高分三號衛(wèi)星聚束SAR誤差補(bǔ)償成像處理技術(shù)研究

陳琦 喻文勇 劉國棟 侯明輝 王愛春 姚玉林 張恒 閆麗麗

(中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心,北京 100094)

高分三號衛(wèi)星聚束SAR誤差補(bǔ)償成像處理技術(shù)研究

陳琦 喻文勇 劉國棟 侯明輝 王愛春 姚玉林 張恒 閆麗麗

(中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心,北京 100094)

從高分三號(GF-3)衛(wèi)星滑動聚束成像模型和回波信號特性出發(fā),針對滑動聚束米級高分辨率SAR聚焦對回波信號誤差敏感的特點(diǎn),重點(diǎn)對滑動聚束高分辨率成像處理算法進(jìn)行了深入研究,在此基礎(chǔ)上提出了一種結(jié)合內(nèi)定標(biāo)信號幅相誤差補(bǔ)償?shù)幕瑒泳凼叻直媛嗜バ鳖l率變標(biāo)(DCS)成像處理算法,給出了算法詳細(xì)實(shí)現(xiàn)步驟和技術(shù)流程。利用GF-3衛(wèi)星實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理效果驗(yàn)證,結(jié)果表明:結(jié)合內(nèi)定標(biāo)信號幅相誤差補(bǔ)償?shù)腄CS成像處理算法,能有效改善滑動聚束高分辨率SAR成像的圖像質(zhì)量,可獲得更好的成像處理和聚焦效果,驗(yàn)證了算法的有效性。

合成孔徑雷達(dá);滑動聚束;內(nèi)定標(biāo)

1 引言

高分三號(GF-3)衛(wèi)星作為中國首顆C頻段全極化SAR成像衛(wèi)星[1],其高質(zhì)量的成像處理結(jié)果引起了國內(nèi)外廣泛關(guān)注?；瑒泳凼Ｊ绞荊F-3衛(wèi)星分辨率最高的一種成像模式,可通過控制波束在地面移動的速度來增加方位向相干累積時(shí)間,從而增大方位向測繪寬度的同時(shí),提高方位向空間分辨率[2-3]。聚束模式和條帶模式可以認(rèn)為是滑動聚束模式的特例。當(dāng)雷達(dá)波束在地面的移動速度為零時(shí),即為聚束成像模式;當(dāng)雷達(dá)波束在地面移動的速度為正常飛行速度時(shí),即為條帶成像模式。當(dāng)雷達(dá)波束的移動速度介于聚束模式和條帶模式之間時(shí),用同樣尺寸的天線,由于方位向相干累積的時(shí)間比條帶模式長,因此,其方位向分辨率大于條帶模式的方位向分辨率。由于在掃描過程中雷達(dá)波束移動的速度不為零,滑動聚束模式方位向成像寬度要比聚束模式方位向成像寬度大,從而可以兼顧方位向成像場景寬度和方位向分辨率。

本文針對GF-3衛(wèi)星滑動聚束米級高分辨率SAR聚焦對回波信號誤差敏感的特點(diǎn),重點(diǎn)對GF-3衛(wèi)星滑動聚束高分辨率成像處理算法進(jìn)行了深入研究,此基礎(chǔ)上,提出了一種結(jié)合內(nèi)定標(biāo)信號幅相誤差提取與補(bǔ)償?shù)幕瑒泳凼叻直媛示?xì)成像處理方法,給出了算法詳細(xì)實(shí)現(xiàn)步驟和技術(shù)流程。利用GF-3衛(wèi)星實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理效果驗(yàn)證,結(jié)果表明,結(jié)合內(nèi)定標(biāo)信號幅相誤差提取與補(bǔ)償?shù)娜バ鳖l率變標(biāo)(DCS)成像處理方法,能有效改善滑動聚束高分辨率SAR圖像的聚焦質(zhì)量,驗(yàn)證了算法的有效性。

