MGC數據處理與更新方法研究及實現?

葛蘊萍,陳 昊,3

(1.中國科學院空間信息處理與應用系統技術重點實驗室,北京100190;2.中國科學院電子學研究所,北京100190;3.北京空間信息中繼傳輸技術研究中心,北京100094)

0 引言

星載合成孔徑雷達(SAR)由于其全天時、全天候、高分辨率成像的能力,在軍事和民用領域的應用需求越來越高。由于受數傳帶寬的限制,雷達衛星回波數據一般都會采用量化方式對回波數據進行壓縮。不同的量化方式和量化級數使得雷達接收機接收到的回波數據存在不同程度的損失。目前雷達系統一般通過手動增益控制(Manual Gain Control,MGC)調整接收機增益范圍,使回波功率在接收機輸出端盡可能穩定,因此MGC設置值將影響接收機的增益范圍,其準確與否,對圖像質量有較大影響。

在數據壓縮方面,自20世紀80年代開始,學者們將壓縮感知、DCT等方法[1-4]應用到SAR原始數據量化壓縮中,但由于實現方式簡單高效,Nbit均勻量化和BAQ量化壓縮仍是目前的主流方式,應用頻率較高。文獻[5]分析了8∶4 bit和8∶3 BAQ兩種量化方式的性能,給出了兩種量化方式的最佳輸入功率范圍,但并未提及具體校正方法。在數據飽和校正方面,參數模型法[6]和最優量化理論[7]應用于SAR數據的飽和校正,但均缺乏實際數據的驗證。在星載SAR MGC數據處理與更新軟件方面,文獻[8]開發了一套MGC數據管理系統,主要針對MGC數據庫的構建和管理,并未涉及數據的處理與更新方法。因此,本文針對上述問題,重點研究了星載SAR MGC數據的飽和校正方法及不同的量化方式下的MGC校正策略,在此基礎上,設計并實現了一套MGC數據處理與更新軟件。

1 MGC數據分析與校正的概念

根據雷達方程可以得到MGC數據的計算公式為

式中,Pt為雷達發射功率,Gr為總的接收增益,G2(θ)為雙程天線方向圖增益,λ為雷達波長,Rg為雷達波束距離向覆蓋范圍,Rz為雷達波束方位向覆蓋范圍,R為斜距,KL為傳播損耗,σ0為目標后向散射系數,Pn為系統噪聲。

由式(1)可知,MGC初始值的計算存在有效載荷誤差、傳播誤差、目標后向散射系數誤差和MGC計算模型誤差四類誤差。這些誤差因素的綜合影響在一定條件下會造成MGC初始值不能有效地將在軌運行時的SAR回波強度控制在接收機動態范圍之內,從而帶來嚴重的數據飽和或欠飽和,最終降低SAR圖像的輻射精度,甚至造成圖像判讀的失敗。

MGC值的準確與否,對雷達圖像信噪比有重要影響:MGC設置過小,會導致信號幅度過大,在量化時存在飽和現象,從而損失部分信號功率,致使天線方向圖測量不準,圖像質量變差;MGC設置過大,導致信號衰減過大,從而量化噪聲偏大,影響成像質量。因此,必須通過對衛星獲得的實際SAR數據進行分析,估算出數據存在的功率損失及MGC偏差,進而對MGC進行校正補償,實現MGC設置值的更新。

2 MGC數據分析與校正算法

2.1 基于回波數據的MGC校正方法

對于一定的量化范圍,回波數據的功率損失ΔA/D可以表示為地物幅度分布特性參數的函數,即

式中,αi為地物幅度分布特性參數,N為AD量化級數。

上式可以通過仿真分析加以建立,而地物幅度分布特性參數αi則可通過分析SAR原始數據統計特性得到,因此,基于原始回波數據的飽和校正步驟可以概括如下:

① 確定地物幅度的概率分布類型;

② 建立回波數據功率損失ΔA/D與地物幅度分 布 特 性 參 數αi的 理 論 模 型h(α1,α2,…,αi;Nbit);

③對SAR原始數據進行統計分析,估算地物幅度分布特性參數αi;

④ 根據h(α1,α2,…,αi;Nbit)和估算得到的αi計算ΔA/D;

⑤計算更新后的MGC值MGC_new=MGC+ΔA/D。

2.2 不同量化方式下的MGC校正

前面研究主要針對8 bit數據,而數據還包括其他兩種常見的量化壓縮方式,即8∶4量化、8∶3 BAQ壓縮,需要進行專門的研究。

1)8∶4量化

通過仿真,在4 bit壓縮時,輸入功率-功率損失、輸入功率-信噪比曲線、輸出功率 功率損失的曲線如圖1所示。

圖1 8∶4 bit壓縮數據分析曲線

由曲線可知,當輸入功率約為9 dB(方差為2.818 4)時,量化損失約為0 d B,其壓縮后信噪比達到最大值19.345 dB,故可將9 dB作為最佳輸入功率。而輸出功率在[-4～15 d B]范圍內時,MGC的飽和校正方法如下:

