徐冰 （北京空間科技信息研究所）

國外雷達衛(wèi)星星上數(shù)據(jù)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(wèi)星獲取的回波數(shù)據(jù)量大，在衛(wèi)星上先成像再下傳圖像數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)壓縮技術(shù)。與光學成像衛(wèi)星相比，雷達成像衛(wèi)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(wèi)星的星上數(shù)據(jù)壓縮算法并不適用于雷達成像衛(wèi)星。雷達成像衛(wèi)星獲取的回波原始數(shù)據(jù)壓縮算法大多建立在對SAR回波原始數(shù)據(jù)的統(tǒng)計特性上。

1 國外雷達衛(wèi)星星上數(shù)據(jù)壓縮算法狀況與進展

早期，國外雷達成像衛(wèi)星均采用原始SAR數(shù)據(jù)壓縮算法，即分塊自適應量化（BAQ），易于硬件實現(xiàn)，成為世界上首個獲得實際應用的SAR數(shù)據(jù)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(yōu)。目前，國外陸續(xù)發(fā)射的新型雷達成像衛(wèi)星則采用以BAQ為基礎的改進算法，實現(xiàn)低誤碼率、非整數(shù)比特數(shù)壓縮等優(yōu)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(wèi)星任務，實現(xiàn)星上SAR數(shù)據(jù)的高效壓縮。

國外雷達成像衛(wèi)星星上數(shù)據(jù)壓縮算法發(fā)展路線圖

國外典型雷達成像衛(wèi)星的成像能力、星上壓縮算法及硬件實現(xiàn)、數(shù)傳和存儲能力概覽

多國現(xiàn)役雷達衛(wèi)星采用基本BAQ算法，后續(xù)換代系統(tǒng)將繼續(xù)沿用

（1）歐印現(xiàn)役雷達衛(wèi)星采用BAQ算法，多檔壓縮比可選

德國現(xiàn)役“X頻段陸地合成孔徑雷達”/“X頻段陸地雷達附加數(shù)字高程模型”雙星星座是德國發(fā)展的民商用高分辨率雷達成像衛(wèi)星系統(tǒng)。這2顆衛(wèi)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(shù)傳采用X頻段，數(shù)傳速率為300Mbit/s，固態(tài)存儲器壽命初期和末期的存儲容量分別為320Gbit和256Gbit。衛(wèi)星采用BAQ算法對SAR載荷原始數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)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(xiàn)役“地中海盆地觀測小衛(wèi)星星座”為4星星座，是意大利發(fā)展的軍民兩用高分辨率雷達成像衛(wèi)星系統(tǒng)，主要為意大利政府提供高分辨率的雷達圖像數(shù)據(jù)。“地中海盆地觀測小衛(wèi)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(shù)傳采用X頻段，數(shù)傳速率300Mbit/s，固態(tài)存儲器容量300Gbit。衛(wèi)星采用BAQ算法對SAR載荷原始數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(huán)境衛(wèi)星”的先進合成孔徑雷達（ASAR）載荷數(shù)據(jù)壓縮，以及其他類似的SAR衛(wèi)星任務中，“環(huán)境衛(wèi)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(shù)據(jù)熵值很高，無損壓縮算法壓縮比太低，為實現(xiàn)較高的壓縮比，一般采用有損壓縮算法。SAR數(shù)據(jù)壓縮分為標量量化和矢量量化，或者對原始數(shù)據(jù)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(shù)字化和編碼過程都將使SAR圖像數(shù)據(jù)引入額外的噪聲和影響。盡管BAQ算法計算量小、硬件結(jié)構(gòu)簡單，已經(jīng)應用于很多SAR衛(wèi)星任務，但BAQ算法性能不是最優(yōu)，尚存在模糊問題需要解決，例如原始數(shù)據(jù)最優(yōu)量化、原始數(shù)據(jù)統(tǒng)計特性，特別是BAQ算法在不同壓縮比時對SAR圖像數(shù)據(jù)壓縮質(zhì)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(shù)字高程模型”在軌飛行示意圖

意大利“地中海盆地觀測小衛(wèi)星星座”在軌飛行示意圖

此外，印度于2012年4月26日發(fā)射了本國獨立研制的首顆雷達成像衛(wèi)星—雷達成像衛(wèi)星－1，與在軌光學成像衛(wèi)星互為補充，為印度政府和軍方提供圖像數(shù)據(jù)。雷達成像衛(wèi)星－1搭載的RISAT-SAR載荷具有3種成像模式，星上數(shù)據(jù)采集與壓縮分系統(tǒng)（DACS）負責數(shù)據(jù)量化、壓縮等功能，數(shù)據(jù)量化8bit。衛(wèi)星采用BAQ算法進行壓縮，采用現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）實現(xiàn)，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(shù)據(jù)率不盡相同，但其數(shù)據(jù)下傳采用X頻段，數(shù)傳速率為640Mbit/s，星上固態(tài)存儲器容量300Gbit。