2 成像幾何模型與回波特性分析

2．1 滑動聚束SAR成像幾何模型

星載滑動聚束模式可以解決方位向成像場景寬度和方位向分辨率這一對矛盾,其系統(tǒng)的方位向分辨率要優(yōu)于條帶模式的分辨率,同時(shí)成像場景的方位向?qū)挾纫泊笥诮?jīng)典聚束模式的場景寬度?；瑒泳凼鳶AR成像模型如圖1所示。滑動聚束成像時(shí),天線波束對準(zhǔn)地面以下的某個(gè)“虛擬轉(zhuǎn)動點(diǎn)S”進(jìn)行凝視成像,與相同方位分辨率、相同方位向測繪寬度的條帶模式和聚束模式相比,滑動聚束模式的合成孔徑時(shí)間和方位多普勒總帶寬均明顯提高,從而獲得更高的方位向分辨率和更大的測繪寬度。

被天線波束完全照射的場景方位向?qū)挾葹閃a,場景中心點(diǎn)為P0,第一個(gè)被完全照射的點(diǎn)為P1,最后一個(gè)被完全照射的點(diǎn)為P2,虛擬轉(zhuǎn)動點(diǎn)為S,天線波束中心在滑動聚束期間,始終指向遠(yuǎn)離場景中心的虛擬轉(zhuǎn)動點(diǎn)S,因此,天線波束中心在場景內(nèi)的投影點(diǎn)緩慢移動,波足速度記為vf。衛(wèi)星以速度v飛行,場景中心至衛(wèi)星軌跡的垂直距離為r0,場景中心至虛擬轉(zhuǎn)動點(diǎn)的距離為r1,場景中心點(diǎn)坐標(biāo)為P0(vtc,r0)。

假設(shè)t＝0時(shí)刻,波束剛好照射到場景邊緣。在任意時(shí)刻t,衛(wèi)星天線波束中心指向場景中任意一點(diǎn)P(x,r0),瞬時(shí)斜視角為θ。根據(jù)上述成像幾何模型,目標(biāo)與SAR天線相位中心距離關(guān)系可表示為

式中:r0為場景中心至衛(wèi)星軌跡的垂直距離;t為天線波束中心指向P(x,r0)點(diǎn)的時(shí)刻;x為P(x,r0)點(diǎn)的方位向位置;R(t,r0)為P(x,r0)點(diǎn)與SAR衛(wèi)星之間的瞬時(shí)斜距。

2．2 方位向回波多普勒特性分析

不失一般性,取場景中心處x＝0,發(fā)射的線性調(diào)頻信號為m(τ)·exp(－jπKrτ2),則滑動聚束SAR回波信號可表示為

式中:Kr為滑動聚束距離向信號調(diào)頻率;c為光速;λ為發(fā)射信號波長;τ為距離向“快時(shí)間”。G(t)為天線方向圖方位向增益,近似與距離無關(guān),m(τ)為發(fā)射信號包絡(luò),通常近似為矩形。式中第一個(gè)相位項(xiàng)為距離向發(fā)射信號延遲,第二個(gè)相位項(xiàng)為波束掃過目標(biāo)形成的方位向回波多普勒歷程。

滑動聚束的優(yōu)點(diǎn)同時(shí)也為它帶來了處理上的困難。實(shí)際成像過程中,為了降低數(shù)據(jù)率,星載滑動聚束SAR的脈沖重復(fù)頻率(PRF)通常遠(yuǎn)小于方位向多普勒總帶寬,這將導(dǎo)致原始回波數(shù)據(jù)方位向信號存在嚴(yán)重欠采樣的問題,必須采用方位去斜濾波[4-6]的辦法降低方位向信號多普勒總帶寬,然后再進(jìn)行二維回波壓縮處理的方法。圖2給出了方位向回波在去斜處理前后多普勒時(shí)頻關(guān)系曲線圖,綠色虛線表示虛擬點(diǎn)S處的多普勒時(shí)頻關(guān)系曲線,紫色虛線表示參考信號的多普勒時(shí)頻關(guān)系曲線,紅色、黑色和藍(lán)色實(shí)線分別表示P1、P0、P2點(diǎn)的多普勒時(shí)頻關(guān)系曲線。由圖2分析可知,SAR回波信號的方位向多普勒帶寬遠(yuǎn)大于系統(tǒng)PRF,存在嚴(yán)重的欠采樣問題。

