葛蘊(yùn)萍,陳 昊,3

(1.中國(guó)科學(xué)院空間信息處理與應(yīng)用系統(tǒng)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100190;2.中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所,北京100190;3.北京空間信息中繼傳輸技術(shù)研究中心,北京100094)

0 引言

星載合成孔徑雷達(dá)(SAR)由于其全天時(shí)、全天候、高分辨率成像的能力,在軍事和民用領(lǐng)域的應(yīng)用需求越來越高。由于受數(shù)傳帶寬的限制,雷達(dá)衛(wèi)星回波數(shù)據(jù)一般都會(huì)采用量化方式對(duì)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮。不同的量化方式和量化級(jí)數(shù)使得雷達(dá)接收機(jī)接收到的回波數(shù)據(jù)存在不同程度的損失。目前雷達(dá)系統(tǒng)一般通過手動(dòng)增益控制(Manual Gain Control,MGC)調(diào)整接收機(jī)增益范圍,使回波功率在接收機(jī)輸出端盡可能穩(wěn)定,因此MGC設(shè)置值將影響接收機(jī)的增益范圍,其準(zhǔn)確與否,對(duì)圖像質(zhì)量有較大影響。

在數(shù)據(jù)壓縮方面,自20世紀(jì)80年代開始,學(xué)者們將壓縮感知、DCT等方法[1-4]應(yīng)用到SAR原始數(shù)據(jù)量化壓縮中,但由于實(shí)現(xiàn)方式簡(jiǎn)單高效,Nbit均勻量化和BAQ量化壓縮仍是目前的主流方式,應(yīng)用頻率較高。文獻(xiàn)[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(shù)據(jù)飽和校正方面,參數(shù)模型法[6]和最優(yōu)量化理論[7]應(yīng)用于SAR數(shù)據(jù)的飽和校正,但均缺乏實(shí)際數(shù)據(jù)的驗(yàn)證。在星載SAR MGC數(shù)據(jù)處理與更新軟件方面,文獻(xiàn)[8]開發(fā)了一套MGC數(shù)據(jù)管理系統(tǒng),主要針對(duì)MGC數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建和管理,并未涉及數(shù)據(jù)的處理與更新方法。因此,本文針對(duì)上述問題,重點(diǎn)研究了星載SAR MGC數(shù)據(jù)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(chǔ)上,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套MGC數(shù)據(jù)處理與更新軟件。

1 MGC數(shù)據(jù)分析與校正的概念

根據(jù)雷達(dá)方程可以得到MGC數(shù)據(jù)的計(jì)算公式為

式中,Pt為雷達(dá)發(fā)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(dá)波長(zhǎng),Rg為雷達(dá)波束距離向覆蓋范圍,Rz為雷達(dá)波束方位向覆蓋范圍,R為斜距,KL為傳播損耗,σ0為目標(biāo)后向散射系數(shù),Pn為系統(tǒng)噪聲。

由式(1)可知,MGC初始值的計(jì)算存在有效載荷誤差、傳播誤差、目標(biāo)后向散射系數(shù)誤差和MGC計(jì)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(huì)造成MGC初始值不能有效地將在軌運(yùn)行時(shí)的SAR回波強(qiáng)度控制在接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍之內(nèi),從而帶來嚴(yán)重的數(shù)據(jù)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(zhǔn)確與否,對(duì)雷達(dá)圖像信噪比有重要影響:MGC設(shè)置過小,會(huì)導(dǎo)致信號(hào)幅度過大,在量化時(shí)存在飽和現(xiàn)象,從而損失部分信號(hào)功率,致使天線方向圖測(cè)量不準(zhǔn),圖像質(zhì)量變差;MGC設(shè)置過大,導(dǎo)致信號(hào)衰減過大,從而量化噪聲偏大,影響成像質(zhì)量。因此,必須通過對(duì)衛(wèi)星獲得的實(shí)際SAR數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,估算出數(shù)據(jù)存在的功率損失及MGC偏差,進(jìn)而對(duì)MGC進(jìn)行校正補(bǔ)償,實(shí)現(xiàn)MGC設(shè)置值的更新。

2 MGC數(shù)據(jù)分析與校正算法

2.1 基于回波數(shù)據(jù)的MGC校正方法

對(duì)于一定的量化范圍,回波數(shù)據(jù)的功率損失ΔA/D可以表示為地物幅度分布特性參數(shù)的函數(shù),即

式中,αi為地物幅度分布特性參數(shù),N為AD量化級(jí)數(shù)。

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(shù)αi則可通過分析SAR原始數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)特性得到,因此,基于原始回波數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)功率損失ΔA/D與地物幅度分 布 特 性 參 數(shù)αi的 理 論 模 型h(α1,α2,…,αi;Nbit);

