摘" 要： 針對星載合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)回波數(shù)據(jù)容量大、難以滿足星地鏈路間傳輸速率要求的問題，根據(jù)max?lloyd量化方法獲得了回波數(shù)據(jù)量化壓縮的門限，提出星載SAR數(shù)據(jù)自適應(yīng)量化編碼壓縮和解壓縮的具體實現(xiàn)方法。同時，以理想調(diào)頻連續(xù)波信號為發(fā)射定標(biāo)信號，對星載合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)數(shù)據(jù)壓縮及解壓縮過程中的誤差進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并且根據(jù)雷達(dá)系統(tǒng)壓縮后的回波數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)高速傳輸過程中的幀格式，對雷達(dá)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行了二進(jìn)制的解碼及解壓縮操作，獲得了數(shù)據(jù)的真實大小。最后，通過Matlab/GUI編程設(shè)計了能夠?qū)走_(dá)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行定標(biāo)分析、解碼及解壓縮的軟件演示系統(tǒng)。通過人機(jī)交互的設(shè)計，將數(shù)據(jù)處理過程中的實驗結(jié)果以dat數(shù)據(jù)、圖片數(shù)據(jù)和word文檔數(shù)據(jù)等形式進(jìn)行了存儲和顯示。

關(guān)鍵詞： 星載數(shù)據(jù)； 合成孔徑雷達(dá)； 分塊自適應(yīng)量化； 數(shù)據(jù)壓縮； 定標(biāo)分析； 軟件設(shè)計

中圖分類號： TN919?34""""""""""""""""""""""""""" 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A"""""""""""""""""""""" 文章編號： 1004?373X（2024）09?0011?05

0" 引" 言

伴隨合成孔徑雷達(dá)（Synthetic Aperature Radar， SAR）系統(tǒng)的發(fā)展，其精度越高、時效性越強(qiáng)，星載SAR數(shù)據(jù)的容量也越來越大[1]。因此，星載SAR雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計過程中需要對衛(wèi)星上的雷達(dá)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行高時效的壓縮處理。目前，很多學(xué)者都對雷達(dá)系統(tǒng)原始數(shù)據(jù)的壓縮方法進(jìn)行了研究，以提高數(shù)據(jù)的壓縮比，并減小數(shù)據(jù)處理過程的編碼、解碼誤差[2?6]。例如，Evert Attema等提出了基于數(shù)據(jù)塊回波功率大小的動態(tài)量化編碼壓縮方法。中科院電子所的研究人員則基于不同數(shù)據(jù)塊之間的差異，提出了基于數(shù)據(jù)塊方差的自適應(yīng)量化位數(shù)編碼算法。此外，某些研究人員還提出了矢量量化數(shù)據(jù)壓縮算法，這些方法都有其不同的優(yōu)點。但是，截止到目前，僅分塊自適應(yīng)量化（Block Adapative Quantiziation， BAQ）算法在星上SAR系統(tǒng)的數(shù)據(jù)壓縮處理中獲得了實際應(yīng)用。該算法最早應(yīng)用在麥哲倫Magellan任務(wù)中，后來又在SIR?C、RadarSAT、高分三號等任務(wù)中獲得了廣泛應(yīng)用[7?8]。

由于雷達(dá)系統(tǒng)在軌飛行過程中，系統(tǒng)受到外界環(huán)境溫度、自身器件穩(wěn)定性等因素的影響，其性能不可避免地存在誤差。因此，利用雷達(dá)系統(tǒng)內(nèi)置的傳感器或定標(biāo)回路測量系統(tǒng)各部分參數(shù)在衛(wèi)星飛行過程中的起伏，然后在成像過程中予以補(bǔ)償，能夠確定被測物體的相對散射系數(shù)[9?10]。該過程即為系統(tǒng)的內(nèi)定標(biāo)，系統(tǒng)的定標(biāo)一般通過發(fā)射理想的調(diào)頻連續(xù)波信號實現(xiàn)。當(dāng)定標(biāo)信號經(jīng)發(fā)射鏈路、接收鏈路到達(dá)接收機(jī)后，根據(jù)接收到的回波數(shù)據(jù)進(jìn)行脈沖壓縮處理，能夠獲得回波數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)傳輸過程中的幅相畸變。

