CN117112679B - 一种星载sar实时处理输入数据格式标准化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种星载SAR实时处理输入数据格式标准化方法，属于星载SAR实时处理技术领域，通过全面解析星载SAR实时处理系统成像流程，科学合理地选择成像所需参数，构建精简而全面的辅助数据标准化格式；分析不同BAQ压缩比和解BAQ压缩流程，介绍自适应的解压缩方法，构建统一的回波数据标准化格式；分析方位多通道体制的成像难点，对比多种方位向多通道一致性校正和重构方法，构建精确重建后的单通道回波数据格式；开发标准化转换模块，实现不同数据格式的星载SAR回波数据的标准化转换，输出标准化格式的星载SAR回波数据。本发明加快了星上处理领域相关技术的发展，为星上处理系统批产化奠定基础。

Description

一种星载SAR实时处理输入数据格式标准化方法

技术领域

本发明属于星载SAR实时处理技术领域，具体涉及一种星载SAR实时处理输入数据格式标准化方法。

背景技术

传统星载SAR数据录取、数据下传、地面处理的信息获取流程耗时过久，无法适应目标信息快速获取的功能需求。星上实时处理系统接收原始回波数据，在轨完成数据处理、信息提取与分发等工作，星上实时处理可大大提升星载SAR信息获取的时效性。随着星载SAR卫星数量逐渐增多，星上实时处理器的需求井喷，对星上实时处理器的批产化能力提出了要求。

星上处理器接收雷达原始回波数据后，进行成像处理和目标检测识别等工作。各SAR卫星系统的辅助数据格式不同、不同工作模式下回波数据BAQ压缩比不同、工作体制不同，星上处理器需针对不同型号、体制、模式、压缩比等进行适配，不仅增加了系统的实现复杂度、开发工作量和测试联调难度，测试不全面将引发额外的风险，更阻碍了星上实时处理器标准化和批产化的推进。为加快星上处理器研发过程、简化测试流程，标准化的星上处理器需具有统一的输入数据格式，具体包括输入数据辅助数据格式的标准化和回波数据格式的标准化，其中后者的具体实现包括自适应BAQ解码和方位多通道信号预处理等过程。

当前星上处理领域无相关标准，星上处理系统的研发是根据各个星载SAR载荷进行适配，而星载SAR载荷的研发同样没有标准化的数据格式，相关单位依据各自的标准体系进行数据格式的制定，这就导致星上处理系统为各个功能“定制”，当前未做到通用化。星上处理系统测试时，也无法使用其他类型卫星的回波数据直接测试，需进行一定的转化，这将增加调试工作量和出错风险。

发明内容

为解决上述技术问题，加快星上处理领域相关技术的快速发展，为星上处理系统批产化奠定基础，本发明提供一种星载SAR实时处理输入数据格式标准化方法，其采用合理完善的星上处理系统输入数据格式标准化体系，并开发相应标准化格式转换软件。本发明通过全面解析星载SAR实时处理系统成像流程，科学合理地选择成像所需参数，构建精简而全面的辅助数据标准化格式；分析不同BAQ压缩比和解BAQ压缩流程，介绍自适应的解压缩方法，构建统一的回波数据标准化格式；分析方位多通道体制的成像难点，对比多种方位向多通道一致性校正和重构方法，构建精确重建后的单通道回波数据格式；开发标准化转换软件，实现不同数据格式的星载SAR回波数据的标准化转换，输出标准化格式的星载SAR回波数据，可有效提高星上处理系统测试效率，规避格式不统一引发的风险。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种星载SAR实时处理输入数据格式标准化方法，包括如下步骤：

步骤1、构建星上处理系统输入数据格式标准化体系；所述星上处理系统输入数据格式标准化体系包括辅助数据标准化和回波数据标准化；

步骤2、制定星上处理系统输入数据格式标准化策略，包括构建星上处理系统的辅助数据标准化格式、构建星上处理系统的回波数据标准化格式；

步骤3、构建星上处理系统标准化模块，并进行标准化处理，包括基于所述星上处理系统输入数据格式标准化体系，构建星上处理系统标准化模块，输入不同型号、不同体制、不同模式的星载SAR实测数据，经过辅助数据标准化格式转换、自适应BAQ解压缩、方位多通道预处理，得到标准化的星上处理系统的输入数据。

有益效果：

1、本发明首次构建星载SAR实时处理系统输入数据标准化格式，建立一套包含精简而全面的辅助数据，单通道、无压缩的回波数据内的完整的标准化体系，可对现有不同型号星载SAR回波数据进行标准化转换。

