Error Analysis and Processing Method of Non-stationary Airborne Fully Polarimetric SAR Quantitative Measurement
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摘要: 即使SAR系统内外定标非常准确,在不同飞行条件下,机载全极化SAR测量精度仍然存在一定的变化,特别在非平稳及高波段时,精度恶化较为严重。针对该问题,该文首先建立了非平稳环境下全极化SAR误差模型,然后分析了分时收发体制下通道间轨迹的微弱变化对极化相位不平衡度的影响,指出随着波段的提升,相同运动误差导致的相位不平衡度相应加重,据此给出了相应的处理方法。最后通过仿真及高分航空专项S波段SAR获取的数据对该方法进行了检验,开展的多次应用示范,也验证了方法的有效性和稳定性。Abstract: Even though the internal and external SAR system calibration is very accurate, the accuracy of airborne fully polarimetric SAR measurement still changes to some extent under different flight conditions. In the condition of non-stationary and high frequency, the accuracy deteriorates seriously. In order to solve this problem, an error model of fully polarimetric SAR in non-stationary environment is proposed, and then the influence of the slight variation of trajectory between channels on the polarization phase imbalance degree in time-sharing transceiver system is analyzed. It is pointed out that the same motion error will aggravate the phase imbalance with the increase of the band. The corresponding processing method is proposed accordingly. Finally, the effectiveness of this method is verified by simulation and S-band SAR data. The effectiveness and stability of this method are also verified by several application demonstrations.
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1. 引言
随着我国高分专项建设完善和微波遥感能力的快速提升,合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar, SAR)的应用领域日益扩展[1,2],利用高精度定量化SAR系统测量地物目标的雷达散射截面(Radar Cross Section , RCS)和极化散射矩阵[3,4],反演目标物理特性,在地球遥感的参数反演、目标识别和微波视觉等诸多领域受到了越来越多的关注[5-9]。
近年来,电子科技的进步大幅提升了SAR系统的射频组件、传输链路和高精度惯性导航系统等电子电路系统的性能,达到了高精度定量化SAR系统的内在要求。在此基础上,高精度定量化测量需要考虑到飞行平台、SAR载荷、飞行试验和成像处理多个环节。在系统设计中,为了精确测量和标定通道幅度与相位的起伏,并测量链路时延参数,需要设计内定标回路。国际上SAR系统内定标精度一般能够达到0.2 dB[10];如果是全极化或者多通道系统,内定标还需要考虑通道间幅相一致性和通道隔离度等因素[11-13]。外定标试验通过比较地面已知目标的散射特性的理论真值与SAR测量值之间的差异,标定系统参数[14]。相较于内定标,外定标可以对成像全链路的固定误差进行标定,通过内外定标和姿态补偿后,可以获取系统时延、辐射和极化畸变矩阵,在成像和图像中进行校正,即可实现地物高的几何、辐射和极化测量精度。文献[15-17]从辐射方面报道了定量化方面的结果,文献[18,19]介绍了几何定标的方法和处理步骤,文献[20]则从极化处理的角度进行了相关报道。表1列出了国内外典型SAR系统的定标精度。总体而言,载荷内部的影响因素主要为长时间稳定的误差,短期随机误差一般较小,这可以通过各种极化内外定标及校正技术校正。
