趙良波 李延 張慶君 劉杰 袁新哲 陳琦

(1北京空間飛行器總體設計部,北京 100094)

(2國家衛(wèi)星海洋應用中心,北京 100081)(3中國資源衛(wèi)星應用中心,北京 100094)

高分三號衛(wèi)星圖像質(zhì)量指標設計與驗證

趙良波1李延1張慶君1劉杰1袁新哲2陳琦3

(1北京空間飛行器總體設計部,北京 100094)

(2國家衛(wèi)星海洋應用中心,北京 100081)(3中國資源衛(wèi)星應用中心,北京 100094)

圖像質(zhì)量指標是衡量合成孔徑雷達(SAR)衛(wèi)星成像能力及定量化應用水平的重要指標。在進行高分三號(GF-3)衛(wèi)星總體設計時,根據(jù)海洋、減災、水利、氣象等應用領域的需求,提出了能夠兼顧各行業(yè)用戶典型應用及定量化反演的圖像性能要求,確定了幾何質(zhì)量指標和輻射質(zhì)量指標2類共13項圖像質(zhì)量指標,分析了衛(wèi)星平臺、SAR載荷、空間傳輸、地面定標及處理等各項因素對圖像質(zhì)量指標的影響,總結了通過衛(wèi)星總體設計保證各項圖像質(zhì)量指標的方法及手段。GF-3衛(wèi)星的在軌測試及業(yè)務化運行,驗證了圖像質(zhì)量指標的符合性,可為后續(xù)SAR衛(wèi)星的研制提供設計參考。

高分三號衛(wèi)星;合成孔徑雷達;圖像質(zhì)量指標;幾何質(zhì)量;輻射質(zhì)量;分塊自適應量化

1 引言

高分三號(GF-3)衛(wèi)星是中國首顆分辨率達到1 m的C頻段多極化合成孔徑雷達(SAR)衛(wèi)星,具有全天時、全天候的成像能力,并可以通過左右姿態(tài)機動擴大觀測范圍、提升響應速度。衛(wèi)星具有12種成像模式,最高1 m的空間分辨率,能夠獲得清晰的微波遙感影像;最大650 km的幅寬,可以完成大范圍的監(jiān)視監(jiān)測;多極化的探測方式,大幅度提高了對目標特性的獲取能力;高定量化指標,可實現(xiàn)更細致、更準確的定量化信息提取與反演。

GF-3衛(wèi)星的圖像質(zhì)量指標是指影響最終成像結果,且與用戶應用直接相關的技術指標,它是由天地各系統(tǒng)相關指標所決定和影響的。對影響圖像質(zhì)量指標的因素進行分析,可以有針對性地進行衛(wèi)星系統(tǒng)優(yōu)化設計,達到提升最終成像結果的目的。因此,圖像質(zhì)量指標對GF-3衛(wèi)星工程系統(tǒng)的設計具有重要意義。通過參考比對國內(nèi)外SAR衛(wèi)星圖像質(zhì)量指標體系[1-3],對各應用領域的實際需求進行分析論證,結合GF-3衛(wèi)星的工程實際情況,確定其圖像質(zhì)量指標,并對影響各項圖像質(zhì)量指標的因素進行分解,提出了保證各項指標的設計方法及措施。通過GF-3衛(wèi)星的在軌測試及運行,對圖像質(zhì)量指標的實現(xiàn)情況進行了驗證。

2 圖像質(zhì)量指標需求

GF-3衛(wèi)星在設計之初,即明確是一顆具有多領域綜合觀測能力的SAR衛(wèi)星。其獲取的微波遙感數(shù)據(jù),除滿足海洋、減災、水利、氣象等領域的需求外,還要兼顧農(nóng)業(yè)、環(huán)保、住建、交通、林業(yè)等其他行業(yè)用戶的需求。多用戶的需求,決定了GF-3衛(wèi)星探測地物目標類型的多樣性。各主要領域?qū)F-3衛(wèi)星的需求如表1所示。

