高分三号卫星聚束SAR误差补偿成像处理技术研究

陈琦 喻文勇 刘国栋 侯明辉 王爱春 姚玉林 张恒 闫丽丽

(中国资源卫星应用中心,北京 100094)

高分三号卫星聚束SAR误差补偿成像处理技术研究

陈琦 喻文勇 刘国栋 侯明辉 王爱春 姚玉林 张恒 闫丽丽

(中国资源卫星应用中心,北京 100094)

从高分三号(GF-3)卫星滑动聚束成像模型和回波信号特性出发,针对滑动聚束米级高分辨率SAR聚焦对回波信号误差敏感的特点,重点对滑动聚束高分辨率成像处理算法进行了深入研究,在此基础上提出了一种结合内定标信号幅相误差补偿的滑动聚束高分辨率去斜频率变标(DCS)成像处理算法,给出了算法详细实现步骤和技术流程。利用GF-3卫星实测数据进行了处理效果验证,结果表明:结合内定标信号幅相误差补偿的DCS成像处理算法,能有效改善滑动聚束高分辨率SAR成像的图像质量,可获得更好的成像处理和聚焦效果,验证了算法的有效性。

合成孔径雷达;滑动聚束;内定标

1 引言

高分三号(GF-3)卫星作为中国首颗C频段全极化SAR成像卫星[1],其高质量的成像处理结果引起了国内外广泛关注。滑动聚束模式是GF-3卫星分辨率最高的一种成像模式,可通过控制波束在地面移动的速度来增加方位向相干累积时间,从而增大方位向测绘宽度的同时,提高方位向空间分辨率[2-3]。聚束模式和条带模式可以认为是滑动聚束模式的特例。当雷达波束在地面的移动速度为零时,即为聚束成像模式;当雷达波束在地面移动的速度为正常飞行速度时,即为条带成像模式。当雷达波束的移动速度介于聚束模式和条带模式之间时,用同样尺寸的天线,由于方位向相干累积的时间比条带模式长,因此,其方位向分辨率大于条带模式的方位向分辨率。由于在扫描过程中雷达波束移动的速度不为零,滑动聚束模式方位向成像宽度要比聚束模式方位向成像宽度大,从而可以兼顾方位向成像场景宽度和方位向分辨率。

本文针对GF-3卫星滑动聚束米级高分辨率SAR聚焦对回波信号误差敏感的特点,重点对GF-3卫星滑动聚束高分辨率成像处理算法进行了深入研究,此基础上,提出了一种结合内定标信号幅相误差提取与补偿的滑动聚束高分辨率精细成像处理方法,给出了算法详细实现步骤和技术流程。利用GF-3卫星实测数据进行了处理效果验证,结果表明,结合内定标信号幅相误差提取与补偿的去斜频率变标(DCS)成像处理方法,能有效改善滑动聚束高分辨率SAR图像的聚焦质量,验证了算法的有效性。

2 成像几何模型与回波特性分析

2．1 滑动聚束SAR成像几何模型

星载滑动聚束模式可以解决方位向成像场景宽度和方位向分辨率这一对矛盾,其系统的方位向分辨率要优于条带模式的分辨率,同时成像场景的方位向宽度也大于经典聚束模式的场景宽度。滑动聚束SAR成像模型如图1所示。滑动聚束成像时,天线波束对准地面以下的某个“虚拟转动点S”进行凝视成像,与相同方位分辨率、相同方位向测绘宽度的条带模式和聚束模式相比,滑动聚束模式的合成孔径时间和方位多普勒总带宽均明显提高,从而获得更高的方位向分辨率和更大的测绘宽度。

被天线波束完全照射的场景方位向宽度为Wa,场景中心点为P0,第一个被完全照射的点为P1,最后一个被完全照射的点为P2,虚拟转动点为S,天线波束中心在滑动聚束期间,始终指向远离场景中心的虚拟转动点S,因此,天线波束中心在场景内的投影点缓慢移动,波足速度记为vf。卫星以速度v飞行,场景中心至卫星轨迹的垂直距离为r0,场景中心至虚拟转动点的距离为r1,场景中心点坐标为P0(vtc,r0)。

假设t＝0时刻,波束刚好照射到场景边缘。在任意时刻t,卫星天线波束中心指向场景中任意一点P(x,r0),瞬时斜视角为θ。根据上述成像几何模型,目标与SAR天线相位中心距离关系可表示为

式中:r0为场景中心至卫星轨迹的垂直距离;t为天线波束中心指向P(x,r0)点的时刻;x为P(x,r0)点的方位向位置;R(t,r0)为P(x,r0)点与SAR卫星之间的瞬时斜距。

