无人机载合成孔径雷达系统技术与应用（五）
4.3 运动误差补偿技术
SAR成像的理想条件是飞行平台匀速直线运动，实际航空平台总会受到气流扰动的影响，做不到理想运动。对于无人机载SAR，由于载机平台轻小，易被气流扰动影响，造成雷达回波相干性下降，进而影响雷达高分辨率的实现。通常为了克服飞机运动误差的影响，雷达采用惯性器件测量运动误差与自聚焦相结合的方法，进行运动误差提取和补偿。然而，由于无人机平台受限于装载条件、成本等因素，无法装载高精度惯性测量系统，对雷达高分辨率的实现带来很大的难度。此外，常规的运动误差补偿及自聚焦方法针对性强，难以适应不同种类运动特性的无人机载SAR的运动误差补偿，国内外学者开展了大量的相关技术研究[27-29]。
多维度运动误差补偿是一种针对平台运动大变化范围的问题进行高精度运动误差提取和补偿的方法。飞机的运动误差直观表现为随时间变化的空间位置和角度上。可以体现在：惯性测量设备获取的速度、加速度，角速度、角加速度等参数上；雷达信号的相关特性、多普勒频率、多普勒相位等；SAR图像的对比度、统计特性等方面；并且与雷达观测目标的几何关系，孔径长度等相关联。简而言之，SAR运动误差可体现在观测、解算、度量空间的不同维度上。各维度的误差具有相同的来源，存在相关性，并且具有冗余性。可利用相关性和冗余性，提高误差测量估计精度。
根据这一特性，给出了多维度运动误差补偿新方法。首先，建立运动误差多维度空间模型，并将误差分解到姿态参数域、原始数据域、时间域、频率域等各维度上。将多维度误差与多普勒相位关联，通过多维度间的交替迭代，估计和补偿运动误差，如图 26所示。例如，可以将惯导测量数据和GPS测量数据相结合，提高对平台运动参数的测量精度；在缺少偏航角参数时，可以利用雷达信号中的多普勒频率中心参数，提取雷达波束指向角度参数进行补偿；可以建立雷达与目标间的3维几何关系，通过运动误差在不同视角时的细化分解，提高大测绘范围时相位梯度自聚焦算法的不足等。利用维度间信息冗余的方法，弥补了惯性测量系统精度不足的欠缺，有效解决了在大差异、多类航空平台上宽范围运动补偿的难题。
4.4 基于多通道的高性能SAR技术
多通道技术包括了时间、空间、极化、频率以及处理多通道，具体针对收发和处理通道的设计与选择方面，通过收发通道的增加可以对极化、空间维度进行扩展，获取全极化、3维成像结果。
高分辨率SAR距离向分辨率需要宽带信号的发射、接收和处理来保证。高分辨率SAR通常具有不同的工作分辨率模式，如每种模式都对应一组滤波器，设备复杂度增加，同时宽带滤波器的理想通道特性会随着带宽增加而下降。
针对上述问题，D3022无人机载InSAR/PolSAR系统沿用了超高分辨率SAR系统的多通道接收脉冲合成技术，如图 27所示。采用双通道接收机单元，将800 MHz信号划分为两个400 MHz子带信号进行发射和接收，同时采用了基于连续脉冲波形的频域划分信号时域分离发射和接收技术，只调用单通道400 MHz信号采集单元就实现了对双通道800 MHz宽带信号的接收和采集，节约了硬件单元，降低了系统复杂度。在完成采集的同时，信号处理单元可对信号进行数字升采样和拼接，恢复发射脉冲带宽，保证优于0.3 m距离分辨率的实现[28, 29]。
通过扩展处理数据的多普勒通道，可以对单通道数据在不同的频带范围内同时实现SAR/GMTI处理，并将GMTI结果与SAR图像进行关联融合。
5 无人机载SAR发展方向5.1 微小型无人机载SAR系统