表1 對GF-3衛(wèi)星的主要應用需求Table 1 Primary application demands for GF-3 satellite

為滿足不同領域的需求,GF-3衛(wèi)星應具有以下性能[4]:①探測頻率對各領域觀測目標均具有較強的適應性。通過對典型觀測目標的適用探測頻率進行統(tǒng)計分析,C頻段對絕大部分觀測目標具有很好的適應性,可以滿足海洋、減災、水利、氣象和其他領域的廣泛需求。為此,GF-3衛(wèi)星采用C頻段、5．4 GHz作為探測頻率。②采用多極化的探測方式,可提供除觀測目標回波幅度、相位之外的極化特征信息,進而獲得目標更完整的散射信息。針對不同成像模式,在GF-3衛(wèi)星上設計覆蓋單極化、雙極化及四極化的不同極化方式,同時極化圖像具有高隔離和穩(wěn)定性,即極化隔離度優(yōu)于35．0 dB,極化通道幅度不平衡度優(yōu)于±0．5 dB,極化通道相位不平衡度優(yōu)于±10°。③既能對特定區(qū)域高分辨率成像,又能滿足中、低分辨率、大幅寬的需求。GF-3衛(wèi)星包括12種成像模式,分辨率范圍為1～500 m,幅寬范圍為10～650 km,以滿足各領域的多樣化需求。④具備高精度定量化應用能力,能夠?qū)μ囟ㄓ^測目標完成定量化反演。GF-3衛(wèi)星相對輻射精度要求達到1．0 d B(1景),絕對輻射精度為1．5 d B(1景);同時輻射分辨率為3．5 dB(分辨率1～10 m)和2．0 dB(分辨率25～500 m),為各領域開展定量化應用奠定基礎。⑤具有高靈敏度探測能力,能夠?qū)θ跎⑸淠繕诉M行成像。噪聲等效后向散射系數(shù)應優(yōu)于－19．0 dB。⑥具有在強回波目標附近檢測弱目標的能力,以提高對圖像的解譯和目標判讀能力,峰值旁瓣比優(yōu)于－20．0 dB,積分旁瓣比優(yōu)于－13．0 dB。⑦具有較高的模糊信號抑制能力,以降低雜散信號干擾。距離模糊度優(yōu)于－20．0 dB,方位模糊度應優(yōu)于－18．0 d B。⑧能夠?qū)D像中的地物目標進行精確定位,無控制點定位精度優(yōu)于230 m。

3 圖像質(zhì)量指標的實現(xiàn)

GF-3衛(wèi)星圖像質(zhì)量指標可分為幾何質(zhì)量指標和輻射質(zhì)量指標兩大類。幾何質(zhì)量指標包括空間分辨率、成像幅寬及定位精度,主要反映圖像的幾何特性[5];輻射質(zhì)量指標包括峰值旁瓣比、積分旁瓣比、模糊度、輻射分辨率、輻射精度、噪聲等效后向散射系數(shù)、極化隔離度與極化不平衡度,主要反映圖像的可視性、可判性和解譯能力。

為保證GF-3衛(wèi)星圖像質(zhì)量指標的實現(xiàn),通過仿真分析,并結合國內(nèi)外SAR衛(wèi)星的研制經(jīng)驗,將圖像質(zhì)量指標的影響因素分解為3個主要方面。①衛(wèi)星平臺性能:主要包括測軌、定位、測速、姿態(tài)控制、姿態(tài)導引及定時精度等。②SAR載荷性能:主要包括收發(fā)信號帶寬、通道幅相誤差及穩(wěn)定性、系統(tǒng)靈敏度、極化隔離度、通道增益穩(wěn)定性、內(nèi)定標精度、增益控制精度、采樣量化精度、天線方向圖、波束指向精度等誤差。③傳輸路徑影響和成像處理:主要包括大氣衰減、成像算法、處理加權及展寬、地面高程模型、多普勒估計、多視處理及外定標誤差等。對幾何質(zhì)量指標和輻射質(zhì)量指標影響因素分解如圖1和圖2所示。

GF-3衛(wèi)星在研制過程中,對各項影響因素均進行了分解及量化,并體現(xiàn)在衛(wèi)星總體、SAR載荷及地面系統(tǒng)的設計之中。

3．1 衛(wèi)星平臺設計

GF-3衛(wèi)星平臺設計了2條獨立的供電母線,平臺供電母線采用28 V全調(diào)節(jié)母線,SAR天線供電母線采用供電電壓為45～67 V的不調(diào)節(jié)母線,并配置長18．5 m的雙太陽翼,以滿足SAR天線平均功率8000 W的能源需求。SAR天線、太陽翼等大質(zhì)量部件安裝在衛(wèi)星結構外側,為保證衛(wèi)星發(fā)射時的力學環(huán)境要求,并滿足SAR天線在軌展開后優(yōu)于5 mm的平面精度,衛(wèi)星結構采用加強梁設計,為質(zhì)量約1300 kg的SAR天線提供穩(wěn)定的結構支撐。為提高圖像質(zhì)量,降低地面處理的難度,衛(wèi)星在安裝有SAR天線、太陽翼2個大撓性部件的條件下,實現(xiàn)了高精度的姿態(tài)控制及連續(xù)的二維導引,完成了高精度的實時軌道定位及速度測量,并為SAR載荷提供精確的時間基準。

衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)采用星敏感器和陀螺測量的姿態(tài)確定方式,將姿態(tài)確定精度提高到優(yōu)于0．01°(3軸,3σ),再通過配置多個動量輪,實現(xiàn)高精度的姿態(tài)控制,可以達到姿態(tài)指向精度優(yōu)于0．03°(3軸,3σ),姿態(tài)穩(wěn)定度優(yōu)于0．001(°)/s(3軸,3σ)的指標要求。針對星載SAR回波信號的多普勒特性,設計偏航及俯仰二維姿態(tài)導引,極大地降低了回波信號的多普勒中心偏差。

為保證GF-3衛(wèi)星的定位及測速能力,考慮到單頻GPS無法消除電離層的影響,限制了事后處理的定位精度,衛(wèi)星采用雙頻GPS進行導航定位,不但實現(xiàn)了實時定位精度優(yōu)于10 m(3軸,1σ),實時測速精度優(yōu)于0．2 m/s(3軸,1σ)的指標要求,而且事后精密定軌采用2個頻點消除電離層的影響,并通過高精度動力學模型,最終實現(xiàn)了4 cm的定軌精度。為保證SAR載荷的定時精度,設計GPS秒脈沖機制,由硬件秒脈沖和軟件整秒授時聯(lián)合實現(xiàn)高精度的時間同步,時間同步精度優(yōu)于100μs,滿足了高精度時間同步需求。

3．2 SAR載荷設計

GF-3衛(wèi)星SAR載荷由衛(wèi)星艙外的SAR天線及艙內(nèi)電子設備兩大部分組成。

為滿足多模式、多極化、高定量化的探測需求,SAR載荷采用可展開平面固態(tài)有源相控陣天線,具有靈活的波束賦形及二維掃描性能。SAR天線發(fā)射峰值功率達到15 360 W,具有高精度的定標網(wǎng)絡,通過距離向波控碼存儲、方位向波控碼實時計算的方式,根據(jù)成像模式、入射角的不同,可形成約96萬個要求各異的發(fā)射/接收波束。為實現(xiàn)優(yōu)于35．0 dB的極化隔離度要求,雙極化波導縫隙天線由互補結構的窄邊直縫水平(H)極化和寬邊直縫垂直(V)極化波導縫隙天線交叉排列組成,使2種極化天線實現(xiàn)分別饋電,物理上完全獨立,有效減小了2種極化天線之間的互耦。為保證射頻收發(fā)通道的幅相穩(wěn)定性,對陣面饋電網(wǎng)絡的幅度/相位特性、元器件性能、裝配工藝等進行嚴格控制,確保陣面單機狀態(tài)具有良好的一致性;同時,對SAR天線陣面的溫度進行智能隨動控制,全陣面溫度梯度可控制在7℃以內(nèi),從而大大減小了各射頻通道因溫度差異引起的幅度相位漂移,最終實現(xiàn)極化通道間相對幅度穩(wěn)定度優(yōu)于0．3 dB,相對相位穩(wěn)定度優(yōu)于5°的技術指標。為保證SAR天線波束賦形特性,通過地面測試,獲取SAR天線各輻射單元的幅度、相位基礎數(shù)據(jù),建立高精度的天線仿真模型,綜合考慮互偶、反射等因素,保證了天線仿真模型的預測與實測結果在統(tǒng)計特性上高度吻合,為精確的波束賦形及波束指向控制提供了保證。