2．2 方位向回波多普勒特性分析

不失一般性,取场景中心处x＝0,发射的线性调频信号为m(τ)·exp(－jπKrτ2),则滑动聚束SAR回波信号可表示为

式中:Kr为滑动聚束距离向信号调频率;c为光速;λ为发射信号波长;τ为距离向“快时间”。G(t)为天线方向图方位向增益,近似与距离无关,m(τ)为发射信号包络,通常近似为矩形。式中第一个相位项为距离向发射信号延迟,第二个相位项为波束扫过目标形成的方位向回波多普勒历程。

滑动聚束的优点同时也为它带来了处理上的困难。实际成像过程中,为了降低数据率,星载滑动聚束SAR的脉冲重复频率(PRF)通常远小于方位向多普勒总带宽,这将导致原始回波数据方位向信号存在严重欠采样的问题,必须采用方位去斜滤波[4-6]的办法降低方位向信号多普勒总带宽,然后再进行二维回波压缩处理的方法。图2给出了方位向回波在去斜处理前后多普勒时频关系曲线图,绿色虚线表示虚拟点S处的多普勒时频关系曲线,紫色虚线表示参考信号的多普勒时频关系曲线,红色、黑色和蓝色实线分别表示P1、P0、P2点的多普勒时频关系曲线。由图2分析可知,SAR回波信号的方位向多普勒带宽远大于系统PRF,存在严重的欠采样问题。

由图3可看出,经过去斜处理后的方位向多普勒带宽已经小于回波信号的方位向采样率PRF,从而克服滑动聚束SAR方位向回波信号的欠采样问题[7-8]。

3 内定标信号提取与误差补偿

内定标信号不仅可以监测收发系统增益变化,也可以用于通道幅相误差的提取与校正。内定标信号提取与误差补偿主要是利用内定标数据,完成通道幅度和相位不平衡误差的获取,并将该误差反馈至SAR回波数据,以消除回波数据中的非相参误差,改善星载滑动聚束SAR的成像聚焦质量。

由于内定标器的随机噪声以及量化噪声的存在,会遇到加性噪声的影响,使提取的误差偏离真实值。显然,加性噪声将影响幅度和相位误差的提取和估计。为此,采用多个内定标信号统计平均的方法平滑噪声,改善误差提取精度。对每个内定标信号提取幅相误差再求平均,将其结果作为系统幅相误差。

假设内定标参考通道信号的频域形式为

式中:Arefω()是内定标参考通道信号的幅频特性函数;ϕrefω()是内定标参考通道信号的相频特性函数,ω代表频率。

附带有通道幅度和相位误差的信号(即待校正的SAR回波信号)在频域表达式为

式中:Atbcω()是待校正的SAR回波信号的幅频特性函数;ϕtbcω()是待校正的SAR回波信号的相频特性函数。

将上面两式相比后提取相位和幅度的差值,就是需要校正的幅度和相位误差。其中,相位误差为

幅度误差用误差幅度的百分比为

因此,幅相误差校正函数为

将校正函数与待校正的SAR回波信号相乘,即可以完成幅相误差的校正,得到经过校正后的SAR回波信号为

4 滑动聚束DCS成像处理算法

与条带模式和扫描模式不同,滑动聚束模式一方面回波数据是在方位向上被欠采样接收,另一方面其单景成像时间和合成孔径时间都更长。针对这两方面特点,GF-3卫星滑动聚束模式成像采用结合等效距离模型空变校正的DCS算法。滑动聚束模式成像处理算法具体流程如图4所示。

具体处理步骤如下所示。

第1步:等效距离模型空变效应校正。高分辨率星载滑动聚束SAR,一景成像时间长引起成像模型参数沿方位向时变效应显著,这里利用滑动聚束SAR天线相位中心相对虚拟转动点的真实距离历程与等效匀速直线运动模型下的等效距离历程之间的偏差,消除被照射目标成像模型的方位时变性,使成像模型在方位向上实现一致化,修正量ΔRsrt()的计算方法为

式中:Rsr(t)为天线相位中心与虚拟转动点之间的相对距离;r为t＝0时刻天线相位中心到目标的距离;vesr为等效速度;φesr为等效斜视角。

第2步:方位预滤波处理。方位向数据滤波处理的本质是:在保持回波数据多普勒总带宽不变的情况下,通过与采样频率高于总带宽的参考信号进行卷积处理,该参考信号的频率变化特性与滑动聚束一次成像多普勒中心频率变化相反,从而达到在提高方位向数据采样率的同时减短信号持续时间、

式中:fDsr和fRsr分别为虚拟转动点的“多普勒中心频率”和“多普勒调频率”,它们由天线相位中心到虚拟转动点的距离历程对时间的一阶和二阶导数计算得到。回波信号与方位滤波信号之间的卷积通过分别在时域和频域各一次的乘积来实现。

