背景及意義
陣列干涉合成孔徑雷達(dá)(SAR)通過(guò)一次飛行就可獲得空間多角度相干觀測(cè)數(shù)據(jù),能有效排除時(shí)間去相干的影響,實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)區(qū)的三維成像。然而當(dāng)前陣列干涉三維SAR系統(tǒng)所需的通道數(shù)較多(通常需要十余個(gè)),系統(tǒng)復(fù)雜、研制難度大,系統(tǒng)的低成本、小型化及其應(yīng)用推廣均具有較大難度,亟需在SAR三維成像理論和體制上進(jìn)行創(chuàng)新。
近年來(lái),在國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目的支持下,中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院丁赤飚院士、仇曉蘭研究員牽頭,并聯(lián)合中科宇達(dá)(北京)科技有限公司成功設(shè)計(jì)研制了國(guó)內(nèi)首套無(wú)人機(jī)載小型化陣列干涉三維SAR系統(tǒng),稱為微波視覺三維SAR(MV3DSAR),并成功開展了飛行實(shí)驗(yàn),僅用四個(gè)陣列通道就獲得了復(fù)雜場(chǎng)景的三維成像結(jié)果,顯示了良好的三維結(jié)構(gòu)重建和目標(biāo)解疊掩能力,促進(jìn)了SAR三維成像技術(shù)的新發(fā)展。
系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)及關(guān)鍵技術(shù)
MV3DSAR系統(tǒng)的總體構(gòu)成如下表和圖所示,其主要由微小型SAR載荷、無(wú)人機(jī)平臺(tái)及導(dǎo)航系統(tǒng)三部分組成,通過(guò)結(jié)構(gòu)件進(jìn)行固定和連接。為了實(shí)現(xiàn)基線可重構(gòu)的需求,系統(tǒng)在天線支架上打有固定間隔的排孔,可以根據(jù)需求進(jìn)行天線構(gòu)型的靈活配置。表 1 MV3DSAR系統(tǒng)總體構(gòu)成序號(hào) | 名稱 | 說(shuō)明 |
1 |
微小型 Ku-SAR |
Ku-波段SAR系統(tǒng),由雷達(dá)主機(jī)、天線及天線支架、開關(guān)組合、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊等組成 |
2 | 無(wú)人機(jī)平臺(tái) | 采用KWT-X6L-15六旋翼無(wú)人機(jī),最大作業(yè)載荷15kg、最大翼展尺寸2.53m,最大飛行速度15m/s |
3 | 導(dǎo)航系統(tǒng) | 由GPS模塊和微型慣性測(cè)量單元(MIMU)模塊組成;航跡測(cè)量精度0.05m,姿態(tài)測(cè)量精度0.02度 |
圖 1MV3DSAR載荷示意圖和系統(tǒng)照片
MV3DSAR系統(tǒng)最核心的是Ku波段陣列干涉SAR,該SAR載荷的主要參數(shù)如下表所示,其采用調(diào)頻連續(xù)波體制,信號(hào)帶寬為1.2GHz,中心頻率為15.2GHz,重量為7.07kg。
表 2Ku波段陣列干涉SAR載荷參數(shù)序號(hào) | 參數(shù)名稱 | 參數(shù)值 |
1 |
中心頻率 |
15.2 GHz |
2 | 信號(hào)形式 | 調(diào)頻連續(xù)波(FMCW) |
3 | 極化方式 | 全極化 |
4 | 信號(hào)帶寬 | 1200 MHz |
5 |
天線尺寸 (單通道) |
0.05 m(俯仰)×0.05 m(俯仰) |
6 | 每個(gè)極化的陣列通道數(shù) | 4 |
7 | 分辨率 |
優(yōu)于0.2 m(距離)×0.2 m(方位)×2m(斜高) |
8 | 通道相位不平衡穩(wěn)定度 | ±5°(10 min內(nèi)) |
