高分三號衛(wèi)星圖像質(zhì)量指標(biāo)設(shè)計與驗(yàn)證

趙良波 李延 張慶君 劉杰 袁新哲 陳琦

(1北京空間飛行器總體設(shè)計部,北京 100094)

(2國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心,北京 100081)(3中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心,北京 100094)

高分三號衛(wèi)星圖像質(zhì)量指標(biāo)設(shè)計與驗(yàn)證

趙良波1李延1張慶君1劉杰1袁新哲2陳琦3

(1北京空間飛行器總體設(shè)計部,北京 100094)

(2國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心,北京 100081)(3中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心,北京 100094)

圖像質(zhì)量指標(biāo)是衡量合成孔徑雷達(dá)(SAR)衛(wèi)星成像能力及定量化應(yīng)用水平的重要指標(biāo)。在進(jìn)行高分三號(GF-3)衛(wèi)星總體設(shè)計時,根據(jù)海洋、減災(zāi)、水利、氣象等應(yīng)用領(lǐng)域的需求,提出了能夠兼顧各行業(yè)用戶典型應(yīng)用及定量化反演的圖像性能要求,確定了幾何質(zhì)量指標(biāo)和輻射質(zhì)量指標(biāo)2類共13項(xiàng)圖像質(zhì)量指標(biāo),分析了衛(wèi)星平臺、SAR載荷、空間傳輸、地面定標(biāo)及處理等各項(xiàng)因素對圖像質(zhì)量指標(biāo)的影響,總結(jié)了通過衛(wèi)星總體設(shè)計保證各項(xiàng)圖像質(zhì)量指標(biāo)的方法及手段。GF-3衛(wèi)星的在軌測試及業(yè)務(wù)化運(yùn)行,驗(yàn)證了圖像質(zhì)量指標(biāo)的符合性,可為后續(xù)SAR衛(wèi)星的研制提供設(shè)計參考。

高分三號衛(wèi)星;合成孔徑雷達(dá);圖像質(zhì)量指標(biāo);幾何質(zhì)量;輻射質(zhì)量;分塊自適應(yīng)量化

1 引言

高分三號(GF-3)衛(wèi)星是中國首顆分辨率達(dá)到1 m的C頻段多極化合成孔徑雷達(dá)(SAR)衛(wèi)星,具有全天時、全天候的成像能力,并可以通過左右姿態(tài)機(jī)動擴(kuò)大觀測范圍、提升響應(yīng)速度。衛(wèi)星具有12種成像模式,最高1 m的空間分辨率,能夠獲得清晰的微波遙感影像;最大650 km的幅寬,可以完成大范圍的監(jiān)視監(jiān)測;多極化的探測方式,大幅度提高了對目標(biāo)特性的獲取能力;高定量化指標(biāo),可實(shí)現(xiàn)更細(xì)致、更準(zhǔn)確的定量化信息提取與反演。

GF-3衛(wèi)星的圖像質(zhì)量指標(biāo)是指影響最終成像結(jié)果,且與用戶應(yīng)用直接相關(guān)的技術(shù)指標(biāo),它是由天地各系統(tǒng)相關(guān)指標(biāo)所決定和影響的。對影響圖像質(zhì)量指標(biāo)的因素進(jìn)行分析,可以有針對性地進(jìn)行衛(wèi)星系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計,達(dá)到提升最終成像結(jié)果的目的。因此,圖像質(zhì)量指標(biāo)對GF-3衛(wèi)星工程系統(tǒng)的設(shè)計具有重要意義。通過參考比對國內(nèi)外SAR衛(wèi)星圖像質(zhì)量指標(biāo)體系[1-3],對各應(yīng)用領(lǐng)域的實(shí)際需求進(jìn)行分析論證,結(jié)合GF-3衛(wèi)星的工程實(shí)際情況,確定其圖像質(zhì)量指標(biāo),并對影響各項(xiàng)圖像質(zhì)量指標(biāo)的因素進(jìn)行分解,提出了保證各項(xiàng)指標(biāo)的設(shè)計方法及措施。通過GF-3衛(wèi)星的在軌測試及運(yùn)行,對圖像質(zhì)量指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)情況進(jìn)行了驗(yàn)證。