随着新型复合材料技术、微电子技术、通信技术的高速发展，小型化无人机逐渐应用于在民用和军用诸多领域，美国、欧洲等先进国家也都竞相发展低于5 kg的微小型无人机载SAR系统。通常的高空高速、中高空、战术型无人机载SAR系统一般都采用脉冲体制，系统实现复杂，体积、重量与功耗较大。因此，目前大部分微小型SAR系统采用调频连续波(FMCW)体制。采用FMCW体制的SAR系统由于连续发射探测信号，使得发射信号的平均功率较大，相对脉冲工作方式而言，其发射信号的峰值功率要小得多，可以采用固态器件、部件，有利于实现体积、重量的轻小型化。国外有代表性的微小型无人机载SAR系统主要包括美国的NanoSA,microSAR[30]和NuSAR、德国的MiSAR[31]、荷兰的AMBER[32, 33]、波兰的C波段SARENKA[34-36]等。NanoSAR实物图如图 28所示，重量仅为1 kg，号称世界上最小的SAR系统，2008年由美国的ImSAR公司和Insitu公司联合开发完成。NanoSAR可用于探测被雾或云层遮挡的海面小型舰船以及进行过伪装的卡车、坦克和其它车辆。2008年该雷达装载在ScanEagle小型战术无人机上成功地进行飞行试验，获得了雷达图像。截至2013年底ImSAR公司又开发出NanoSAR_B,NanoSAR_C，进一步提高了作用距离与分辨率。典型微小型无人机载SAR系统技术指标如表 4所示。
5.2 多功能无人机载SAR系统
具有多极化、干涉、高分辨率等多功能的无人机载SAR系统也是近年来的研究热点。多功能SAR系统可以通过全极化功能获取目标不同极化状态信号的幅度和彼此间的相对相位，提高对目标各种信息的获取能力；利用两副SAR天线接收到同一地面回波信号，通过解算之间的相位差重建地面的高程信息；通过高分辨率功能提高对目标区域的细节获取能力。目前已成功应用的多功能无人机载SAR系统主要有美国的UAVSAR系统[37, 38]和我国的高精度多功能无人机SAR(MFUSAR)系统等[25]。
UAVSAR系统是美国国家航空航天局(NASA)的喷气推进实验室(JPL)于2008年开始研制的一套无人机载全极化差分干涉SAR系统。UAVSAR系统是在GeoSAR系统研制基础上进行的改进，经过改进后系统采用相控阵体制，可以搭载捕食者B、全球鹰等无人机平台。UAVSAR工作在L波段，具有多极化模式、能够完成重复轨道的差分干涉功能，可检测微小地形形变，形变检测精度达到0.1～0.5 cm[39, 40]。2009年UAVSAR系统在参加的墨西哥地震测量试验飞行试验，获取了该地区雷达干涉影像，通过该试验结果地理学家能对该地区的断层形变进行了详细分析。2010年UAVSAR在墨西哥湾进行了飞行试验，对墨西哥溢油后的海面进行了大范围全极化成像，通过雷达图像对海上油污区域进行有效检测。
此外西班牙加泰罗尼亚理工大学对小型化无人机载单航过InSAR系统进行了研究[41]，完成了试验样机，该样机工作在C波段，重量为2.5 kg，已经完成了车载试验并在小型遥控飞机上进行了飞行试验。2009年西班牙的国家宇航技术研究所(INTA)开始研制基于无人机平台的Ku波段多功能QuaSAR(Quicklook unmanned aerial SAR)系统[42,43]。巴西与德国联合开发的OrbiSAR系统[44]于2008年开始进行无人机适应性改造，改造后的OrbiSAR系统可装载在无人机上实现P波段双航过干涉、X波段单航过干涉，对亚马逊热带雨林地区进行不同时间的多极化、多波段成像，测量地形与树木的高度[45]。意大利也开发了先进的无人机载MiniSAR系统[46]，该系统能够进行干涉成像，主要用于地形与泥石流监测等。系统有4个通道，每个通道系统带宽为70 MHz，基线1.5 m。德国应用科学研究所(FGAN)研制了HV与HH双极化的SUMATRA-94(Synthetic Aperture Unmanned Millimeterwave Airborne Test Radar 94 GHz)，工作在W波段，最优分辨率可达15 cm,2012年完成了飞行试验[47, 48]。
5.3 新型工作模式的无人机载SAR系统
随着无人机载SAR应用领域的拓展，常规的SAR工作模式已无法满足不断深化的应用需求，如提取地物的3维高分辨率信息、地表高覆盖率成像与检测空中慢速运动目标等，在常规工作体制下无法实现，因此近年来国内外正在开展具有新型工作模式的SAR技术研究。典型多功能无人机载SAR系统技术指标如表 5所示。