9 | 通道幅度不平衡穩(wěn)定度 | ±0.2 dB(10 min內(nèi)) |
10 | 中心視角 | 45° |
11 | NESZ |
不大于-30 dB (最遠(yuǎn)作用距離3.6 km) |
12 | 天線最小間隔 | 0.107 m |
13 | 天線最大間隔 | 1.284 m |
14 | Ku-SAR重量 | 主機(jī)、存儲(chǔ)、電池、天線、結(jié)構(gòu)等一共7.07 kg |
MV3DSAR系統(tǒng)致力于小型化、低成本、高精度,在系統(tǒng)研制過(guò)程中突破的主要關(guān)鍵技術(shù)包括以下幾個(gè)方面:
(1)多通道一致性技術(shù)
MV3DSAR具有多個(gè)接收通道,為保證多通道信號(hào)之間延時(shí)、增益與相位的一致性,MV3DSAR采用了基于低溫共燒陶瓷技術(shù)的多通道一致性設(shè)計(jì)、一致性定標(biāo)回路設(shè)計(jì)、多通道間電磁屏蔽防串?dāng)_設(shè)計(jì)等有效方案,使得系統(tǒng)通道間相位一致性達(dá)到±5度以內(nèi),為三維成像提供有力保障。
(2) 高精度運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)
MV3DSAR作業(yè)平臺(tái)飛行高度相對(duì)較低,運(yùn)動(dòng)誤差及姿態(tài)變化對(duì)成像的影響相對(duì)較大,同時(shí)陣列干涉要求高精度保相成像,因此對(duì)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償提出了更高的要求。MV3DSAR集成了微型慣性測(cè)量單元,通過(guò)雙捷聯(lián)處理獲取相對(duì)位置精度優(yōu)于0.3mm的航跡測(cè)量數(shù)據(jù);同時(shí)在成像過(guò)程中根據(jù)中心頻率的變化進(jìn)行處理頻帶和運(yùn)動(dòng)誤差計(jì)算參考的調(diào)整,并提出基于子孔徑處理和相干合成的高精度運(yùn)補(bǔ)成像算法,有效保證了成像精度和效率。
(3) 基于微波視覺的SAR三維成像技術(shù)
由于MV3DSAR只有4個(gè)陣列通道,現(xiàn)有三維成像方法在較少觀測(cè)次數(shù)下面臨三維求解誤差大、空間模糊等問(wèn)題。因此,MV3DSAR創(chuàng)新性地將微波視覺信息與SAR三維成像模型有機(jī)結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了少量通道下的三維成像。具體的,通過(guò)SAR圖像語(yǔ)義分割和點(diǎn)云迭代處理提取空間幾何結(jié)構(gòu)約束,用于約束三維成像的解空間并進(jìn)行三維解模糊,以提升少量觀測(cè)下的三維成像性能。
微波視覺三維SAR
成像結(jié)果展示
MV3DSAR系統(tǒng)已經(jīng)分別在天津、蘇州地區(qū)完成了多次飛行試驗(yàn),成功處理得到了測(cè)區(qū)內(nèi)單極化、全極化的三維成像結(jié)果,如下所示。
圖 2天津臨港商務(wù)大廈各角度二維、三維成像結(jié)果(單極化)
圖 3天津臨港商務(wù)大廈各角度三維成像融合結(jié)果(單極化,按高度渲染)
圖 4天津臨港商務(wù)大廈三維成像散射強(qiáng)度渲染顯示結(jié)果
圖5蘇州空天院各角度三維成像結(jié)果(全極化)
圖6蘇州空天院各角度三維成像融合結(jié)果(全極化,Pauli分解后RGB偽彩渲染)
此外,針對(duì)傳統(tǒng)二維成像難以分辨的疊掩區(qū)域,研究團(tuán)隊(duì)對(duì)上述三維成像結(jié)果進(jìn)行了解疊掩分析,結(jié)果如下所示。
圖 7建筑物與汽車等解疊掩效果
圖 8屋頂與采光井的解疊掩效果
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