2 圖像質(zhì)量指標(biāo)需求

GF-3衛(wèi)星在設(shè)計之初,即明確是一顆具有多領(lǐng)域綜合觀測能力的SAR衛(wèi)星。其獲取的微波遙感數(shù)據(jù),除滿足海洋、減災(zāi)、水利、氣象等領(lǐng)域的需求外,還要兼顧農(nóng)業(yè)、環(huán)保、住建、交通、林業(yè)等其他行業(yè)用戶的需求。多用戶的需求,決定了GF-3衛(wèi)星探測地物目標(biāo)類型的多樣性。各主要領(lǐng)域?qū)F-3衛(wèi)星的需求如表1所示。

表1 對GF-3衛(wèi)星的主要應(yīng)用需求Table 1 Primary application demands for GF-3 satellite

為滿足不同領(lǐng)域的需求,GF-3衛(wèi)星應(yīng)具有以下性能[4]:①探測頻率對各領(lǐng)域觀測目標(biāo)均具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。通過對典型觀測目標(biāo)的適用探測頻率進(jìn)行統(tǒng)計分析,C頻段對絕大部分觀測目標(biāo)具有很好的適應(yīng)性,可以滿足海洋、減災(zāi)、水利、氣象和其他領(lǐng)域的廣泛需求。為此,GF-3衛(wèi)星采用C頻段、5．4 GHz作為探測頻率。②采用多極化的探測方式,可提供除觀測目標(biāo)回波幅度、相位之外的極化特征信息,進(jìn)而獲得目標(biāo)更完整的散射信息。針對不同成像模式,在GF-3衛(wèi)星上設(shè)計覆蓋單極化、雙極化及四極化的不同極化方式,同時極化圖像具有高隔離和穩(wěn)定性,即極化隔離度優(yōu)于35．0 dB,極化通道幅度不平衡度優(yōu)于±0．5 dB,極化通道相位不平衡度優(yōu)于±10°。③既能對特定區(qū)域高分辨率成像,又能滿足中、低分辨率、大幅寬的需求。GF-3衛(wèi)星包括12種成像模式,分辨率范圍為1～500 m,幅寬范圍為10～650 km,以滿足各領(lǐng)域的多樣化需求。④具備高精度定量化應(yīng)用能力,能夠?qū)μ囟ㄓ^測目標(biāo)完成定量化反演。GF-3衛(wèi)星相對輻射精度要求達(dá)到1．0 d B(1景),絕對輻射精度為1．5 d B(1景);同時輻射分辨率為3．5 dB(分辨率1～10 m)和2．0 dB(分辨率25～500 m),為各領(lǐng)域開展定量化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。⑤具有高靈敏度探測能力,能夠?qū)θ跎⑸淠繕?biāo)進(jìn)行成像。噪聲等效后向散射系數(shù)應(yīng)優(yōu)于－19．0 dB。⑥具有在強(qiáng)回波目標(biāo)附近檢測弱目標(biāo)的能力,以提高對圖像的解譯和目標(biāo)判讀能力,峰值旁瓣比優(yōu)于－20．0 dB,積分旁瓣比優(yōu)于－13．0 dB。⑦具有較高的模糊信號抑制能力,以降低雜散信號干擾。距離模糊度優(yōu)于－20．0 dB,方位模糊度應(yīng)優(yōu)于－18．0 d B。⑧能夠?qū)D像中的地物目標(biāo)進(jìn)行精確定位,無控制點(diǎn)定位精度優(yōu)于230 m。

3 圖像質(zhì)量指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)