③對(duì)SAR原始數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,估算地物幅度分布特性參數(shù)αi;

④ 根據(jù)h(α1,α2,…,αi;Nbit)和估算得到的αi計(jì)算ΔA/D;

⑤計(jì)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(duì)8 bit數(shù)據(jù),而數(shù)據(jù)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(jìn)行專門的研究。

1)8∶4量化

通過仿真,在4 bit壓縮時(shí),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(shù)據(jù)分析曲線

由曲線可知,當(dāng)輸入功率約為9 dB(方差為2.818 4)時(shí),量化損失約為0 d B,其壓縮后信噪比達(dá)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(nèi)時(shí),MGC的飽和校正方法如下:

①統(tǒng)計(jì)輸出信號(hào)功率Pout(d B);

②根據(jù)2.1節(jié)計(jì)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(shí),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(duì)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(shí)輸出信噪比可達(dá)到14.95 d B。

圖2 8∶3BAQ壓縮數(shù)據(jù)分析曲線

從上圖也可發(fā)現(xiàn),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(shí),對(duì)方差進(jìn)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(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的均值碼M;

② 根據(jù)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(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 流程設(shè)計(jì)

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(shù)據(jù)處理與更新軟件是通過對(duì)下傳的SAR原始回波數(shù)據(jù)進(jìn)行飽和統(tǒng)計(jì)特性分析實(shí)現(xiàn)的,通過人工交互完成數(shù)據(jù)的查詢、顯示、下載、定位、分析和更新。其基本流程結(jié)構(gòu)如圖4所示。

MGC數(shù)據(jù)處理與更新軟件作為相對(duì)獨(dú)立的處理節(jié)點(diǎn),從綜合數(shù)據(jù)庫獲取需要處理的SAR原始數(shù)據(jù)、圖像及輔助信息,進(jìn)而執(zhí)行MGC數(shù)據(jù)分析和更新的任務(wù)。各任務(wù)之間有數(shù)據(jù)的傳遞,甚至相互依賴,既互相關(guān)聯(lián),又具有各自的獨(dú)立性。

3.2 功能設(shè)計(jì)

通過以上分析,MGC數(shù)據(jù)處理與分析軟件應(yīng)具備以下功能:

① 原始回波數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析;

②MGC數(shù)據(jù)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(wǎng)格顯示、編目瀏覽圖像信息顯示、MGC網(wǎng)格及其MGC值更新計(jì)算結(jié)果信息顯示;

圖4 星載SAR MGC數(shù)據(jù)分析與更新流程圖

④ 數(shù)據(jù)檢索,包括SAR編目瀏覽圖像檢索、SAR原始數(shù)據(jù)文件檢索、SAR參數(shù)數(shù)據(jù)文件檢索、MGC及其相關(guān)信息數(shù)據(jù)檢索等。

3.3 體系結(jié)構(gòu)與模塊化設(shè)計(jì)

基于以上軟件功能,定標(biāo)處理系統(tǒng)由以下3個(gè)組件組成:

①M(fèi)GC數(shù)據(jù)更新計(jì)算組件:通過對(duì)SAR輔助數(shù)據(jù)和原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析完成MGC數(shù)據(jù)的更新計(jì)算。

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

③ 與外部系統(tǒng)接口組件:完成與外部系統(tǒng)輸入、輸出信息交互,包括綜合數(shù)據(jù)庫、全球MGC數(shù)據(jù)庫等。

3.4 軟件實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證

星載SAR MGC數(shù)據(jù)處理與更新軟件在Windows XP平臺(tái)環(huán)境下,用Visual C++開發(fā)設(shè)計(jì)完成。本軟件經(jīng)過大量仿真數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的測(cè)試,圖5給出軟件界面及部分?jǐn)?shù)據(jù)處理結(jié)果。

圖5 MGC數(shù)據(jù)分析與更新軟件界面

4 結(jié)束語

本文系統(tǒng)分析了在不同量化方式下(8∶4 bit,8∶3 BAQ)的MGC數(shù)據(jù)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(tǒng)實(shí)際運(yùn)行MGC參數(shù)設(shè)置提供了有用的參考和依據(jù)。設(shè)計(jì)開發(fā)的星載SAR MGC數(shù)據(jù)處理與更新軟件實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星下傳數(shù)據(jù)的顯示、統(tǒng)計(jì)分析、更新結(jié)果上傳等,功能強(qiáng)大,可視化效果強(qiáng),為圖像判讀分析提供了有效途徑。設(shè)計(jì)中充分考慮了軟件的可擴(kuò)展性和使用的方便性與靈活性,為MGC設(shè)置及更新系統(tǒng)的研制提供了良好的基礎(chǔ)。

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