SAR成像系列：【14】全息合成孔径雷达（全息SAR，Holographic SAR, Holo-SAR）

       目前发展的全息成像技术包括：光学全息、红外全息、微波全息和超声全息技术，这些全息技术在军事侦察和监视上有重要意义。由于可见光在大气或水中传播时衰减很快，导致光学全息成像设备在不良的气候下无法进行工作，而微波全息技术则完全不受这些条件的影响。这为实现SAR全息成像带来无以伦比的优势和广阔的应用前景。SAR成像技术经过多年的发展，结合多基线理论，直到2016年，SAR微波全息概念及机载SAR全息成像技术才被提出.

       目前的多基线SAR三维成像技术是利用直线合成孔径从场景的一侧录取成像数据。由于地面目标的散射特性会随着方位向及俯仰向的观测角度而变化，所以直线合成孔径技术很难完整描述目标的散射特性。另外直线合成孔径的数据获取模式存在透视缩短和阴影等难以解决的成像问题.

       SAR全息成像要求雷达平台能够从不同高度对目标进行360°全方位地持续观测,全息成像的轨迹适用于机载平台，此外考虑到地球同步轨道卫星能够通过控制轨道参数实现圆型、椭圆型、水滴型以及“8”字型等星下点轨迹形式，亦可形成全息SAR图像。

        地球同步轨道的半长轴约为42164.2 Km，其上的卫星运行角速度和地球自转角速度大小相同。当轨道倾角为0°或180°时，卫星在赤道上空与地球完全同步，卫星与地球相对静止。但是，由于存在地球摄动、日月引力摄动、潮汐、太阳光压等因素，完全静止的轨道是不存在的。而且完全静止的轨道由于与地球之间没有相对运动，SAR不存在合成孔径，就不会实现方位高分辨成像。下图为仿真的地球同步轨道卫星星下点轨迹。

 地面波束速度为：

 距离向的测绘带宽为：

 （1）全息SAR回波信号模型

 SAR全息成像几何结构如上图所示，其中（x,y,z）为笛卡尔坐标系，(u,v,w)为斜距坐标系。成像区域任意目标T在Cartesian坐标系中的位置为。SAR系统存在N个基线，雷达发射常见的LFM信号

 

目标T在第n个的圆形轨迹上的回波表示为

表示为

 由于雷达二维成像是地面（x,y,z）的三维空间的散射信息在（v,w）平面的积分结果，因此全息成像是基于这样一个假设：同一个距离单元内的散射点在360°方向上的高度在方向上(即斜距坐标系的高度向)的投影是相同的。

下面为坐标转换关系：

 因此，有

 

可得全息SAR回波信号模型为：

  （2）全息成像方案

 SAR全息成像方案最主要部分为二维聚焦和三维聚焦，在此基础上辅以误差矫正、相位补偿、旁瓣抑制等操作。成像方案如下：

①子孔径划分：由于地球同步轨道多基线SAR合成孔径时间长，回波数据大，成像期间轨道高度与卫星速度都以周期性变化，要实现整个周期内的一次成像，不仅算法实现复杂，而且所需的硬件资源也非常庞大。子孔径成像方式是解决这些问题的首选方案；

②BP二维聚焦：由于地球同步轨道多基线SAR全息成像时以圆形轨迹运行，导致距离和方位信号严重的周期缠绕(见下图，图为5个点目标回波经距离压缩后的信号，除了场景中心的目标没有二维耦合之外，其余目标的信后均存在周期缠绕现象)，若采用频域算法不仅实现困难，而且将会导致分辨率的急剧下降。因此本方案选择适合于任意运动轨迹的高分辨时域BP二维聚焦算法；

③压缩感知三维聚焦：在三维聚焦方面，虽然单个圆形基线的BP算法能够反演目标的高度信息，但是BP算法在高度重构时会出现大量环形和锥形旁瓣，这些环形和锥形旁瓣是因为缺少高度向的空间频率导致的。这些旁瓣的出现会降低图像的分辨率并破坏目标的散射信息。星载多基线SAR成像系统中，多基线信息的加入相当于在高度向加入了一个合成孔径，这不仅能有效减少旁瓣的出现，而且对提升高度向分辨率具有重大作用。在利用多基线实现高度向聚焦方面，压缩感知技术仍然是目前最有效的重构方法。

   （3）全息成像仿真

生成回波数据的原始数据来源于库兹涅夫航空母舰的三维空间坐标数据。回波数据的生成过程中加入10dB噪声。

模拟场景仍为静止的库兹涅夫航空母舰，强散射系数主要集中在舰体，地球同步轨道多基线SAR系统采用圆形参数，发射信号为L波段。全息成像结果如下图。

距离向聚焦：

方位向聚焦：

高度向聚焦：

 基于圆形轨迹数据获取模式的成像算法，使旁瓣具有弧形或环形表现形式，旁瓣对全息成像结果的影响很大，使重构的全息图像中的虚假高度增多。为了减小旁瓣瓣对成像质量的影响，一般情况下是通过信号加窗处理来降低旁瓣。但是圆形轨迹的目标空间域频谱是一个圆环，旁瓣大小与该圆环的中间空白区域紧密相关，另外目标散射特性函数并不是sinc函数，而是圆对称结构的贝塞尔函数，虽然系统的分辨率提高了，但是旁瓣的幅度更大。弧形或环形的旁瓣通过传统的加窗处理来抑制旁瓣的方式并不能有效地达到目的。