GF-3衛(wèi)星圖像質(zhì)量指標(biāo)可分為幾何質(zhì)量指標(biāo)和輻射質(zhì)量指標(biāo)兩大類。幾何質(zhì)量指標(biāo)包括空間分辨率、成像幅寬及定位精度,主要反映圖像的幾何特性[5];輻射質(zhì)量指標(biāo)包括峰值旁瓣比、積分旁瓣比、模糊度、輻射分辨率、輻射精度、噪聲等效后向散射系數(shù)、極化隔離度與極化不平衡度,主要反映圖像的可視性、可判性和解譯能力。

為保證GF-3衛(wèi)星圖像質(zhì)量指標(biāo)的實(shí)現(xiàn),通過仿真分析,并結(jié)合國內(nèi)外SAR衛(wèi)星的研制經(jīng)驗(yàn),將圖像質(zhì)量指標(biāo)的影響因素分解為3個主要方面。①衛(wèi)星平臺性能:主要包括測軌、定位、測速、姿態(tài)控制、姿態(tài)導(dǎo)引及定時精度等。②SAR載荷性能:主要包括收發(fā)信號帶寬、通道幅相誤差及穩(wěn)定性、系統(tǒng)靈敏度、極化隔離度、通道增益穩(wěn)定性、內(nèi)定標(biāo)精度、增益控制精度、采樣量化精度、天線方向圖、波束指向精度等誤差。③傳輸路徑影響和成像處理:主要包括大氣衰減、成像算法、處理加權(quán)及展寬、地面高程模型、多普勒估計、多視處理及外定標(biāo)誤差等。對幾何質(zhì)量指標(biāo)和輻射質(zhì)量指標(biāo)影響因素分解如圖1和圖2所示。

GF-3衛(wèi)星在研制過程中,對各項(xiàng)影響因素均進(jìn)行了分解及量化,并體現(xiàn)在衛(wèi)星總體、SAR載荷及地面系統(tǒng)的設(shè)計之中。

3．1 衛(wèi)星平臺設(shè)計

GF-3衛(wèi)星平臺設(shè)計了2條獨(dú)立的供電母線,平臺供電母線采用28 V全調(diào)節(jié)母線,SAR天線供電母線采用供電電壓為45～67 V的不調(diào)節(jié)母線,并配置長18．5 m的雙太陽翼,以滿足SAR天線平均功率8000 W的能源需求。SAR天線、太陽翼等大質(zhì)量部件安裝在衛(wèi)星結(jié)構(gòu)外側(cè),為保證衛(wèi)星發(fā)射時的力學(xué)環(huán)境要求,并滿足SAR天線在軌展開后優(yōu)于5 mm的平面精度,衛(wèi)星結(jié)構(gòu)采用加強(qiáng)梁設(shè)計,為質(zhì)量約1300 kg的SAR天線提供穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)支撐。為提高圖像質(zhì)量,降低地面處理的難度,衛(wèi)星在安裝有SAR天線、太陽翼2個大撓性部件的條件下,實(shí)現(xiàn)了高精度的姿態(tài)控制及連續(xù)的二維導(dǎo)引,完成了高精度的實(shí)時軌道定位及速度測量,并為SAR載荷提供精確的時間基準(zhǔn)。

衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)采用星敏感器和陀螺測量的姿態(tài)確定方式,將姿態(tài)確定精度提高到優(yōu)于0．01°(3軸,3σ),再通過配置多個動量輪,實(shí)現(xiàn)高精度的姿態(tài)控制,可以達(dá)到姿態(tài)指向精度優(yōu)于0．03°(3軸,3σ),姿態(tài)穩(wěn)定度優(yōu)于0．001(°)/s(3軸,3σ)的指標(biāo)要求。針對星載SAR回波信號的多普勒特性,設(shè)計偏航及俯仰二維姿態(tài)導(dǎo)引,極大地降低了回波信號的多普勒中心偏差。