由圖3可看出,經(jīng)過去斜處理后的方位向多普勒帶寬已經(jīng)小于回波信號的方位向采樣率PRF,從而克服滑動聚束SAR方位向回波信號的欠采樣問題[7-8]。

3 內(nèi)定標(biāo)信號提取與誤差補(bǔ)償

內(nèi)定標(biāo)信號不僅可以監(jiān)測收發(fā)系統(tǒng)增益變化,也可以用于通道幅相誤差的提取與校正。內(nèi)定標(biāo)信號提取與誤差補(bǔ)償主要是利用內(nèi)定標(biāo)數(shù)據(jù),完成通道幅度和相位不平衡誤差的獲取,并將該誤差反饋至SAR回波數(shù)據(jù),以消除回波數(shù)據(jù)中的非相參誤差,改善星載滑動聚束SAR的成像聚焦質(zhì)量。

由于內(nèi)定標(biāo)器的隨機(jī)噪聲以及量化噪聲的存在,會遇到加性噪聲的影響,使提取的誤差偏離真實(shí)值。顯然,加性噪聲將影響幅度和相位誤差的提取和估計(jì)。為此,采用多個(gè)內(nèi)定標(biāo)信號統(tǒng)計(jì)平均的方法平滑噪聲,改善誤差提取精度。對每個(gè)內(nèi)定標(biāo)信號提取幅相誤差再求平均,將其結(jié)果作為系統(tǒng)幅相誤差。

假設(shè)內(nèi)定標(biāo)參考通道信號的頻域形式為

式中:Arefω()是內(nèi)定標(biāo)參考通道信號的幅頻特性函數(shù);?refω()是內(nèi)定標(biāo)參考通道信號的相頻特性函數(shù),ω代表頻率。

附帶有通道幅度和相位誤差的信號(即待校正的SAR回波信號)在頻域表達(dá)式為

式中:Atbcω()是待校正的SAR回波信號的幅頻特性函數(shù);?tbcω()是待校正的SAR回波信號的相頻特性函數(shù)。

將上面兩式相比后提取相位和幅度的差值,就是需要校正的幅度和相位誤差。其中,相位誤差為

幅度誤差用誤差幅度的百分比為

因此,幅相誤差校正函數(shù)為

將校正函數(shù)與待校正的SAR回波信號相乘,即可以完成幅相誤差的校正,得到經(jīng)過校正后的SAR回波信號為

4 滑動聚束DCS成像處理算法

與條帶模式和掃描模式不同,滑動聚束模式一方面回波數(shù)據(jù)是在方位向上被欠采樣接收,另一方面其單景成像時(shí)間和合成孔徑時(shí)間都更長。針對這兩方面特點(diǎn),GF-3衛(wèi)星滑動聚束模式成像采用結(jié)合等效距離模型空變校正的DCS算法?；瑒泳凼Ｊ匠上裉幚硭惴ň唧w流程如圖4所示。

具體處理步驟如下所示。

第1步:等效距離模型空變效應(yīng)校正。高分辨率星載滑動聚束SAR,一景成像時(shí)間長引起成像模型參數(shù)沿方位向時(shí)變效應(yīng)顯著,這里利用滑動聚束SAR天線相位中心相對虛擬轉(zhuǎn)動點(diǎn)的真實(shí)距離歷程與等效勻速直線運(yùn)動模型下的等效距離歷程之間的偏差,消除被照射目標(biāo)成像模型的方位時(shí)變性,使成像模型在方位向上實(shí)現(xiàn)一致化,修正量ΔRsrt()的計(jì)算方法為