2、星载SAR实时处理系统输入数据标准化格式的构建，有助于推动星上处理系统的标准化，促进星上处理领域相关技术的跨越式发展，为星上处理系统的批产化奠定基础。

3、本发明首次开发星载SAR实时处理系统标准化模块。该模块可输入不同型号的星载SAR回波数据，分别完成辅助数据的标准化、回波数据的解压缩，对于多通道体制回波数据可完成多通道间信号的一致性校正和多通道数据的重构。标准化模块可以将不同格式的星载SAR实测数据转换为标准格式，可用于星上处理系统的地面测试，加快系统测试流程，规避不必要的开发风险。

附图说明

图1为本发明的星上处理系统的输入数据格式标准化体系示意图；

图2 为本发明的星上处理系统标准化模块架构图；

图3 为本发明的一种星载SAR实时处理输入数据格式标准化方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

为加快星上处理领域相关技术的快速发展，为星上处理系统批产化奠定基础，本发明提供一种星载SAR实时处理输入数据格式标准化方法，具体包括如下步骤：

步骤1、构建星上处理系统输入数据格式标准化体系：

星上处理系统的输入数据格式标准化体系包括辅助数据标准化和回波数据标准化两部分，其中回波数据标准化包括BAQ解压缩和方位多通道预处理两个重要步骤。星上处理系统的输入数据格式标准化体系如图1所示。

当前星上处理系统的输入数据的辅助数据为数据形成单机直接转发而来，没有进行成像所需关键参数的提取与整理。每个卫星平台制定的辅助数据格式不同，星上处理系统需针对各个项目适配进行辅助数据格式的解析，一定程度上增加了星上处理系统的开发和测试难度。此外载荷制定的辅助数据所占字节较多，其中大部分为监控定时模块使用的载荷系统控制参数，而星上处理系统所需的成像参数不超过64字节。有必要构建一套更为精简的星上处理系统输入数据的辅助数据标准格式。

当前星载SAR为减小回波数据下传带宽的压力，通常对原始回波数据进行BAQ压缩处理，地面站接收到数据成像处理时，首先需要对原始数据进行BAQ解压缩，星上处理系统也是如此。解BAQ压缩流程较为繁琐，且不同工作模式下压缩比不同、解析流程也有差异，因此星上处理系统需开发多套BAQ解压缩程序以供选择，增加了程序开发和测试难度。有必要构建一套解压缩后的星上处理系统输入数据回波数据标准格式。

当前星载SAR高分宽幅成像应用需求不断提升，传统单通道体制SAR无法满足指标需求，针对方位多通道体制的星上实时处理需求将不断增加。方位多通道体制下的成像难点在于多通道数据间的预处理，包括方位多通道间信号相位一致性校正（即图1中的多通道校正）和方位多通道信号的精准重构。方位多通道预处理后，即可使用传统单通道体制下的成像算法。为了推进星上处理系统的标准化，推进批量生产与验证，有必要构建一套方位多通道预处理后的星上处理系统的输入数据的单通道回波数据标准格式。

步骤2、制定星上处理系统输入数据格式标准化策略，包括：

（一）、构建星上处理系统的辅助数据标准化格式：

当前各型号星载SAR系统的辅助数据格式差异较大，具体表现在辅助数据长度不一致（512字节、1024字节等），辅助数据的解析方法更是有区别。这不仅增加了星上处理系统开发和测试的难度，也不利于后续推进星上处理系统的批产化、标准化。实际上，星载SAR系统原辅助数据中，绝大部分内容为监控定时模块用于控制载荷的正常工作，而星上处理系统成像所需的信息参数较少，不超过64字节。可见，构建64字节的星上处理系统输入数据标准化的辅助数据格式是必要的且可行的。

如图1所示，星上处理系统所需的辅助数据包括：

（1）系统参数

其是每型SAR载荷的基本参数，不随工作模式而改变。其中信号的中心频率、天线方位向的波束宽度及展宽倍数均为成像所需的基本参数。

（2）平台参数

其为卫星平台发送给SAR载荷的参数信息，主要包括卫星导航信息。其中雷达实时的定轨信息、雷达实时的速度信息和雷达实时的姿态信息为成像所需参数，用于精确估计等效速度。

（3）成像参数

其为载荷设定的，根据不同成像模式而改变的参数。其中成像模式用于表征不同的信号特性；信号带宽、信号脉宽、信号采样率、采样点数、俯仰视角、中心斜距等用于距离向处理及相关参数计算；方位向点数、脉冲重复频率、方位向视角用于方位向处理及相关参数计算。

