國外雷達衛星星上數據壓縮算法的新進展

徐冰 （北京空間科技信息研究所）

國外雷達衛星星上數據壓縮算法的新進展

New Progress of Foreign Radar Satellite On-board Data Compression Algorithms

徐冰 （北京空間科技信息研究所）

雷達成像衛星獲取的回波數據量大，在衛星上先成像再下傳圖像數據將導致成本大幅增加，而且成像過程也不能受到人工干預，因此迫切需要采用高效的星上合成孔徑雷達（SAR）數據壓縮技術。與光學成像衛星相比，雷達成像衛星在成像機理、成像載荷配備等方面均有所不同，導致逐漸成熟的適用于光學成像衛星的星上數據壓縮算法并不適用于雷達成像衛星。雷達成像衛星獲取的回波原始數據壓縮算法大多建立在對SAR回波原始數據的統計特性上。

1 國外雷達衛星星上數據壓縮算法狀況與進展

早期，國外雷達成像衛星均采用原始SAR數據壓縮算法，即分塊自適應量化（BAQ），易于硬件實現，成為世界上首個獲得實際應用的SAR數據壓縮算法，但是在壓縮過程中將引入額外的噪聲誤差，壓縮性能不是最優。目前，國外陸續發射的新型雷達成像衛星則采用以BAQ為基礎的改進算法，實現低誤碼率、非整數比特數壓縮等優勢性能。未來，各種改進后的高性能SAR壓縮算法將更受重視，廣泛應用于未來的雷達成像衛星任務，實現星上SAR數據的高效壓縮。

國外雷達成像衛星星上數據壓縮算法發展路線圖

國外典型雷達成像衛星的成像能力、星上壓縮算法及硬件實現、數傳和存儲能力概覽

多國現役雷達衛星采用基本BAQ算法，后續換代系統將繼續沿用

（1）歐印現役雷達衛星采用BAQ算法，多檔壓縮比可選

德國現役“X頻段陸地合成孔徑雷達”/“X頻段陸地雷達附加數字高程模型”雙星星座是德國發展的民商用高分辨率雷達成像衛星系統。這2顆衛星基本相同，星上均搭載“X頻段陸地合成孔徑雷達-SAR”（TSX-SAR）載荷，具有4種成像模式，分別為高分辨率聚束模式、聚束模式、條帶模式和掃描SAR模式。數傳采用X頻段，數傳速率為300Mbit/s，固態存儲器壽命初期和末期的存儲容量分別為320Gbit和256Gbit。衛星采用BAQ算法對SAR載荷原始數據（數據量化8bit）進行壓縮，具有5種壓縮比，分別是8:8（不壓縮）、8:6，8:4、8:3和8:2。

意大利現役“地中海盆地觀測小衛星星座”為4星星座，是意大利發展的軍民兩用高分辨率雷達成像衛星系統，主要為意大利政府提供高分辨率的雷達圖像數據。“地中海盆地觀測小衛星星座”搭載SAR－2000型合成孔徑雷達，具有3種成像模式，分別為聚束模式、條帶模式和掃描SAR模式。數傳采用X頻段，數傳速率300Mbit/s，固態存儲器容量300Gbit。衛星采用BAQ算法對SAR載荷原始數據（數據量化8bit）進行壓縮，具有5種壓縮比，分別為8:8（不壓縮）、8:4、8:3、8:2和8:1。

B A Q算法即原始S A R數據壓縮，最早應用于美國航空航天局（N A S A）的“麥哲倫”（Magellan）金星探測器任務中，壓縮比為8:2。隨后應用于歐洲“環境衛星”的先進合成孔徑雷達（ASAR）載荷數據壓縮，以及其他類似的SAR衛星任務中，“環境衛星”的ASAR載荷有3種壓縮比，分別是8:2、8:3、8:4。由于SAR原始數據熵值很高，無損壓縮算法壓縮比太低，為實現較高的壓縮比，一般采用有損壓縮算法。SAR數據壓縮分為標量量化和矢量量化，或者對原始數據作變化后再量化。BAQ算法是最常見的標量量化算法，屬于有損壓縮算法，數字化和編碼過程都將使SAR圖像數據引入額外的噪聲和影響。盡管BAQ算法計算量小、硬件結構簡單，已經應用于很多SAR衛星任務，但BAQ算法性能不是最優，尚存在模糊問題需要解決，例如原始數據最優量化、原始數據統計特性，特別是BAQ算法在不同壓縮比時對SAR圖像數據壓縮質量的理論分析等。

