尹迪，韓冰，孫吉利，趙良波，洪文，胡玉新

(1 中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院, 北京 100190； 2 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； 3 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049； 4 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100194)

寬幅成像能力是評(píng)價(jià)合成孔徑雷達(dá)(SAR，synthetic aperture radar )應(yīng)用效能的重要指標(biāo)之一。Terrain observation with progressive scans of synthetic aperture radar (TOPSAR) 模式是SAR衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)寬幅成像的一種新方法。與條帶模式下天線指向固定為一個(gè)角度不同，在TOPSAR模式下天線以SAR平臺(tái)飛行航跡上方某一點(diǎn)為軸沿飛行方向從后向前掃描，可以使雷達(dá)波束在相同的時(shí)間內(nèi)照射到數(shù)倍于條帶模式的方位向場(chǎng)景寬度。雖然該模式與同樣具有寬幅成像能力的ScanSAR模式都是采用多個(gè)子帶的數(shù)據(jù)采集方式，但TOPSAR很好地避免了ScanSAR模式圖像中扇貝效應(yīng)的發(fā)生。

現(xiàn)今，TOPSAR模式正逐漸成為SAR實(shí)現(xiàn)寬幅成像中最為常用的模式。中國(guó)計(jì)劃于2020年發(fā)射的高分三號(hào)衛(wèi)星后續(xù)星(GF3-NG)將采用TOPSAR模式代替高分三號(hào)衛(wèi)星采用的ScanSAR模式來實(shí)現(xiàn)寬幅成像。表1給出高分三號(hào)衛(wèi)星后續(xù)星在TOPSAR模式下的典型參數(shù)。

表1 高分三號(hào)后續(xù)星TOPSAR模式下參數(shù)設(shè)定Table 1 Parameters of GF3-NG’s TOPSAR mode

從成像處理的角度看，相對(duì)條帶模式而言，由于TOPSAR模式天線波束指向的變化導(dǎo)致其多普勒總帶寬的增大，在脈沖重復(fù)頻率(PRF，pulse repeat frequency)不提高的情況下必然引起方位向頻譜的混疊。同時(shí)，由于被照射區(qū)域所對(duì)應(yīng)的衛(wèi)星飛行時(shí)間遠(yuǎn)大于實(shí)際衛(wèi)星成像時(shí)間，在處理過程中也會(huì)在圖像域出現(xiàn)場(chǎng)景影像混疊的問題，上述兩方面問題是TOPSAR數(shù)據(jù)處理的主要難點(diǎn)?，F(xiàn)今，處理TOPSAR數(shù)據(jù)的主流算法是子孔徑處理算法[1]和3步成像處理算法[2]。子孔徑處理算法是通過將回波信號(hào)按時(shí)域采集時(shí)間劃分為若干塊后，分別成像再進(jìn)行統(tǒng)一的時(shí)域拼接來獲取完整的圖像。時(shí)域的劃分可以避免信號(hào)頻域多普勒帶寬過大和時(shí)域圖像混疊的問題。但相比較而言，3步成像處理算法通過在原有的CS(chirp scaling)成像算法[2]基礎(chǔ)上添加預(yù)濾波和后處理，就可以很好地避免劃分孔徑后各孔徑的重復(fù)操作以及最后的子孔徑圖像拼接工作[2]。這使得3步成像算法更加簡(jiǎn)潔和高效，該算法也將被應(yīng)用到本文所設(shè)計(jì)的處理流程中。

