高分辨率機(jī)載SAR多子帶合成誤差補(bǔ)償方法

， 禹衛(wèi)， ，

(1.中國科學(xué)院電子學(xué)研究所， 北京 100190；2.中國科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049；3.河南大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院， 河南開封 475004)

0 引言

合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar, SAR)是一種主動(dòng)式微波遙感設(shè)備。與光學(xué)遙感設(shè)備相比，其成像能力更強(qiáng)，受環(huán)境因素的影響小，而且SAR工作波段多樣性能夠使其適用于不同的應(yīng)用場景。高分辨率SAR在立體測繪、農(nóng)業(yè)普查、城建勘測、減災(zāi)救災(zāi)、資源保護(hù)、海域動(dòng)態(tài)監(jiān)測等民用領(lǐng)域以及偵察、監(jiān)視等軍事領(lǐng)域有著不可替代的作用。對于分辨率越高的圖像，從圖像中獲取的目標(biāo)特征和場景信息就越豐富，其應(yīng)用價(jià)值就越大[1-4]。

受到SAR圖像距離向分辨率與發(fā)射信號(hào)帶寬成反比的制約，增大發(fā)射信號(hào)的帶寬能夠有效地提高SAR的距離向分辨率，但是直接接收大帶寬信號(hào)會(huì)給系統(tǒng)接收模塊和信號(hào)采集模塊的設(shè)計(jì)與硬件實(shí)現(xiàn)帶來較大的困難。目前一些實(shí)用的高分辨率SAR系統(tǒng)大都采用子帶合成技術(shù)來實(shí)現(xiàn)大帶寬。法國的機(jī)載SAR系統(tǒng)RAMSES對5個(gè)子帶進(jìn)行合成，總帶寬達(dá)到1.2 GHz[5]。德國FGAN公司的PAMIR機(jī)載SAR系統(tǒng)在2011年升級(jí)后，合成帶寬由1.8 GHz增加到3.6 GHz[6-7]。國內(nèi)中國科學(xué)院電子學(xué)研究所等單位也開展了相關(guān)的工作，并且實(shí)現(xiàn)了多子帶機(jī)載SAR系統(tǒng)。其中中國科學(xué)院電子學(xué)研究所研制的多子帶機(jī)載SAR系統(tǒng)，采用子帶合成技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)總帶寬達(dá)3.6 GHz寬帶信號(hào)的收發(fā)，這使得距離向分辨率最高達(dá)4.17 cm[8]。

子帶信號(hào)通過系統(tǒng)的不同部分，不可避免地會(huì)因?yàn)橄到y(tǒng)的非理想特性引入誤差，由于子帶誤差會(huì)降低合成后的成像質(zhì)量，所以在子帶合成前必須對誤差進(jìn)行補(bǔ)償。文獻(xiàn)[9]針對子帶相位誤差建立了一種兩步式估計(jì)模型，僅對通道相位誤差進(jìn)行補(bǔ)償。文獻(xiàn)[10]提出了基于回波數(shù)據(jù)方法來補(bǔ)償通道誤差。文獻(xiàn)[11]利用角反射器計(jì)算每個(gè)子帶系統(tǒng)的相位差。文獻(xiàn)[12]采用FIR濾波器校正系統(tǒng)產(chǎn)生的幅相誤差，該方法在信號(hào)時(shí)域進(jìn)行補(bǔ)償。文獻(xiàn)[13]使用一種基于空間閉環(huán)輻射測量和具有頻偏誤差修正的矢量網(wǎng)絡(luò)分析技術(shù)相結(jié)合的方法進(jìn)行幅相誤差校正。本文針對子帶合成中存在的子帶內(nèi)誤差和子帶間誤差，利用地面定標(biāo)數(shù)據(jù)提取出子帶內(nèi)相位誤差曲線和幅度誤差曲線，將二者補(bǔ)償?shù)矫總€(gè)子帶數(shù)據(jù)中，由于接收的信號(hào)在時(shí)域是混疊的，只能在頻域進(jìn)行誤差提取和補(bǔ)償。針對子帶間誤差結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，提出了基于實(shí)測數(shù)據(jù)根據(jù)對比度最大原則，采用兩步式搜索方法計(jì)算子帶間誤差的方法，并將計(jì)算的誤差補(bǔ)償?shù)皆紨?shù)據(jù)中，最后在頻域進(jìn)行子帶合成并成像。