①統計輸出信號功率Pout(d B);

②根據2.1節計算量化功率損失ΔP(dB),從而得到輸入功率Pin=Pout+ΔP;

③ 確定MGC修正值為ΔMGC=Pin-9 dB;

④確定MGC更新值為MGC_new=MGC+ΔMGCdB。

2)8∶3 BAQ壓縮

通過仿真,在8∶3 BAQ壓縮時,輸入功率 壓縮功率損失、輸入功率-壓縮信噪比、輸出功率 壓縮功率損失的曲線如圖2所示。由圖可知,對于8∶3 BAQ而言,輸入功率在33～34 d B之間是最佳輸入功率(一般選取33.5 dB),此時輸出信噪比可達到14.95 d B。

圖2 8∶3BAQ壓縮數據分析曲線

從上圖也可發現,BAQ壓縮和解壓縮后,輸出功率與輸入功率之間存在階梯狀變化的誤差。這是由于BAQ壓縮時,對方差進行了量化。為了使得8 bit量化功率無損,且BAQ壓縮具有良好的功率保持特性,圖3給出均值碼-輸入功率、均值碼-量化功率損失的曲線。

由以上分析可知,在8∶3 BAQ量化方式下,MGC的合理更新值可通過如下方法得到:

①統計數據的均值碼M;

② 根據均值碼與輸入功率的曲線,得到輸入功率Pin;

③MGC的更新值為輸入功率與最佳輸入功率之差,即ΔMGC=Pin-33.5 d B;

④確定MGC更新值為MGC_new=MGC+ΔMGCdB。

3 系統設計與實現

3.1 流程設計

圖3 8∶3 BAQ壓縮均值碼與量化功率損失的曲線

星載SAR MGC數據處理與更新軟件是通過對下傳的SAR原始回波數據進行飽和統計特性分析實現的,通過人工交互完成數據的查詢、顯示、下載、定位、分析和更新。其基本流程結構如圖4所示。

MGC數據處理與更新軟件作為相對獨立的處理節點,從綜合數據庫獲取需要處理的SAR原始數據、圖像及輔助信息,進而執行MGC數據分析和更新的任務。各任務之間有數據的傳遞,甚至相互依賴,既互相關聯,又具有各自的獨立性。

3.2 功能設計

通過以上分析,MGC數據處理與分析軟件應具備以下功能:

① 原始回波數據統計分析;

②MGC數據更新;

③圖像及信息顯示,包括編目瀏覽SAR圖像顯示、全球MGC網格顯示、編目瀏覽圖像信息顯示、MGC網格及其MGC值更新計算結果信息顯示;

圖4 星載SAR MGC數據分析與更新流程圖

④ 數據檢索,包括SAR編目瀏覽圖像檢索、SAR原始數據文件檢索、SAR參數數據文件檢索、MGC及其相關信息數據檢索等。

3.3 體系結構與模塊化設計

基于以上軟件功能,定標處理系統由以下3個組件組成:

①MGC數據更新計算組件:通過對SAR輔助數據和原始數據進行分析完成MGC數據的更新計算。

② 圖形用戶界面(GUI)組件:完成軟件用戶界面,包括圖像、數據、信息的顯示和檢索。

③ 與外部系統接口組件:完成與外部系統輸入、輸出信息交互,包括綜合數據庫、全球MGC數據庫等。

3.4 軟件實現與驗證

星載SAR MGC數據處理與更新軟件在Windows XP平臺環境下,用Visual C++開發設計完成。本軟件經過大量仿真數據和實測數據的測試,圖5給出軟件界面及部分數據處理結果。

圖5 MGC數據分析與更新軟件界面

4 結束語

本文系統分析了在不同量化方式下(8∶4 bit,8∶3 BAQ)的MGC數據飽和分析及校正方法,并給出了最佳輸入功率、飽和校正策略及處理流程,為SAR系統實際運行MGC參數設置提供了有用的參考和依據。設計開發的星載SAR MGC數據處理與更新軟件實現了衛星下傳數據的顯示、統計分析、更新結果上傳等,功能強大,可視化效果強,為圖像判讀分析提供了有效途徑。設計中充分考慮了軟件的可擴展性和使用的方便性與靈活性,為MGC設置及更新系統的研制提供了良好的基礎。

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