（2）歐印后續(xù)換代系統(tǒng)或?qū)⒗^續(xù)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(wèi)星系統(tǒng)名為“第二代地中海盆地觀測小衛(wèi)星星座”，計劃于2016－2017年部署，用于替換現(xiàn)役“地中海盆地觀測小衛(wèi)星星座”。“第二代地中海盆地觀測小衛(wèi)星星座”由2顆衛(wèi)星組成，星上搭載CSG-SAR載荷。與上一代系統(tǒng)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(yōu)于1m。數(shù)傳采用X頻段，數(shù)傳速率560Mbit/s，壽命末期固態(tài)存儲器容量1530Gbit。衛(wèi)星采用BAQ算法對SAR原始數(shù)據(jù)進行壓縮，采用專用大規(guī)模集成電路（ASIC）實現(xiàn)，數(shù)據(jù)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(fā)射本國首顆雷達成像衛(wèi)星，即“帕斯”衛(wèi)星，用于為西班牙軍民用戶提供數(shù)據(jù)?！芭了埂毙l(wèi)星在載荷成像、數(shù)據(jù)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(shù)字高程模型”雙星極為相似。“帕斯”衛(wèi)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(shù)字高程模型”雙星組成星座，共同完成成像任務?！芭了埂毙l(wèi)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(shù)傳采用X頻段，數(shù)傳速率300Mbit/s，固態(tài)存儲器壽命初期和末期的存儲容量分別為320Gbit和256Gbit。衛(wèi)星采用BAQ算法對SAR載荷原始數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)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(guī)劃”（2007－2012年）中規(guī)劃了1顆L頻段SAR衛(wèi)星，具有聚束/滑動聚束、條帶和中/低分辨率掃描SAR模式。該衛(wèi)星也采用BAQ算法進行壓縮，壓縮后數(shù)據(jù)為2bit、3bit、4bit、5bit、6bit（如果數(shù)據(jù)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(wèi)星在軌飛行示意圖

以印現(xiàn)役雷達衛(wèi)星采用改進MBFPQ算法，與BAQ同為現(xiàn)役主流

2008年發(fā)射的“合成孔徑雷達技術(shù)驗證衛(wèi)星”和2014年4月9日發(fā)射的地平線－10（Ofeq－10）衛(wèi)星，是以色列發(fā)展的軍用雷達成像衛(wèi)星系統(tǒng)，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(shù)驗證衛(wèi)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(shù)傳采用X頻段，數(shù)傳速率600Mbit/s，星上存儲器容量為256Gbit。衛(wèi)星采用以BFPQ為基礎的改進壓縮算法，即MBFPQ算法，對SAR數(shù)據(jù)進行壓縮，數(shù)據(jù)量化6bit，壓縮比為6:3。

與此前發(fā)射的“地平線”系列衛(wèi)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(shù)驗證衛(wèi)星”相比，地平線－10采用了新的成像模式，可以在短時間內(nèi)完成不同目標區(qū)域的快速切換，進而實現(xiàn)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(fā)的雷達成像衛(wèi)星，在衛(wèi)星設計上繼承了“合成孔徑雷達技術(shù)驗證衛(wèi)星”的特點。據(jù)推測，地平線－10在數(shù)據(jù)壓縮方面或許也繼承了“合成孔徑雷達技術(shù)驗證衛(wèi)星”的技術(shù)。

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(fā)射了本國首顆雷達成像衛(wèi)星－2，衛(wèi)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(shù)驗證衛(wèi)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(wèi)星－2采用了MBFPQ壓縮算法，數(shù)據(jù)量化6bit，壓縮比為6:3。數(shù)傳采用X頻段，數(shù)傳速率620Mbit/s，星上存儲器容量256Gbit。

歐洲哨兵－1衛(wèi)星采用FDBAQ算法，實現(xiàn)非整數(shù)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(yōu)的改進算法，已應用到歐洲哨兵－1和日本先進陸地觀測衛(wèi)星－2等任務上。