TOPSAR模式下照射范圍寬、成像區(qū)域大的特點(diǎn)也給該模式下的輻射校正工作帶來困難。由于TOPSAR模式被頻繁地應(yīng)用于海上場(chǎng)景的觀測(cè)，而海面風(fēng)場(chǎng)反演、洋流反演等應(yīng)用都對(duì)產(chǎn)品的輻射精度要求高。因此，針對(duì)TOPSAR模式的高精度輻射校正對(duì)該模式的圖像產(chǎn)品應(yīng)用效能的發(fā)揮起到至關(guān)重要的作用。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于TOPSAR輻射校正的研究工作開展并不系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)對(duì)于該模式的研究主要側(cè)重于成像處理算法層面，特別針對(duì)該模式的輻射校正研究工作鮮有相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)表。國(guó)外研究方面，輻射校正研究主要針對(duì)已有產(chǎn)品質(zhì)量的評(píng)估和評(píng)價(jià)。文獻(xiàn)[3-4]分別從TOPSAR產(chǎn)品質(zhì)量的方面對(duì)2顆國(guó)外的SAR衛(wèi)星TerraSAR和Sentinel進(jìn)行分析，但均未根據(jù)該模式的特點(diǎn)做出對(duì)應(yīng)的分析，也沒有涉及具體的輻射校正方法。文獻(xiàn)[5]針對(duì)TOPSAR數(shù)據(jù)的扇貝問題做出分析并提出一種利用數(shù)學(xué)平均的扇貝效應(yīng)消除方法，但并不能很好地保留地物的真實(shí)散射特性。

本文根據(jù)TOPSAR模式成像機(jī)理，針對(duì)該模式下的輻射校正關(guān)鍵問題，結(jié)合現(xiàn)有的輻射校正研究基礎(chǔ)，提出一套相對(duì)系統(tǒng)的TOPSAR模式輻射校正方法，并給出具體的實(shí)現(xiàn)流程和方案。其中，考慮到TOPSAR模式下高輻射精度的要求和方位向掃描所帶來的特殊影響，對(duì)原有的雷達(dá)方程進(jìn)行了適應(yīng)性修正，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行相應(yīng)的輻射校正方法研究，并利用國(guó)產(chǎn)高分三號(hào)TOPSAR試驗(yàn)?zāi)Ｊ綄?shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。

1 TOPSAR成像處理分析

TOPSAR模式數(shù)據(jù)的成像處理難點(diǎn)主要來源于兩方面。一方面在該模式下天線波束轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)使信號(hào)的方位向多普勒中心頻率變化范圍增大，即導(dǎo)致回波信號(hào)的頻域多普勒帶寬遠(yuǎn)大于系統(tǒng)設(shè)定FPR。在TOPSAR模式下，天線波束由后向前轉(zhuǎn)動(dòng)。波束旋轉(zhuǎn)帶來的頻寬(Bsteer)致使信號(hào)的方位向帶寬遠(yuǎn)大于條帶模式(BΔθ)，所獲得的方位向頻譜分布如圖1(b)所示。另一方面，衛(wèi)星方位向的成像時(shí)間小于波束地面照射區(qū)域所對(duì)應(yīng)的方位向時(shí)間，這導(dǎo)致成像結(jié)果在時(shí)域上的混疊。本文所選用的3步成像算法是由預(yù)濾波處理、CS成像處理和方位向后處理3部分組成，其中預(yù)濾波處理和方位向后處理分別對(duì)應(yīng)解決了上述的兩方面問題。

圖1 TOPSAR模式特性Fig.1 Characteristics of TOPSAR

預(yù)濾波處理和方位向后處理過程是3步算法在條帶模式CS算法基礎(chǔ)上針對(duì)TOPSAR模式添加的步驟。為保證輻射精度，也就需要對(duì)其進(jìn)行處理增益的校正工作，具體的校正分析將在下文中詳細(xì)介紹。第3節(jié)將給出基于該種算法所獲得的聚焦圖像，并以作為輻射校正研究的基礎(chǔ)。

2 輻射校正處理方法

本文所設(shè)計(jì)的方法旨在解決高分三號(hào)后續(xù)星TOPSAR模式的輻射校正問題，主要包括處理器增益影響分析、天線波束旋轉(zhuǎn)影響分析、方位向輻射不一致校正3個(gè)方面。

首先，考慮到TOPSAR模式下天線擺動(dòng)的特點(diǎn)，雷達(dá)方程中的天線增益項(xiàng)G不僅僅只和目標(biāo)點(diǎn)在天線有效波束中的俯仰方向位置θi有關(guān)，還需充分考慮到在不同方位向掃描角θa下相控陣天線的增益變化情況。同時(shí)，為了細(xì)化分析輻射變化特性與信號(hào)參量的關(guān)系，將雷達(dá)方程中原用于表征散射特性的σ改寫為單位面積后向散射系數(shù)σ0和方位向像素間隔βaR，距離向像素間隔cτp/2sinθi乘積的形式。