为获取地物的高度图像，一种能够实现下视3维成像的SAR系统也逐渐应用于无人机平台，如德国FGAN-FHR研制的无人机载3维成像雷达ARTINO(Airborne Radar for Three dimensional Imaging and Nadir Observation)系统[49-52]、法国宇航局(ONERA)研制的针对小型无人机研制的DRIVE系统等[53-56]。在下视3维雷达中，系统采用波束下视工作方式，沿距离向布置1维天线阵，即多个天线沿切航迹方向布置。与常规SAR系统一致，在距离向通过脉冲压缩技术获得高分辨，在方位向利用平台运动形成的合成孔径获得高分辨；而在高度向利用切航迹的长阵列获得高分辨率。3 维下视成像雷达可以克服传统SAR成像时的阴影效应，在城市、山区等地势起伏区域能获取较高分辨率的高度图像。系统成像模式如图 29所示。ARTINO系统工作在Ka波段、将20个发射元布置在机翼两端、中间部位为均匀排列36个接收阵元，发射信号带宽为750 MHz，并在低空慢速无人机上进行了飞行试验，获取了分辨率0.2 m的3维图像。DRIVE 雷达具备常规SAR成像模式与下视3维成像模式，在下视3维模式下，雷达工作在Ka波段，接收天线是与一个航迹垂直的的1维阵列，阵列长度为10 m，发射天线位于阵列的中心段、发射800 MHz的调频连续波信号。2006年DRIVE在S10VT无人滑翔机上进行了试飞，验证了系统的可实现性。
2012年日本、马来西亚、印度尼西亚等国联合开发针对JX-1无人机飞行器研制了轻小型CP-SAR(Circularly Polarized SAR)系统[57, 58]。CP-SAR工作在L波段、发射信号带宽为300 MHz、条带宽度1 km、作用距离4 km，每个脉冲只发射左旋圆极化或右旋圆极化，同时接收两种极化信号。CP-SAR作为将来装载于微小型卫星LAPAN-Chibasat的圆极化SAR系统在地面演示验证的试验性系统，装在小型无人机上能够获取地面的全圆极化图像，可以用来对植被、土壤、积雪等地物进行数据分析，应用于土地覆盖测绘、灾害监测等领域。
德国DLR试验室还对一种卫星-无人机双基地雷达成像与自主导航系统进行了研究与系统设计，对该模式下的成像覆盖率、分辨率等进行了分析[59]。利用中高轨卫星(MEO)、低轨微型(LEO)的雷达发射信号、无人机上的一个或多个雷达接收终端接收雷达信号，星-无人机双基地雷达系统能够对地面进行大面积广域高分辨率成像、对空中运动目标进行检测与跟踪以避免空中飞行器碰撞实现无人机自主导航。
5.4 发展趋势
综合国内外的技术发展方向以及应用需求，无人机载SAR系统主要发展趋势是成像分辨率提高、功能扩展和装载平台多样化。
分辨率是SAR系统的一个重要指标，高的分辨率意味着能够获取更丰富的目标信息，分辨率达到0.3 m或以下时，SAR系统可以获得接近光学的图像效果，目标的形状和精细结构可更加清晰，从而大大提高目标识别能力，有利于无人机载SAR系统的实际应用。
由于微波成像反映的是目标的电磁反射特性，所以目标反射回波的幅度及相位与发射信号的中心频率、极化方向都有关，因此为更好地获取地物信息要求SAR系统最好具有多波段、多极化等功能。多工作模式是指SAR系统可以获取不同类型目标的位置(运动)参数和雷达散射特征，从对以往固定目标的2维成像，向着对运动、弱散射特征目标探测成像和3维立体成像扩展。功能和模式的扩展也不断促进了SAR图像信息的精确提取和深度应用。
由于微小型无人机具有隐身性好、低成本等优势，其在军事领域与民用领域的应用越来越多，无人机载SAR系统的轻小型化成为SAR技术发展的重要趋势。纵观国内外先进的无人机载SAR系统，配备在中空长航时、中近程无人机的SAR系统基本都在35 kg以内，搭载在超近程微小型无人机系统的SAR设备均在5 kg以内。先进的、轻小型化的多功能SAR系统在各类飞行平台上的应用无疑是SAR技术在无人机领域的重要发展方向。
