应用星载SAR辐射的定标算法

杨文海

(南京航空航天大学国际教育学院，南京 210016)

应用星载SAR辐射的定标算法

杨文海

(南京航空航天大学国际教育学院，南京 210016)

随着星载SAR技术的不断发展，对成像质量的要求越来越高，不仅要求更高的空间分辨率，而且要求更加精确的目标后向散射系数信息，以便观测目标的物理特征，为此开展了辐射定标技术的研究。通过对辐射定标常数测量算法的研究，获得了星载SAR系统灵敏度的测试结果。从基本原理和实测数据出发，建立了辐射定标常数测量模型和测试的具体算法。试验结果验证了该测试算法的有效性和可行性。

星载SAR;辐射定标;定标常数;系统灵敏度;测试算法

星载合成孔径雷达(SAR)遥感技术以其全面、快速、客观等独特优势，成为研究地球科学和认知地球系统的重要手段。随着经济和科技的快速发展，国家的宏观决策、资源调查、环境及灾害监测等领域亟需全天时、全天候对地观测数据的支持。星载SAR的辐射定标水平直接决定遥感数据的成像质量，影响遥感数据应用的广度与深度，所以星载SAR图像辐射定标是星载SAR成像必须完成的一项任务。辐射定标分为内定标和外定标。内定标主要是通过固定设备(如定标信号源、复制调频信号)注入定标信号到雷达数据流中，以标定雷达系统性能，内定标技术在国内外很多文献中已经论述［1－2］;外定标是指通常通过地面目标产生或反射的定标信号来定标雷达系统性能的过程［3－6］，这些地面目标可以是已知雷达截面积的点目标(如角反射器和有源反射器)，也可以是已知散射特性(如σ0)的分布目标。

本文对外定标测试技术进行了研究，主要完成辐射定标常数的确定。首先分析了辐射定标原理，其次建立了均匀目标和强散射点目标辐射定标常数测试模型和测试算法，最后对回波数据进行了试验，试验结果符合系统指标要求。

1 辐射定标原理

SAR图像数据的辐射定标过程可以简单概括为目标后向散射系数与其图像数据的比例因子的估计过程。假设雷达系统是线性系统，那么接收机输出功率可以表示为

其中:Pr是总的接收功率;Ps是信号功率;Pn是加性噪声(热噪声)功率。忽略模糊度的影响，信号功率与平均后向散射系数的关系可以表示为

其中:K'(R)是与距离有关的比例因子。雷达散射截面积可以表示为=σ0ΔxΔRg，Δx、ΔRg分别是未处理的原始回波信号在方位向和地面距离向的分辨单元大小。由此可以得到经过均匀目标反射回来的接收功率:

其中Pn是估计后向散射系数σ0时数据采样点的平均噪声功率。

针对均匀分布的区域目标(例如热带雨林)的辐射定标可以在方位向和距离向压缩之后进行，均匀区域图像的平均功率由式(4)给出。

其中:δx和δRg是图像方位和地面距离分辨单元的尺寸;NΙ=LrLaz是相关处理过程中积累采样的数目;WL=WrWaz是距离和方位加权函数造成的峰值信号强度的总损失;Lr和Laz分别是距离和方位参考函数的长度;Wr和Waz分别是距离和方位参考函数加权损失因子;参数L是为减少斑点噪声的多视数或非相干叠加的分辨单元数(假定没有归一化)。因为噪声样本数没有进行相干叠加，所以式(4)中的第2项要乘以NΙ。相反，式(4)中的第1项表示的信号功率可以认为是相位补偿后进行相干积累。信号功率项和噪声功率项之间表现的差别可以解释为:回波信号在电压上相干，而噪声项相互间是非相干的，所以只能在功率上相加。

为了测试端到端的辐射定标比例因子，式(4)中()K'RδxδRgLN2IWL即为要测量的端到端的辐射定标比例因子。可以将式(4)简化为

只要求得平均像素功率值和平均噪声功率值即可求得辐射定标比例因子。

2 均匀场景辐射定标测试算法

建立方位向和距离向压缩后图像的辐射定标算法，步骤如下(见图1):

步骤1测量噪声功率

噪声功率随时间的变化主要是雷达接收链路中各部分增益变化的结果。变化量可以通过只接收噪声功率来测量:使发射机置于待机状态，接收机此时只记录热噪声功率。假设由定标回波数据处理获得了Nr×Na的噪声图像，噪声像素功率为