基于以上2點(diǎn)，重新表達(dá)天線增益和目標(biāo)后向散射2個(gè)部分，將雷達(dá)方程表達(dá)式修正為

(1)

其中：Pt為天線發(fā)射功率，G(θa,θi)為天線發(fā)射增益，λ為天線波長(zhǎng)，Gr為接收機(jī)增益，R為目標(biāo)斜距，Pn為系統(tǒng)加性噪聲，Pr為所接收到的信號(hào)功率。σ0為單位面積目標(biāo)后向散射系數(shù)，βa為方位向天線波束寬度，τp為脈沖寬度。針對(duì)修正過的雷達(dá)方程(1)中的各個(gè)因子，本節(jié)將開展TOPSAR模式下的輻射校正研究工作。

2.1 處理器增益校正分析

在SAR信號(hào)處理的過程中，會(huì)應(yīng)用匹配濾波器進(jìn)行方位向和距離向的脈沖壓縮處理。然而，這個(gè)處理過程勢(shì)必會(huì)對(duì)信號(hào)帶來一個(gè)幅度和相位上的調(diào)制。為保證目標(biāo)輻射特性在成像處理結(jié)果中被真實(shí)體現(xiàn)，針對(duì)匹配濾波操作的輻射校正工作必須要進(jìn)行。同時(shí)，在第1節(jié)中所提到的預(yù)濾波處理和方位向后處理同樣有可能對(duì)信號(hào)產(chǎn)生調(diào)制，也在本節(jié)進(jìn)行分析。

根據(jù)文獻(xiàn)[10]，首先給出經(jīng)過時(shí)域生成的方位向和距離向匹配濾波器后的信號(hào)功率表達(dá)式，結(jié)合表達(dá)式(1)，獲得輻射校正前后功率比值的表達(dá)式為

(2)

(3)

為了能夠分別考慮方位向和距離向因素所帶來的影響，根據(jù)表達(dá)式中各項(xiàng)的意義將功率比值的表達(dá)式分解為表達(dá)方位向變化的因子α和距離向變化的因子β。通過進(jìn)一步推演2個(gè)因子的表達(dá)式，獲得其與信號(hào)本身更加直觀的關(guān)系：

(5)

需要注意的是，由于匹配濾波器的構(gòu)造方式分為時(shí)域和頻域2種，針對(duì)2種不同生成方式的濾波器也需要使用不同的校正因子。通過比較匹配濾波器的構(gòu)造方式，時(shí)域和頻域生成匹配濾波器的方式有2處不同點(diǎn)。首先，頻域生成的濾波器依據(jù)駐定相位原理(PSP)。根據(jù)駐定相位原理的推導(dǎo)過程，步驟中存在相位求導(dǎo)過程，會(huì)忽略掉一個(gè)常數(shù)值c1：

(6)

同時(shí)，由于時(shí)域生成的匹配濾波器是通過對(duì)離散的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換來獲得參考函數(shù)。根據(jù)基本的傅里葉變換規(guī)則，離散信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換后，其信號(hào)幅度會(huì)受到調(diào)制，調(diào)制因子是時(shí)域信號(hào)采樣頻率的倒數(shù)，即c2=fs。

同時(shí)，通過比較頻域?yàn)V波器的生成方式和第1節(jié)所提及的預(yù)濾波處理和方位向后處理的實(shí)現(xiàn)方式?？梢缘贸鼋Y(jié)論，二者的處理流程基本一致，不會(huì)帶來信號(hào)功率的變化。

2.2 天線波束離散掃描影響分析

TOPSAR模式是通過在方位向上旋轉(zhuǎn)天線波束來實(shí)現(xiàn)的。大多數(shù)SAR衛(wèi)星所使用的相控陣天線都是通過在方位向上以極小的轉(zhuǎn)角間隔(0.01°～0.02°)持續(xù)跳變來獲得近似連續(xù)的方位向波束轉(zhuǎn)動(dòng)。因此每個(gè)固定方位向掃描角下波束都會(huì)停留幾十個(gè)脈沖。在該種情況下，對(duì)于理想點(diǎn)目標(biāo)的天線方向圖加權(quán)也變成了非連續(xù)曲線[9]。這種變化會(huì)在成像結(jié)果中造成成對(duì)的虛假目標(biāo)，分布在真實(shí)目標(biāo)左右。文獻(xiàn)[10]給出理論情況下虛假目標(biāo)強(qiáng)度與波束離散掃描對(duì)應(yīng)的解析關(guān)系，但并沒有采用真實(shí)的雙程天線方向圖進(jìn)行方位向加權(quán)。

