應(yīng)用星載SAR輻射的定標(biāo)算法

楊文海

(南京航空航天大學(xué)國(guó)際教育學(xué)院，南京 210016)

應(yīng)用星載SAR輻射的定標(biāo)算法

楊文海

(南京航空航天大學(xué)國(guó)際教育學(xué)院，南京 210016)

隨著星載SAR技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)成像質(zhì)量的要求越來(lái)越高，不僅要求更高的空間分辨率，而且要求更加精確的目標(biāo)后向散射系數(shù)信息，以便觀測(cè)目標(biāo)的物理特征，為此開(kāi)展了輻射定標(biāo)技術(shù)的研究。通過(guò)對(duì)輻射定標(biāo)常數(shù)測(cè)量算法的研究，獲得了星載SAR系統(tǒng)靈敏度的測(cè)試結(jié)果。從基本原理和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)出發(fā)，建立了輻射定標(biāo)常數(shù)測(cè)量模型和測(cè)試的具體算法。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該測(cè)試算法的有效性和可行性。

星載SAR;輻射定標(biāo);定標(biāo)常數(shù);系統(tǒng)靈敏度;測(cè)試算法

星載合成孔徑雷達(dá)(SAR)遙感技術(shù)以其全面、快速、客觀等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，成為研究地球科學(xué)和認(rèn)知地球系統(tǒng)的重要手段。隨著經(jīng)濟(jì)和科技的快速發(fā)展，國(guó)家的宏觀決策、資源調(diào)查、環(huán)境及災(zāi)害監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域亟需全天時(shí)、全天候?qū)Φ赜^測(cè)數(shù)據(jù)的支持。星載SAR的輻射定標(biāo)水平直接決定遙感數(shù)據(jù)的成像質(zhì)量，影響遙感數(shù)據(jù)應(yīng)用的廣度與深度，所以星載SAR圖像輻射定標(biāo)是星載SAR成像必須完成的一項(xiàng)任務(wù)。輻射定標(biāo)分為內(nèi)定標(biāo)和外定標(biāo)。內(nèi)定標(biāo)主要是通過(guò)固定設(shè)備(如定標(biāo)信號(hào)源、復(fù)制調(diào)頻信號(hào))注入定標(biāo)信號(hào)到雷達(dá)數(shù)據(jù)流中，以標(biāo)定雷達(dá)系統(tǒng)性能，內(nèi)定標(biāo)技術(shù)在國(guó)內(nèi)外很多文獻(xiàn)中已經(jīng)論述［1－2］;外定標(biāo)是指通常通過(guò)地面目標(biāo)產(chǎn)生或反射的定標(biāo)信號(hào)來(lái)定標(biāo)雷達(dá)系統(tǒng)性能的過(guò)程［3－6］，這些地面目標(biāo)可以是已知雷達(dá)截面積的點(diǎn)目標(biāo)(如角反射器和有源反射器)，也可以是已知散射特性(如σ0)的分布目標(biāo)。

本文對(duì)外定標(biāo)測(cè)試技術(shù)進(jìn)行了研究，主要完成輻射定標(biāo)常數(shù)的確定。首先分析了輻射定標(biāo)原理，其次建立了均勻目標(biāo)和強(qiáng)散射點(diǎn)目標(biāo)輻射定標(biāo)常數(shù)測(cè)試模型和測(cè)試算法，最后對(duì)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果符合系統(tǒng)指標(biāo)要求。

1 輻射定標(biāo)原理

SAR圖像數(shù)據(jù)的輻射定標(biāo)過(guò)程可以簡(jiǎn)單概括為目標(biāo)后向散射系數(shù)與其圖像數(shù)據(jù)的比例因子的估計(jì)過(guò)程。假設(shè)雷達(dá)系統(tǒng)是線性系統(tǒng)，那么接收機(jī)輸出功率可以表示為

其中:Pr是總的接收功率;Ps是信號(hào)功率;Pn是加性噪聲(熱噪聲)功率。忽略模糊度的影響，信號(hào)功率與平均后向散射系數(shù)的關(guān)系可以表示為

其中:K'(R)是與距離有關(guān)的比例因子。雷達(dá)散射截面積可以表示為=σ0ΔxΔRg，Δx、ΔRg分別是未處理的原始回波信號(hào)在方位向和地面距離向的分辨單元大小。由此可以得到經(jīng)過(guò)均勻目標(biāo)反射回來(lái)的接收功率:

其中Pn是估計(jì)后向散射系數(shù)σ0時(shí)數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)的平均噪聲功率。

針對(duì)均勻分布的區(qū)域目標(biāo)(例如熱帶雨林)的輻射定標(biāo)可以在方位向和距離向壓縮之后進(jìn)行，均勻區(qū)域圖像的平均功率由式(4)給出。

