應用星載SAR輻射的定標算法

楊文海

(南京航空航天大學國際教育學院，南京 210016)

應用星載SAR輻射的定標算法

楊文海

(南京航空航天大學國際教育學院，南京 210016)

隨著星載SAR技術的不斷發展，對成像質量的要求越來越高，不僅要求更高的空間分辨率，而且要求更加精確的目標后向散射系數信息，以便觀測目標的物理特征，為此開展了輻射定標技術的研究。通過對輻射定標常數測量算法的研究，獲得了星載SAR系統靈敏度的測試結果。從基本原理和實測數據出發，建立了輻射定標常數測量模型和測試的具體算法。試驗結果驗證了該測試算法的有效性和可行性。

星載SAR;輻射定標;定標常數;系統靈敏度;測試算法

星載合成孔徑雷達(SAR)遙感技術以其全面、快速、客觀等獨特優勢，成為研究地球科學和認知地球系統的重要手段。隨著經濟和科技的快速發展，國家的宏觀決策、資源調查、環境及災害監測等領域亟需全天時、全天候對地觀測數據的支持。星載SAR的輻射定標水平直接決定遙感數據的成像質量，影響遙感數據應用的廣度與深度，所以星載SAR圖像輻射定標是星載SAR成像必須完成的一項任務。輻射定標分為內定標和外定標。內定標主要是通過固定設備(如定標信號源、復制調頻信號)注入定標信號到雷達數據流中，以標定雷達系統性能，內定標技術在國內外很多文獻中已經論述［1－2］;外定標是指通常通過地面目標產生或反射的定標信號來定標雷達系統性能的過程［3－6］，這些地面目標可以是已知雷達截面積的點目標(如角反射器和有源反射器)，也可以是已知散射特性(如σ0)的分布目標。

本文對外定標測試技術進行了研究，主要完成輻射定標常數的確定。首先分析了輻射定標原理，其次建立了均勻目標和強散射點目標輻射定標常數測試模型和測試算法，最后對回波數據進行了試驗，試驗結果符合系統指標要求。

1 輻射定標原理

SAR圖像數據的輻射定標過程可以簡單概括為目標后向散射系數與其圖像數據的比例因子的估計過程。假設雷達系統是線性系統，那么接收機輸出功率可以表示為

其中:Pr是總的接收功率;Ps是信號功率;Pn是加性噪聲(熱噪聲)功率。忽略模糊度的影響，信號功率與平均后向散射系數的關系可以表示為

其中:K'(R)是與距離有關的比例因子。雷達散射截面積可以表示為=σ0ΔxΔRg，Δx、ΔRg分別是未處理的原始回波信號在方位向和地面距離向的分辨單元大小。由此可以得到經過均勻目標反射回來的接收功率:

其中Pn是估計后向散射系數σ0時數據采樣點的平均噪聲功率。

針對均勻分布的區域目標(例如熱帶雨林)的輻射定標可以在方位向和距離向壓縮之后進行，均勻區域圖像的平均功率由式(4)給出。

其中:δx和δRg是圖像方位和地面距離分辨單元的尺寸;NΙ=LrLaz是相關處理過程中積累采樣的數目;WL=WrWaz是距離和方位加權函數造成的峰值信號強度的總損失;Lr和Laz分別是距離和方位參考函數的長度;Wr和Waz分別是距離和方位參考函數加權損失因子;參數L是為減少斑點噪聲的多視數或非相干疊加的分辨單元數(假定沒有歸一化)。因為噪聲樣本數沒有進行相干疊加，所以式(4)中的第2項要乘以NΙ。相反，式(4)中的第1項表示的信號功率可以認為是相位補償后進行相干積累。信號功率項和噪聲功率項之間表現的差別可以解釋為:回波信號在電壓上相干，而噪聲項相互間是非相干的，所以只能在功率上相加。