為精確獲得離散掃描對(duì)成像結(jié)果帶來的影響大小分析，構(gòu)建點(diǎn)目標(biāo)a的回波信號(hào)表達(dá)為

(7)

其中:θtarget(r,i)可貼切地表達(dá)出信號(hào)在方位向時(shí)間為i，天線距離目標(biāo)距離為r時(shí)，天線方位向轉(zhuǎn)角大小。基于高分三號(hào)后續(xù)星TOPSAR模式下的一組天線轉(zhuǎn)角參數(shù)[11](天線方位向轉(zhuǎn)角-1.4°～1.4°，步進(jìn)掃描角度0.01°)和真實(shí)高分三號(hào)天線方向圖，進(jìn)行真實(shí)場(chǎng)景大小下的回波仿真和分析,仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 TOPSAR模式離散掃描仿真結(jié)果Fig.2 Quantified steering impact simulation results

虛假目標(biāo)分布在真實(shí)目標(biāo)兩側(cè)距離206 m的位置，其峰值大小在-44 dB左右。雖然在不同的參數(shù)設(shè)置下點(diǎn)目標(biāo)的位置和能量大小會(huì)有一定的變化，但是考慮到其系統(tǒng)靈敏度指標(biāo)為-35 dB，因此離散掃描所帶來的影響在高分三號(hào)后續(xù)星的參數(shù)設(shè)定下暫且認(rèn)為可被忽略。

2.3 方位向輻射不一致校正

上文已經(jīng)指出在TOPSAR模式下天線波束對(duì)于目標(biāo)的功率加權(quán)還與時(shí)刻下的方位向掃描角θa有關(guān)。其主要原因是因?yàn)樾l(wèi)星所采用的相控陣天線的天線方向圖(AAP)會(huì)被一個(gè)sinc函數(shù)調(diào)制，根據(jù)文獻(xiàn)[12-13]的描述，表達(dá)式可以寫為

(8)

其中:G和G0分別表示天線的能量總增益和單個(gè)陣元的能量增益，D為陣元間隔，Nel和Naz分別表示距離向和方位向陣元個(gè)數(shù)，θ為相控陣天線的方位向斜視角，θa為方位向天線當(dāng)下時(shí)刻斜視角，表達(dá)式也顯示天線的波束能量峰值與θa和θ皆有關(guān)系。

在TOPSAR模式下，θa的不斷變化會(huì)導(dǎo)致天線所輻射的能量在過程中不一致。由于圖像在單個(gè)方位向子帶內(nèi)的方位向長(zhǎng)度可以達(dá)到近100 km，因此能量大小在其中的變化顯得不是非常明顯。但通過對(duì)于相控陣天線的仿真，獲取到當(dāng)天線的波束擺動(dòng)在-1.7°～1.7°情況下，方位向波束峰值的變化情況,如圖3(a)所示。

圖3 天線波束功率峰值變化影響分析Fig.3 AAP variation influence analysis

TOPSAR模式的全場(chǎng)景圖像是需要通過方位向的拼接來獲取的，所以針對(duì)該問題的解決方案不僅僅需要考慮到單個(gè)子帶內(nèi)的輻射一致性校正，同時(shí)也需要兼顧方位向各個(gè)子帶的輻射一致性問題。而在一次TOPSAR模式成像中，雖然同一個(gè)方位向上所采用的波位是相同的，但每個(gè)方位向子帶的設(shè)定參數(shù)和實(shí)際參數(shù)均會(huì)略有不同，因此無法通過統(tǒng)一的補(bǔ)償曲線進(jìn)行校正工作。