其中:δx和δRg是圖像方位和地面距離分辨單元的尺寸;NΙ=LrLaz是相關(guān)處理過(guò)程中積累采樣的數(shù)目;WL=WrWaz是距離和方位加權(quán)函數(shù)造成的峰值信號(hào)強(qiáng)度的總損失;Lr和Laz分別是距離和方位參考函數(shù)的長(zhǎng)度;Wr和Waz分別是距離和方位參考函數(shù)加權(quán)損失因子;參數(shù)L是為減少斑點(diǎn)噪聲的多視數(shù)或非相干疊加的分辨單元數(shù)(假定沒(méi)有歸一化)。因?yàn)樵肼晿颖緮?shù)沒(méi)有進(jìn)行相干疊加，所以式(4)中的第2項(xiàng)要乘以NΙ。相反，式(4)中的第1項(xiàng)表示的信號(hào)功率可以認(rèn)為是相位補(bǔ)償后進(jìn)行相干積累。信號(hào)功率項(xiàng)和噪聲功率項(xiàng)之間表現(xiàn)的差別可以解釋為:回波信號(hào)在電壓上相干，而噪聲項(xiàng)相互間是非相干的，所以只能在功率上相加。

為了測(cè)試端到端的輻射定標(biāo)比例因子，式(4)中()K'RδxδRgLN2IWL即為要測(cè)量的端到端的輻射定標(biāo)比例因子。可以將式(4)簡(jiǎn)化為

只要求得平均像素功率值和平均噪聲功率值即可求得輻射定標(biāo)比例因子。

2 均勻場(chǎng)景輻射定標(biāo)測(cè)試算法

建立方位向和距離向壓縮后圖像的輻射定標(biāo)算法，步驟如下(見(jiàn)圖1):

步驟1測(cè)量噪聲功率

噪聲功率隨時(shí)間的變化主要是雷達(dá)接收鏈路中各部分增益變化的結(jié)果。變化量可以通過(guò)只接收噪聲功率來(lái)測(cè)量:使發(fā)射機(jī)置于待機(jī)狀態(tài)，接收機(jī)此時(shí)只記錄熱噪聲功率。假設(shè)由定標(biāo)回波數(shù)據(jù)處理獲得了Nr×Na的噪聲圖像，噪聲像素功率為

其中:Ai，j為噪聲圖像像素幅度值;Nr為距離向單元數(shù);Na為方位向單元數(shù)。

步驟2測(cè)量均勻區(qū)域圖像的平均功率

假設(shè)由均勻區(qū)域回波數(shù)據(jù)處理獲得了Nr×Na的SAR圖像，其均勻區(qū)域圖像的平均功率是隨斜距變化的量，則SAR圖像像素功率為

其中:Bi，j為SAR圖像像素幅度值;Nr為距離向單元數(shù);Na為方位向單元數(shù)。

步驟3測(cè)量有效信號(hào)功率

1)忽略模糊信號(hào)和旁瓣信號(hào)

2)考慮模糊信號(hào)和旁瓣信號(hào)

假設(shè)已知距離向模糊度為RASR，方位向模糊度為AASR，距離向積分旁瓣比為RISLR，方位向積分旁瓣比為AISLR，單位均為dB。由此可以假設(shè)像素的距離向模糊功率為PRASR，方位向模糊功率為PAASR，距離向積分旁瓣功率為PRISLR，方位向積分旁瓣功率為PAISLR，Pr()R為隨斜距變化的含模糊能量和旁瓣能量的信號(hào)功率值，Ps()R為隨距離變化并去除模糊能量和旁瓣能量的有效信號(hào)功率值，由定義可得:

將式(14)～(16)代入式(10)即可得到實(shí)際有效的信號(hào)功率值。

圖1 均勻目標(biāo)場(chǎng)景輻射定標(biāo)常數(shù)測(cè)試流程

3 強(qiáng)點(diǎn)目標(biāo)輻射定標(biāo)測(cè)試算法

點(diǎn)目標(biāo)通常是一種人造設(shè)備，如角反射器、轉(zhuǎn)發(fā)器、音頻信號(hào)發(fā)生器和接收機(jī)等。這些定標(biāo)器的幾何面積遠(yuǎn)小于SAR圖像的分辨單元，但它們的雷達(dá)截面積遠(yuǎn)大于分辨單元內(nèi)定標(biāo)器周圍背景區(qū)域的總散射功率。

其中:Pr是SAR圖像中點(diǎn)目標(biāo)的功率;σ是點(diǎn)目標(biāo)的雷達(dá)截面積;K為輻射定標(biāo)比例因子;N為圖像像素噪聲功率。

建立方位向和距離向壓縮后圖像的輻射定標(biāo)算法，步驟如下(圖2):

步驟1測(cè)量噪聲功率

噪聲功率隨時(shí)間的變化主要是雷達(dá)接收鏈路中各部分增益變化的結(jié)果。變化量可以通過(guò)只接收噪聲功率來(lái)測(cè)量:使發(fā)射機(jī)置于待機(jī)狀態(tài)，接收機(jī)此時(shí)只記錄了熱噪聲功率。假設(shè)由定標(biāo)回波數(shù)據(jù)處理獲得了Nr×Na的噪聲圖像，像素噪聲功率如式(6)所示。