德國“X頻段陸地合成孔徑雷達”/“X頻段陸地雷達附加數字高程模型”在軌飛行示意圖

意大利“地中海盆地觀測小衛星星座”在軌飛行示意圖

此外，印度于2012年4月26日發射了本國獨立研制的首顆雷達成像衛星—雷達成像衛星－1，與在軌光學成像衛星互為補充，為印度政府和軍方提供圖像數據。雷達成像衛星－1搭載的RISAT-SAR載荷具有3種成像模式，星上數據采集與壓縮分系統（DACS）負責數據量化、壓縮等功能，數據量化8bit。衛星采用BAQ算法進行壓縮，采用現場可編程門陣列（FPGA）實現，在聚束模式下壓縮比有3種，分別是8:8（不壓縮）、8:3和8:2；在其他模式下壓縮比有6種，分別是8:8（不壓縮）、8:6、8:5、8:4、8:3和8:2。SAR載荷在不同模式下的數據率不盡相同，但其數據下傳采用X頻段，數傳速率為640Mbit/s，星上固態存儲器容量300Gbit。

（2）歐印后續換代系統或將繼續采用BAQ算法，最多7檔壓縮比

意大利下一代軍民兩用雷達成像衛星系統名為“第二代地中海盆地觀測小衛星星座”，計劃于2016－2017年部署，用于替換現役“地中海盆地觀測小衛星星座”。“第二代地中海盆地觀測小衛星星座”由2顆衛星組成，星上搭載CSG-SAR載荷。與上一代系統類似，具有3種成像模式，分別為聚束模式、條帶模式和掃描SAR模式。CSG-SAR載荷性能得到進一步改進，在工作模式、分辨率和幅寬等方面都有較大提升，聚束模式分辨率優于1m。數傳采用X頻段，數傳速率560Mbit/s，壽命末期固態存儲器容量1530Gbit。衛星采用BAQ算法對SAR原始數據進行壓縮，采用專用大規模集成電路（ASIC）實現，數據量化為10bit，具有7種壓縮比，分別為10:10（不壓縮）、10:6、10:5、10:4、10:3、10:2和10:1。

西班牙將于2015年發射本國首顆雷達成像衛星，即“帕斯”衛星，用于為西班牙軍民用戶提供數據。“帕斯”衛星在載荷成像、數據壓縮、存儲和下傳能力方面與德國“X頻段陸地合成孔徑雷達”/“X頻段陸地雷達附加數字高程模型”雙星極為相似。“帕斯”衛星入軌后，將與“X頻段陸地合成孔徑雷達”/“X頻段陸地雷達附加數字高程模型”雙星組成星座，共同完成成像任務。“帕斯”衛星搭載的Paz-SAR載荷具有3種成像模式，分別為聚束模式、條帶模式和掃描SAR模式。數傳采用X頻段，數傳速率300Mbit/s，固態存儲器壽命初期和末期的存儲容量分別為320Gbit和256Gbit。衛星采用BAQ算法對SAR載荷原始數據（數據量化8bit）進行壓縮，具有5種壓縮比，分別為8:8（不壓縮）、8:6，8:4、8:3和8:2。

另外，印度在“印度航天十二五規劃”（2007－2012年）中規劃了1顆L頻段SAR衛星，具有聚束/滑動聚束、條帶和中/低分辨率掃描SAR模式。該衛星也采用BAQ算法進行壓縮，壓縮后數據為2bit、3bit、4bit、5bit、6bit（如果數據量化采用8bit，壓縮比即為8:6、8:5、8:4、8:3和8:2）。

西班牙“帕斯”衛星在軌飛行示意圖

以印現役雷達衛星采用改進MBFPQ算法，與BAQ同為現役主流

2008年發射的“合成孔徑雷達技術驗證衛星”和2014年4月9日發射的地平線－10（Ofeq－10）衛星，是以色列發展的軍用雷達成像衛星系統，主要為以色列政府和軍方提供軍事情報信息。“合成孔徑雷達技術驗證衛星”載有“X頻段合成孔徑雷達”（XSAR），具有4種成像模式，分別為聚束模式（分辨率1m）、鑲嵌模式（分辨率1.8m）、條帶模式（分辨率3m）和掃描SAR模式（分辨率8m）。數傳采用X頻段，數傳速率600Mbit/s，星上存儲器容量為256Gbit。衛星采用以BFPQ為基礎的改進壓縮算法，即MBFPQ算法，對SAR數據進行壓縮，數據量化6bit，壓縮比為6:3。