為解決此問題，提出一種可以適用于多個(gè)不同子帶的校正方法：首先通過天線參數(shù)獲取方位向波位下真實(shí)的天線功率衰減曲線(|θa|≥4°)，該曲線的掃描角度范圍覆蓋了各個(gè)子帶的方位向掃描角度范圍?？紤]到方位向頻譜分布范圍和其真實(shí)的掃描角度是有對(duì)應(yīng)關(guān)系的，所以可根據(jù)各個(gè)子帶的方位向頻譜分布確定回波信號(hào)的掃描角在衰減曲線中所對(duì)應(yīng)的區(qū)域，通過將方位向頻域映射到對(duì)應(yīng)的天線方向圖曲線上來獲取適用于該子帶的天線方向圖補(bǔ)償曲線。

采用該方法的原因有以下幾點(diǎn)：首先，實(shí)際工作中回波信號(hào)的方位向頻域中心點(diǎn)并不為零，頻域分布不完全對(duì)稱，這種現(xiàn)象在TOPSAR模式下更加明顯。通過方位向頻譜的分布可以更好地在天線方向圖上找到實(shí)際對(duì)應(yīng)的圖像區(qū)域。其次，在流程上雖然多個(gè)方位向子帶的頻譜分布會(huì)不同，但其對(duì)應(yīng)的方位向波位相同，因此在同一方位向上可以共用同一個(gè)天線功率衰減曲線(|θa|≥4°)，僅需在第2步上區(qū)分各個(gè)方位向子帶分別處理即可。本文在此所提出的方法頻譜對(duì)應(yīng)關(guān)系更為準(zhǔn)確。

利用該種方法，首先可以解決方位向單個(gè)子帶內(nèi)部的輻射不一致現(xiàn)象。同時(shí)，由于各個(gè)方位向子帶補(bǔ)償曲線均來源于同一個(gè)天線功率衰減曲線，同時(shí)也可以解決多個(gè)方位向子帶之間的能量問題。第3節(jié)將運(yùn)用真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正方法的驗(yàn)證工作。

2.4 TOPSAR模式處理流程

結(jié)合上文的研究，設(shè)計(jì)適用于TOPSAR數(shù)據(jù)的處理流程圖，并將流程圖分為4部分，如圖4所示。原始數(shù)據(jù)處理部分實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的獲取和基本成像參數(shù)的計(jì)算工作。同時(shí)通過系統(tǒng)設(shè)定參數(shù)獲取到天線功率衰減曲線(|θa|≥4°)，結(jié)合計(jì)算出的場(chǎng)景多普勒參數(shù)計(jì)算對(duì)應(yīng)的子帶方位向輻射校正曲線。

圖4 TOPSAR模式處理流程圖Fig.4 Processing flowchart for TOPSAR

預(yù)濾波處理部分在實(shí)現(xiàn)第1節(jié)的預(yù)濾波處理功能解決方位向信號(hào)頻譜混疊問題之外，在重采樣前在信號(hào)域上對(duì)輻射能力進(jìn)行補(bǔ)償，完成方位向輻射校正工作。CS成像內(nèi)核部分主要完成成像聚焦工作，其中的距離向和方位向處理器增益校正模塊將采用2.1小節(jié)的結(jié)論。需要注意的是，我們將成像處理的最后一步方位向IFFT合并到了下一部分處理操作中。最后一步為方位向后處理操作，解決時(shí)域混疊的問題。最后，經(jīng)過如圖所示流程處理的數(shù)據(jù)達(dá)到聚焦和輻射一致。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本節(jié)首先展示利用3步成像處理算法對(duì)真實(shí)數(shù)據(jù)的初步成像結(jié)果。此外，在本文所提出的校正方法中，以現(xiàn)有的真實(shí)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)2.1節(jié)提出的處理器增益校正方法和2.3節(jié)提出的方位向輻射不一致校正方法分別進(jìn)行真實(shí)數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證。其中，針對(duì)方位向輻射不一致，方位向子帶內(nèi)和方位向子帶間的校正結(jié)果都將在下面給出。