式中:Rsr(t)為天線相位中心與虛擬轉(zhuǎn)動點(diǎn)之間的相對距離;r為t＝0時(shí)刻天線相位中心到目標(biāo)的距離;vesr為等效速度;φesr為等效斜視角。

第2步:方位預(yù)濾波處理。方位向數(shù)據(jù)濾波處理的本質(zhì)是:在保持回波數(shù)據(jù)多普勒總帶寬不變的情況下,通過與采樣頻率高于總帶寬的參考信號進(jìn)行卷積處理,該參考信號的頻率變化特性與滑動聚束一次成像多普勒中心頻率變化相反,從而達(dá)到在提高方位向數(shù)據(jù)采樣率的同時(shí)減短信號持續(xù)時(shí)間、

式中:fDsr和fRsr分別為虛擬轉(zhuǎn)動點(diǎn)的“多普勒中心頻率”和“多普勒調(diào)頻率”,它們由天線相位中心到虛擬轉(zhuǎn)動點(diǎn)的距離歷程對時(shí)間的一階和二階導(dǎo)數(shù)計(jì)算得到?；夭ㄐ盘柵c方位濾波信號之間的卷積通過分別在時(shí)域和頻域各一次的乘積來實(shí)現(xiàn)。

第3步:CS算法成像處理。經(jīng)方位濾波處理后,數(shù)據(jù)按常規(guī)CS算法[9]相似處理流程進(jìn)行成像處理,即可生成滑動聚束SAR圖像。不同之處在于,首先,由于高分辨率星載滑動聚束SAR合成孔徑時(shí)間長,導(dǎo)致傳統(tǒng)(二次)等效距離模型精度不足,需在多普勒域內(nèi)對模型空變效應(yīng)校正后的殘留孔徑內(nèi)三次模型誤差進(jìn)行補(bǔ)償;其次,需要消除方位濾波處理的影響。CS成像算法中CS因子定義的改變主要體現(xiàn)在第三個(gè)因子上,考慮方位濾波處理和三次模型誤差校正后的第三個(gè)因子定義為降低數(shù)據(jù)處理量的目的,方位濾波信號的形式為

式中:φref為參考距離處的斜視角;f為方位向頻率;fr,ref為參考距離處的頻率;ΔΦc為方位濾波殘余相位誤差,Θ1f()為方位向頻率變標(biāo)殘余相位誤差,Θ1f()為方位向線性位移相位誤差。

5 實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證

采用本文給出的結(jié)合內(nèi)定標(biāo)信號幅相誤差補(bǔ)償?shù)幕瑒泳凼鳧CS高分辨率成像處理算法對GF-3衛(wèi)星滑動聚束模式SAR數(shù)據(jù)進(jìn)行成像處理。由于GF-3衛(wèi)星滑動聚束米級高分辨率SAR聚焦對回波信號誤差敏感,通過基于內(nèi)定標(biāo)信號幅相誤差提取和補(bǔ)償,有效改善回波信號的相干性,可獲得更精細(xì)的聚焦效果并改善成像質(zhì)量。在圖5中,左側(cè)是算法改進(jìn)前的成像質(zhì)量,框內(nèi)的線狀地物和點(diǎn)狀地物均呈現(xiàn)出不同程度的散焦和虛化,說明未經(jīng)過幅相誤差補(bǔ)償?shù)幕夭〝?shù)據(jù)難以實(shí)現(xiàn)精確聚焦;右側(cè)是算法改進(jìn)后的成像質(zhì)量,框內(nèi)的線狀地物未出現(xiàn)虛化或散焦,點(diǎn)狀地物未出現(xiàn)擴(kuò)散,均實(shí)現(xiàn)了精確聚焦。

