高分三號衛星聚束SAR誤差補償成像處理技術研究

陳琦 喻文勇 劉國棟 侯明輝 王愛春 姚玉林 張恒 閆麗麗

(中國資源衛星應用中心,北京 100094)

高分三號衛星聚束SAR誤差補償成像處理技術研究

陳琦 喻文勇 劉國棟 侯明輝 王愛春 姚玉林 張恒 閆麗麗

(中國資源衛星應用中心,北京 100094)

從高分三號(GF-3)衛星滑動聚束成像模型和回波信號特性出發,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,重點對滑動聚束高分辨率成像處理算法進行了深入研究,在此基礎上提出了一種結合內定標信號幅相誤差補償的滑動聚束高分辨率去斜頻率變標(DCS)成像處理算法,給出了算法詳細實現步驟和技術流程。利用GF-3衛星實測數據進行了處理效果驗證,結果表明:結合內定標信號幅相誤差補償的DCS成像處理算法,能有效改善滑動聚束高分辨率SAR成像的圖像質量,可獲得更好的成像處理和聚焦效果,驗證了算法的有效性。

合成孔徑雷達;滑動聚束;內定標

1 引言

高分三號(GF-3)衛星作為中國首顆C頻段全極化SAR成像衛星[1],其高質量的成像處理結果引起了國內外廣泛關注。滑動聚束模式是GF-3衛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間,從而增大方位向測繪寬度的同時,提高方位向空間分辨率[2-3]。聚束模式和條帶模式可以認為是滑動聚束模式的特例。當雷達波束在地面的移動速度為零時,即為聚束成像模式;當雷達波束在地面移動的速度為正常飛行速度時,即為條帶成像模式。當雷達波束的移動速度介于聚束模式和條帶模式之間時,用同樣尺寸的天線,由于方位向相干累積的時間比條帶模式長,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,重點對GF-3衛星滑動聚束高分辨率成像處理算法進行了深入研究,此基礎上,提出了一種結合內定標信號幅相誤差提取與補償的滑動聚束高分辨率精細成像處理方法,給出了算法詳細實現步驟和技術流程。利用GF-3衛星實測數據進行了處理效果驗證,結果表明,結合內定標信號幅相誤差提取與補償的去斜頻率變標(DCS)成像處理方法,能有效改善滑動聚束高分辨率SAR圖像的聚焦質量,驗證了算法的有效性。

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,其系統的方位向分辨率要優于條帶模式的分辨率,同時成像場景的方位向寬度也大于經典聚束模式的場景寬度。滑動聚束SAR成像模型如圖1所示。滑動聚束成像時,天線波束對準地面以下的某個“虛擬轉動點S”進行凝視成像,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寬度為Wa,場景中心點為P0,第一個被完全照射的點為P1,最后一個被完全照射的點為P2,虛擬轉動點為S,天線波束中心在滑動聚束期間,始終指向遠離場景中心的虛擬轉動點S,因此,天線波束中心在場景內的投影點緩慢移動,波足速度記為vf。衛星以速度v飛行,場景中心至衛星軌跡的垂直距離為r0,場景中心至虛擬轉動點的距離為r1,場景中心點坐標為P0(vtc,r0)。

假設t＝0時刻,波束剛好照射到場景邊緣。在任意時刻t,衛星天線波束中心指向場景中任意一點P(x,r0),瞬時斜視角為θ。根據上述成像幾何模型,目標與SAR天線相位中心距離關系可表示為

式中:r0為場景中心至衛星軌跡的垂直距離;t為天線波束中心指向P(x,r0)點的時刻;x為P(x,r0)點的方位向位置;R(t,r0)為P(x,r0)點與SAR衛星之間的瞬時斜距。

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,發射的線性調頻信號為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頻率;c為光速;λ為發射信號波長;τ為距離向“快時間”。G(t)為天線方向圖方位向增益,近似與距離無關,m(τ)為發射信號包絡,通常近似為矩形。式中第一個相位項為距離向發射信號延遲,第二個相位項為波束掃過目標形成的方位向回波多普勒歷程。

滑動聚束的優點同時也為它帶來了處理上的困難。實際成像過程中,為了降低數據率,星載滑動聚束SAR的脈沖重復頻率(PRF)通常遠小于方位向多普勒總帶寬,這將導致原始回波數據方位向信號存在嚴重欠采樣的問題,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頻關系曲線圖,綠色虛線表示虛擬點S處的多普勒時頻關系曲線,紫色虛線表示參考信號的多普勒時頻關系曲線,紅色、黑色和藍色實線分別表示P1、P0、P2點的多普勒時頻關系曲線。由圖2分析可知,SAR回波信號的方位向多普勒帶寬遠大于系統PRF,存在嚴重的欠采樣問題。

由圖3可看出,經過去斜處理后的方位向多普勒帶寬已經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 內定標信號提取與誤差補償