第3步:CS算法成像处理。经方位滤波处理后,数据按常规CS算法[9]相似处理流程进行成像处理,即可生成滑动聚束SAR图像。不同之处在于,首先,由于高分辨率星载滑动聚束SAR合成孔径时间长,导致传统(二次)等效距离模型精度不足,需在多普勒域内对模型空变效应校正后的残留孔径内三次模型误差进行补偿;其次,需要消除方位滤波处理的影响。CS成像算法中CS因子定义的改变主要体现在第三个因子上,考虑方位滤波处理和三次模型误差校正后的第三个因子定义为降低数据处理量的目的,方位滤波信号的形式为

式中:φref为参考距离处的斜视角;f为方位向频率;fr,ref为参考距离处的频率;ΔΦc为方位滤波残余相位误差,Θ1f()为方位向频率变标残余相位误差,Θ1f()为方位向线性位移相位误差。

5 实测数据验证

采用本文给出的结合内定标信号幅相误差补偿的滑动聚束DCS高分辨率成像处理算法对GF-3卫星滑动聚束模式SAR数据进行成像处理。由于GF-3卫星滑动聚束米级高分辨率SAR聚焦对回波信号误差敏感,通过基于内定标信号幅相误差提取和补偿,有效改善回波信号的相干性,可获得更精细的聚焦效果并改善成像质量。在图5中,左侧是算法改进前的成像质量,框内的线状地物和点状地物均呈现出不同程度的散焦和虚化,说明未经过幅相误差补偿的回波数据难以实现精确聚焦;右侧是算法改进后的成像质量,框内的线状地物未出现虚化或散焦,点状地物未出现扩散,均实现了精确聚焦。

为进一步定量分析基于内定标信号幅相误差补偿的滑动聚束DCS高分辨率成像处理算法的改善效果,选取了GF-3卫星定标场布设的有源定标器作为标准参考散射体,如图6所示。对定标场标准参考散射体的成像结果进行定量分析和评估,并分别对比了算法改进前后的标准参考散射体点目标空间分辨率、峰值旁瓣比和积分旁瓣比等定量指标,结果如图7、图8和表1、表2所示。

表1 算法改进前的成像质量定量评估结果Table 1 Imaging quality results of quantitative evaluation before refined algorithm

表2 算法改进后的成像质量定量评估结果Table 2 Imaging quality results of quantitative evaluation after refined algorithm

由图6和图7的对比分析可知,采用本文给出的结合内定标信号幅相误差补偿的滑动聚束DCS高分辨率成像处理算法对GF-3卫星定标场布设的标准散射体进行成像,距离向聚焦效果得到明显改善,距离向的空间分辨率、峰值旁瓣比和积分旁瓣比等重要的图像质量指标均得到显著提高。由表1和表2对比分析可知,距离向分辨率由0．74 m提高为0．63 m;峰值旁瓣比由－10．21 dB提高为－20．84 dB,改善10．63 dB;积分旁瓣比由－10．49 d B提高为－16．48 dB,改善5．99 dB。通过对GF-3卫星定标场布设的标准散射体的成像结果进行定量测试和评估,图像质量指标均得到有效改善,进一步验证了算法的有效性。

6 结论

本文针对GF-3卫星滑动聚束米级高分辨率SAR聚焦对回波信号误差敏感的特点,提出了一种结合内定标信号幅相误差提取与补偿的滑动聚束高分辨率精细成像处理方法。利用GF-3卫星实测数据进行了处理效果验证,结果表明,结合内定标信号幅相误差提取与补偿的DCS成像处理方法能有效改善滑动聚束高分辨率SAR图像的成像质量。

References)

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CHEN Qi YU Wenyong LIU Guodong HOU Minghui WANG Aichun
YAO Yulin ZHANG Heng YAN Lili
(China Centre for Resources Satellite Data and Application,Beijing 100094,China)

Based on the GF-3 satellite sliding spotlight imaging model and echo signal characteristics,according to the characteristics of the sliding spotlight meter level high resolution and highly sensitive to echo signal error,SAR focusing on the sliding spotlight high-resolution imaging algorithm into the deep research,this paper presents a combination of internal calibration signal amplitude and phase error compensation of the sliding spotlight high resolution DCS imaging algorithm,and presents the algorithm detailed implementation steps and technical process．The measured data by using the high GF-3 satellite is processed to verify the effectiveness,the results show that the combination of internal calibration signal amplitude and phase error compensation of DCS imaging algorithm can effectively improve the image quality of sliding spotlight highresolution SAR imaging,and imaging processing can be obtained better focusing effect and algorithm than traditional methods．

synthetic aperture radar;sliding spotlight;internal calibration

TP75

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.06.013

Research on Sliding Spotlight SAR Data Imaging Technology with Error Compensation for GF-3 Satellite

2017-10-24;

2017-11-24

陈琦,男,研究员,从事星载SAR地面处理系统研制和星载SAR数据处理工作。Email:chenq_cn＠163．com。

(编辑:张小琳)