表 1 国内外典型SAR系统定标精度平台 SAR 绝对定标精度(dB) 相对辐射定标精度(dB) 极化隔离度(dB) 通道不平衡度(dB) 相位不平衡度(°) 机载 毫米波SAR[15] ≤2 ≤1 – – – X-SAR[16] ≤2 ≤1 – ±0.2 ±11 UAVSAR[20] ≤1 ≤0.7 −30 ±0.04 ±6 F-SAR[21] ≤2 ≤0.3 −37 – ±2 Pi-SAR-L2[22] ≤1 – −35 ±0.2 ±5 星载 SIR-C[23] ≤3 ≤1.5 −30 ±0.4 ±10 Tandem-X[24] ≤0.5 ≤0.2 – – – Sentinel-1A[25] ≤1 ≤0.5 −33.2 ±0.2 ±13 AlSO-2[26] ≤1 ≤0.5 −40 ±1 ±5 GF-3[27,28] ≤1.5 ≤1 −45 ±0.5 ±10 以上分析和研究都是假设飞行平稳的条件下进行的,也可以认为一次定标结果,可以用于多次定量化测量。实际中,机载SAR主要工作在对流层,姿态与轨迹容易受到各种扰动,这种扰动对SAR测量精度影响的分析较少见到。一般情况下,高精度定量化SAR系统需要具备相控阵体制天线和高精度惯性导航系统,以满足飞行中姿态实时运动补偿和成像过程中的3维速度需求。对于全极化SAR定量化测量而言,几何和辐射相对容易实现,但极化相位不平衡度非常敏感,在大面积测量中,往往是最难以达到的指标。基于此,本文将尝试从机载平台飞行不稳定性出发,分析其产生的误差及对相位不平衡度的影响,然后针对性给出处理方法,利用仿真验证了本方法的有效性。最后利用高分专项航空系统S波段全极化SAR开展试验验证,在这些大面积区域的定量化测量试验中,系统达到极化相位不平衡度小于等于5°,达到了主要的生物圈科学研究定标需求[29-31]。
2. 全极化SAR定量化测量误差分析
相对于一般的RCS测量雷达,利用机载全极化SAR进行地物定量化观测有两个不同之处,一是需要考虑飞行过程的响应,二是除了测量地物RCS外,还需进一步标定并校准通道间的相位差,以免影响到极化散射特征。通常认为SAR成像过程是发射信号与成像系统响应函数的卷积,主要包含了雷达本体、平台、空间传输和地面散射各个独立的子系统。本文重点分析飞行不平稳对全极化SAR系统标定的影响,因此,这里忽略了载荷和空间传输的非线性。
全极化SAR系统采用交替发射水平(Horizontal polarization, H)与垂直极化波(Vertically polarization, V),同时接收两种极化的方式实现HH/HV/VH/VV全极化数据的分时获取。目前的全极化天线通常的实现形式是采用波导缝隙阵,垂直极化和水平极化以嵌套方式构成一组双极化天线,每组单元由1个双极化收发组件驱动。在一些大扫描角或者频段较高的极化SAR系统中,受制于收发组件小间距要求,往往会做成沿航向极化分口径的形式。这两种极化实现形式的主要不同表现为天线相位中心的不一致,图1给出了这两种天线构型和对应相位中心。非平稳环境中,前者只受到分时实现全极化的影响,后者则还需要进一步考虑相位中心的补偿,相对复杂。考虑到大面积定量化测量主要采用条带式成像,对大扫描角需求较小,这里主要在第1种实现方式下开展误差分析及处理。
机载平台运动受到气流扰动较大,姿态和运动一般不会很平稳,产生幅度和相位的调制,考虑到采用相控阵体制天线进行实时姿态运动补偿,幅度误差可以忽略。极化SAR间隔发射H和V极化信号,由于时刻不同,在非平稳飞行时,轨迹会产生一定的误差。根据图1可知,当H极化发射,HH和HV数据将同时获取,V极化发射,VV和VH数据同时获取,这意味着,同极化间和交叉极化间的误差形式一样,下面以同极化间误差为例进行分析,其误差可表示为
X=t∫0vx(τ)dτ,R=t∫0vy(τ)+jvz(τ)dτΔX=XH−XV=a0+a1t+a2t2+o(t2)ΔR=RH−RV=b0+jc0+(b1+jc1)t+(b2+jc2)t2+o(t2)} (1) 其中,
X 为航向方向轨迹,通过对航向速度vx(t) 积分获得,R 为垂直航向y-z平面的轨迹,ΔX 和ΔR 分别为同极化航向和垂直航向轨迹差。后者在场景不同视角的投影是空变的ΔRθ=ΔR⋅(cosθ+jsinθ) (2) 其中,
θ 为下视角。由于H和V极化交替发射,间隔时间很短,两者误差一般较小。成像后式(1)的误差对图像相对畸变的影响可以忽略,但相位的影响则需要进一步分析。在航向,
a0 是常数项,只产生图像位置偏移,不产生相位差;a1 和a2 为速度和加速度项,其会产生匹配滤波的调频率误差ΔKa=−2V2−2(V+a1+a2t)2λRθ≈4V(a1+a2t)λRθ (3) 则其在图像任一点