與此前發射的“地平線”系列衛星運行于高度約500km的近圓軌道不同，地平線－10運行于近地點385km、遠地點600km、傾角140.9°的橢圓軌道。與“合成孔徑雷達技術驗證衛星”相比，地平線－10采用了新的成像模式，可以在短時間內完成不同目標區域的快速切換，進而實現多點成像，而不是只能大條帶式掃描成像，空間分辨率達0.4572m。地平線－10也是以色列獨立開發的雷達成像衛星，在衛星設計上繼承了“合成孔徑雷達技術驗證衛星”的特點。據推測，地平線－10在數據壓縮方面或許也繼承了“合成孔徑雷達技術驗證衛星”的技術。

以色列地平線－10在軌飛行示意圖

歐洲哨兵－1A外形圖

此外，印度于2009年發射了本國首顆雷達成像衛星－2，衛星平臺由印度研制，但SAR載荷向以色列采購。與“合成孔徑雷達技術驗證衛星”載荷的性能指標基本相同，包括成像模式、分辨率以及壓縮算法等。雷達成像衛星－2采用了MBFPQ壓縮算法，數據量化6bit，壓縮比為6:3。數傳采用X頻段，數傳速率620Mbit/s，星上存儲器容量256Gbit。

歐洲哨兵－1衛星采用FDBAQ算法，實現非整數可變比特率壓縮

針對BAQ算法的弊端，國外提出了一些性能更優的改進算法，已應用到歐洲哨兵－1和日本先進陸地觀測衛星－2等任務上。

“哨兵”系列衛星共包括5個型號，其中，哨兵－1A于2014年4月3日發射，哨兵－2A于2015年6月23日發射。

哨兵－1A運行在高度693km、傾角98.18°的太陽同步軌道，設計壽命7.25年。衛星采用“意大利多用途可重構衛星平臺”（PRIMA），星上載有C頻段SAR（C-SAR）載荷，具有4種成像模式，分別為條帶模式、干涉寬幅模式、超寬幅模式和波模式。數傳采用X頻段，數傳速率520Mbit/s，固態存儲器壽命末期存儲容量1410Gbit。衛星采用歐洲航天局（ESA）提出的FDBAQ壓縮算法，大部分數據僅需3bit輸出，少數高反射率數據需4bit輸出，使得平均輸出比特率剛超過3bit，比熵約束分塊自適應量化（ECBAQ）壓縮算法所需的3.7bit更低。C-SAR載荷由天線分系統（SAS）和電子設備分系統（SES）組成。電子設備分系統是C-SAR載荷的核心，數據壓縮功能由電子設備分系統實現。FDBAQ算法可實現可變比特率編碼，壓縮后比特數根據當時雜波噪聲比估計值進行選擇，亮散射體比暗散射體需要較多的比特數進行壓縮編碼。換句話說，原始數據實際雜波等級決定了所需的比特數。另外，衛星還同時采用ECBAQ技術進一步改進星上存儲空間利用率，ECBAQ技術也能通過忽略圖像噪聲影響來減少下傳次數。

FDBAQ算法是在現代高分辨率SAR衛星任務對星上數據壓縮技術提出更高要求的情況下提出的，例如壓縮比更高、靈活性更高、壓縮速度更快等。FDBAQ算法是以BAQ為基礎的改進算法，在信噪比、壓縮比等方面均比基本BAQ算法更優異。FDBAQ算法具有非整數比特數編程能力，可針對不同類型目標數據進行最優化SAR數據壓縮輸出。FDBAQ算法適用于中高分辨率SAR衛星任務，特別適用于SAR載荷干涉測量模式需求。

FDBAQ算法實現框圖

日本先進陸地觀測衛星－2在軌飛行示意圖

日本先進陸地觀測衛星－2采用DS-BAQ算法，實現高質量、低誤碼率壓縮

先進陸地觀測衛星－2是日本先進陸地觀測衛星－1的后續型號，已于2014年5月24日發射。該衛星設計壽命5年，目標壽命7年。衛星載有相控陣L頻段合成孔徑雷達－2（PALSAR－2）、緊湊型紅外相機（CIRC）和天基自動識別系統試驗－2（SPAISE－2）。

與先進陸地觀測衛星－1搭載的相控陣L頻段合成孔徑雷達相比，先進陸地觀測衛星－2的相控陣L頻段合成孔徑雷達－2載荷性能更先進，分辨率更高，幅寬更大，工作模式更多，存儲能力和數傳速率也相應提高。為了實現頻繁觀測和數據采集，先進陸地觀測衛星－2采用了新的、高效、低誤碼率的星上數據壓縮算法，即降采樣（也可稱為下采樣）分塊自適應量化（DS-BAQ）算法，是以BAQ為基礎的改進算法。