“哨兵”系列衛(wèi)星共包括5個型號，其中，哨兵－1A于2014年4月3日發(fā)射，哨兵－2A于2015年6月23日發(fā)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(wèi)星采用“意大利多用途可重構(gòu)衛(wèi)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(shù)傳采用X頻段，數(shù)傳速率520Mbit/s，固態(tài)存儲器壽命末期存儲容量1410Gbit。衛(wèi)星采用歐洲航天局（ESA）提出的FDBAQ壓縮算法，大部分數(shù)據(jù)僅需3bit輸出，少數(shù)高反射率數(shù)據(jù)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(tǒng)（SAS）和電子設備分系統(tǒng)（SES）組成。電子設備分系統(tǒng)是C-SAR載荷的核心，數(shù)據(jù)壓縮功能由電子設備分系統(tǒng)實現(xiàn)。FDBAQ算法可實現(xiàn)可變比特率編碼，壓縮后比特數(shù)根據(jù)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(shù)進行壓縮編碼。換句話說，原始數(shù)據(jù)實際雜波等級決定了所需的比特數(shù)。另外，衛(wèi)星還同時采用ECBAQ技術(shù)進一步改進星上存儲空間利用率，ECBAQ技術(shù)也能通過忽略圖像噪聲影響來減少下傳次數(shù)。

FDBAQ算法是在現(xiàn)代高分辨率SAR衛(wèi)星任務對星上數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)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(yōu)異。FDBAQ算法具有非整數(shù)比特數(shù)編程能力，可針對不同類型目標數(shù)據(jù)進行最優(yōu)化SAR數(shù)據(jù)壓縮輸出。FDBAQ算法適用于中高分辨率SAR衛(wèi)星任務，特別適用于SAR載荷干涉測量模式需求。

FDBAQ算法實現(xiàn)框圖

日本先進陸地觀測衛(wèi)星－2在軌飛行示意圖

日本先進陸地觀測衛(wèi)星－2采用DS-BAQ算法，實現(xiàn)高質(zhì)量、低誤碼率壓縮

先進陸地觀測衛(wèi)星－2是日本先進陸地觀測衛(wèi)星－1的后續(xù)型號，已于2014年5月24日發(fā)射。該衛(wèi)星設計壽命5年，目標壽命7年。衛(wèi)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(tǒng)試驗－2（SPAISE－2）。

與先進陸地觀測衛(wèi)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(wèi)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(shù)傳速率也相應提高。為了實現(xiàn)頻繁觀測和數(shù)據(jù)采集，先進陸地觀測衛(wèi)星－2采用了新的、高效、低誤碼率的星上數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)壓縮算法。在傳統(tǒng)雷達系統(tǒng)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(jù)DS-BAQ算法與BAQ算法的仿真結(jié)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(zhì)量更高。

先進陸地觀測衛(wèi)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(wèi)星－2采用的DS-BAQ算法實現(xiàn)框圖

2 國外雷達成像衛(wèi)星采用的主要星上數(shù)據(jù)壓縮算法

目前，國外在雷達成像衛(wèi)星星上數(shù)據(jù)壓縮方面，采用與光學成像衛(wèi)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(yōu)化性能。

從技術(shù)發(fā)展看，星上雷達數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)滯后于光學數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)的發(fā)展

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

從發(fā)展歷程看，從原始SAR數(shù)據(jù)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(wèi)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(shù)字高程模型”雙星、意大利“地中海盆地觀測小衛(wèi)星星座”等。隨著壓縮技術(shù)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(yōu)化壓縮性能，并應用到最新一代雷達成像衛(wèi)星任務中，例如日本的先進陸地觀測衛(wèi)星－2采用DS-BAQ算法，實現(xiàn)更低誤碼率的壓縮，歐洲哨兵－1A采用FDBAQ算法，具有非整數(shù)比特數(shù)編程能力，可針對不同類型目標數(shù)據(jù)進行最優(yōu)化SAR數(shù)據(jù)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(wèi)星數(shù)據(jù)壓縮方面，各國的發(fā)展有所不同。歐洲和日本側(cè)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(cè)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(wèi)星采用基本算法，剛部署的衛(wèi)星采用改進算法

從目前國外雷達成像衛(wèi)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(yōu)，但計算量小、對硬件要求低，成為21世紀初發(fā)射的雷達成像衛(wèi)星的主流算法。而目前新發(fā)射的雷達成像衛(wèi)星，較多地采用了性能更優(yōu)的BAQ改進算法。據(jù)推測，德國和意大利的下一代雷達成像系統(tǒng)不僅在衛(wèi)星性能方面在現(xiàn)役系統(tǒng)基礎上有所改進，在數(shù)據(jù)壓縮方面可能也較多繼承原有算法并加以改進，優(yōu)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(fā)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(yōu)質(zhì)的性能，未來可能出現(xiàn)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(guān)注的重點，應用于新一代的雷達成像衛(wèi)星上，例如，日本的先進陸地觀測衛(wèi)星－2和歐洲的哨兵－1A等?；贐AQ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。