高分辨率機載SAR多子帶合成誤差補償方法

， 禹衛， ，

(1.中國科學院電子學研究所， 北京 100190；2.中國科學院大學， 北京 100049；3.河南大學計算機與信息工程學院， 河南開封 475004)

0 引言

合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar, SAR)是一種主動式微波遙感設備。與光學遙感設備相比，其成像能力更強，受環境因素的影響小，而且SAR工作波段多樣性能夠使其適用于不同的應用場景。高分辨率SAR在立體測繪、農業普查、城建勘測、減災救災、資源保護、海域動態監測等民用領域以及偵察、監視等軍事領域有著不可替代的作用。對于分辨率越高的圖像，從圖像中獲取的目標特征和場景信息就越豐富，其應用價值就越大[1-4]。

受到SAR圖像距離向分辨率與發射信號帶寬成反比的制約，增大發射信號的帶寬能夠有效地提高SAR的距離向分辨率，但是直接接收大帶寬信號會給系統接收模塊和信號采集模塊的設計與硬件實現帶來較大的困難。目前一些實用的高分辨率SAR系統大都采用子帶合成技術來實現大帶寬。法國的機載SAR系統RAMSES對5個子帶進行合成，總帶寬達到1.2 GHz[5]。德國FGAN公司的PAMIR機載SAR系統在2011年升級后，合成帶寬由1.8 GHz增加到3.6 GHz[6-7]。國內中國科學院電子學研究所等單位也開展了相關的工作，并且實現了多子帶機載SAR系統。其中中國科學院電子學研究所研制的多子帶機載SAR系統，采用子帶合成技術可以實現總帶寬達3.6 GHz寬帶信號的收發，這使得距離向分辨率最高達4.17 cm[8]。

子帶信號通過系統的不同部分，不可避免地會因為系統的非理想特性引入誤差，由于子帶誤差會降低合成后的成像質量，所以在子帶合成前必須對誤差進行補償。文獻[9]針對子帶相位誤差建立了一種兩步式估計模型，僅對通道相位誤差進行補償。文獻[10]提出了基于回波數據方法來補償通道誤差。文獻[11]利用角反射器計算每個子帶系統的相位差。文獻[12]采用FIR濾波器校正系統產生的幅相誤差，該方法在信號時域進行補償。文獻[13]使用一種基于空間閉環輻射測量和具有頻偏誤差修正的矢量網絡分析技術相結合的方法進行幅相誤差校正。本文針對子帶合成中存在的子帶內誤差和子帶間誤差，利用地面定標數據提取出子帶內相位誤差曲線和幅度誤差曲線，將二者補償到每個子帶數據中，由于接收的信號在時域是混疊的，只能在頻域進行誤差提取和補償。針對子帶間誤差結合實測數據的特點，提出了基于實測數據根據對比度最大原則，采用兩步式搜索方法計算子帶間誤差的方法，并將計算的誤差補償到原始數據中，最后在頻域進行子帶合成并成像。

1 子帶合成方案

目前實用的子帶合成方案有3種：合成距離包絡法[14]、時域合成法和頻域合成法[15]。3種方法各有優缺點，合成距離包絡法效率最高，但是存在能量溢出，導致距離向形成虛假峰，而且該方法對速度誤差敏感。時域合成包含了時移、誤差補償和頻譜疊加，效率最低。頻域合成在完成子帶內和子帶間誤差補償以后，只需進行頻譜的拼接，具有運算量小、實現簡單、性能好等優點[16]。通過以上比較，本文采用的是頻域合成法。頻域合成其實就是頻譜的合成，根據頻率步進關系，將各子帶信號進行頻移，然后進行疊加即可。頻域子帶合成示意圖如圖1所示。