SAR載荷電子設備根據(jù)不同的工作模式,完成數(shù)字基帶信號產(chǎn)生、正交調(diào)制、中頻放大、上變頻、射頻放大等功能,可靈活產(chǎn)生多種帶寬、脈寬的線性調(diào)頻信號。在地面對2～240 MHz共11種帶寬的線性調(diào)頻信號進行實測,結果表明,發(fā)射信號帶寬誤差優(yōu)于±1%,帶內(nèi)幅度起伏優(yōu)于0．7 dB,脈寬誤差優(yōu)于±0．1μs,能保證SAR載荷發(fā)射信號的穩(wěn)定性。SAR載荷接收噪聲主要由SAR天線陣面收發(fā)(T/R)組件噪聲及電子設備接收支路噪聲共同決定,對陣面T/R組件的噪聲系數(shù)進行100%測試,并在各種接收帶寬下對接收支路的噪聲系數(shù)進行測試,最終得到SAR載荷系統(tǒng)噪聲系數(shù)優(yōu)于3．5 dB。SAR載荷采用中頻直接采樣的數(shù)字接收機方案,通過A/D轉(zhuǎn)換芯片進行8 bit量化,實測有效量化位數(shù)優(yōu)于6．6 bit;對量化后的回波數(shù)據(jù)進行數(shù)字正交解調(diào)及BAQ壓縮,降低了量化壓縮對圖像質(zhì)量的損失。

SAR載荷的內(nèi)定標精度由SAR天線內(nèi)定標網(wǎng)絡及艙內(nèi)電子設備內(nèi)定標器的增益穩(wěn)定性共同決定,SAR天線定標時,水平極化信號及垂直極化信號共用同一套定標網(wǎng)絡,經(jīng)定標網(wǎng)絡進行信號合成。內(nèi)定標器是內(nèi)定標過程中的核心單元,與SAR天線陣面定標網(wǎng)絡一起實現(xiàn)SAR載荷的內(nèi)定標功能。通過熱真空試驗對SAR天線及內(nèi)定標器的溫度增益穩(wěn)定性進行測試,SAR天線內(nèi)定標網(wǎng)絡增益穩(wěn)定性優(yōu)于±0．3 dB,內(nèi)定標器增益穩(wěn)定度優(yōu)于±0．27 dB,SAR載荷最終的內(nèi)定標精度滿足小于等于0．6 dB的指標要求。

3．3 地面系統(tǒng)設計

地面系統(tǒng)通過地面定標及地面處理2個方面保證GF-3衛(wèi)星圖像質(zhì)量。通過地面定標,精確建立SAR圖像功率與目標散射特性之間的定量關系,為圖像處理過程中的幾何、極化、輻射校正提供依據(jù)。地面定標采用多個角反射器及有源定標器,為SAR載荷外定標提供精確的雷達截面積參考值,其標稱雷達截面積精度為0．30 d B(3σ),外校準雷達截面積精度為0．18 dB,可滿足條帶模式優(yōu)于0．5 dB、掃描模式優(yōu)于0．7 d B的定標精度要求。同時,有源定標器的極化隔離度優(yōu)于－40．0 dB,保證了極化隔離度定標精度優(yōu)于36 d B的指標要求。

地面處理通過優(yōu)化各成像模式的處理及成像算法,降低多普勒參數(shù)估計誤差,合理設計加權函數(shù),保證成像展寬系數(shù)優(yōu)于1．11的要求;通過距離徙動校正、多普勒中心頻率估計等手段,滿足成像處理系統(tǒng)增益穩(wěn)定度優(yōu)于0．3 dB的要求。

4 圖像質(zhì)量指標驗證

GF-3衛(wèi)星在軌測試階段,在定標場布設了一定數(shù)量的三面角反射器及有源定標器,通過星地聯(lián)合測試,對各模式下的圖像質(zhì)量指標進行全面驗證,各項指標的驗證方法如表2所示。

表2 圖像質(zhì)量指標驗證方法Table 2 Verification methods for image quality indexes

以輻射分辨率測試為例,圖3中給出了標準條帶模式下對亞馬遜雨林的成像結果(R1～R6表示評價選定的成像區(qū)域),通過選取亞馬遜雨林的均勻場景,計算圖像中各選定區(qū)域的輻射分辨率,并對各區(qū)域的計算結果進行平均,結果表明標準條帶模式下輻射分辨率小于等于1．7 dB。

在精細條帶1模式下,進行定位精度測試的典型目標圖像如圖4所示,通過選取圖像中建筑物邊緣、道路交叉點與實際地理位置進行比對,并進行平均得到精細條帶1模式下的平面定位精度優(yōu)于64 m。

