而，轨道星历的不准确性会导致图像几何失真，降低图像对相干性，引入干涉相位误差，并最终降低层析成像精度。本研究旨在建立SS-BiSAR层析成像的轨道误差模型，并提出误差的精确校正方法，从而提高SS-BiSAR的层析成像性能。为了精确定量描述轨道误差对SS-BiSAR层析成像的影响，我们将轨道误差分解为三个分量：径向、沿轨向和高程方向，如图1所示。利用SS-BiSAR回波模型，并考虑基于直达波信号的时间与相位同步处理，对存在轨道误差情况下的聚焦图像进行了解析建模。最终，对图像几何失真和二维相位误差建模如下：
式中，∆r、∆y和∆ϕ分别为距离偏移、方位偏移和二维相位误差。x和y分别为目标相对于直达波天线的地距向坐标和方位向坐标。ys、es、∆v和v分别为轨道位置误差的沿轨分量、高程分量、速度误差和轨道速度。Rd、θ和λ分别为直达波天线的斜距、入射角和波长。
基于上述轨道误差引起的图像几何失真和二维相位误差模型，本文提出一种校正轨道误差方法，其核心思想为根据二维相位误差估计轨道误差沿轨和高程分量，并对其进行补偿。由于SS-BiSAR图像几何失真在远离直接波天线的区域中更明显，即图像对相关系数更低，因此需选择直接波天线临近区域的相位图用于精确估计轨道误差参数完成补偿。所提出的补偿方法包括5个步骤：干涉图生成、平地相位去除和滤波、chirp-Z变换、轨道误差估计以及使用校正的轨道重新聚焦。最后，为了提高层析成像的精度，我们提出了一种改进的层析成像模型。核心思想是在层析成像模型中考虑所有干涉图间的相关系数影响，利用干涉图的相关系数加权干涉图对和感知矩阵，从而改进层析成像性能。我们以我国的L波段星载SAR LT-1作为照射源，在地面布设雷达信号接收设备构成SS-BiSAR系统，开展了首次L波段重轨星载SAR层析成像实验。课题组在2022年9月至2023年2月期间采集了11幅重轨SS-BiSAR图像，分辨率为5.4 m(距离向)×9.8 m(方位向)。SS-BiSAR实验设备、观测场景和SAR图像如图2所示。
图2 (a)实验设备、(b)观测场景和(c)SS-BiSAR图像图3显示了使用所提方法进行轨道误差校正前后的干涉相位图。创新方法不仅有效消除了轨道误差引入的“假”干涉条纹，同时还使低质量区域中的干涉条纹纹理更加清晰。定量分析表明，新方法使干涉图的相关系数平均提高了0.091。
图3 使用所提出的轨道误差校正方法之前（上图）和之后（下图）的干涉相位图图4显示了重轨星地SAR层析成像结果。为验证成像性能，我们在实验中同时开展无人机载激光雷达点云测量实验，其点云数据精度约为15 cm，可作为有效参考。我们选择红色箭头所指的建筑区域切片作为所抽取的评估样本，如图4(c)所示，对其的定量分析表明，利用所提方法获得的层析成像三维点云的精度为3.48m,比传统层析成像方法提高了约12%。
图4 层析成像结果.(a)重轨星地SAR层析成像点云;(b)激光雷达点云;(c)用于定量分析的评估样本(1) 本文研究了重轨星地SAR的高精度层析成像方法。针对系统面临的轨道误差影响难题，建立了误差影响的定量化分析模型和高精度的校正方法；考虑时序干涉图变相关系数的特点，提出了改进的层析成像方法。(2) 基于LT-1 SAR卫星的重轨星地SAR实验表明，利用提出的创新方法可有效校正轨道误差影响，使相关系数平均增加了0.091。此外，相比于传统方法，所提的改进层析成像模型可使目标重构三维点云密度和精度分别提高13.7%和12.1%，显著改善了重轨星地SAR的层析成像性能。相关成果预期可为基于重轨星地SAR三维形变监测的地灾详查等防灾减灾重大应用提供技术支持。
【第一作者】陈志扬（1993-），博士，研究方向为分布式星载SAR系统、干涉测量和层析成像。【通讯作者】李元昊（1990-），博士，研究方向为分布式星载SAR系统、干涉测量和大气测量。