為保證GF-3衛(wèi)星的定位及測速能力,考慮到單頻GPS無法消除電離層的影響,限制了事后處理的定位精度,衛(wèi)星采用雙頻GPS進(jìn)行導(dǎo)航定位,不但實(shí)現(xiàn)了實(shí)時定位精度優(yōu)于10 m(3軸,1σ),實(shí)時測速精度優(yōu)于0．2 m/s(3軸,1σ)的指標(biāo)要求,而且事后精密定軌采用2個頻點(diǎn)消除電離層的影響,并通過高精度動力學(xué)模型,最終實(shí)現(xiàn)了4 cm的定軌精度。為保證SAR載荷的定時精度,設(shè)計GPS秒脈沖機(jī)制,由硬件秒脈沖和軟件整秒授時聯(lián)合實(shí)現(xiàn)高精度的時間同步,時間同步精度優(yōu)于100μs,滿足了高精度時間同步需求。

3．2 SAR載荷設(shè)計

GF-3衛(wèi)星SAR載荷由衛(wèi)星艙外的SAR天線及艙內(nèi)電子設(shè)備兩大部分組成。

為滿足多模式、多極化、高定量化的探測需求,SAR載荷采用可展開平面固態(tài)有源相控陣天線,具有靈活的波束賦形及二維掃描性能。SAR天線發(fā)射峰值功率達(dá)到15 360 W,具有高精度的定標(biāo)網(wǎng)絡(luò),通過距離向波控碼存儲、方位向波控碼實(shí)時計算的方式,根據(jù)成像模式、入射角的不同,可形成約96萬個要求各異的發(fā)射/接收波束。為實(shí)現(xiàn)優(yōu)于35．0 dB的極化隔離度要求,雙極化波導(dǎo)縫隙天線由互補(bǔ)結(jié)構(gòu)的窄邊直縫水平(H)極化和寬邊直縫垂直(V)極化波導(dǎo)縫隙天線交叉排列組成,使2種極化天線實(shí)現(xiàn)分別饋電,物理上完全獨(dú)立,有效減小了2種極化天線之間的互耦。為保證射頻收發(fā)通道的幅相穩(wěn)定性,對陣面饋電網(wǎng)絡(luò)的幅度/相位特性、元器件性能、裝配工藝等進(jìn)行嚴(yán)格控制,確保陣面單機(jī)狀態(tài)具有良好的一致性;同時,對SAR天線陣面的溫度進(jìn)行智能隨動控制,全陣面溫度梯度可控制在7℃以內(nèi),從而大大減小了各射頻通道因溫度差異引起的幅度相位漂移,最終實(shí)現(xiàn)極化通道間相對幅度穩(wěn)定度優(yōu)于0．3 dB,相對相位穩(wěn)定度優(yōu)于5°的技術(shù)指標(biāo)。為保證SAR天線波束賦形特性,通過地面測試,獲取SAR天線各輻射單元的幅度、相位基礎(chǔ)數(shù)據(jù),建立高精度的天線仿真模型,綜合考慮互偶、反射等因素,保證了天線仿真模型的預(yù)測與實(shí)測結(jié)果在統(tǒng)計特性上高度吻合,為精確的波束賦形及波束指向控制提供了保證。

SAR載荷電子設(shè)備根據(jù)不同的工作模式,完成數(shù)字基帶信號產(chǎn)生、正交調(diào)制、中頻放大、上變頻、射頻放大等功能,可靈活產(chǎn)生多種帶寬、脈寬的線性調(diào)頻信號。在地面對2～240 MHz共11種帶寬的線性調(diào)頻信號進(jìn)行實(shí)測,結(jié)果表明,發(fā)射信號帶寬誤差優(yōu)于±1%,帶內(nèi)幅度起伏優(yōu)于0．7 dB,脈寬誤差優(yōu)于±0．1μs,能保證SAR載荷發(fā)射信號的穩(wěn)定性。SAR載荷接收噪聲主要由SAR天線陣面收發(fā)(T/R)組件噪聲及電子設(shè)備接收支路噪聲共同決定,對陣面T/R組件的噪聲系數(shù)進(jìn)行100%測試,并在各種接收帶寬下對接收支路的噪聲系數(shù)進(jìn)行測試,最終得到SAR載荷系統(tǒng)噪聲系數(shù)優(yōu)于3．5 dB。SAR載荷采用中頻直接采樣的數(shù)字接收機(jī)方案,通過A/D轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行8 bit量化,實(shí)測有效量化位數(shù)優(yōu)于6．6 bit;對量化后的回波數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字正交解調(diào)及BAQ壓縮,降低了量化壓縮對圖像質(zhì)量的損失。