本文首先簡要介紹了星載SAR系統(tǒng)內(nèi)定標(biāo)分析及BAQ壓縮編碼和解壓的基本原理。此后，以星載雷達(dá)下傳至地面的仿真回波數(shù)據(jù)為研究對象，對星載雷達(dá)定標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行了解碼及解壓縮實驗。該過程中，分析了星載雷達(dá)定標(biāo)數(shù)據(jù)在不同TR通道中的脈壓結(jié)果，并給出了地面定標(biāo)測試軟件的設(shè)計方法和要點。同時，將數(shù)據(jù)壓縮前后的理想調(diào)頻連續(xù)波信號進(jìn)行脈沖壓縮處理，并對實驗結(jié)果進(jìn)行了比較和分析。最后，對本文的研究內(nèi)容進(jìn)行了簡要總結(jié)。

1" 工作原理

1.1" 定標(biāo)分析的原理

一般來說，系統(tǒng)的內(nèi)定標(biāo)脈沖是一個經(jīng)線性調(diào)頻信號調(diào)制的射頻脈沖。假設(shè)雷達(dá)發(fā)射的理想線性調(diào)頻信號為：

[S（τ）=a（τ）expj2πf0τ+12Kτ2， τ∈-T2，T2] （1）

式中：[f0]為發(fā)射信號載頻；[a（τ）]為發(fā)射脈沖的包絡(luò)，通常為矩形；[K]為線性調(diào)頻斜率；[T]為脈沖寬度；[τ]為距離向快時間。

雷達(dá)接收到地面靜止點目標(biāo)[P（x，y）]的回波信號經(jīng)混頻處理后，可表示為：

[Sri（t，τ）=σiω（t，Ri）a（t-τi（t））?exp-j4πRi（t）λ?exp[jπK（τ-τi（t））2] ] （2）

式中：[σi]為該點目標(biāo)的后向散射系數(shù)，與點目標(biāo)散射特性有關(guān)；[t]和[τ]分別為方位慢時間和距離快時間。對式（2）進(jìn)行距離脈沖壓縮，即：

[Sri1（t，τ）=Sri（t，τ） *hr（τ）] （3）

理論上，距離向參考函數(shù)為：

[hr（τ）=a（τ）exp（-jπKτ2）] （4）

設(shè)天線雙程方向圖為矩形，可得到距離脈沖壓縮結(jié)果為：

[Sri4（t，τ）=CsincπBrτ-2cRic?sinc[πBd（t-tc）]] （5）

式中：[C]為復(fù)常數(shù)；[Br]為多普勒帶寬；[Bd]為信號瞬時帶寬；[Ric]為航線與目標(biāo)間最短斜距。

上述為經(jīng)典的距離壓縮算法。實際上，雷達(dá)回波信號是受雷達(dá)發(fā)射和接收通道的調(diào)制，并受雷達(dá)工作時的周邊電磁環(huán)境、溫度等因素影響，距離參考函數(shù)不再滿足式（4），要比該式復(fù)雜。因此，對于雷達(dá)實際信號，若用式（5）進(jìn)行脈沖壓縮處理，距離脈沖壓縮效果不理想。因此，采用實時的發(fā)射定標(biāo)、接收定標(biāo)或參考定標(biāo)數(shù)據(jù)，來替代理想的距離參考函數(shù)，可改善距離脈沖壓縮效果。

1.2" 數(shù)據(jù)壓縮和解壓的原理

伴隨星載合成孔徑雷達(dá)分辨率的提高，SAR系統(tǒng)獲得的原始數(shù)據(jù)也快速增加。然而，星地鏈路中數(shù)據(jù)下傳的速度受通信協(xié)議的限制，不能滿足星載SAR系統(tǒng)的數(shù)據(jù)實時下傳要求。因此，星上需要采用高性能的SAR原始數(shù)據(jù)壓縮方法以降低數(shù)據(jù)傳輸速率，滿足通信帶寬的要求。

當(dāng)采用BAQ壓縮算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時，一般要求SAR回波信號符合高斯分布，因此需要對雷達(dá)回波信號進(jìn)行歸一化處理。工程上，為了降低運(yùn)算量并且簡化實現(xiàn)過程的復(fù)雜性，一般采用統(tǒng)計采樣信號幅度均值，然后查表獲得信號標(biāo)準(zhǔn)差的估計方法。在數(shù)據(jù)的量化編碼過程中，一般可采用max?lloyd量化方法。該方法依據(jù)最小均方誤差的準(zhǔn)則，求取量化分塊時的門限值。同時，根據(jù)分塊內(nèi)的數(shù)據(jù)均值獲得數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差。由標(biāo)準(zhǔn)差能夠獲得最佳量化電平的閾值，將塊內(nèi)采樣點的數(shù)據(jù)與量化電平的閾值比較，可以獲得該采樣位置的數(shù)據(jù)編碼值。