(R0,X0) 处的相位误差可以表示为[32]Δφx≈πΔKa3(T2)2≈πVa1T23λRθ=πVTΔX13λRθ (4) 其中,
V 是成像所用速度,ΔX1 是在航向产生的误差,T 是合成孔径时间。在视线方向,误差产生的相位表示为Δφr=phase(X0+T/2∑X0−T/2exp(j4πΔRθλ))=4π(b0cosθ+c0sinθ)λ+4π(b2cosθ+c2sinθ)λ⋅T212=4πΔRadjustλ (5) 轨迹误差的奇数次项不影响相位,式(5)的第2项也利用了文献[32]的结论。一般情况下,航向
ΔX1 和视线向误差ΔRadjust 在一个数量级,比较式(4)和式(5)可得ΔφxΔφr≈VT12Rθ≪1 (6) 因此,
Δφx 一般可以忽略,只需要补偿式(5)即可改善相位不平衡度。需要注意的是,机载SAR大面积测量时主要采用条带模式,图像每个点对应的积分孔径都不一致,最佳的补偿方式应该是逐点计算相位差,然后校正。但这种补偿方式效率运算量过大,效率低。考虑到孔径共用和加窗影响,可以利用较短的回波,例如1.5个孔径形成0.5个孔径长度图像,这一方面有利于成像的运动补偿,另一方面所有点都共用了0.5个孔径的数据,也即是式(5)有1/2是相同的,边缘部分加窗消减较多,相干叠加对相位影响减弱,此时可以认为全孔径误差即为需要补偿的相位差。从式(5)可见
Δφr 与距离或视角有关,是空变的,且误差相位与波长呈反比关系。较小的误差即可产生很大的空变相位差,这就是机载非平稳条件下,相位不平衡度很难控制的原因。目前利用全极化SAR进行高精度极化测量并未考虑该项的影响,这就导致只能在较为平稳的飞行条件下进行测量,大量不平稳测量数据不满足精度要求,效率较低。实际测量时,考虑到随机噪声,一般在图像中测量多个具有强特显点人工目标统计平均,此时相位不平衡度测量可以定义为Δsta=√Np∑i=1(phase(ImgHHi/ImgHHiImgVViImgVVi))2N (7) 其中,
N 为测量点,一般为10~20个。根据式(2)和式(5),满足测量要求的误差可以写为|ΔR|≤|λΔφ4π| (8) 以0.1 m(S波段)和0.01 m(Ka波段)波长为例,为满足±5°的相位不平衡度,式(8)计算的统计分别为
|ΔR|≤0.0007 和|ΔR|≤0.00007 ,在不进行补偿的情况下,波段越高对飞行平稳性的要求越高。3. 定量化处理流程
根据第2节的分析,可以给出机载全极化SAR定量化测量的处理流程如图2所示。
与常规全极化SAR定量化测量不同,本方法的主要思路首先要根据相位不平衡度要求,利用式(1)和式(5)分析误差影响。如果飞行较为平稳或者采用逐点校正相位不平衡度的方法,可以选择较大的方位向处理点数,如果采用简化的处理方法,非平稳条件下最好不要超过1.5个合成孔径。在划分孔径后,根据高精度测量数据即可获得相应的校正相位。然后进行常规运动补偿、成像及几何、辐射校正。经过以上的处理后,可以认为获得的全极化图像只残留了由于极化分时收发导致的HH/HV与VH/VV的通道间误差,以其中一组双极化数据为参考,对另外一组数据校正
Δφr ,即可改善相位不平衡度。3.1 仿真分析
表2列出了仿真时用到的参数,仿真目标以距离中心为原点,放置3×3共9个点目标,方位向间隔为50 m,距离向间隔为300 m。在Y和Z方向加入2阶运动,其中Y方向取正,Z方向取负。在整个数据积累期间,速度变化量约为1 m/s,在实际飞行中这种量级的变化是常见的。图3给出了速度、速度差及位置差曲线。
表 2 雷达及飞行参数表参数 数值 载频(GHz) 3,9,35 采样频率(MHz) 400 中心视角(°) 60 带宽(MHz) 300 中心斜距(m) 5000 数据积累时间(s) 11.1 航向速度(m/s) 70 Y和Z方向速度(m/s) 0.1 Y和Z方向加速度(m/s2) 0.01 图4(a)—图4(c)分别为对Ka,X和S波段点目标成像后的测量相位误差,蓝色曲线为利用式(5)校正前的误差,波段越高,误差越大。Ka波段相位差达到17°以上,X波段达到6°以上,且均随视角变化。S波段的影响较小,约为2.5°。紫色曲线为补偿轨迹误差后的相位误差,各波段均收敛到0°附近,说明本方法可有效消除非平稳飞行导致的通道间相位误差。
3.2 高分专项航空系统S波段SAR试验
依据前两节的分析和处理方法,本节利用高分专项航空系统项目研制的S波段合成孔径雷达展开试验及分析,其参数如表3所示。在大面积区域进行定量化飞行时,受制于气象环境、空域限制等诸多因素,飞行不平稳的现象时有发生。图5展示了测区与机场区域的泡利(Pauli)分解图,角反射器均匀地分布在机场内。图6、图7给出了定标场和测区的飞机经纬度、通道间速度差与位置差,表4展示了补偿前后角反射器性能指标,由于飞行时较为平稳,补偿前相位不平衡度已经较好,补偿后同极化通道与交叉极化通道相位则均有进一步改善。