為進(jìn)一步定量分析基于內(nèi)定標(biāo)信號幅相誤差補(bǔ)償?shù)幕瑒泳凼鳧CS高分辨率成像處理算法的改善效果,選取了GF-3衛(wèi)星定標(biāo)場布設(shè)的有源定標(biāo)器作為標(biāo)準(zhǔn)參考散射體,如圖6所示。對定標(biāo)場標(biāo)準(zhǔn)參考散射體的成像結(jié)果進(jìn)行定量分析和評估,并分別對比了算法改進(jìn)前后的標(biāo)準(zhǔn)參考散射體點(diǎn)目標(biāo)空間分辨率、峰值旁瓣比和積分旁瓣比等定量指標(biāo),結(jié)果如圖7、圖8和表1、表2所示。

表1 算法改進(jìn)前的成像質(zhì)量定量評估結(jié)果Table 1 Imaging quality results of quantitative evaluation before refined algorithm

表2 算法改進(jìn)后的成像質(zhì)量定量評估結(jié)果Table 2 Imaging quality results of quantitative evaluation after refined algorithm

由圖6和圖7的對比分析可知,采用本文給出的結(jié)合內(nèi)定標(biāo)信號幅相誤差補(bǔ)償?shù)幕瑒泳凼鳧CS高分辨率成像處理算法對GF-3衛(wèi)星定標(biāo)場布設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)散射體進(jìn)行成像,距離向聚焦效果得到明顯改善,距離向的空間分辨率、峰值旁瓣比和積分旁瓣比等重要的圖像質(zhì)量指標(biāo)均得到顯著提高。由表1和表2對比分析可知,距離向分辨率由0．74 m提高為0．63 m;峰值旁瓣比由－10．21 dB提高為－20．84 dB,改善10．63 dB;積分旁瓣比由－10．49 d B提高為－16．48 dB,改善5．99 dB。通過對GF-3衛(wèi)星定標(biāo)場布設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)散射體的成像結(jié)果進(jìn)行定量測試和評估,圖像質(zhì)量指標(biāo)均得到有效改善,進(jìn)一步驗(yàn)證了算法的有效性。

6 結(jié)論

本文針對GF-3衛(wèi)星滑動聚束米級高分辨率SAR聚焦對回波信號誤差敏感的特點(diǎn),提出了一種結(jié)合內(nèi)定標(biāo)信號幅相誤差提取與補(bǔ)償?shù)幕瑒泳凼叻直媛示?xì)成像處理方法。利用GF-3衛(wèi)星實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理效果驗(yàn)證,結(jié)果表明,結(jié)合內(nèi)定標(biāo)信號幅相誤差提取與補(bǔ)償?shù)腄CS成像處理方法能有效改善滑動聚束高分辨率SAR圖像的成像質(zhì)量。

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CHEN Qi YU Wenyong LIU Guodong HOU Minghui WANG Aichun
YAO Yulin ZHANG Heng YAN Lili
(China Centre for Resources Satellite Data and Application,Beijing 100094,China)

Based on the GF-3 satellite sliding spotlight imaging model and echo signal characteristics,according to the characteristics of the sliding spotlight meter level high resolution and highly sensitive to echo signal error,SAR focusing on the sliding spotlight high-resolution imaging algorithm into the deep research,this paper presents a combination of internal calibration signal amplitude and phase error compensation of the sliding spotlight high resolution DCS imaging algorithm,and presents the algorithm detailed implementation steps and technical process．The measured data by using the high GF-3 satellite is processed to verify the effectiveness,the results show that the combination of internal calibration signal amplitude and phase error compensation of DCS imaging algorithm can effectively improve the image quality of sliding spotlight highresolution SAR imaging,and imaging processing can be obtained better focusing effect and algorithm than traditional methods．

synthetic aperture radar;sliding spotlight;internal calibration

TP75

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.06.013

Research on Sliding Spotlight SAR Data Imaging Technology with Error Compensation for GF-3 Satellite

2017-10-24;

2017-11-24

陳琦,男,研究員,從事星載SAR地面處理系統(tǒng)研制和星載SAR數(shù)據(jù)處理工作。Email:chenq_cn＠163．com。

(編輯:張小琳)