1 子帶合成方案

目前實(shí)用的子帶合成方案有3種：合成距離包絡(luò)法[14]、時(shí)域合成法和頻域合成法[15]。3種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，合成距離包絡(luò)法效率最高，但是存在能量溢出，導(dǎo)致距離向形成虛假峰，而且該方法對速度誤差敏感。時(shí)域合成包含了時(shí)移、誤差補(bǔ)償和頻譜疊加，效率最低。頻域合成在完成子帶內(nèi)和子帶間誤差補(bǔ)償以后，只需進(jìn)行頻譜的拼接，具有運(yùn)算量小、實(shí)現(xiàn)簡單、性能好等優(yōu)點(diǎn)[16]。通過以上比較，本文采用的是頻域合成法。頻域合成其實(shí)就是頻譜的合成，根據(jù)頻率步進(jìn)關(guān)系，將各子帶信號(hào)進(jìn)行頻移，然后進(jìn)行疊加即可。頻域子帶合成示意圖如圖1所示。

實(shí)際信號(hào)處理過程中，頻域子帶合成的主要步驟如下：

步驟1 子帶內(nèi)幅度和相位誤差補(bǔ)償；

步驟2 子帶間的延遲誤差補(bǔ)償；

步驟3 根據(jù)頻率步進(jìn)關(guān)系進(jìn)行頻移；

步驟4 子帶信號(hào)頻譜疊加并進(jìn)行濾波。

子帶誤差補(bǔ)償對于子帶合成至關(guān)重要，下面將討論子帶誤差提取方法。

2 子帶內(nèi)誤差提取方案

子帶內(nèi)誤差源于系統(tǒng)的非理想特性，發(fā)射機(jī)發(fā)射的信號(hào)經(jīng)過接收機(jī)后，信號(hào)不再是理想的，出現(xiàn)了一定程度的失真，圖2是單子帶定標(biāo)信號(hào)脈沖壓縮結(jié)果。從圖中可以看出信號(hào)出現(xiàn)了明顯的畸變，旁瓣很高且不對稱，必須進(jìn)行補(bǔ)償。

2.1 基本原理

假設(shè)步進(jìn)頻率線性調(diào)頻信號(hào)形式為

n=0,1,…，N-1

(1)

式中，f0為雷達(dá)起始載頻，Δf為相鄰子帶載頻差，K為距離向調(diào)頻率，Tp為信號(hào)寬度。

信號(hào)經(jīng)過系統(tǒng)后會(huì)產(chǎn)生幅度和相位畸變，經(jīng)過解調(diào)后畸變后的定標(biāo)信號(hào)可以表示為

n=0,1,2,…，N

(2)

(3)

(4)

2.2 誤差提取方案

通過以上理論分析，利用定標(biāo)數(shù)據(jù)，誤差提取步驟如下：

誤差提取方法的流程如圖3所示。

2.3 誤差提取方案驗(yàn)證

為了驗(yàn)證子帶內(nèi)誤差提取的正確性，利用地面定標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，子帶內(nèi)誤差如圖4所示，誤差補(bǔ)償前后脈壓結(jié)果如圖5所示。對誤差補(bǔ)償前后結(jié)果計(jì)算如表1和表2所示。

表1 子帶內(nèi)誤差未補(bǔ)償脈壓指標(biāo)

在圖4中，為了盡可能準(zhǔn)確地提取幅度和相位誤差，保留了誤差曲線兩端的振蕩，為了便于觀察比較3子帶相位誤差，對子帶1和子帶3進(jìn)行了移動(dòng)，數(shù)值是2π的整數(shù)倍，對結(jié)果沒有影響。從圖中可以看出，3個(gè)子帶的幅相誤差均不相同。

從圖5(a)脈沖壓縮的結(jié)果可以看出，單子帶定標(biāo)信號(hào)經(jīng)過系統(tǒng)后出現(xiàn)了嚴(yán)重的失真，這種信號(hào)無法進(jìn)行子帶合成。圖5(b)和3個(gè)子帶指標(biāo)計(jì)算結(jié)果均表明，利用本文使用的方案提取出子帶內(nèi)幅度和相位誤差，經(jīng)過誤差補(bǔ)償以后，單子帶信號(hào)脈沖壓縮結(jié)果和理想信號(hào)基本一致，為后面子帶間誤差計(jì)算以及最終的子帶合成提供了必要條件。

