国外雷达卫星星上数据压缩算法的新进展

徐冰 （北京空间科技信息研究所）

国外雷达卫星星上数据压缩算法的新进展

New Progress of Foreign Radar Satellite On-board Data Compression Algorithms

徐冰 （北京空间科技信息研究所）

雷达成像卫星获取的回波数据量大，在卫星上先成像再下传图像数据将导致成本大幅增加，而且成像过程也不能受到人工干预，因此迫切需要采用高效的星上合成孔径雷达（SAR）数据压缩技术。与光学成像卫星相比，雷达成像卫星在成像机理、成像载荷配备等方面均有所不同，导致逐渐成熟的适用于光学成像卫星的星上数据压缩算法并不适用于雷达成像卫星。雷达成像卫星获取的回波原始数据压缩算法大多建立在对SAR回波原始数据的统计特性上。

1 国外雷达卫星星上数据压缩算法状况与进展

早期，国外雷达成像卫星均采用原始SAR数据压缩算法，即分块自适应量化（BAQ），易于硬件实现，成为世界上首个获得实际应用的SAR数据压缩算法，但是在压缩过程中将引入额外的噪声误差，压缩性能不是最优。目前，国外陆续发射的新型雷达成像卫星则采用以BAQ为基础的改进算法，实现低误码率、非整数比特数压缩等优势性能。未来，各种改进后的高性能SAR压缩算法将更受重视，广泛应用于未来的雷达成像卫星任务，实现星上SAR数据的高效压缩。

国外雷达成像卫星星上数据压缩算法发展路线图

国外典型雷达成像卫星的成像能力、星上压缩算法及硬件实现、数传和存储能力概览

多国现役雷达卫星采用基本BAQ算法，后续换代系统将继续沿用

（1）欧印现役雷达卫星采用BAQ算法，多档压缩比可选

德国现役“X频段陆地合成孔径雷达”/“X频段陆地雷达附加数字高程模型”双星星座是德国发展的民商用高分辨率雷达成像卫星系统。这2颗卫星基本相同，星上均搭载“X频段陆地合成孔径雷达-SAR”（TSX-SAR）载荷，具有4种成像模式，分别为高分辨率聚束模式、聚束模式、条带模式和扫描SAR模式。数传采用X频段，数传速率为300Mbit/s，固态存储器寿命初期和末期的存储容量分别为320Gbit和256Gbit。卫星采用BAQ算法对SAR载荷原始数据（数据量化8bit）进行压缩，具有5种压缩比，分别是8:8（不压缩）、8:6，8:4、8:3和8:2。

意大利现役“地中海盆地观测小卫星星座”为4星星座，是意大利发展的军民两用高分辨率雷达成像卫星系统，主要为意大利政府提供高分辨率的雷达图像数据。“地中海盆地观测小卫星星座”搭载SAR－2000型合成孔径雷达，具有3种成像模式，分别为聚束模式、条带模式和扫描SAR模式。数传采用X频段，数传速率300Mbit/s，固态存储器容量300Gbit。卫星采用BAQ算法对SAR载荷原始数据（数据量化8bit）进行压缩，具有5种压缩比，分别为8:8（不压缩）、8:4、8:3、8:2和8:1。

B A Q算法即原始S A R数据压缩，最早应用于美国航空航天局（N A S A）的“麦哲伦”（Magellan）金星探测器任务中，压缩比为8:2。随后应用于欧洲“环境卫星”的先进合成孔径雷达（ASAR）载荷数据压缩，以及其他类似的SAR卫星任务中，“环境卫星”的ASAR载荷有3种压缩比，分别是8:2、8:3、8:4。由于SAR原始数据熵值很高，无损压缩算法压缩比太低，为实现较高的压缩比，一般采用有损压缩算法。SAR数据压缩分为标量量化和矢量量化，或者对原始数据作变化后再量化。BAQ算法是最常见的标量量化算法，属于有损压缩算法，数字化和编码过程都将使SAR图像数据引入额外的噪声和影响。尽管BAQ算法计算量小、硬件结构简单，已经应用于很多SAR卫星任务，但BAQ算法性能不是最优，尚存在模糊问题需要解决，例如原始数据最优量化、原始数据统计特性，特别是BAQ算法在不同压缩比时对SAR图像数据压缩质量的理论分析等。