數(shù)據(jù)壓縮編碼量化過程如圖1所示。

由于雷達(dá)回波數(shù)據(jù)服從零均值高斯分布，其信號的均值可以寫為：

[I=Q=22πσ?n=0N-1（xn+12）xnxn+1e-x22σ2dx] （6）

式中：[xn]為AD采樣值；[σ]為該數(shù)據(jù)塊所對應(yīng)的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差。

當(dāng)采用數(shù)據(jù)為8位時，式（6）可化簡為：

[I=Q=127.5-n=0126erfn+12σ，"""""""""""""""""" erf（x）=2π0xe-t2dt] （7）

由式（7）可得，數(shù)據(jù)塊的均值能夠與高斯分布的標(biāo)準(zhǔn)差相對應(yīng)。根據(jù)最小均方誤差的準(zhǔn)則，可以將符合高斯分布的原始雷達(dá)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行量化分塊，并獲得重建的量化輸出值。當(dāng)量化結(jié)果與理想概率密度函數(shù)的均方誤差最小時，獲得理想的閾值門限值。當(dāng)量化器的位數(shù)為4位時，max?lloyd量化器的編碼和解碼關(guān)系如表1所示。

表1" 4位量化器的編碼和解碼規(guī)則

[門限比較""""" 量化器輸出值"""""" 重建輸出值""" [x]gt;2.401[σ] 0111 2.733[σ]"""""" 2.401[σ]≥[x]gt;1.844[σ]""" 0110"""""" 2.069[σ]"""""" 1.844[σ]≥[x]gt;1.437[σ]""" 0101"""""" 1.618[σ]"""""" 1.437[σ]≥[x]gt;1.099[σ]""" 0100"""""" 1.256[σ]"""""" 1.099[σ]≥[x]gt;0.799 6[σ]" 0011"""""" 0.942 4[σ]""" 0.799 6[σ]≥[x]gt;0.522 4[σ]""""" 0010"""""" 0.656 8[σ]""" 0.522 4[σ]≥[x]gt;0.258 2[σ]" 0001"""""" 0.388 1[σ]""" 0.258 2[σ]≥[x]gt;0"""""" 0000"""""" 0.128 4[σ]""" 0≥[x]gt;-0.258 2[σ]""""" 1000"""""" -0.128 4[σ]"" -0.258 2[σ]≥[x]gt;-0.522 4[σ]"" 1001"""""" -0.388 1[σ]"" -0.522 4[σ]≥[x]gt;-0.799 6[σ]"" 1010"""""" -0.656 8[σ]""""" -0.799 6[σ]≥[x]gt;-1.099[σ]""""" 1011"""""" -0.942 4[σ]"" -1.099[σ]≥[x]gt;-1.437[σ]" 1100"""""" -1.256[σ]"""""" -1.437[σ]≥[x]gt;-1.844[σ]" 1101"""""" -1.618[σ]""""" -1.844[σ]≥[x]gt;-2.401[σ]" 1110 -2.069[σ]""""" [x]≤-2.401[σ]"""""" 1111 -2.733[σ]""""" ]

2" 數(shù)據(jù)解碼方法

數(shù)據(jù)處理過程中，地面工作站所獲得的二進(jìn)制信號，需要根據(jù)每個采樣點的位數(shù)進(jìn)行解碼操作以獲得真實的采樣數(shù)據(jù)大小。由于雷達(dá)回波數(shù)據(jù)可能經(jīng)過壓縮處理，也可能未進(jìn)行壓縮處理。因此，研究中將數(shù)據(jù)分為8位直通下傳的原始數(shù)據(jù)和4位壓縮下傳的編碼數(shù)據(jù)兩類。在二進(jìn)制數(shù)據(jù)和實際采樣數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換過程中，轉(zhuǎn)換方法與需要轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的類型有關(guān)。在高空間分辨率、高時間分辨率等發(fā)展趨勢的影響下，目前衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)呈幾何增長。因此，遙感衛(wèi)星的數(shù)傳分系統(tǒng)往往利用TLK2711高速收發(fā)器進(jìn)行數(shù)據(jù)的下傳工作。TLK271是一種基于串行/解串（SERializer/DESerializer， SerDes）技術(shù)的高速收發(fā)器件，單路串行傳輸速率高達(dá)2.5 Gb/s。其采用VML差分信號，具有較好的抗干擾能力[11?13]。