表 3 S波段飞行参数参数 数值 机场 测区 载频(GHz) 3.240040~55300 采样频率(MHz) 视角(°) 带宽(MHz) 中心斜距(m) 2817 5818 飞行高度(m) 1993 4206 飞机速度(m/s) 71 76 表 4 机场角反射器补偿前后性能指标(°)补偿前 补偿后 同极化通道相位不平衡度 3.47 3.19 交叉极化通道相位不平衡度 3.07 1.17 图7(a)显示了测区飞行时运行的经纬度,从中可以看出飞行时经纬度有明显的弯曲变化,说明飞行时很不平稳。在大面积测区内,大范围均匀布设定标器难度很大,需要选取特殊的散射体进行同极化通道相位误差测量。文献[33]指出粗糙的裸露地表可以作为定标体用于估计同极化通道相位的不平衡度,因此在测量时选择裸露地表作为评判标准,采用文献[34]提到的方法进行裸土地提取,选择不同视角、不同方位的区域测量同极化通道相位,表5展示了选择测区内测量结果,补偿后相位有了明显的改善。文献[35]表明,当入射角小于
50∘ 时,对于低频波段,裸露地表同极化通道间相位差不大于3°,表中最大相位差为2.27°,与前文理论分析结果基本一致,说明了非平稳下相位补偿方法的有效性。表 5 裸土同极化通道相位测量(°)区域 入射角 补偿前 补偿后 1 41.93 2.15 1.46 2 42.83 3.26 1.71 3 44.39 2.31 1.51 4 47.03 3.75 2.22 5 50.31 3.99 2.77 6 51.93 4.16 3.61 7 52.51 6.17 3.9 相位不平衡度 3.89 2.62 4. 结论
针对非平稳飞行条件下,机载全极化SAR相位不平衡度恶化严重的问题,本文建立了非平稳环境下全极化SAR的误差模型,然后分析了分时收发体制下通道间轨迹的微弱变化对极化相位不平衡度的影响,据此给出了相应的处理方法。近年来利用S波段全极化SAR在山东威海、吉林松原及榆树、黑龙江望奎和广东肇庆等地开展了超过10000 km2的微波定量化测量应用,在飞行中约有10%的数据是在非平稳条件下获取的,通过抽样测量系统的极化测量精度为相位不平衡度小于等于4°;幅度不平衡度小于等于1 dB(1σ),极化隔离度大于等于37 dB,这表明本文所提的非平稳机载全极化SAR误差校正方法具有较好的效果和稳定性。
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表 1 国内外典型SAR系统定标精度
平台 SAR 绝对定标精度(dB) 相对辐射定标精度(dB) 极化隔离度(dB) 通道不平衡度(dB) 相位不平衡度(°) 机载 毫米波SAR[15] ≤2 ≤1 – – – X-SAR[16] ≤2 ≤1 – ±0.2 ±11 UAVSAR[20] ≤1 ≤0.7 −30 ±0.04 ±6 F-SAR[21] ≤2 ≤0.3 −37 – ±2 Pi-SAR-L2[22] ≤1 – −35 ±0.2 ±5 星载 SIR-C[23] ≤3 ≤1.5 −30 ±0.4 ±10 Tandem-X[24] ≤0.5 ≤0.2 – – – Sentinel-1A[25] ≤1 ≤0.5 −33.2 ±0.2 ±13 AlSO-2[26] ≤1 ≤0.5 −40 ±1 ±5 GF-3[27,28] ≤1.5 ≤1 −45 ±0.5 ±10 表 2 雷达及飞行参数表
参数 数值 载频(GHz) 3,9,35 采样频率(MHz) 400 中心视角(°) 60 带宽(MHz) 300 中心斜距(m) 5000 数据积累时间(s) 11.1 航向速度(m/s) 70 Y和Z方向速度(m/s) 0.1 Y和Z方向加速度(m/s2) 0.01 表 3 S波段飞行参数
参数 数值 机场 测区 载频(GHz) 3.240040~55300 采样频率(MHz) 视角(°) 带宽(MHz) 中心斜距(m) 2817 5818 飞行高度(m) 1993 4206 飞机速度(m/s) 71 76 表 4 机场角反射器补偿前后性能指标(°)
补偿前 补偿后 同极化通道相位不平衡度 3.47 3.19 交叉极化通道相位不平衡度 3.07 1.17 表 5 裸土同极化通道相位测量(°)
区域 入射角 补偿前 补偿后 1 41.93 2.15 1.46 2 42.83 3.26 1.71 3 44.39 2.31 1.51 4 47.03 3.75 2.22 5 50.31 3.99 2.77 6 51.93 4.16 3.61 7 52.51 6.17 3.9 相位不平衡度 3.89 2.62 -
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