第1卷第4期 雷 达 学 报 Vol.1No.4 2012年12月 Journal of Radars Dec. 2012
双基地合成孔径雷达发展现状与趋势分析
曾 涛*
(北京理工大学信息与电子学院 北京 100081)
摘 要：随着雷达技术的进步和新应用需求的出现，双基地合成孔径雷达(BiSAR)在世界范围内受到了越来越多科技人员的关注，成为国际雷达界的研究热点。该文以BiSAR实验为脉络，结合BiSAR系统关键技术突破，从实验系统、处理思路和拓扑几何等方面综合论述了国内外(尤其是欧洲)的研究现状和获取成果，并且详细总结和对比
了不同类型BiSAR成像处理算法，探讨了今后BiSAR系统的研究思路。 关键词：双基地合成孔径雷达(BiSAR)；BiSAR实验；BiSAR成像处理
中图分类号：TN958 文献标识码：A 文章编号： 2095-283X(2012)04-0329-13 DOI: 10.3724/SP.J.1300.2012.20093
Bistatic SAR: State of the Art and Development Trend
Zeng Tao
(School of Information and Electronics, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)
Abstract: Bistatic SAR (BiSAR) systems have attracted the interests from global researchers and become a hotspot in the international radar community due to the progress of radar technology and rapidly increased applications nowadays. Based on the BiSAR experiments and breakthrough of the key technology, the paper summarized the general progresses of BiSAR systems, especially in European radar community, from different aspects such as system design, processing idea and topology etc. Different bistatic image formation algorithms have been analyzed and reviewed. Finally, the development trend is discussed in the paper. Key words: Bistatic Synthetic Aperture Radar (BiSAR); BiSAR experiment; Bistatic image formation algorithm
1 引言
双基地合成孔径雷达(Bistatic Synthetic Aperture Radar, BiSAR)系统通常是指空间中收发
天线分置于不同平台的SAR系统。与传统单基地SAR(Monostatic SAR, monoSAR)系统相比，
BiSAR系统具有不可比拟的优势，例如接收机“静
默”工作带来的隐蔽性好、安全性高、抗干扰能力
强；可以获取目标多视角散射信息，利于目标数据融合；部署灵活，配置多变，甚至可以利用导航卫星、通信卫星系统等作为外辐射源。
上世纪70年代末，美国率先开展进行了BiSAR系统的研究工作，通过理论研究和一系列机载和星
机BiSAR实验[1－4]，初步解决了诸多BiSAR系统难题，并验证了BiSAR技术的可行性。然而由于技术
问题和缺乏有效的成像算法，限制了上个世纪90年代后期的BiSAR研究。进入新世纪以来，随着机载 2012-12-05收到，2012-12-10改回；2012-12-17网络优先出版 国家自然科学基金重点项目(60890073)及重大国际合作项目(61120106004)资助课题 *通信作者： 曾涛 zengtao@bit.edu.cn 和星载SAR技术的不断进步，全球范围内掀起了BiSAR研究热潮，尤其是欧洲地区[5－12]。近10年以来，德国应用科学研究所(Forschungsgesellschaft für Angewandte Naturwissenschaften, FGAN)和德国
宇航局(German Aerospace Center, DLR)陆续开展
了一系列机载、星载和星-地等几何配置下的BiSAR实验，得到了非常好的实验结果[5,9]。英国各大科研机构[8,13,14]，如UCL(University College London), UoB(University of Birmingham)等大学，开展了机
载、基于非雷达外辐射源等几何配置下的BiSAR实验；西班牙加泰罗尼亚理工大学[16]实现了基于干涉应用的静止接收BiSAR 实验(SABRINA: SAR Bistatic Fixed Receiver for Interferometric Applications)。此外，意大利、法国等国家的科研
机构也积极开展了BiSAR系统的科研工作[11,17,18]。与此同时，在上述BiSAR实验的推动下，BiSAR
成像算法的研究工作也逐渐深入、不断完善，如基于Smile算子[19]，LBF算子[20,21]、级数反转算子[22]
等思想的成像算法。 在国内，电子科技大学[23]、北京理工大学[24,25]、中国科学院电子学研究所[26－28]等科研院所也陆续开330 雷 达 学 报 第1卷