作為一種全雙工的點對點鏈路層串行協(xié)議，其通信鏈路如圖2所示。

TLK2711高速串行數(shù)據(jù)接口采用的是點對點單工通信，并通過一定的數(shù)據(jù)幀格式在收發(fā)端之間進(jìn)行傳遞。數(shù)據(jù)幀一般包含幀頭、幀尾和數(shù)據(jù)等部分。因此，在本文研究中，下傳原始數(shù)據(jù)和壓縮數(shù)據(jù)時，分別采用表2所示的數(shù)據(jù)幀格式。

由表2可得，原始數(shù)據(jù)和壓縮數(shù)據(jù)的主要區(qū)別在于數(shù)據(jù)組合過程中每個采樣點寬度的不同。當(dāng)數(shù)據(jù)由8位表示時，4個采樣點連接表示時，共占用4 B。然而，當(dāng)數(shù)據(jù)由4位的編碼數(shù)據(jù)表示時，4個采樣點僅占用2 B的區(qū)間。因此，數(shù)據(jù)處理過程中，需要首先根據(jù)數(shù)據(jù)類型的不同格式進(jìn)行解碼，以獲得每個采樣點的真實數(shù)據(jù)。

解碼過程中，壓縮數(shù)據(jù)的某一采樣點僅4位，不能直接讀取。因此，壓縮數(shù)據(jù)需要根據(jù)1.2節(jié)所述的數(shù)據(jù)壓縮原理予以解壓縮處理，才能獲得真實的數(shù)據(jù)大小。由表1可得，其解壓縮后的重建輸出值與數(shù)據(jù)塊的標(biāo)準(zhǔn)差有關(guān)。同時，數(shù)據(jù)塊標(biāo)準(zhǔn)差的值與數(shù)據(jù)塊的均值有關(guān)。因此，根據(jù)表2中數(shù)據(jù)塊均值可以進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)量化重建輸出。同時，通過壓縮數(shù)據(jù)和原始回波數(shù)據(jù)之間的比較，能夠獲得壓縮和解壓過程的信號誤差。

3" 定標(biāo)分析軟件設(shè)計

地面測試過程中，需要對原始回波數(shù)據(jù)和處理過程中的實驗結(jié)果進(jìn)行可靠的記錄和存儲，以保證實驗分析的可靠性。同時，也方便后續(xù)對不同通道和不同時刻的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比及分析[14?15]。因此，研究中設(shè)計了定標(biāo)分析軟件。該軟件包含脈壓處理，實驗結(jié)果的數(shù)據(jù)存儲、圖像存儲及word文檔存儲等部分。為了將不同通道的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比顯示，軟件界面上設(shè)置了不同的顯示窗口。同時，根據(jù)實驗中的輸入設(shè)置，能夠確定需要存儲的實驗結(jié)果。

為了分析回波信號的質(zhì)量，需要對其進(jìn)行脈沖壓縮處理，以判斷信號在數(shù)據(jù)處理過程中產(chǎn)生的誤差，并獲得3 dB脈沖寬度、峰值旁瓣比、積分旁瓣比等表征信號質(zhì)量的參數(shù)。在信號的脈沖壓縮分析過程中，當(dāng)回波信號為理想LFMCW信號時，采用理想的調(diào)頻連續(xù)波脈沖作為參考函數(shù)，即可獲得理想的脈沖壓縮結(jié)果。然而，當(dāng)信號受到外界噪聲等因素影響時，采用理想的調(diào)頻連續(xù)波作為參考函數(shù)，往往存在信號畸變的問題。因此，在信號的分析過程中，有時需要以某一距離向回波信號作為參考函數(shù)，從而去除外界噪聲及數(shù)據(jù)采樣過程中的影響。

在實驗過程中存在以下分析對比的情況，例如：

1） 同時分析不同時刻的多幀數(shù)據(jù)；

2） 同時分析不同T通道或R通道的數(shù)據(jù)；

3） 分析過程中，以理想調(diào)頻連續(xù)波為定標(biāo)所使用的參考函數(shù)，或者利用某一距離向的回波信號作為脈壓過程的參考函數(shù)。

因此，設(shè)計中設(shè)置了三個輸入變量，即數(shù)據(jù)幀選擇、通道選擇、參考函數(shù)選擇。

系統(tǒng)定標(biāo)分析的軟件主要包含數(shù)據(jù)定標(biāo)分析和數(shù)據(jù)解壓輸出等部分，其組成如圖3所示。

4" 仿真實驗與分析

為了驗證系統(tǒng)的定標(biāo)數(shù)據(jù)分析能力，對不同通道的理想調(diào)頻連續(xù)波數(shù)據(jù)進(jìn)行脈沖壓縮處理，其實驗結(jié)果如圖4所示。