DS-BAQ算法是一種新的星上數據壓縮算法。在傳統雷達系統中，A/D采樣頻率要比傳輸帶寬要寬，進而降低模糊效應。但在DS-BAQ算法中，在進行BAQ處理前，就將A/D采樣頻率與傳輸帶寬之差消除。根據DS-BAQ算法與BAQ算法的仿真結果對比可以看出，在相同壓縮比情況下，DS-BAQ算法比BAQ算法誤碼率更低（幅度誤差和相位誤差都更低），圖像質量更高。

先進陸地觀測衛星－2采用的DS-BAQ算法，壓縮比有3檔可選，壓縮后分別為4bit（DS-BAQ）、2bit（BAQ）和不壓縮（直接下傳）。在3m分辨率條帶模式下，單極化壓縮后為4bit，雙極化壓縮后為2bit。

先進陸地觀測衛星－2采用的DS-BAQ算法實現框圖

2 國外雷達成像衛星采用的主要星上數據壓縮算法

目前，國外在雷達成像衛星星上數據壓縮方面，采用與光學成像衛星完全不同的壓縮算法，BAQ和BFPQ是目前的兩大主流算法，各國以其為基礎逐步改進，優化性能。

從技術發展看，星上雷達數據壓縮技術滯后于光學數據壓縮技術的發展

與光學數據壓縮技術相比，星上雷達數據壓縮技術較為滯后，這主要是由于雷達衛星的成像機理、成像載荷配置、數據本質與光學衛星截然不同，且更為復雜所致。另外，光學成像衛星的數據壓縮技術與日常生活中常使用的數據壓縮原理基本一致，在技術上有積累，而星上雷達數據壓縮卻是另一個領域，具體來說屬于數據處理方法中的另一種，技術基礎薄弱。

從發展歷程看，從原始SAR數據壓縮算法向高效的改進壓縮算法過渡

早期，國外的雷達成像衛星主要采用最基本、最原始的BAQ壓縮算法，例如，德國的“X頻段陸地合成孔徑雷達”/“X頻段陸地雷達附加數字高程模型”雙星、意大利“地中海盆地觀測小衛星星座”等。隨著壓縮技術的不斷進步，國外逐漸意識到基本BAQ算法的缺點，并逐漸對其進行改進，優化壓縮性能，并應用到最新一代雷達成像衛星任務中，例如日本的先進陸地觀測衛星－2采用DS-BAQ算法，實現更低誤碼率的壓縮，歐洲哨兵－1A采用FDBAQ算法，具有非整數比特數編程能力，可針對不同類型目標數據進行最優化SAR數據壓縮輸出。

從各國情況看，各國采用的基礎算法不同，相應的改進算法也有所不同

在雷達成像衛星數據壓縮方面，各國的發展有所不同。歐洲和日本側重于以BAQ算法為基礎，提出可行的改進算法，例如DS-BAQ、FD-BAQ、ECBAQ等。以色列側重于以BFPQ算法為基礎，提出改進算法，例如MBFPQ等。

從應用情況看，即將退役的衛星采用基本算法，剛部署的衛星采用改進算法

從目前國外雷達成像衛星的星上壓縮算法應用情況看，盡管基本BAQ算法性能不是最優，但計算量小、對硬件要求低，成為21世紀初發射的雷達成像衛星的主流算法。而目前新發射的雷達成像衛星，較多地采用了性能更優的BAQ改進算法。據推測，德國和意大利的下一代雷達成像系統不僅在衛星性能方面在現役系統基礎上有所改進，在數據壓縮方面可能也較多繼承原有算法并加以改進，優化壓縮性能。

從未來趨勢看，高性能、改進的BAQ壓縮算法將成為未來發展主流

相比于早期提出的原始算法，以其為基礎的改進算法具有更優質的性能，未來可能出現更多新的算法或改進算法。這些高性能、改進的BAQ壓縮算法將成為未來國外關注的重點，應用于新一代的雷達成像衛星上，例如，日本的先進陸地觀測衛星－2和歐洲的哨兵－1A等。基于BAQ的改進算法還包括可變BAQ（FBAQ）、模糊BAQ（Fuzzy-BAQ）、DSBAQ、FDBAQ、ECBAQ等，均可以達到4:1的壓縮比，但當進一步提高壓縮比時，這些改進BAQ算法不能保證壓縮后圖像性能。