實際信號處理過程中，頻域子帶合成的主要步驟如下：

步驟1 子帶內幅度和相位誤差補償；

步驟2 子帶間的延遲誤差補償；

步驟3 根據頻率步進關系進行頻移；

步驟4 子帶信號頻譜疊加并進行濾波。

子帶誤差補償對于子帶合成至關重要，下面將討論子帶誤差提取方法。

2 子帶內誤差提取方案

子帶內誤差源于系統的非理想特性，發射機發射的信號經過接收機后，信號不再是理想的，出現了一定程度的失真，圖2是單子帶定標信號脈沖壓縮結果。從圖中可以看出信號出現了明顯的畸變，旁瓣很高且不對稱，必須進行補償。

2.1 基本原理

假設步進頻率線性調頻信號形式為

n=0,1,…，N-1

(1)

式中，f0為雷達起始載頻，Δf為相鄰子帶載頻差，K為距離向調頻率，Tp為信號寬度。

信號經過系統后會產生幅度和相位畸變，經過解調后畸變后的定標信號可以表示為

n=0,1,2,…，N

(2)

(3)

(4)

2.2 誤差提取方案

通過以上理論分析，利用定標數據，誤差提取步驟如下：

誤差提取方法的流程如圖3所示。

2.3 誤差提取方案驗證

為了驗證子帶內誤差提取的正確性，利用地面定標數據進行處理，子帶內誤差如圖4所示，誤差補償前后脈壓結果如圖5所示。對誤差補償前后結果計算如表1和表2所示。

表1 子帶內誤差未補償脈壓指標

在圖4中，為了盡可能準確地提取幅度和相位誤差，保留了誤差曲線兩端的振蕩，為了便于觀察比較3子帶相位誤差，對子帶1和子帶3進行了移動，數值是2π的整數倍，對結果沒有影響。從圖中可以看出，3個子帶的幅相誤差均不相同。

從圖5(a)脈沖壓縮的結果可以看出，單子帶定標信號經過系統后出現了嚴重的失真，這種信號無法進行子帶合成。圖5(b)和3個子帶指標計算結果均表明，利用本文使用的方案提取出子帶內幅度和相位誤差，經過誤差補償以后，單子帶信號脈沖壓縮結果和理想信號基本一致，為后面子帶間誤差計算以及最終的子帶合成提供了必要條件。

3 子帶間誤差提取方案

由于3個子帶信號經過系統的不同接收機部分，接收機之間的差異會對信號造成不同的延遲，該延遲如果不進行補償子帶合成就會失敗。由于該機載SAR系統發射端使用倍頻的方式直接發射的是帶寬為3.6 GHz的信號，利用3個載頻不同的接收機對回波信號的不同部分進行接收，所以子帶間的幅度和相位誤差非常小，對子帶合成的影響可以忽略，主要考慮子帶間的延遲，即采樣點偏移量。本文提出了一種基于原始數據的相對延遲估計方法，利用對比度最大原則估計相對延遲量，并且為了提高偏移量估計的精度，采用了兩級搜索方案，具體的估計步驟如下：

步驟1 對數據進行距離向脈沖壓縮；

步驟2 選取子帶2作為參考子帶，根據系統參數對子帶1和子帶3進行循環移位，移位量為fs·Tp，使得3個子帶基本重合；

步驟3 計算偏移量整數部分：設置搜索步長為1，對子帶1和子帶3分別進行循環移位，計算圖像對比度，當對比度達到最大時，停止搜索，得到偏移量整數值；

步驟4 計算偏移量小數部分：在上一步的基礎上，設置搜索步長0.01，對子帶1和子帶3進行微調，當對比度達到最大時，停止搜索，得到偏移量的小數值；

步驟5 將子帶1和子帶3移回到原來位置，并根據兩次搜索的偏移量對子帶1和子帶3進行補償。

實際操作的流程圖如圖6所示。

步驟2中，fs是采樣率，Tp是子帶信號脈沖寬度。根據以上步驟，分別對子帶1和子帶3相對于子帶2的偏移量進行計算，并將偏移量補償到子帶1和子帶3中用于后續成像。子帶內和子帶間誤差計算完成后，接下來通過機載SAR實測數據進行驗證。