SAR載荷的內(nèi)定標(biāo)精度由SAR天線內(nèi)定標(biāo)網(wǎng)絡(luò)及艙內(nèi)電子設(shè)備內(nèi)定標(biāo)器的增益穩(wěn)定性共同決定,SAR天線定標(biāo)時,水平極化信號及垂直極化信號共用同一套定標(biāo)網(wǎng)絡(luò),經(jīng)定標(biāo)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信號合成。內(nèi)定標(biāo)器是內(nèi)定標(biāo)過程中的核心單元,與SAR天線陣面定標(biāo)網(wǎng)絡(luò)一起實(shí)現(xiàn)SAR載荷的內(nèi)定標(biāo)功能。通過熱真空試驗(yàn)對SAR天線及內(nèi)定標(biāo)器的溫度增益穩(wěn)定性進(jìn)行測試,SAR天線內(nèi)定標(biāo)網(wǎng)絡(luò)增益穩(wěn)定性優(yōu)于±0．3 dB,內(nèi)定標(biāo)器增益穩(wěn)定度優(yōu)于±0．27 dB,SAR載荷最終的內(nèi)定標(biāo)精度滿足小于等于0．6 dB的指標(biāo)要求。

3．3 地面系統(tǒng)設(shè)計

地面系統(tǒng)通過地面定標(biāo)及地面處理2個方面保證GF-3衛(wèi)星圖像質(zhì)量。通過地面定標(biāo),精確建立SAR圖像功率與目標(biāo)散射特性之間的定量關(guān)系,為圖像處理過程中的幾何、極化、輻射校正提供依據(jù)。地面定標(biāo)采用多個角反射器及有源定標(biāo)器,為SAR載荷外定標(biāo)提供精確的雷達(dá)截面積參考值,其標(biāo)稱雷達(dá)截面積精度為0．30 d B(3σ),外校準(zhǔn)雷達(dá)截面積精度為0．18 dB,可滿足條帶模式優(yōu)于0．5 dB、掃描模式優(yōu)于0．7 d B的定標(biāo)精度要求。同時,有源定標(biāo)器的極化隔離度優(yōu)于－40．0 dB,保證了極化隔離度定標(biāo)精度優(yōu)于36 d B的指標(biāo)要求。

地面處理通過優(yōu)化各成像模式的處理及成像算法,降低多普勒參數(shù)估計誤差,合理設(shè)計加權(quán)函數(shù),保證成像展寬系數(shù)優(yōu)于1．11的要求;通過距離徙動校正、多普勒中心頻率估計等手段,滿足成像處理系統(tǒng)增益穩(wěn)定度優(yōu)于0．3 dB的要求。

4 圖像質(zhì)量指標(biāo)驗(yàn)證

GF-3衛(wèi)星在軌測試階段,在定標(biāo)場布設(shè)了一定數(shù)量的三面角反射器及有源定標(biāo)器,通過星地聯(lián)合測試,對各模式下的圖像質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行全面驗(yàn)證,各項(xiàng)指標(biāo)的驗(yàn)證方法如表2所示。

表2 圖像質(zhì)量指標(biāo)驗(yàn)證方法Table 2 Verification methods for image quality indexes

