星载双基合成孔径雷达大斜视角成像方法（考虑轨道曲率效应）

《Remote Sensing》：High-Squint Imaging Method for Spaceborne Bistatic SAR Considering Orbit Curvature Effect

　　

双基合成孔径雷达（BiSAR）是一种发射与接收平台空间分离的先进雷达成像系统，该分离式收发架构可实现对待观测场景的协同观测。其中，星载大斜视角双基构型在多角度观测方面具备优势，可克服传统星载干涉合成孔径雷达（InSAR）对南北向地表形变不敏感的缺陷，从而高效、高精度地测量全球三维（3D）地表形变，具有重要工程应用价值。针对星载大斜视角双基合成孔径雷达成像几何模型，研究人员提出一种基于高阶模型的大斜视角成像新方法。传统成像算法建立在直线模型之上并采用级数反演法（MSR）实现成像；相比之下，所提方法专为大斜视角双基观测几何定制，充分考虑轨道曲率效应，同时解决成像参数二维（2D）空间变化带来的成像难题。该方法在观测场景内合理布设控制点，通过高阶多项式拟合求解成像参数。在此基础上严格推导大斜视角双基构型的二维频谱表达式，以及补偿成像参数二维空间变化的频域重采样映射关系，从而实现全场景高精度聚焦成像。该方法拓展了传统直线模型算法的适用边界，适用于大斜视角双基合成孔径雷达成像，最终通过大量仿真实验与性能评估验证了方法的有效性。

研究背景方面，双基合成孔径雷达（BiSAR）凭借收发分离架构，在交叉轨道干涉（XTI）、沿轨干涉（ATI）、高分辨宽测绘带（HRWS）成像、层析成像及极化干涉等领域具备灵活配置、强隐蔽性与抗干扰优势。随着ESA Harmony任务与中国SDG双基星座等下一代系统发展，大斜视角构型因能提供丰富观测几何、增强对目标运动矢量的敏感性，成为测量二维/三维地表形变的关键方向。然而现有方法存在明显瓶颈：传统单基等效算法基于直线模型，在大斜视角下因忽略轨道曲率效应而失效；双根号（DSR）斜距历史使双基二维频谱难以解析求解；级数反演法（MSR）虽精度可控，但既有推导仍建立在线性几何假设上，无法处理星载曲线轨迹与成像参数二维空间变异。

关键技术方法上，研究人员以Harmony类平行航迹大基线（约350 km）、接收端斜视角24°的L波段星载双基构型为仿真对象，先对比单基等效法与线性MSR法的误差退化规律；继而建立四阶斜距多项式信号模型，对发射/接收端真实斜距历史分别做四阶泰勒拟合以获得空间变异系数；基于驻相原理（POSP）与MSR推导大斜视角双基二维频谱解析表达式；在omega-k框架内对场景按距离向分块（子块240 m），布设控制点提取块内参数，通过Stolt插值补偿残余空变相位，完成全场景聚焦。

研究结果部分，第1节引言梳理了双基大斜视角在多维形变观测与编队飞行中的物理几何优势，以及直线模型下DSR导致频域算法无法直接移植的现状。第2节成像几何与高精度信号模型指出，线性几何下三阶斜距模型相位误差超15°、四阶低于0.1°，故确定四阶为最优；研究人员给出考虑轨道曲率的四阶斜距展开式，并推导出含空间变异系数的精确二维频谱（式36–37）。第3节成像算法分析表明，单基等效法在5°以上斜视角即出现方位旁瓣不对称，线性MSR法在25°斜视角旁瓣显著抬高；所提四阶模型算法通过参考点拟合、块内控制点参数提取与Stolt插值，使边缘点与中心点均满足聚焦指标。第4节实验验证采用表4仿真参数，对比线性MSR等效直线近似（图9）与所提方法（图10），后者在左上、中心、右下三点均保持高分辩聚焦，方位/距离指标优于传统法。

讨论与结论翻译：针对星载大斜视角双基合成孔径雷达成像构型，研究人员首先分析了传统单基等效法与基于线性几何假设的解析二维频谱推导方法的局限性，通过理论推导与仿真确定最优多项式拟合阶数为四阶；进而提出一种基于四阶斜距模型、同时考虑轨道曲率效应与成像参数空间变异的星载大斜视角双基合成孔径雷达成像方法，设计详细仿真与传统方法对比，成像结果与质量评估共同证实了所提算法在曲线轨道几何下的优越成像性能。该工作发表于《Remote Sensing》。