3.1 成像聚焦結(jié)果

利用3步成像處理算法，對(duì)高分三號(hào)所獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如圖5所示。需要注意的是，數(shù)據(jù)僅僅是經(jīng)過了聚焦成像處理，并未進(jìn)行輻射校正工作。本次實(shí)驗(yàn)所采用的真實(shí)數(shù)據(jù)是高分三號(hào)衛(wèi)星于2016年11月在內(nèi)蒙古省包頭市上空所采集到的TOPSAR試驗(yàn)?zāi)Ｊ綌?shù)據(jù)，包含4個(gè)方位向子帶。經(jīng)過3步成像處理算法后的圖像聚焦效果正常，通過局部區(qū)域的放大可以看到橋梁的結(jié)構(gòu)十分清晰。

圖5 TOPSAR模式數(shù)據(jù)初步成像結(jié)果Fig.5 Primary imaging results of TOPSAR mode

同時(shí)，為了能夠更全面地分析該組數(shù)據(jù)，給出圖5中子帶1的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定和成像參數(shù)，如表2所示。其中需要解釋的是NPa是經(jīng)過3步成像處理算法中預(yù)濾波處理后，重采樣用于成像處理的采樣點(diǎn)數(shù)?？梢钥吹絅Pa>Na，相當(dāng)于擴(kuò)大了系統(tǒng)的等效FPR，使其數(shù)值大于總頻寬B。

表2 TOPSAR模式數(shù)據(jù)參數(shù)Table 2 Parameters of image acquired in TOPSAR

3.2 處理器增益校正結(jié)果

本小節(jié)驗(yàn)證在2.1小節(jié)中所推導(dǎo)計(jì)算出的處理器增益校正因子。選取若干幀真實(shí)數(shù)據(jù)利用時(shí)域生成的匹配濾波器和頻域生成的匹配濾波器分別進(jìn)行匹配濾波操作。在子帶4所對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)中選取一部分能量變化較為緩慢的區(qū)域，用作展示。

從處理結(jié)果可以看出：圖6(b)中經(jīng)過頻域生成的濾波器后的信號(hào)功率并沒有發(fā)生變化，校正前后的曲線近乎重合；與圖6(a)對(duì)比可見經(jīng)過時(shí)域生成濾波器的信號(hào)功率被放大了，而經(jīng)過2.1小節(jié)推導(dǎo)出的校正因子處理后，信號(hào)能量被還原到了真實(shí)數(shù)據(jù)的水平，圖6(a)中下方曲線與圖6(b)中曲線的分布是一致的。

圖6 匹配濾波器處理結(jié)果Fig.6 Processing results of matching- filter

3.3 方位向輻射校正

在TOPSAR模式下，天線波束所照射的范圍非常寬導(dǎo)致圖像方位向能量的變化并不十分明顯。選取真實(shí)數(shù)據(jù)中地面建筑最少且地物特性較為統(tǒng)一的子帶3作為子帶內(nèi)校正結(jié)果的分析數(shù)據(jù)。通過和同區(qū)域的光學(xué)圖像對(duì)比得知該區(qū)域主要為山區(qū)，雖然能量均衡程度無法達(dá)到熱帶雨林的水平，但足可以支撐本小節(jié)的驗(yàn)證工作。

根據(jù)2.3小節(jié)的分析，我們已具有了覆蓋大掃描角的方位向天線方向圖歷程。而子帶3方位向多普勒頻域分布為-6 927.97～6 948.57 Hz。利用2.3小節(jié)所提出的方法，獲取其對(duì)應(yīng)的天線方向圖曲線如圖7(a)所示，同時(shí)計(jì)算圖像能量的分布曲線。雖然圖中的能量曲線由于真實(shí)的地物特性顯得并不光滑，但通過觀察能量的分布趨勢(shì)顯示在圖像的兩側(cè)能量的衰減是十分明顯的，這也與方法中獲取的方向圖曲線的趨勢(shì)是吻合的。由此驗(yàn)證了該種能量衰減主要是由天線增益變化造成的。

圖7 子帶內(nèi)輻射校正結(jié)果分析Fig.7 Analysis of radiation correction results in same sub-trip