3 子帶間誤差提取方案

由于3個(gè)子帶信號(hào)經(jīng)過系統(tǒng)的不同接收機(jī)部分，接收機(jī)之間的差異會(huì)對信號(hào)造成不同的延遲，該延遲如果不進(jìn)行補(bǔ)償子帶合成就會(huì)失敗。由于該機(jī)載SAR系統(tǒng)發(fā)射端使用倍頻的方式直接發(fā)射的是帶寬為3.6 GHz的信號(hào)，利用3個(gè)載頻不同的接收機(jī)對回波信號(hào)的不同部分進(jìn)行接收，所以子帶間的幅度和相位誤差非常小，對子帶合成的影響可以忽略，主要考慮子帶間的延遲，即采樣點(diǎn)偏移量。本文提出了一種基于原始數(shù)據(jù)的相對延遲估計(jì)方法，利用對比度最大原則估計(jì)相對延遲量，并且為了提高偏移量估計(jì)的精度，采用了兩級(jí)搜索方案，具體的估計(jì)步驟如下：

步驟1 對數(shù)據(jù)進(jìn)行距離向脈沖壓縮；

步驟2 選取子帶2作為參考子帶，根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)對子帶1和子帶3進(jìn)行循環(huán)移位，移位量為fs·Tp，使得3個(gè)子帶基本重合；

步驟3 計(jì)算偏移量整數(shù)部分：設(shè)置搜索步長為1，對子帶1和子帶3分別進(jìn)行循環(huán)移位，計(jì)算圖像對比度，當(dāng)對比度達(dá)到最大時(shí)，停止搜索，得到偏移量整數(shù)值；

步驟4 計(jì)算偏移量小數(shù)部分：在上一步的基礎(chǔ)上，設(shè)置搜索步長0.01，對子帶1和子帶3進(jìn)行微調(diào)，當(dāng)對比度達(dá)到最大時(shí)，停止搜索，得到偏移量的小數(shù)值；

步驟5 將子帶1和子帶3移回到原來位置，并根據(jù)兩次搜索的偏移量對子帶1和子帶3進(jìn)行補(bǔ)償。

實(shí)際操作的流程圖如圖6所示。

步驟2中，fs是采樣率，Tp是子帶信號(hào)脈沖寬度。根據(jù)以上步驟，分別對子帶1和子帶3相對于子帶2的偏移量進(jìn)行計(jì)算，并將偏移量補(bǔ)償?shù)阶訋?和子帶3中用于后續(xù)成像。子帶內(nèi)和子帶間誤差計(jì)算完成后，接下來通過機(jī)載SAR實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。

4 機(jī)載數(shù)據(jù)處理

子帶內(nèi)和子帶間誤差補(bǔ)償完成后，利用實(shí)際的機(jī)載數(shù)據(jù)進(jìn)行成像，以驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果。成像處理基本流程如圖7所示。

實(shí)際使用的機(jī)載SAR系統(tǒng)的載頻為9.6 GHz，3個(gè)子帶信號(hào)的帶寬為1.2 GHz。根據(jù)以上設(shè)計(jì)的處理流程，利用實(shí)際飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行測試，測試主要包括單子帶帶內(nèi)誤差補(bǔ)償前后成像結(jié)果對比，單子帶誤差補(bǔ)償后成像結(jié)果與3個(gè)子帶誤差補(bǔ)償后子帶合成成像結(jié)果對比。一方面驗(yàn)證子帶內(nèi)幅度與相位誤差和子帶間誤差提取方法的正確性，另一方面可以驗(yàn)證通過子帶合成技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)大帶寬信號(hào)的收發(fā)，到達(dá)高分辨率成像的目的。