由圖4可得，系統(tǒng)具備對單一通道及多個通道同時進(jìn)行定標(biāo)分析處理的能力。而且系統(tǒng)的噪聲低，滿足信號質(zhì)量的要求。

為了驗證系統(tǒng)的數(shù)據(jù)解壓縮能力，對某一距離向的回波信號進(jìn)行解壓縮處理后，其波形變化如圖5所示。

根據(jù)max?lloyd量化器獲得解壓縮數(shù)據(jù)，直接讀取與原始回波數(shù)據(jù)之間存在的誤差。該誤差的變化如圖6所示。

由圖6可得，數(shù)據(jù)經(jīng)壓縮和解壓縮處理，誤差低。為了將實驗過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)及實驗結(jié)果進(jìn)行存儲分析，利用Matlab/GUI工具將實驗過程中的脈壓分析結(jié)果存儲到數(shù)據(jù)文件dat中，并將壓縮后的結(jié)果存儲到圖像png文件中，詳細(xì)的示例及過程則存儲于word文檔中。如圖7所示，實驗中產(chǎn)生的各種結(jié)果文件存儲于硬盤中的新建文件夾中。

同理，如圖8所示，實驗中的處理結(jié)果及實驗中的標(biāo)題、圖號等可以存儲于word文檔中，以進(jìn)行后續(xù)的分析及處理。

綜上，文中所述的數(shù)據(jù)解碼及解壓縮軟件能夠準(zhǔn)確獲取目標(biāo)的真實回波，而且通過脈沖壓縮處理，系統(tǒng)具有對定標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的能力。

5" 結(jié)" 論

文中闡述了星載雷達(dá)回波數(shù)據(jù)壓縮和解壓縮的工作原理，利用BAQ算法對理想的雷達(dá)定標(biāo)發(fā)射脈沖數(shù)據(jù)進(jìn)行了解壓縮處理。通過原始脈沖數(shù)據(jù)與解壓縮脈沖回波數(shù)據(jù)的對比，驗證了壓縮算法的效果。同時，通過雷達(dá)系統(tǒng)內(nèi)定標(biāo)回波的處理及分析，驗證了雷達(dá)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。此外，利用GUI設(shè)計了信號定標(biāo)分析軟件，使得回波數(shù)據(jù)定標(biāo)及解壓處理的過程能夠可視化。

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SHAO Zelong1， 2

（1. Shanghai Institute of Special Equipment Inspection and Technical Research， Shanghai 200062， China;

2. Shanghai Engineering Research Center of Pressure Pipeline Intelligent Inspection， Shanghai 200062， China）

Abstract： Since the volume of system echo data of space borne synthetic aperture radar （SAR） is too large to meet the transmission rate requirements between satellite?ground links， the threshold of echo data quantization compression is obtained according to max?lloyd quantization method and the concrete implementation method of adaptive quantization coding compression and decompression of space borne SAR data is proposed. The error in data compression and decompression of space borne SAR system is analyzed in detail with the ideal FMCW （frequency?modulated continuous?wave） signal as the transmission calibration signal. Moreover， according to the frame format of the compressed echo data of the radar system in the process of high?speed data transmission， the binary decoding and decompression operation are carried out on the radar echo data to obtain the real size of the data. Finally， by Matlab/GUI programming， a software demonstration system that can analyze， decode and decompress radar echo data is designed. By the design of human?computer interaction， the experimental results in the process of data processing are stored and displayed in the form of dat data， picture data and word document data.

Keywords： space borne data; SAR; block adaptive quantization; data compression; calibration analysis; software design

DOI：10.16652/j.issn.1004?373x.2024.09.003

引用格式：邵澤龍.微波數(shù)據(jù)壓縮及定標(biāo)測試方法的研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2024，47（9）：11?15.

收稿日期：2024?01?10"""""""""" 修回日期：2024?02?02

基金項目：上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院一般項目

（2024?04Y）

邵澤龍：微波數(shù)據(jù)壓縮及定標(biāo)測試方法的研究

作者簡介：邵澤龍（1989—），男，山東臨沂人，博士，工程師，研究方向為微波技術(shù)應(yīng)用及信號處理。

邵澤龍：微波數(shù)據(jù)壓縮及定標(biāo)測試方法的研究