MicroASAR系统的公开数据集成像结果及其程序

在2009年夏天，作为2009年北极海冰特征实验(CASIE-09)的一部分，一个小型低功率SAR在小型无人机SAR系统(UAS)上从斯瓦尔巴岛飞到北冰洋。该任务的目标是测量冰的粗糙度，以支持研究监测冰层厚度和冰层年龄。

MicroASAR是C波段SAR系统，在6次不同长度的UAS飞行中，在32.4小时的UAS飞行时间内收集了19.8小时的高分辨率SAR图像数据。UAS是美国宇航局传感器综合环境远程研究飞机(SIERRA)。

根据CASIE-09的配置，MicroASAR 将数据收集到机载闪存盘，以便之后在地面上进行处理。完整数据集被视为专有数据集。然而，为了推广SAR系统的应用，该任务的原始SAR数据集正在用于研究。本文档简要介绍了MicroASAR的数据集，并提供了处理过的图像的一些示例。

MicroASAR和Sierra UAS

合成孔径雷达(SAR)是一种用于海冰观测的有用工具，但SAR系统通常是庞大且昂贵的。微型MicroASAR建立在BYU microSAR的设计基础之上，但它是一个更加强大和灵活的系统。MicroASAR使用由直接数字合成器(DDS)生成的线性调频连续波(LFM-CW)发射信号。

该系统是伪单站的，即它使用紧密放置在一起的独立发射和接收天线。这提供了发送和接收通道之间的隔离，并实现了长发射线性调频波，从而最大化信噪比，同时最小化峰值发射功率。回波信号与发射信号的频移副本(这称为模拟去调频)混频，数字化，并在中频进行全数字处理。

内部滤波可最大限度地减少发送/接收信号泄露。原始数据存储在紧凑型闪存(CF)磁盘中。使用32GB CF磁盘，可记录超过两小时的SAR数据。表1列出了MicroASAR的硬件技术指标。

对于CASIE实验，MicroASAR发射带宽设置为170 MHz，尽管有效分辨率在处理过程减小了，但最大理想距离分辨率约为90厘米。发射中心频率为5.42876GHz。硬件预置后，有效脉冲重复频率为307.292Hz。

CASIE-09的一个关键目标是提供精确的空间分辨率，以便进入高北极地区。卫星无法同时提供所需的传感器类型和分辨率要求。驾驶飞机通常飞得太高太快而无法满足项目所需的小尺度采样率和工作模式。基于UAS的实验可以在危险的北极条件下在低速情况和低海拔地区进行，而不会使人处于驾驶飞机的危险之中。

在CASIE-09中，MicroASAR安装在NASA SIERRA UAS上飞行。SIERRA具有相对较大的有效载荷能力，高效的任务规划软件和可编程自动驾驶仪，非常适合CASIE-09实验的长时间任务。UAS上的其他一些传感器包括两个光学相机，两个高温计，一个上/下看的短波光谱仪，高性能的惯性测量单元(IMU)，以及一个由两个向下指向的激光器组成的激光测距仪系统，一个中等性能的IMU，以及具有差分功能的GPS接收器。

UAS通过串行数据流向MicroSAR提供GPS位置数据，并将其包含在数据存储器中。在CASIE-09期间，安装了摄像机以与MicroASAR相同的方向观察，提供与SAR条带一致的光学图像(该数据不包括在样本数据集中)。UAS是低空飞行的，通常在600'到1500'之间。虽然低海拔限制了MicroSAR扫描宽度，但它也有利于SAR测量信噪比。低空操作导致整个观察区域的入射角范围极大。

经过处理的CAISE-09 SAR图像显示了从开阔海洋到密集冰块的各种表面特征。SAR图像中可见的特征(被相应的视频所证实），包括脊，碎石场，急速冰，引导线和融化池。MicroASAR成像如图1所示。

UAS从左向右飞行，从飞机上看(图中向下)观察飞行轨道右侧的表面。入射角从顶部的零到远远超过72°位于图像底部。图像已经过距离补偿。大部分表面覆盖着浮冰，黑暗区域对应于开放水域和融化池塘。垂直条带是由于UAS的周期性横滚导致的天线增益变化引起的。该图像显示了一个长约3.5公里，宽约1.2公里的区域。

MicroASAR数据

MicroASAR可以配置为以不同的模式和分辨率进行工作。对于CASIE-09，原始数据分为1分钟段，并分别处理成多视图图像片段，通常为3.5公里长，沿轨道尺寸为1.2公里宽的跨轨道尺寸。可供公众分发的样本数据集包括这些段之一的13秒部分(第9段，2009年7月25日收集)，这是任意选择的。

图2显示了GoogleEarth窗口的屏幕截图说明显示为地理坐标图像的完整图像片段。样本数据集对应于图像中心附近的部分。由于低海拔操作，远程范围处于极端入射角，因此由于低信噪比而无用。(由于该图像中的距离补偿，该区域看起来很亮。)主要观察条带被定义为从最低点到大约72度的入射角。稍后显示的许多图像被剪切到该入射角范围。请注意，此数据集的表面基本上是平坦的并且处于海平面。样本数据集收集期间的平均水平速度为30.1938米/秒，平均高度为346.5029米。

图2：图像片段20090725 9显示为GoogleEarth中的后向投影图像。UAS飞行轨迹用蓝色路径表示，最低点在底部。MicroASAR记录的GPS位置为黄色。 UAS从右下方飞到左上方，从右侧观察表面。入射角在GPS轨道附近的最低轨道处为零，在SAR图像的顶部为72°以上。

以下描述了用于CASIE-09实验的样本数据集的MicroASAR细节和设置，以及如何将数据处理成图像。其他详细信息可以在Matlab程序中找到。

在LFM-CW雷达范围内，可以通过计算每个LFM调频信号的补零FFT来实现压缩。(从技术上讲，MicroASAR不是严格的连续波，因为在各个传输的调频信号之间存在小的间隙，尽管这不会改变处理。)

在距离压缩CASIE MicroASAR数据时注意到每个LFM的开始部分(前30个样本)(为方便起见，单个LFM被称为'脉冲')应置零，以避免由发射机切换引起的瞬态RF信号引起的泄露。在板载存储之前，将去调频的脉冲长度截断为1702个去调频样本。注意，归零和截断具有将距离压缩数据的理论范围分辨率降低到1.35m/样本的副作用。在将每个调频信号补零到4096个值并计算FFT之后，可以丢弃距离压缩数据的冗余负频率一半。

图3显示了从样本数据集创建的距离压缩图像。请注意，补零会更改距离压缩图像中每像素的米数，但有效分辨率不变。在该图像中，在该示例中，最低点返回发生在近似范围的区间800处。在最低点返回之前的范围区间(位于图像顶部的蓝色区域中)不包含有用信息。主要条带显示为红色和浅蓝色。内部布线延迟约为1.2米。

对于这个数据集中描述的平台高度偏移已经应用于记录在几何阵列中的GPS高度数据。每个脉冲都有一个唯一的脉冲计数器号。由于数据存储系统的限制，偶尔会丢失脉冲。这些可以通过顺序脉冲计数器中的间隙来识别。对于距离 - 多普勒处理，需要填充这样的间隙(例如，通过内插)以避免引入方位角伪像。有关详细信息，请参阅Matlab代码。