為了測試端到端的輻射定標比例因子，式(4)中()K'RδxδRgLN2IWL即為要測量的端到端的輻射定標比例因子?？梢詫⑹?4)簡化為

只要求得平均像素功率值和平均噪聲功率值即可求得輻射定標比例因子。

2 均勻場景輻射定標測試算法

建立方位向和距離向壓縮后圖像的輻射定標算法，步驟如下(見圖1):

步驟1測量噪聲功率

噪聲功率隨時間的變化主要是雷達接收鏈路中各部分增益變化的結果。變化量可以通過只接收噪聲功率來測量:使發射機置于待機狀態，接收機此時只記錄熱噪聲功率。假設由定標回波數據處理獲得了Nr×Na的噪聲圖像，噪聲像素功率為

其中:Ai，j為噪聲圖像像素幅度值;Nr為距離向單元數;Na為方位向單元數。

步驟2測量均勻區域圖像的平均功率

假設由均勻區域回波數據處理獲得了Nr×Na的SAR圖像，其均勻區域圖像的平均功率是隨斜距變化的量，則SAR圖像像素功率為

其中:Bi，j為SAR圖像像素幅度值;Nr為距離向單元數;Na為方位向單元數。

步驟3測量有效信號功率

1)忽略模糊信號和旁瓣信號

2)考慮模糊信號和旁瓣信號

假設已知距離向模糊度為RASR，方位向模糊度為AASR，距離向積分旁瓣比為RISLR，方位向積分旁瓣比為AISLR，單位均為dB。由此可以假設像素的距離向模糊功率為PRASR，方位向模糊功率為PAASR，距離向積分旁瓣功率為PRISLR，方位向積分旁瓣功率為PAISLR，Pr()R為隨斜距變化的含模糊能量和旁瓣能量的信號功率值，Ps()R為隨距離變化并去除模糊能量和旁瓣能量的有效信號功率值，由定義可得:

將式(14)～(16)代入式(10)即可得到實際有效的信號功率值。

圖1 均勻目標場景輻射定標常數測試流程

3 強點目標輻射定標測試算法

點目標通常是一種人造設備，如角反射器、轉發器、音頻信號發生器和接收機等。這些定標器的幾何面積遠小于SAR圖像的分辨單元，但它們的雷達截面積遠大于分辨單元內定標器周圍背景區域的總散射功率。

其中:Pr是SAR圖像中點目標的功率;σ是點目標的雷達截面積;K為輻射定標比例因子;N為圖像像素噪聲功率。

建立方位向和距離向壓縮后圖像的輻射定標算法，步驟如下(圖2):

步驟1測量噪聲功率

噪聲功率隨時間的變化主要是雷達接收鏈路中各部分增益變化的結果。變化量可以通過只接收噪聲功率來測量:使發射機置于待機狀態，接收機此時只記錄了熱噪聲功率。假設由定標回波數據處理獲得了Nr×Na的噪聲圖像，像素噪聲功率如式(6)所示。

步驟2測量點目標的平均功率

假設由已知雷達截面積(RCS)的點目標回波數據處理獲得了Nr×Na的SAR圖像。在圖像中找出點目標最大幅值處的像素坐標值，以該像素坐標值為中心，截取512×512塊數據。對512× 512數據塊進行16倍插值，插值后的最大亮點幅值為Bmax，所以SAR圖像點目標的功率值為

步驟3測量有效信號功率

為了減小來自背景區域的定標誤差，點目標RCS應至少比SAR圖像分辨單元總散射功率高20dB，所以可忽略模糊信號和旁瓣信號。

圖2 強散射點目標輻射定標常數測試流程

4 試驗測試結果

對現有的回波數據進行了試驗。分別對熱帶雨林數據和定標場數據進行了測試，噪聲數據和SAR有效回波數據均按照相同的成像處理算法進行處理，保證了測試結果的科學性，同時忽略了模糊信號和旁瓣信號的影響。測試過程中分別獲得了噪聲功率值、信噪比、定標常數以及系統靈敏度，其中熱帶雨林后向散射系數為－6 dB、點目標雷達截面積為40 dB。