步驟2測(cè)量點(diǎn)目標(biāo)的平均功率

假設(shè)由已知雷達(dá)截面積(RCS)的點(diǎn)目標(biāo)回波數(shù)據(jù)處理獲得了Nr×Na的SAR圖像。在圖像中找出點(diǎn)目標(biāo)最大幅值處的像素坐標(biāo)值，以該像素坐標(biāo)值為中心，截取512×512塊數(shù)據(jù)。對(duì)512× 512數(shù)據(jù)塊進(jìn)行16倍插值，插值后的最大亮點(diǎn)幅值為Bmax，所以SAR圖像點(diǎn)目標(biāo)的功率值為

步驟3測(cè)量有效信號(hào)功率

為了減小來(lái)自背景區(qū)域的定標(biāo)誤差，點(diǎn)目標(biāo)RCS應(yīng)至少比SAR圖像分辨單元總散射功率高20dB，所以可忽略模糊信號(hào)和旁瓣信號(hào)。

圖2 強(qiáng)散射點(diǎn)目標(biāo)輻射定標(biāo)常數(shù)測(cè)試流程

4 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

對(duì)現(xiàn)有的回波數(shù)據(jù)進(jìn)行了試驗(yàn)。分別對(duì)熱帶雨林?jǐn)?shù)據(jù)和定標(biāo)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了測(cè)試，噪聲數(shù)據(jù)和SAR有效回波數(shù)據(jù)均按照相同的成像處理算法進(jìn)行處理，保證了測(cè)試結(jié)果的科學(xué)性，同時(shí)忽略了模糊信號(hào)和旁瓣信號(hào)的影響。測(cè)試過(guò)程中分別獲得了噪聲功率值、信噪比、定標(biāo)常數(shù)以及系統(tǒng)靈敏度，其中熱帶雨林后向散射系數(shù)為－6 dB、點(diǎn)目標(biāo)雷達(dá)截面積為40 dB。

4.1熱帶雨林測(cè)量結(jié)果

噪聲功率值為35.46 dB，隨斜距變化的信噪比測(cè)量結(jié)果如圖3所示，隨斜距變化的輻射定標(biāo)比例因子測(cè)量結(jié)果如圖4所示，系統(tǒng)靈敏度如圖5所示。

4.2定標(biāo)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果

測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。

圖3 熱帶雨林?jǐn)?shù)據(jù)隨斜距變化的信噪比曲線

圖4 熱帶雨林?jǐn)?shù)據(jù)隨斜距變化的輻射定標(biāo)常數(shù)曲線

圖5 熱帶雨林?jǐn)?shù)據(jù)隨斜距變化的系統(tǒng)靈敏度曲線

表1 定標(biāo)場(chǎng)數(shù)據(jù)測(cè)量結(jié)果dB

5 結(jié)束語(yǔ)

本文完成了輻射定標(biāo)常數(shù)測(cè)試算法的研究，分析了輻射定標(biāo)常數(shù)的數(shù)學(xué)原理和模型，同時(shí)針對(duì)國(guó)內(nèi)外輻射定標(biāo)常用的場(chǎng)景區(qū)域進(jìn)行了測(cè)試模型的建立，并研究了具體的測(cè)試算法和流程，最后利用回波數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果充分證明了該測(cè)試算法的有效性和可行性。在未來(lái)的研究工作中，需要針對(duì)高分及后續(xù)其他SAR衛(wèi)星的在軌定標(biāo)技術(shù)需求，研究高輻射定標(biāo)精度、高輻射分辨率和高時(shí)效的在軌定標(biāo)技術(shù)，解決新型星上定標(biāo)器的設(shè)計(jì)和研發(fā)關(guān)鍵技術(shù)，開(kāi)發(fā)在軌定標(biāo)數(shù)據(jù)處理算法和軟件，滿足高精度輻射定標(biāo)的應(yīng)用需求，進(jìn)一步提高星載SAR成像的質(zhì)量。

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(責(zé)任編輯 楊黎麗)

A lgorithm of Spaceborne SAR Radiometric Calibration Based on Application

YANGWen－h(huán)ai
(College of International Education，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China)

With the continuous development of spaceborne SAR technology，there is increasing high demand on the imaging quality，notonly requiring a higher spatial resolution，butalso requiringmore precise target backscattering coefficient information.In order to observe physical characteristics of target，we carry out the research on the radiometric calibration.As the radiometric calibration technology is a complex systematic work，this papermainly completed the calibration ofmeasurement algorithm of constant radiation，at the same time obtained test results of spaceborne SAR system sensitivity.From the basic principle and the testing data of the specific algorithm，we established the radiation calibration constantsmeasurementmodel and specific algorithm testing，and the test results confirmed the feasibility and effectiveness of the algorithm.

spaceborne SAR;radiometric calibration;calibration constant;system sensitivity;testing algorithm

TP301.5

A

1674－8425(2014)01－0075－05

10.3969/j.issn.1674－8425(z).2014.01.015

2013－10－21

楊文海(1976—)，男，江蘇句容人，博士后，講師，主要從事通信工程、高等教育管理研究。

楊文海.應(yīng)用星載SAR輻射的定標(biāo)算法［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2014(1):75－79.

format:YANGWen－h(huán)ai.Algorithm of Spaceborne SAR Radiometric Calibration Based on Application［J］.Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2014(1):75－79.