其中:Ai，j为噪声图像像素幅度值;Nr为距离向单元数;Na为方位向单元数。

步骤2测量均匀区域图像的平均功率

假设由均匀区域回波数据处理获得了Nr×Na的SAR图像，其均匀区域图像的平均功率是随斜距变化的量，则SAR图像像素功率为

其中:Bi，j为SAR图像像素幅度值;Nr为距离向单元数;Na为方位向单元数。

步骤3测量有效信号功率

1)忽略模糊信号和旁瓣信号

2)考虑模糊信号和旁瓣信号

假设已知距离向模糊度为RASR，方位向模糊度为AASR，距离向积分旁瓣比为RISLR，方位向积分旁瓣比为AISLR，单位均为dB。由此可以假设像素的距离向模糊功率为PRASR，方位向模糊功率为PAASR，距离向积分旁瓣功率为PRISLR，方位向积分旁瓣功率为PAISLR，Pr()R为随斜距变化的含模糊能量和旁瓣能量的信号功率值，Ps()R为随距离变化并去除模糊能量和旁瓣能量的有效信号功率值，由定义可得:

将式(14)～(16)代入式(10)即可得到实际有效的信号功率值。

图1 均匀目标场景辐射定标常数测试流程

3 强点目标辐射定标测试算法

点目标通常是一种人造设备，如角反射器、转发器、音频信号发生器和接收机等。这些定标器的几何面积远小于SAR图像的分辨单元，但它们的雷达截面积远大于分辨单元内定标器周围背景区域的总散射功率。

其中:Pr是SAR图像中点目标的功率;σ是点目标的雷达截面积;K为辐射定标比例因子;N为图像像素噪声功率。

建立方位向和距离向压缩后图像的辐射定标算法，步骤如下(图2):

步骤1测量噪声功率

噪声功率随时间的变化主要是雷达接收链路中各部分增益变化的结果。变化量可以通过只接收噪声功率来测量:使发射机置于待机状态，接收机此时只记录了热噪声功率。假设由定标回波数据处理获得了Nr×Na的噪声图像，像素噪声功率如式(6)所示。

步骤2测量点目标的平均功率

假设由已知雷达截面积(RCS)的点目标回波数据处理获得了Nr×Na的SAR图像。在图像中找出点目标最大幅值处的像素坐标值，以该像素坐标值为中心，截取512×512块数据。对512× 512数据块进行16倍插值，插值后的最大亮点幅值为Bmax，所以SAR图像点目标的功率值为

步骤3测量有效信号功率

为了减小来自背景区域的定标误差，点目标RCS应至少比SAR图像分辨单元总散射功率高20dB，所以可忽略模糊信号和旁瓣信号。

图2 强散射点目标辐射定标常数测试流程

4 试验测试结果

对现有的回波数据进行了试验。分别对热带雨林数据和定标场数据进行了测试，噪声数据和SAR有效回波数据均按照相同的成像处理算法进行处理，保证了测试结果的科学性，同时忽略了模糊信号和旁瓣信号的影响。测试过程中分别获得了噪声功率值、信噪比、定标常数以及系统灵敏度，其中热带雨林后向散射系数为－6 dB、点目标雷达截面积为40 dB。

4.1热带雨林测量结果

噪声功率值为35.46 dB，随斜距变化的信噪比测量结果如图3所示，随斜距变化的辐射定标比例因子测量结果如图4所示，系统灵敏度如图5所示。

4.2定标场测量结果

测量结果见表1。

图3 热带雨林数据随斜距变化的信噪比曲线

图4 热带雨林数据随斜距变化的辐射定标常数曲线

图5 热带雨林数据随斜距变化的系统灵敏度曲线

表1 定标场数据测量结果dB

5 结束语

本文完成了辐射定标常数测试算法的研究，分析了辐射定标常数的数学原理和模型，同时针对国内外辐射定标常用的场景区域进行了测试模型的建立，并研究了具体的测试算法和流程，最后利用回波数据进行试验验证。试验结果充分证明了该测试算法的有效性和可行性。在未来的研究工作中，需要针对高分及后续其他SAR卫星的在轨定标技术需求，研究高辐射定标精度、高辐射分辨率和高时效的在轨定标技术，解决新型星上定标器的设计和研发关键技术，开发在轨定标数据处理算法和软件，满足高精度辐射定标的应用需求，进一步提高星载SAR成像的质量。

［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，张云华.星载SAR亚马逊雨林辐射定标仿真研究［J］.空间科学学报，2006，26(4):309－314.

［4］Schwerdt M，Bräutigam 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.

(责任编辑 杨黎丽)

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

杨文海(1976—)，男，江苏句容人，博士后，讲师，主要从事通信工程、高等教育管理研究。

杨文海.应用星载SAR辐射的定标算法［J］.重庆理工大学学报:自然科学版，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.