4 機載數據處理

子帶內和子帶間誤差補償完成后，利用實際的機載數據進行成像，以驗證計算結果。成像處理基本流程如圖7所示。

實際使用的機載SAR系統的載頻為9.6 GHz，3個子帶信號的帶寬為1.2 GHz。根據以上設計的處理流程，利用實際飛行數據進行測試，測試主要包括單子帶帶內誤差補償前后成像結果對比，單子帶誤差補償后成像結果與3個子帶誤差補償后子帶合成成像結果對比。一方面驗證子帶內幅度與相位誤差和子帶間誤差提取方法的正確性，另一方面可以驗證通過子帶合成技術能夠實現大帶寬信號的收發，到達高分辨率成像的目的。

在定標數據的頻域提取出子帶內幅度和相位誤差后，先將3個子帶的原始數據變換到距離頻域，然后將幅度誤差和相位誤差與之相乘，以完成子帶內誤差補償。緊接著從原始數據中提取出子帶間的延遲誤差，并對子帶1和子帶3進行補償,然后在頻域進行子帶合成，利用合成后的大帶寬數據進行成像，以得到高分辨率的圖像。

為了驗證子帶內誤差提取的效果，對子帶2進行了成像，對比子帶內誤差補償前后成像的結果，實際場景成像結果如圖8所示。

從圖8(a)、圖8(b)可以看出，帶內誤差補償前，成像場景中強目標距離向旁瓣很高，遠端旁瓣數值也較高，會遮蓋周圍弱目標，成像效果很差。經過帶內幅度和相位誤差補償后，旁瓣數值降低十分明顯，遠端旁瓣對周圍目標的影響非常小，成像質量得到明顯改善。綜合以上處理結果可知，子帶內幅度和相位誤差得到了有效的補償。

為了驗證子帶間誤差提取方法的可行性和準確性，將3個子帶進行合成，利用定標數據比較單子帶成像與子帶合成后成像的效果。經過子帶內和子帶間誤差補償后，3個子帶信號和子帶合成后信號的脈沖壓縮結果如圖9所示，表3給出了點目標子帶合成前后性能分析。

表3 單子帶和子帶合成后信號性能對比

為了進一步驗證結果的正確性，利用機載SAR飛行數據對實際場景進行成像，成像結果如圖10所示。

按照本文提出的子帶間誤差計算方法，提取出誤差并補償到原始數據后，進行了3個子帶合成。通過圖9和表3可以看出，經過子帶內誤差補償后單子帶性能指標與理想值相符，而子帶間誤差補償后，3個子帶合成脈沖壓縮結果可知，距離向分辨率與3.6 GHz帶寬的理論分辨率十分接近，峰值旁瓣比和積分旁瓣比與理想值一致。實際場景成像結果如圖10(b)所示，成像場景中地物信息豐富。選取一塊場景進行局部放大如圖10(c)所示，對比子帶間誤差補償前后結果圖10(d)、圖10(e)可以看出，誤差補償前成像質量較差，細節很模糊，誤差補償后成像質量得到了很大的改善。對比單子帶和3個帶合成后成像效果，從圖10(c)、圖10(e)可以看出，經過子帶合成后，房屋輪廓更加清晰，許多目標的辨識度更強，效果明顯優于單子帶成像效果，可以在實際成像處理中運用。

5 結束語

本文針對多子帶合成技術中子帶內幅度與相位誤差利用定標數據進行了計算，并給出了具體的操作流程。針對子帶合成技術中子帶間誤差提出了一種基于原始數據的計算方法，該方法根據圖像對比度最大原則，采用兩級計算方式，提高了子帶間誤差計算的精確度。最后利用定標數據和機載SAR實測數據進行成像分析，驗證了本文所提出的誤差計算方法的有效性。