內定標信號不僅可以監測收發系統增益變化,也可以用于通道幅相誤差的提取與校正。內定標信號提取與誤差補償主要是利用內定標數據,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回波數據,以消除回波數據中的非相參誤差,改善星載滑動聚束SAR的成像聚焦質量。

由于內定標器的隨機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值。顯然,加性噪聲將影響幅度和相位誤差的提取和估計。為此,采用多個內定標信號統計平均的方法平滑噪聲,改善誤差提取精度。對每個內定標信號提取幅相誤差再求平均,將其結果作為系統幅相誤差。

假設內定標參考通道信號的頻域形式為

式中:Arefω()是內定標參考通道信號的幅頻特性函數;?refω()是內定標參考通道信號的相頻特性函數,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)在頻域表達式為

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

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,幅相誤差校正函數為

將校正函數與待校正的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據是在方位向上被欠采樣接收,另一方面其單景成像時間和合成孔徑時間都更長。針對這兩方面特點,GF-3衛星滑動聚束模式成像采用結合等效距離模型空變校正的DCS算法。滑動聚束模式成像處理算法具體流程如圖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校正。高分辨率星載滑動聚束SAR,一景成像時間長引起成像模型參數沿方位向時變效應顯著,這里利用滑動聚束SAR天線相位中心相對虛擬轉動點的真實距離歷程與等效勻速直線運動模型下的等效距離歷程之間的偏差,消除被照射目標成像模型的方位時變性,使成像模型在方位向上實現一致化,修正量ΔRsrt()的計算方法為

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

第2步:方位預濾波處理。方位向數據濾波處理的本質是:在保持回波數據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,從而達到在提高方位向數據采樣率的同時減短信號持續時間、

式中:fDsr和fRsr分別為虛擬轉動點的“多普勒中心頻率”和“多普勒調頻率”,它們由天線相位中心到虛擬轉動點的距離歷程對時間的一階和二階導數計算得到。回波信號與方位濾波信號之間的卷積通過分別在時域和頻域各一次的乘積來實現。

第3步:CS算法成像處理。經方位濾波處理后,數據按常規CS算法[9]相似處理流程進行成像處理,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合成孔徑時間長,導致傳統(二次)等效距離模型精度不足,需在多普勒域內對模型空變效應校正后的殘留孔徑內三次模型誤差進行補償;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在第三個因子上,考慮方位濾波處理和三次模型誤差校正后的第三個因子定義為降低數據處理量的目的,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()為方位向頻率變標殘余相位誤差,Θ1f()為方位向線性位移相位誤差。

5 實測數據驗證

采用本文給出的結合內定標信號幅相誤差補償的滑動聚束DCS高分辨率成像處理算法對GF-3衛星滑動聚束模式SAR數據進行成像處理。由于GF-3衛星滑動聚束米級高分辨率SAR聚焦對回波信號誤差敏感,通過基于內定標信號幅相誤差提取和補償,有效改善回波信號的相干性,可獲得更精細的聚焦效果并改善成像質量。在圖5中,左側是算法改進前的成像質量,框內的線狀地物和點狀地物均呈現出不同程度的散焦和虛化,說明未經過幅相誤差補償的回波數據難以實現精確聚焦;右側是算法改進后的成像質量,框內的線狀地物未出現虛化或散焦,點狀地物未出現擴散,均實現了精確聚焦。

為進一步定量分析基于內定標信號幅相誤差補償的滑動聚束DCS高分辨率成像處理算法的改善效果,選取了GF-3衛星定標場布設的有源定標器作為標準參考散射體,如圖6所示。對定標場標準參考散射體的成像結果進行定量分析和評估,并分別對比了算法改進前后的標準參考散射體點目標空間分辨率、峰值旁瓣比和積分旁瓣比等定量指標,結果如圖7、圖8和表1、表2所示。

表1 算法改進前的成像質量定量評估結果Table 1 Imaging quality results of quantitative evaluation before refined algorithm

表2 算法改進后的成像質量定量評估結果Table 2 Imaging quality results of quantitative evaluation after refined algorithm

由圖6和圖7的對比分析可知,采用本文給出的結合內定標信號幅相誤差補償的滑動聚束DCS高分辨率成像處理算法對GF-3衛星定標場布設的標準散射體進行成像,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量指標均得到顯著提高。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衛星定標場布設的標準散射體的成像結果進行定量測試和評估,圖像質量指標均得到有效改善,進一步驗證了算法的有效性。

6 結論

本文針對GF-3衛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,提出了一種結合內定標信號幅相誤差提取與補償的滑動聚束高分辨率精細成像處理方法。利用GF-3衛星實測數據進行了處理效果驗證,結果表明,結合內定標信號幅相誤差提取與補償的DCS成像處理方法能有效改善滑動聚束高分辨率SAR圖像的成像質量。

References)

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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地面處理系統研制和星載SAR數據處理工作。Email:chenq_cn＠163．com。

(編輯:張小琳)