各項圖像質(zhì)量指標測試結果如表3所示。測試結果均滿足圖像質(zhì)量指標的要求,部分指標達到國際同類衛(wèi)星先進水平。

表3 圖像質(zhì)量指標驗證結果Table 3 Verification results of image quality indexes

5 結束語

本文通過綜合各行業(yè)用戶的需求,確定了GF-3衛(wèi)星各項圖像質(zhì)量指標。在衛(wèi)星設計過程中,對各項圖像質(zhì)量的影響因素進行分析,并在衛(wèi)星及SAR載荷的研制過程中,針對圖像質(zhì)量開展了一系列的設計保證工作。GF-3衛(wèi)星發(fā)射后,對各項圖像質(zhì)量指標進行了在軌測試驗證,結果表明:在GF-3衛(wèi)星12種成像模式下,各項圖像質(zhì)量指標滿足GF-3衛(wèi)星研制要求中規(guī)定的指標要求,且與地面仿真分析結果吻合性好,驗證了各項誤差分配及仿真分析方法的正確性,衛(wèi)星除實現(xiàn)定量化應用外[6],還首次實現(xiàn)了地面運動目標檢測(GMTI)[7]等重大技術突破,可為后續(xù)SAR衛(wèi)星任務分析及研制提供參考。

References)

[1]Satish Srivastava,Stephane Cote,Stephanie Muir．The Radarsat-1 imaging performance,14 years after launch,and independent report on Radarsat-2 image quality[C]//Proceedings of IGARSS,2010．New York:IEEE,2010:3458-3461

[2]Zhang Han,Li Yu,Su Yi．SAR image quality assessment using coherent correlation function[C]//Proceedings of the 5th International Congress on Image and Signal Processing(ICISP 2012)．New York:IEEE,2012:1129-1133

[3]黃艷,張永利,劉志銘．一種基于點目標的雷達影像質(zhì)量評價方法[J]．測繪工程,2012,21(1):30-34 Huang Yan,Zhang Yongli,Liu Zhiming．A method of SAR image quality evaluation based on pinpoint target[J]．Engineering of Surveying and Mapping,2012,21(1):30-34(in Chinese)

[4]張慶君．高分三號衛(wèi)星總體設計與關鍵技術[J]．測繪學報,2017,46(3):269-277 Zhang Qingjun．System design and key technologies of the GF-3 satellite[J]．Acta Geodaetica et Carto Graphica Sinica,2017,46(3):269-277(in Chinese)

[5]丁赤飚．高分三號SAR衛(wèi)星系統(tǒng)級幾何定位精度初探[J]．雷達學報,2017,6(1):11-16 Ding Chibiao．Preliminary exploration of systematic geolocation accuracy of GF-3 SAR satellite system[J]．Journal of Radars,2017,6(1):11-16(in Chinese)

[6]Junjun Yin,Jian Yang,Qingjun Zhang．Assessment of GF-3 polarimetric SAR data for physic scattering mechanism analysis and terrain classification[J]．Sensors,2017,17(12):2785

[7]Chenghao Wang,Guisheng Liao,Qingjun Zhang．First spaceborne SAR-GMTI experimental results for the Chinese Gaofen-3 dual-channel SAR sensor[J]．Sensors,2017,17(11):2683

Design and Verification of Image Quality Indexes of GF-3 Satellite

ZHAO Liangbo1LI Yan1ZHANG Qingjun1LIU Jie1YUAN Xinzhe2CHEN Qi3
(1 Beijing Institute of Spacecraft System Engineering,Beijing 100094,China)
(2 National Satellite Ocean Application Service,Beijing 100081,China)
(3 China Centre for Resource Satellite Data and Application,Beijing 100094,China)

SAR(synthetic aperture radar)image quality is a series of important parameters to characterize the radar imaging and quantitative application ability of SAR satellites．In the system design of GF-3 satellite,according to the ocean application,disaster mitigation,water conservancy,meteorology and others,the image performance requirements are presented to meet the requirements of different users in typical application and quantitative analysis,and the geometric quality and radiation quality of 2 categories and 13 image quality parameters are determined．The influences of the satellite platform,SAR payload,signal transmission,ground calibration and image processing on image quality are determined,as well as the methods to ensure the image quality parameters through satellite system design are summarized．The conformity of the image quality parameters are verified by the test and operation on orbit,which provides references in design for the subsequent SAR satellites．

GF-3 satellite;SAR(synthetic aperture radar);image quality index;geometric quality;radiation quality;BAQ(block adaptive quantization)

2017-10-25;

2017-11-21

國家重大科技專項工程

趙良波,男,高級工程師,從事微波遙感衛(wèi)星總體設計工作。Email:hitzlb＠hotmail．com。

V474．2

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.06.003

(編輯:夏光)