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背景及意義

陣列干涉合成孔徑雷達(dá)（SAR）通過一次飛行就可獲得空間多角度相干觀測數(shù)據(jù)，能有效排除時間去相干的影響，實現(xiàn)對測區(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），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，在國家自然科學(xué)基金重大項目的支持下，中國科學(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)計研制了國內(nèi)首套無人機(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驗，僅用四個陣列通道就獲得了復(fù)雜場景的三維成像結(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、無人機(jī)平臺及導(dǎo)航系統(tǒng)三部分組成，通過結(jié)構(gòu)件進(jìn)行固定和連接。為了實現(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	名稱	說明
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)存儲模塊等組成
2	無人機(jī)平臺	采用KWT-X6L-15六旋翼無人機(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模塊和微型慣性測量單元（MIMU）模塊組成；航跡測量精度0.05m，姿態(tài)測量精度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	參數(shù)名稱	參數(shù)值
1	中心頻率	15.2 GHz
2	信號形式	調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）
3	極化方式	全極化
4	信號帶寬	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、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)研制過程中突破的主要關(guān)鍵技術(shù)包括以下幾個方面：

(1)多通道一致性技術(shù)

MV3DSAR具有多個接收通道，為保證多通道信號之間延時、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、一致性定標(biāo)回路設(shè)計、多通道間電磁屏蔽防串?dāng)_設(shè)計等有效方案，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) 高精度運動補(bǔ)償技術(shù)

MV3DSAR作業(yè)平臺飛行高度相對較低，運動誤差及姿態(tài)變化對成像的影響相對較大，同時陣列干涉要求高精度保相成像，因此對運動補(bǔ)償提出了更高的要求。MV3DSAR集成了微型慣性測量單元，通過雙捷聯(lián)處理獲取相對位置精度優(yōu)于0.3mm的航跡測量數(shù)據(jù)；同時在成像過程中根據(jù)中心頻率的變化進(jìn)行處理頻帶和運動誤差計算參考的調(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個陣列通道，現(xiàn)有三維成像方法在較少觀測次數(shù)下面臨三維求解誤差大、空間模糊等問題。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，實現(xiàn)了少量通道下的三維成像。具體的，通過SAR圖像語義分割和點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，成功處理得到了測區(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，針對傳統(tǒng)二維成像難以分辨的疊掩區(qū)域，研究團(tuán)隊對上述三維成像結(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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審核編輯黃宇

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