德国“X频段陆地合成孔径雷达”/“X频段陆地雷达附加数字高程模型”在轨飞行示意图

意大利“地中海盆地观测小卫星星座”在轨飞行示意图

此外，印度于2012年4月26日发射了本国独立研制的首颗雷达成像卫星—雷达成像卫星－1，与在轨光学成像卫星互为补充，为印度政府和军方提供图像数据。雷达成像卫星－1搭载的RISAT-SAR载荷具有3种成像模式，星上数据采集与压缩分系统（DACS）负责数据量化、压缩等功能，数据量化8bit。卫星采用BAQ算法进行压缩，采用现场可编程门阵列（FPGA）实现，在聚束模式下压缩比有3种，分别是8:8（不压缩）、8:3和8:2；在其他模式下压缩比有6种，分别是8:8（不压缩）、8:6、8:5、8:4、8:3和8:2。SAR载荷在不同模式下的数据率不尽相同，但其数据下传采用X频段，数传速率为640Mbit/s，星上固态存储器容量300Gbit。

（2）欧印后续换代系统或将继续采用BAQ算法，最多7档压缩比

意大利下一代军民两用雷达成像卫星系统名为“第二代地中海盆地观测小卫星星座”，计划于2016－2017年部署，用于替换现役“地中海盆地观测小卫星星座”。“第二代地中海盆地观测小卫星星座”由2颗卫星组成，星上搭载CSG-SAR载荷。与上一代系统类似，具有3种成像模式，分别为聚束模式、条带模式和扫描SAR模式。CSG-SAR载荷性能得到进一步改进，在工作模式、分辨率和幅宽等方面都有较大提升，聚束模式分辨率优于1m。数传采用X频段，数传速率560Mbit/s，寿命末期固态存储器容量1530Gbit。卫星采用BAQ算法对SAR原始数据进行压缩，采用专用大规模集成电路（ASIC）实现，数据量化为10bit，具有7种压缩比，分别为10:10（不压缩）、10:6、10:5、10:4、10:3、10:2和10:1。

西班牙将于2015年发射本国首颗雷达成像卫星，即“帕斯”卫星，用于为西班牙军民用户提供数据。“帕斯”卫星在载荷成像、数据压缩、存储和下传能力方面与德国“X频段陆地合成孔径雷达”/“X频段陆地雷达附加数字高程模型”双星极为相似。“帕斯”卫星入轨后，将与“X频段陆地合成孔径雷达”/“X频段陆地雷达附加数字高程模型”双星组成星座，共同完成成像任务。“帕斯”卫星搭载的Paz-SAR载荷具有3种成像模式，分别为聚束模式、条带模式和扫描SAR模式。数传采用X频段，数传速率300Mbit/s，固态存储器寿命初期和末期的存储容量分别为320Gbit和256Gbit。卫星采用BAQ算法对SAR载荷原始数据（数据量化8bit）进行压缩，具有5种压缩比，分别为8:8（不压缩）、8:6，8:4、8:3和8:2。

另外，印度在“印度航天十二五规划”（2007－2012年）中规划了1颗L频段SAR卫星，具有聚束/滑动聚束、条带和中/低分辨率扫描SAR模式。该卫星也采用BAQ算法进行压缩，压缩后数据为2bit、3bit、4bit、5bit、6bit（如果数据量化采用8bit，压缩比即为8:6、8:5、8:4、8:3和8:2）。

西班牙“帕斯”卫星在轨飞行示意图

以印现役雷达卫星采用改进MBFPQ算法，与BAQ同为现役主流

2008年发射的“合成孔径雷达技术验证卫星”和2014年4月9日发射的地平线－10（Ofeq－10）卫星，是以色列发展的军用雷达成像卫星系统，主要为以色列政府和军方提供军事情报信息。“合成孔径雷达技术验证卫星”载有“X频段合成孔径雷达”（XSAR），具有4种成像模式，分别为聚束模式（分辨率1m）、镶嵌模式（分辨率1.8m）、条带模式（分辨率3m）和扫描SAR模式（分辨率8m）。数传采用X频段，数传速率600Mbit/s，星上存储器容量为256Gbit。卫星采用以BFPQ为基础的改进压缩算法，即MBFPQ算法，对SAR数据进行压缩，数据量化6bit，压缩比为6:3。