4.1熱帶雨林測量結果

噪聲功率值為35.46 dB，隨斜距變化的信噪比測量結果如圖3所示，隨斜距變化的輻射定標比例因子測量結果如圖4所示，系統靈敏度如圖5所示。

4.2定標場測量結果

測量結果見表1。

圖3 熱帶雨林數據隨斜距變化的信噪比曲線

圖4 熱帶雨林數據隨斜距變化的輻射定標常數曲線

圖5 熱帶雨林數據隨斜距變化的系統靈敏度曲線

表1 定標場數據測量結果dB

5 結束語

本文完成了輻射定標常數測試算法的研究，分析了輻射定標常數的數學原理和模型，同時針對國內外輻射定標常用的場景區域進行了測試模型的建立，并研究了具體的測試算法和流程，最后利用回波數據進行試驗驗證。試驗結果充分證明了該測試算法的有效性和可行性。在未來的研究工作中，需要針對高分及后續其他SAR衛星的在軌定標技術需求，研究高輻射定標精度、高輻射分辨率和高時效的在軌定標技術，解決新型星上定標器的設計和研發關鍵技術，開發在軌定標數據處理算法和軟件，滿足高精度輻射定標的應用需求，進一步提高星載SAR成像的質量。

［1］Zink M，Bamler R.X－SAR Radiometric Calibration and Data Quality［J］.IEEE TRANSACTIONS ON GEOSCIENCE AND REMOTE SENSING，1995，33(4):840－847.

［2］Lukowski T I，Hawkins R K，Moucha R Z，et al.Spaceborne SAR Calibration Studies:ERS－1［J］.1994 Canadian Crown Copyright:2218－2220.

［3］陶鹍，張云華.星載SAR亞馬遜雨林輻射定標仿真研究［J］.空間科學學報，2006，26(4):309－314.

［4］Schwerdt M，Br?utigam B，Bachmann M，et al.TerraSARX Calibration Results［Z］.EUSAR2008:91－95.

［5］Schwerdt M，Schrank D，Bachmann M，et al.TerraSAR－X Re－Calibration and Dual Receive Antenna Campaigns performed in 2009［Z］.EUSAR2009:218－221.

［6］Curlander JC，Mcdonough R N.Synthetic Aperture Radar:Systems and Signal Processing［M］.USA:JohnWiley＆Sons，Inc，1991:217－256.

(責任編輯 楊黎麗)

A lgorithm of Spaceborne SAR Radiometric Calibration Based on Application

YANGWen－hai
(College of International Education，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China)

With the continuous development of spaceborne SAR technology，there is increasing high demand on the imaging quality，notonly requiring a higher spatial resolution，butalso requiringmore precise target backscattering coefficient information.In order to observe physical characteristics of target，we carry out the research on the radiometric calibration.As the radiometric calibration technology is a complex systematic work，this papermainly completed the calibration ofmeasurement algorithm of constant radiation，at the same time obtained test results of spaceborne SAR system sensitivity.From the basic principle and the testing data of the specific algorithm，we established the radiation calibration constantsmeasurementmodel and specific algorithm testing，and the test results confirmed the feasibility and effectiveness of the algorithm.

spaceborne SAR;radiometric calibration;calibration constant;system sensitivity;testing algorithm

TP301.5

A

1674－8425(2014)01－0075－05

10.3969/j.issn.1674－8425(z).2014.01.015

2013－10－21

楊文海(1976—)，男，江蘇句容人，博士后，講師，主要從事通信工程、高等教育管理研究。

楊文海.應用星載SAR輻射的定標算法［J］.重慶理工大學學報:自然科學版，2014(1):75－79.

format:YANGWen－hai.Algorithm of Spaceborne SAR Radiometric Calibration Based on Application［J］.Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2014(1):75－79.