（4）扫描参数

其为载荷设定的，根据不同成像模式改变的参数，当工作模式为方位向扫描模式时有效。其中方位向的扫描角范围、方位向的脉冲驻留数、方位向的扫描步进角度等用于计算方位向带宽等方位向参数。

针对上述成像所需的关键参数，构建64字节的标准化辅助数据格式，如表1所示。

表1

，

（二）、构建星上处理系统的回波数据标准化格式：

（1）进行BAQ解压缩：

当前星载SAR实时回波数据多为BAQ压缩后的数据，用于降低回波数据量。根据工作模式的不同和原始数据量的差异，会采用不同的BAQ压缩比（8:2、8:3、8:4等）。星上处理系统需要根据BAQ压缩比的不同选择相对应的解压缩流程，一定程度上增加了开发和测试难度，也不利于星上处理系统的标准化。构建星上处理系统输入数据回波数据的标准化格式是有必要的。

BAQ解压缩过程可归纳为：数据解包、解码、去归一化三个步骤。

步骤2.1：数据解包。将数据回波中的8bit字节解包，恢复成独立的2bit、3bit或者4bit编码码字。

步骤2.2：解码。将编码码字映射为重建电平，具体的映射关系需参考BAQ编码时使用的映射表。

步骤2.3：去归一化。BAQ编码表设计时，应用了子块数据标准差对数据进行归一化，以使块内数据的统计特性满足零均值高斯分布。在解压缩时要进行去归一化处理，即将辅助数据中的BAQ均值码映射为标准差，再将相应分块的标准差与步骤2解码后的数据相乘即可。

对不同BAQ压缩比（包括8:2、8:3、8:4等）的回波数据进行自适应解压缩，构建16bit量化的标准格式的原始回波数据，如表2所示。

表2

，

（2）进行方位多通道预处理：

传统单通道体制星载SAR无法满足高分宽幅成像需求，方位向多通道体制SAR系统技术不断成熟，在轨已有TerraSAR、GF-3号等代表性方位双通道SAR系统，针对方位向多通道体制的星上实时成像处理有较大需求。当前星上处理系统多用于处理单通道SAR回波数据，对于多通道体制下的回波数据，需要增加预处理模块，实现多通道间一致性校正。构建星上处理系统输入数据单通道回波数据的标准化格式是有必要的。

多通道间信号相位一致性校正主要用于消除天线相位中心偏移导致的系统相位误差，包括天线偏航和俯仰引起的被动偏移、方位向天线波束扫描导致的主动偏移等。常用的一致性校正方法对比如表3所示：

表3

，

多通道间信号相位一致性校正还包括子孔径投影法、代价函数法和成像几何法。

（3）进行多通道重构，将多通道信号重新组合为方位向无模糊的单通道数据，常用方法包括经典滤波器重组法和空域滤波法。两种方法的不同之处在于零陷波束指向的形成原理不同。滤波器组方法利用方位多通道SAR系统子孔径的空间分布直接形成主波束和波束零陷。空域滤波方法则利用回波数据构建空时滤波器，通过最优化准则使通道间的噪声和模糊能量最小来形成零陷波束，因此对系统噪声和通道间误差具有一定的“自适应”抑制功能。

步骤3、构建星上处理系统标准化模块，并进行标准化处理：

基于上述星上处理系统输入数据格式标准化体系，开发星上处理系统标准化模块的软件。软件可输入不同型号、不同体制、不同模式的星载SAR实测数据，经过辅助数据标准化格式转换、自适应BAQ解压缩、针对方位多通道体制完成多通道预处理，得到标准化的星上处理系统的输入数据。该软件对应于星上处理系统标准化模块，可用于星上处理系统的地面集成测试。

系统体系结构反映了软件系统的基本组成，星上处理系统标准化模块对应的软件系统分为数据层、平台层、业务逻辑层和表现层（用户界面层）四层结构，如图2所示。

（1）数据层以星载SAR原始数据库为主体，提供各个型号、多种体制、不同模式的星载SAR原始回波数据。

（2）平台层相当于中间件,提供了用户对空间数据库的统一访问接口。

（3）业务逻辑层则提供完成整个系统标准化格式转换的核心功能模块及核心部件,完成标准化辅助数据构建和标准化回波数据构建，由这些部件或功能组合，响应表现层，即用户界面层的各种应用需求。

（4）表现层即用户界面层，最终展现用户对星上处理标准化模块的软件系统的功能需求。

在系统结构及框架设计上，数据库与功能软件的交互采用了较松散的耦合方式，即对数据库访问可采用相对独立的客户端软件，功能软件并不与其直接交互，这样可以降低功能软件的负荷，提高标准化软件的运行效率，保障系统的稳定。