与此前发射的“地平线”系列卫星运行于高度约500km的近圆轨道不同，地平线－10运行于近地点385km、远地点600km、倾角140.9°的椭圆轨道。与“合成孔径雷达技术验证卫星”相比，地平线－10采用了新的成像模式，可以在短时间内完成不同目标区域的快速切换，进而实现多点成像，而不是只能大条带式扫描成像，空间分辨率达0.4572m。地平线－10也是以色列独立开发的雷达成像卫星，在卫星设计上继承了“合成孔径雷达技术验证卫星”的特点。据推测，地平线－10在数据压缩方面或许也继承了“合成孔径雷达技术验证卫星”的技术。

以色列地平线－10在轨飞行示意图

欧洲哨兵－1A外形图

此外，印度于2009年发射了本国首颗雷达成像卫星－2，卫星平台由印度研制，但SAR载荷向以色列采购。与“合成孔径雷达技术验证卫星”载荷的性能指标基本相同，包括成像模式、分辨率以及压缩算法等。雷达成像卫星－2采用了MBFPQ压缩算法，数据量化6bit，压缩比为6:3。数传采用X频段，数传速率620Mbit/s，星上存储器容量256Gbit。

欧洲哨兵－1卫星采用FDBAQ算法，实现非整数可变比特率压缩

针对BAQ算法的弊端，国外提出了一些性能更优的改进算法，已应用到欧洲哨兵－1和日本先进陆地观测卫星－2等任务上。

“哨兵”系列卫星共包括5个型号，其中，哨兵－1A于2014年4月3日发射，哨兵－2A于2015年6月23日发射。

哨兵－1A运行在高度693km、倾角98.18°的太阳同步轨道，设计寿命7.25年。卫星采用“意大利多用途可重构卫星平台”（PRIMA），星上载有C频段SAR（C-SAR）载荷，具有4种成像模式，分别为条带模式、干涉宽幅模式、超宽幅模式和波模式。数传采用X频段，数传速率520Mbit/s，固态存储器寿命末期存储容量1410Gbit。卫星采用欧洲航天局（ESA）提出的FDBAQ压缩算法，大部分数据仅需3bit输出，少数高反射率数据需4bit输出，使得平均输出比特率刚超过3bit，比熵约束分块自适应量化（ECBAQ）压缩算法所需的3.7bit更低。C-SAR载荷由天线分系统（SAS）和电子设备分系统（SES）组成。电子设备分系统是C-SAR载荷的核心，数据压缩功能由电子设备分系统实现。FDBAQ算法可实现可变比特率编码，压缩后比特数根据当时杂波噪声比估计值进行选择，亮散射体比暗散射体需要较多的比特数进行压缩编码。换句话说，原始数据实际杂波等级决定了所需的比特数。另外，卫星还同时采用ECBAQ技术进一步改进星上存储空间利用率，ECBAQ技术也能通过忽略图像噪声影响来减少下传次数。

FDBAQ算法是在现代高分辨率SAR卫星任务对星上数据压缩技术提出更高要求的情况下提出的，例如压缩比更高、灵活性更高、压缩速度更快等。FDBAQ算法是以BAQ为基础的改进算法，在信噪比、压缩比等方面均比基本BAQ算法更优异。FDBAQ算法具有非整数比特数编程能力，可针对不同类型目标数据进行最优化SAR数据压缩输出。FDBAQ算法适用于中高分辨率SAR卫星任务，特别适用于SAR载荷干涉测量模式需求。

FDBAQ算法实现框图

日本先进陆地观测卫星－2在轨飞行示意图

日本先进陆地观测卫星－2采用DS-BAQ算法，实现高质量、低误码率压缩

先进陆地观测卫星－2是日本先进陆地观测卫星－1的后续型号，已于2014年5月24日发射。该卫星设计寿命5年，目标寿命7年。卫星载有相控阵L频段合成孔径雷达－2（PALSAR－2）、紧凑型红外相机（CIRC）和天基自动识别系统试验－2（SPAISE－2）。

与先进陆地观测卫星－1搭载的相控阵L频段合成孔径雷达相比，先进陆地观测卫星－2的相控阵L频段合成孔径雷达－2载荷性能更先进，分辨率更高，幅宽更大，工作模式更多，存储能力和数传速率也相应提高。为了实现频繁观测和数据采集，先进陆地观测卫星－2采用了新的、高效、低误码率的星上数据压缩算法，即降采样（也可称为下采样）分块自适应量化（DS-BAQ）算法，是以BAQ为基础的改进算法。