展了机载双基地、星地双基地等几何配置的BiSAR实验和成像算法、干涉处理等方面的研究工作。
本文从BiSAR系统的实验角度入手，深入剖析BiSAR系统的发展脉络，由简单到复杂，逐步引入
BiSAR系统发展中的各类难题和解决思路，试图从
本质上揭示BiSAR系统研究的内在逻辑性和科学动力。文章第2节讨论了世界范围内各个科研小组
所开展的各类BiSAR实验，从不同侧面论述了BiSAR系统和数据处理的特点；第3节分析了BiSAR系统成像处理算法的发展脉络与趋势；第4
节总结了全文。
2 BiSAR系统综述
2.1 机载BiSAR系统
机载BiSAR系统无疑是BiSAR研究工作的起
点。一方面，相比于星载系统，构建机载BiSAR实验系统比较简单；另一方面，机载BiSAR系统包含
了所有BiSAR系统可能面临的技术挑战，包括信号同步和数据处理等方面。因此，从机载BiSAR研究出发，逐个突破关键技术是雷达界开展BiSAR研究
工作的基本思路。 1977年，美国Xonics公司的理论和仿真研究证
实了BiSAR成像的可能性[1]。1979年初到1984年间，Goodyear公司、Xonics公司与美国国防部、空
军等单位签订研究合同，开展一系列机载BiSAR实验并获得了BiSAR图像[1]；Auterman在1984年发表的文献中首次公开提到了BiSAR实验，并公布了3幅BiSAR图像(Willow Run机场附近区域的SAR
图像)，这些实验结果完成了机载BiSAR成像的概
念验证。 德国宇航局(DLR)和法国宇航局(ONERA)于2002年开展了欧洲最早机载X波段BiSAR实验[17]，其主要目的是探讨BiSAR系统在干涉处理中的潜
力，例如降低时间去相干和大气相位的影响以提高DEM精度。实验中的发射信号带宽为100 MHz，
实验前对各类同步问题做了详细的研究和设计，完
成了BiSAR成像和干涉处理，得到初步的干涉结果(见图1)，可以看到建筑物都表现为较大高程的蓝
色，图上方的高速路表现为较低高程的绿色。 2003年10月，德国FGAN利用已有的两套X
波段雷达系统AER-II和PAMIR开展了机载BiSAR实验[5]。该实验采用连续采集的方式进行回
波记录(没有记录直达波信号)，天线波束照射同步
则通过事先精确地设计和飞行员高超的驾驶技巧来
保证。实验采用的发射带宽为300 MHz，采集了多
个双基地角条件下的场景回波信号并利用差分GPS
接收机记录了发射和接收平台的轨迹历史。图2所
示为所获得的BiSAR图像，成像算法采用BP算法，
并且完成了运动补偿处理。与目标场景光学图片(左
图)对比可见，该实验成功获取了目标场景的BiSAR
图像。虽然该实验获得了大带宽和大双基地角条件
下的BiSAR图像，但是文献中并没有提到频率同步
的相关处理方法。 2004年，英国QinetiQ公司在国防研究局的资
助下利用机载ESR雷达作为发射机，直升机载ADAS雷达作为接收机，首次完成平飞机载聚束式
的BiSAR实验[8]，并且成功将自聚焦算法应用到BiSAR成像处理中。该实验采用天线聚束照射和高
精度的铯原子钟解决了波束同步和时间同步带来的
问题，而频率同步是通过地面测试的方法保证发射
机和接收机的振荡器的频率和相位噪声满足BiSAR
系统的实验要求。该实验的成像算法采用PFA(Polar Format Algorithm)算法和RMA(Range
图1 机载BiSAR干涉实验结果 第4期 曾 涛：双基地合成孔径雷达发展现状与趋势分析 331
图2 FGAN开展的机载BiSAR成像结果
Migration Algorithm)算法，并且利用了简单
PGA(Phase Gradient Autofocus)自聚焦处理来提
高图像质量。在图3所示成像结果中，双基地角大约为50°，发射机和接收机的波束照射方向差别较大，图中左下角几棵大树的聚焦结果可以看到，这
些大树存在两个阴影区域，分别对应发射机和接收机，两个阴影区域相对于大树的聚焦位置的夹角大
约和双基地角相当。 在国内，电子科技大学[23]的学者率先开展了BiSAR系统理论研究工作，讨论了系统的同步处理，
提出修正RD成像算法和时变阶梯变换算法实现系统回波聚焦，并且于2007年3月组织了机载BiSAR
飞行实验，通过实测数据的成像处理，获得了国内第1幅机载BiSAR图像(图4)。
综上所述，通过上述机载BiSAR实验的研究与验证，突破了BiSAR系统的信号同步处理以及成像
图3 BiSAR系统聚束模式成像结果 处理算法等关键技术，为星载BiSAR系统的研究提
供了充分的技术储备。
目前，随着单基地机载SAR能力的进一步提
升，如多波段、多极化、高分辨、干涉等(表1)，使
得单基地机载SAR在地形测绘、目标分类与识别方
面的能力显著提升。通过引入双基地角度这一维度，
可以实现对目标区域进行双基地多波段、双基地多
极化等多维度的观测，进一步挖掘目标在双基地多
维度观测下的散射机理，为目标几何结构的解译、
目标分类与识别提供新的技术途径与方法。因此，
基于机载多功能SAR系统的双基地实验与处理方
法研究是未来机载BiSAR的主要趋势之一。
表1 欧洲常用机载雷达系统参数汇总
参数 RAMSES E-SAR F-SAR
频带 (GHz) P, L, S, C, X, Ku, Ka, W P, L, C, X P, L, S, C,
X
发射带宽 (MHz) 75～1200 100 100～800
极化方式 P, L, S, C, X, Ku：全极化 Ka：VV, HH W：LR, LL P, L：全极化 C：H & V X：VV, HH 全极化
2.2 星载BiSAR系统
2.2.1 星地BiSAR系统 星地BiSAR系统是指利用
在轨SAR卫星作为发射源，地面静止接收的BiSAR
系统。西班牙加泰罗尼亚理工大学的学者于2006年提出了SABRINA系统概念[16]，首次将星地BiSAR