基于机理的合成孔径雷达系统成像误差理论分析
基于机理的合成孔径雷达系统成像误差理论分析① 葛 咏 王劲峰
(中国科学院地理科学与资源研究所资源与环境信息系统国家重点实验室,北京, 100101)
摘要:目前在遥感和G IS中,关于误差和不确定性研究的主要方法有两种:概率统计和机理 1 前言
尽管遥感为空间数据库获取数据十分迅速,但 我们对数据处理过程中误差的理解,尤其是多种空 间数据的集成中的误差了解甚少(L unet taeta l1, 1991).由于误差的存在降低了最终遥感图像的可信 度,同时也使遥感图像用于决策支持的范围受到了 限制.因此对可能的误差源,及其影响大小的分析 即成为一个重要的问题.目前关于误差和不确定性 研究的主要方法有两种:概率统计和机理模拟.概 率统计误差研究的主要原理是假设或经验求解最终 误差的分布函数形式,然后用一定的识别函数根据 一些已知点(监督点)值外推未知点值,并将其识 别函数统计误差和不确定性用一定的函数形式表达 出来.机理模拟首先应建立系统各环节的信息传递 函数,然后进行误差灵敏度分析,并且考虑在系统 元器件的工艺水平,经济价格和物质属性的约束条 件下,进行误差的最优控制,指导系统总体设计. 当前遥感误差研究主要是基于概率统计和证据
理论.如N ew com er和Sza jg in(1984),V erg in (1989),H euvelink(1989, 1993)等的不确定性分 析及史文中,刘文宝和张景雄等对遥感和G IS的位 置和属性不确定性分析.统计方法的优点是简单,适 用性强.但统计模型一般是描述性的,对观测数据 作经验性的统计描述,或者进行相关分析,不解答 为什么会有这样的结果(李小文, 1995;齐欢, 1996).鉴于此,本文提出了基于SA R系统机理的 误差分析方法.误差机理模型可以用来模拟全系统 的信息流,分析模拟各环境因素的影响,预测最终 识别对象的误差和不确定性,从而提高了SA R图像 的精度,并且指导系统优化设计.关键是必须对全 系统的物理原理有清晰的了解,并且建立起各环节 的信息传递函数.
这一问题的研究不仅有助于遥感信息提取和遥 感信息反演,而且对遥感数据的质量控制的研究,以 及合成孔径雷达的研制具有指导意义. 2 统计方法处理SA R成像误差
在获取一幅SA R图像后,用统计的手段进行误 差处理所采取的方法:辐射定标,天线方向图校正, 几何纠正等.在这种情况下是采用多项式拟合的方 法来求得图像上每一系列的调整系数.在这里暂不 考虑由于地形因素而产生的几何畸变.可以看出,利 用统计的方法进行SA R系统成像误差的处理仅是 利用已知数据进行回归校正,并不考虑各个误差在 整个过程中的传递状况和对雷达图像的影响大小. 3 机理方法处理SA R成像误差
机理方法就是利用雷达信号的误差传递模型. 其步骤如下:首先探测从信号发射到接收成像及后 处理每一个步骤潜在的误差源;然后根据每一步的 输入变量,输出变量及状态变量,建立SA R信号传 递函数;第三,将各部分信号传递函数组合成一个 误差传播模型,然后用灵敏度分析的方法探测和确 定每一个误差对SA R图像影响的大小;最后,计算 误差改正数并将其加到相应SA R图像像元上,以提 高SA R图像的精度. 第1期 2000年3月
地 球 信 息 科 学
GEO- IN FO RM A T IONSC IEN CE N o11
M a r1, 2000
①本项研究属中科院KZ9512A12302,KZ95T203,KJ9512B12703,国家自然科学基金69896250成果.