实施例

基于全面完备的数据格式标准化体系和高效简洁的转化流程，星上处理系统标准化模块可将现有星载SAR卫星回波实测数据转换为标准的数据格式，可一定程度地降低星上处理系统的开发难度，简化星上处理系统的测试流程。如图3所示为本发明的一种星载SAR实时处理输入数据格式标准化方法的总体流程，包括：将不同型号原始数据进行辅助数据转换，然后进行BAQ解压缩，然后进行方位向多通道预处理，最后获得标准格式数据。

下面介绍实测数据格式标准化转换过程。

星上处理系统标准化模块用于转换星载实测回波数据时，将待转换的实测数据加载到星上处理系统标准化模块的软件系统中，软件系统根据原辅助数据格式进行标准化转换，根据回波数据BAQ编码方式进行自适应解码。用户可根据需求进行多通道重构和通道一致性校正方法的选择，完成回波数据的多通道重构。

然后，星上处理系统标准化模块输入实测回波数据。首先从数据云平台获取相应的原始数据集，该原始数据集覆盖星载SAR系统各类型、多模式的实测回波数据，软件系统随即读取并解析第一帧辅助数据，将数据基本信息显示到界面。

此后，星上处理系统标准化模块输入多通道重构方法选择。对于方位多通道体制的星载SAR实测回波数据，软件系统可对其完成多通道间信号一致性校正和重构，用户可根据数据特点选择合适的一致性校正方法和重构方法。

最后，进行标准化格式的回波数据输出。用户点击“开始转化”后，标准化软件实现所选回波数据的标准化格式输出。其中辅助数据为64字节，回波数据为16bit量化的多通道预处理后的单通道回波数据。

Claims (3)

1.一种星载SAR实时处理输入数据格式标准化方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、构建星上处理系统输入数据格式标准化体系；所述星上处理系统输入数据格式标准化体系包括辅助数据标准化和回波数据标准化；

步骤2、制定星上处理系统输入数据格式标准化策略，包括构建星上处理系统的辅助数据标准化格式、构建星上处理系统的回波数据标准化格式；所述构建星上处理系统的回波数据标准化格式包括：

（1）进行BAQ解压缩，包括数据解包、解码、去归一化，具体包括：

步骤2.1：进行数据解包，将数据回波中的8bit字节解包，恢复成独立的2bit、3bit或者4bit编码码字；

步骤2.2：进行解码，将编码码字映射为重建电平；

步骤2.3：进行去归一化，将辅助数据中的BAQ均值码映射为标准差，再将分块的标准差与步骤2.2中解码后的数据相乘；

（2）进行方位多通道预处理，包括实现多通道间一致性校正；

（3）进行多通道重构，将多通道信号重新组合为方位向无模糊的单通道数据；

步骤3、构建星上处理系统标准化模块，并进行标准化处理，包括基于所述星上处理系统输入数据格式标准化体系，构建星上处理系统标准化模块，输入不同型号、不同体制、不同模式的星载SAR实测数据，经过辅助数据标准化格式转换、自适应BAQ解压缩、方位多通道预处理，得到标准化的星上处理系统的输入数据。

2.根据权利要求1所述的一种星载SAR实时处理输入数据格式标准化方法，其特征在于，所述步骤2中，所述构建星上处理系统的辅助数据标准化格式包括：

构建64字节的星上处理系统输入数据标准化的辅助数据的格式，所述辅助数据包括：

（1）系统参数，包括信号的中心频率、天线方位向的波束宽度及展宽倍数；

（2）平台参数，包括卫星导航信息，所述卫星导航信息包括雷达实时的定轨信息、雷达实时的速度信息和雷达实时的姿态信息；

（3）成像参数，包括信号带宽、信号脉宽、信号采样率、采样点数、俯仰视角、中心斜距，用于距离向的处理及参数计算；还包括方位向点数、脉冲重复频率、方位向视角，用于方位向的处理及参数计算；

（4）扫描参数，包括方位向的扫描角范围、方位向的脉冲驻留数、方位向的扫描步进角度，用于计算方位向参数。

3.根据权利要求1所述的一种星载SAR实时处理输入数据格式标准化方法，其特征在于，所述星上处理系统标准化模块的软件系统包括数据层、平台层、业务逻辑层和表现层；所述数据层以星载SAR原始数据库为主体,提供各个型号、多种体制、不同模式的星载SAR实测数据；所述平台层用于提供用户对空间数据库的统一访问接口；所述业务逻辑层提供完成星载SAR实时处理输入数据格式标准化方法的功能模块，响应表现层；所述表现层即用户界面层，最终展现用户对星上处理系统标准化模块的功能需求。