以輻射分辨率測試為例,圖3中給出了標(biāo)準(zhǔn)條帶模式下對亞馬遜雨林的成像結(jié)果(R1～R6表示評價選定的成像區(qū)域),通過選取亞馬遜雨林的均勻場景,計算圖像中各選定區(qū)域的輻射分辨率,并對各區(qū)域的計算結(jié)果進(jìn)行平均,結(jié)果表明標(biāo)準(zhǔn)條帶模式下輻射分辨率小于等于1．7 dB。

在精細(xì)條帶1模式下,進(jìn)行定位精度測試的典型目標(biāo)圖像如圖4所示,通過選取圖像中建筑物邊緣、道路交叉點(diǎn)與實(shí)際地理位置進(jìn)行比對,并進(jìn)行平均得到精細(xì)條帶1模式下的平面定位精度優(yōu)于64 m。

各項(xiàng)圖像質(zhì)量指標(biāo)測試結(jié)果如表3所示。測試結(jié)果均滿足圖像質(zhì)量指標(biāo)的要求,部分指標(biāo)達(dá)到國際同類衛(wèi)星先進(jìn)水平。

表3 圖像質(zhì)量指標(biāo)驗(yàn)證結(jié)果Table 3 Verification results of image quality indexes

5 結(jié)束語

本文通過綜合各行業(yè)用戶的需求,確定了GF-3衛(wèi)星各項(xiàng)圖像質(zhì)量指標(biāo)。在衛(wèi)星設(shè)計過程中,對各項(xiàng)圖像質(zhì)量的影響因素進(jìn)行分析,并在衛(wèi)星及SAR載荷的研制過程中,針對圖像質(zhì)量開展了一系列的設(shè)計保證工作。GF-3衛(wèi)星發(fā)射后,對各項(xiàng)圖像質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行了在軌測試驗(yàn)證,結(jié)果表明:在GF-3衛(wèi)星12種成像模式下,各項(xiàng)圖像質(zhì)量指標(biāo)滿足GF-3衛(wèi)星研制要求中規(guī)定的指標(biāo)要求,且與地面仿真分析結(jié)果吻合性好,驗(yàn)證了各項(xiàng)誤差分配及仿真分析方法的正確性,衛(wèi)星除實(shí)現(xiàn)定量化應(yīng)用外[6],還首次實(shí)現(xiàn)了地面運(yùn)動目標(biāo)檢測(GMTI)[7]等重大技術(shù)突破,可為后續(xù)SAR衛(wèi)星任務(wù)分析及研制提供參考。

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Design and Verification of Image Quality Indexes of GF-3 Satellite

ZHAO Liangbo1LI Yan1ZHANG Qingjun1LIU Jie1YUAN Xinzhe2CHEN Qi3
(1 Beijing Institute of Spacecraft System Engineering,Beijing 100094,China)
(2 National Satellite Ocean Application Service,Beijing 100081,China)
(3 China Centre for Resource Satellite Data and Application,Beijing 100094,China)

SAR(synthetic aperture radar)image quality is a series of important parameters to characterize the radar imaging and quantitative application ability of SAR satellites．In the system design of GF-3 satellite,according to the ocean application,disaster mitigation,water conservancy,meteorology and others,the image performance requirements are presented to meet the requirements of different users in typical application and quantitative analysis,and the geometric quality and radiation quality of 2 categories and 13 image quality parameters are determined．The influences of the satellite platform,SAR payload,signal transmission,ground calibration and image processing on image quality are determined,as well as the methods to ensure the image quality parameters through satellite system design are summarized．The conformity of the image quality parameters are verified by the test and operation on orbit,which provides references in design for the subsequent SAR satellites．

GF-3 satellite;SAR(synthetic aperture radar);image quality index;geometric quality;radiation quality;BAQ(block adaptive quantization)

2017-10-25;

2017-11-21

國家重大科技專項(xiàng)工程

趙良波,男,高級工程師,從事微波遙感衛(wèi)星總體設(shè)計工作。Email:hitzlb＠hotmail．com。

V474．2

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.06.003

(編輯:夏光)