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311 SA R成像系统
关于SA R系统的成像原理[ 9～12 ]另有详述.在 这里简要介绍一下SA R系统的组合.在工程控制系 统中,系统的组成可由子系统的串联,并联和反馈 三种方式组合而成.由于SA R信号从发射到接收总 体看来是依照串行方式传递的,所以把SA R成像系 统看作是各个子系统的串联组合.这里包括三个子 系统:发射 接收子系统S1;数据处理子系统S2;图 像形成子系统S3.在本文的研究中,限于篇幅仅讨 论发射 接收子系统S1的传递函数和误差分析,数 据处理子系统S2和图像形成子系统S3,及其传递 函数的整合将在另文中讨论. 图1 SA R系统组合
312 误差来源和误差分类
分析SA R成像系统各个子系统和环节的主要
误差来源,可通过下图来描述:
图2中各环节产生不同类型,大小的误差并且 叠加以对上一环节传递的误差造成的畸变,然后传 入下一环节,造成最终目标地物识别或分类的误差 和不可确定性.
图2 SA R系统的误差来源
按测量误差对观测结果的影响,可将测量误差 分为粗差,系统误差和随机误差.表1是按照误差 特性将误差分类.本文假定剔除了粗差的影响.文 中所讨论的是相位误差中的时相误差,其它误差类 表1 误差分类
型将在后文中探讨. 313 传递函数
理想状态下的发射信号,为了改善雷达距离向 分辨率,通常采用线性调频脉冲信号: St(t)=a(t)ej(wc t+P1 2k r t 2)(1)
式中a(t)为窄带信号的包络函数;kr为发射 脉冲线性调频信号速率,kr= BT
S,BT为线性调频信
号带宽,S为脉冲长度;wc发射信号的载频,wc= 2Pc K.
通过点目标散射,雷达接收到的信号为: Sr(t)=RE[ 1 S (t- 2R c -
(x-x0)2 Rc
)]ejU(t)(2)
R E表示回波信号Sr(t)复数的实部,其中相位角 函数U(t)为: U(t)=wct-wcA+P 1 2
kr(t-A)2
=wct- 4PR K - 2P KR
(x-x0)2
92 1期 葛咏等:基于机理的合成孔径雷达系统成像误差理论分析
1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. +P 1 2 kr(t- 2R c
)2-Pkr(t- 2R c )
(x-x0)2 Rc +P 1 2 kr
4R2(x-x0)4 c24R4(3)
上式中第一项为载频,第二项为固定相位,第
三项为方位多普勒信号,第四项为距离向线性调频 信号,第五项为方位向和距离向耦合信号.第六项 为高阶无穷小项.
经过同步检波,减去载频和固定相位,并略去
了方位向和距离向的耦合项(机载雷达),相位简化 为:
U(t)= - 2P KR
(x-x0)2+P 1 2 kr(t- 2R c
)2(4)
经过振幅归一化,接收信号为: Sr(x,t)=e-j 2P KR (x-x0 )2 ej 1 2kr (t- 2R c )2(5)
第一项为方位多普勒信号,第二项为距离向线性调 频信号.x=vAt时间函数,vA为航向速度;x为点目 标在地面坐标系中沿x方向的坐标;x0表示雷达载 机沿x轴的坐标;K为波长;R为点目标离载机航线 的垂直距离;(3)式中A为点目标回波延迟时间A= 2R c [ 1+ (x-x0)2 2R2]≈ 2R c.
314 误差分析
相干合成孔径雷达系统是依赖地形目标回波的 二次相位信息来获得高分辨率图像的,因此对雷达 信号的相位稳定性提出了严格的要求[ 12 ].造成合成 孔径雷达中相位误差的主要来源有:(1)雷达设备 的不稳定;(2)载机的随机运动;(3)雷达信号通 过大气传播引起的随机相位误差;(4)数字成像系 统模型的不完备.因此,可设相位误差为:
$U=$U雷达设备+$U载机运动+$U大气传播+$U其它 (6)
下面将逐一对每一种相位误差进行定性和定量 分析.
1)雷达设备的不稳定
首先,雷达设备不稳定产生的相位误差主要是 由基准信号源频率的不稳定,锁相环路引入相位起 伏,显示扫描起点抖动等误差因素引起的.其式:
$U雷达设备=$U信号源不稳定+$U锁相环路+$U扫描抖动 (7)
(1)基准信号源频率的不稳定引起时相误差.
基于机理的合成孔径雷达系统成像误差理论分析(精)