根據(jù)所給出的曲線，對(duì)圖像進(jìn)行對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償處理。補(bǔ)償效果在兩側(cè)區(qū)域是非常明顯的，且補(bǔ)償后曲線的能量分布更加均衡。觀察曲線可以發(fā)現(xiàn)經(jīng)過校正后的能量大多分布在±2.0 dB內(nèi)。選取典型掃描角下的能量對(duì)比情況，列表如表3。圖表顯示輻射校正工作的效果顯著，大多數(shù)采樣點(diǎn)的能量分布均在±1.0 dB內(nèi)，校正后采樣點(diǎn)的能量大小分布與采樣點(diǎn)的掃描角度大小無直接關(guān)系，能量大小在一定范圍內(nèi)的抖動(dòng)大多由真實(shí)的地物特性造成。

表3 典型采樣點(diǎn)輻射校正結(jié)果對(duì)比Table 3 Comparison on radiation correction results in typical sampling points

同樣驗(yàn)證不同子帶間信號(hào)輻射不一致的問題。通過分析真實(shí)數(shù)據(jù)的成像結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在4個(gè)子帶的兩側(cè)皆存在較大的重復(fù)照射區(qū)域，這恰好便于開展方位向子帶間拼接的驗(yàn)證工作。采用子帶1和子帶2的重復(fù)照射區(qū)域進(jìn)行子帶間的驗(yàn)證工作，該區(qū)域已經(jīng)在圖3(a)中給出了展示，可以看到同一區(qū)域的能量分布是不一致的。在此采用本文的方法進(jìn)行對(duì)應(yīng)的校正，現(xiàn)給出校正前后信號(hào)輻射能力分布的曲線對(duì)比，如圖8所示。

圖8 不同子帶輻射校正結(jié)果分析Fig.8 Analysis of radiation correction results in different sub-trip

可以看到校正前子帶1中區(qū)域的能量低于子帶2中的同區(qū)域，這一點(diǎn)與圖3(a)中的結(jié)果是吻合的。在經(jīng)過輻射校正后，信號(hào)的能量曲線基本重合，對(duì)邊緣區(qū)域點(diǎn)的能量校正達(dá)到45 dB左右。若以此作為圖像的拼接區(qū)域，將不會(huì)出現(xiàn)明顯的拼接亮暗分界線。結(jié)合2.3小節(jié)的分析和本小節(jié)所做出的針對(duì)方位向子帶內(nèi)和子帶間的輻射校正驗(yàn)證工作，可以充分說明本文所提出的針對(duì)方位向輻射校正方法能夠很好地完成TOPSAR模式數(shù)據(jù)方位向輻射不一致現(xiàn)象的校正工作。

4 總結(jié)與展望

本文基于TOPSAR模式數(shù)據(jù)特性和輻射校正需求特點(diǎn)，進(jìn)行以下幾個(gè)方面的輻射校正研究工作。首先，根據(jù)對(duì)雷達(dá)方程表達(dá)式的推導(dǎo)，獲得成像處理系統(tǒng)在保持功率不變的情況下相對(duì)應(yīng)的處理器增益輻射校正因子。之后，根據(jù)高分三號(hào)后續(xù)星的參數(shù)設(shè)定，通過仿真分析了天線波束離散掃描對(duì)圖像質(zhì)量的影響。最后，利用所提出的方位向輻射校正辦法，解決TOPSAR成像結(jié)果中子帶內(nèi)和子帶間輻射不一致校正的問題。

綜上所述，本文提出一套相對(duì)系統(tǒng)的TOPSAR模式輻射校正方法，經(jīng)過真實(shí)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，獲得了較好的輻射校正效果。同時(shí)，面向?qū)嶋H應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)了一套針對(duì)TOPSAR模式數(shù)據(jù)的處理流程，可為TOPSAR模式SAR數(shù)據(jù)預(yù)處理系統(tǒng)研制提供技術(shù)支撐。

在本文的基礎(chǔ)上，后續(xù)仍有很多相關(guān)工作可以持續(xù)開展。例如，由于高分三號(hào)衛(wèi)星TOPSAR成像試驗(yàn)無法獲取多個(gè)距離向波位下的數(shù)據(jù)，距離向多子帶間的輻射不一致問題尚未得到驗(yàn)證。該部分的內(nèi)容將作為后續(xù)研究工作的重點(diǎn)。