在定標(biāo)數(shù)據(jù)的頻域提取出子帶內(nèi)幅度和相位誤差后，先將3個(gè)子帶的原始數(shù)據(jù)變換到距離頻域，然后將幅度誤差和相位誤差與之相乘，以完成子帶內(nèi)誤差補(bǔ)償。緊接著從原始數(shù)據(jù)中提取出子帶間的延遲誤差，并對子帶1和子帶3進(jìn)行補(bǔ)償,然后在頻域進(jìn)行子帶合成，利用合成后的大帶寬數(shù)據(jù)進(jìn)行成像，以得到高分辨率的圖像。

為了驗(yàn)證子帶內(nèi)誤差提取的效果，對子帶2進(jìn)行了成像，對比子帶內(nèi)誤差補(bǔ)償前后成像的結(jié)果，實(shí)際場景成像結(jié)果如圖8所示。

從圖8(a)、圖8(b)可以看出，帶內(nèi)誤差補(bǔ)償前，成像場景中強(qiáng)目標(biāo)距離向旁瓣很高，遠(yuǎn)端旁瓣數(shù)值也較高，會(huì)遮蓋周圍弱目標(biāo)，成像效果很差。經(jīng)過帶內(nèi)幅度和相位誤差補(bǔ)償后，旁瓣數(shù)值降低十分明顯，遠(yuǎn)端旁瓣對周圍目標(biāo)的影響非常小，成像質(zhì)量得到明顯改善。綜合以上處理結(jié)果可知，子帶內(nèi)幅度和相位誤差得到了有效的補(bǔ)償。

為了驗(yàn)證子帶間誤差提取方法的可行性和準(zhǔn)確性，將3個(gè)子帶進(jìn)行合成，利用定標(biāo)數(shù)據(jù)比較單子帶成像與子帶合成后成像的效果。經(jīng)過子帶內(nèi)和子帶間誤差補(bǔ)償后，3個(gè)子帶信號(hào)和子帶合成后信號(hào)的脈沖壓縮結(jié)果如圖9所示，表3給出了點(diǎn)目標(biāo)子帶合成前后性能分析。

表3 單子帶和子帶合成后信號(hào)性能對比

為了進(jìn)一步驗(yàn)證結(jié)果的正確性，利用機(jī)載SAR飛行數(shù)據(jù)對實(shí)際場景進(jìn)行成像，成像結(jié)果如圖10所示。

按照本文提出的子帶間誤差計(jì)算方法，提取出誤差并補(bǔ)償?shù)皆紨?shù)據(jù)后，進(jìn)行了3個(gè)子帶合成。通過圖9和表3可以看出，經(jīng)過子帶內(nèi)誤差補(bǔ)償后單子帶性能指標(biāo)與理想值相符，而子帶間誤差補(bǔ)償后，3個(gè)子帶合成脈沖壓縮結(jié)果可知，距離向分辨率與3.6 GHz帶寬的理論分辨率十分接近，峰值旁瓣比和積分旁瓣比與理想值一致。實(shí)際場景成像結(jié)果如圖10(b)所示，成像場景中地物信息豐富。選取一塊場景進(jìn)行局部放大如圖10(c)所示，對比子帶間誤差補(bǔ)償前后結(jié)果圖10(d)、圖10(e)可以看出，誤差補(bǔ)償前成像質(zhì)量較差，細(xì)節(jié)很模糊，誤差補(bǔ)償后成像質(zhì)量得到了很大的改善。對比單子帶和3個(gè)帶合成后成像效果，從圖10(c)、圖10(e)可以看出，經(jīng)過子帶合成后，房屋輪廓更加清晰，許多目標(biāo)的辨識(shí)度更強(qiáng)，效果明顯優(yōu)于單子帶成像效果，可以在實(shí)際成像處理中運(yùn)用。

5 結(jié)束語

本文針對多子帶合成技術(shù)中子帶內(nèi)幅度與相位誤差利用定標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行了計(jì)算，并給出了具體的操作流程。針對子帶合成技術(shù)中子帶間誤差提出了一種基于原始數(shù)據(jù)的計(jì)算方法，該方法根據(jù)圖像對比度最大原則，采用兩級(jí)計(jì)算方式，提高了子帶間誤差計(jì)算的精確度。最后利用定標(biāo)數(shù)據(jù)和機(jī)載SAR實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行成像分析，驗(yàn)證了本文所提出的誤差計(jì)算方法的有效性。