DS-BAQ算法是一种新的星上数据压缩算法。在传统雷达系统中，A/D采样频率要比传输带宽要宽，进而降低模糊效应。但在DS-BAQ算法中，在进行BAQ处理前，就将A/D采样频率与传输带宽之差消除。根据DS-BAQ算法与BAQ算法的仿真结果对比可以看出，在相同压缩比情况下，DS-BAQ算法比BAQ算法误码率更低（幅度误差和相位误差都更低），图像质量更高。

先进陆地观测卫星－2采用的DS-BAQ算法，压缩比有3档可选，压缩后分别为4bit（DS-BAQ）、2bit（BAQ）和不压缩（直接下传）。在3m分辨率条带模式下，单极化压缩后为4bit，双极化压缩后为2bit。

先进陆地观测卫星－2采用的DS-BAQ算法实现框图

2 国外雷达成像卫星采用的主要星上数据压缩算法

目前，国外在雷达成像卫星星上数据压缩方面，采用与光学成像卫星完全不同的压缩算法，BAQ和BFPQ是目前的两大主流算法，各国以其为基础逐步改进，优化性能。

从技术发展看，星上雷达数据压缩技术滞后于光学数据压缩技术的发展

与光学数据压缩技术相比，星上雷达数据压缩技术较为滞后，这主要是由于雷达卫星的成像机理、成像载荷配置、数据本质与光学卫星截然不同，且更为复杂所致。另外，光学成像卫星的数据压缩技术与日常生活中常使用的数据压缩原理基本一致，在技术上有积累，而星上雷达数据压缩却是另一个领域，具体来说属于数据处理方法中的另一种，技术基础薄弱。

从发展历程看，从原始SAR数据压缩算法向高效的改进压缩算法过渡

早期，国外的雷达成像卫星主要采用最基本、最原始的BAQ压缩算法，例如，德国的“X频段陆地合成孔径雷达”/“X频段陆地雷达附加数字高程模型”双星、意大利“地中海盆地观测小卫星星座”等。随着压缩技术的不断进步，国外逐渐意识到基本BAQ算法的缺点，并逐渐对其进行改进，优化压缩性能，并应用到最新一代雷达成像卫星任务中，例如日本的先进陆地观测卫星－2采用DS-BAQ算法，实现更低误码率的压缩，欧洲哨兵－1A采用FDBAQ算法，具有非整数比特数编程能力，可针对不同类型目标数据进行最优化SAR数据压缩输出。

从各国情况看，各国采用的基础算法不同，相应的改进算法也有所不同

在雷达成像卫星数据压缩方面，各国的发展有所不同。欧洲和日本侧重于以BAQ算法为基础，提出可行的改进算法，例如DS-BAQ、FD-BAQ、ECBAQ等。以色列侧重于以BFPQ算法为基础，提出改进算法，例如MBFPQ等。

从应用情况看，即将退役的卫星采用基本算法，刚部署的卫星采用改进算法

从目前国外雷达成像卫星的星上压缩算法应用情况看，尽管基本BAQ算法性能不是最优，但计算量小、对硬件要求低，成为21世纪初发射的雷达成像卫星的主流算法。而目前新发射的雷达成像卫星，较多地采用了性能更优的BAQ改进算法。据推测，德国和意大利的下一代雷达成像系统不仅在卫星性能方面在现役系统基础上有所改进，在数据压缩方面可能也较多继承原有算法并加以改进，优化压缩性能。

从未来趋势看，高性能、改进的BAQ压缩算法将成为未来发展主流

相比于早期提出的原始算法，以其为基础的改进算法具有更优质的性能，未来可能出现更多新的算法或改进算法。这些高性能、改进的BAQ压缩算法将成为未来国外关注的重点，应用于新一代的雷达成像卫星上，例如，日本的先进陆地观测卫星－2和欧洲的哨兵－1A等。基于BAQ的改进算法还包括可变BAQ（FBAQ）、模糊BAQ（Fuzzy-BAQ）、DSBAQ、FDBAQ、ECBAQ等，均可以达到4:1的压缩比，但当进一步提高压缩比时，这些改进BAQ算法不能保证压缩后图像性能。