基于机理的合成孔径雷达系统成像误差理论分析精Word格式.docx
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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SAR成像误差
在获取一幅SAR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SAR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SAR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SAR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SAR图像影响的大小;
最后,计算
误差改正数并将其加到相应SAR图像像元上,以提
高SAR图像的精度.
第1期
2000年3月
地球信息科学
GEO-INFORMATIONSCIENCE
No11
Mar1,2000
①本项研究属中科院KZ9512A12302,KZ95T203,KJ9512B12703,国家自然科学基金69896250成果.
1995-2004TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.
311SAR成像系统
关于SAR系统的成像原理[9～12]另有详述.在
这里简要介绍一下SAR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SAR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SAR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1SAR系统组合
312误差来源和误差分类
分析SAR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2SAR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=
2PcK.
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）
RE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
2
kr（t-A）2
=wct-
4PR
K
2P
KR
921期葛咏等:
+P
kr（t-
）2-Pkr（t-
）
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）=-
（x-x0）2+P
）2（4）
经过振幅归一化,接收信号为:
Sr（x,t）=e-j
（x-x0
）2ej
2kr
）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=
[1+
2R2]≈
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.
由于频率的不稳定是一个非平稳随机过程,测量比
较困难,因此采用时相误差的方差来表示:
R2
信号源不稳定=
（2PfT1）2R2
y（T1）
B1（N,r,u）B2（r,u）
（8）
式中R2
y（T1）为阿伦方差;
B1（N,r,u）B2（r,
u）为Barn偏函数[12].
（2）锁相环路引入相位起伏可用相位起伏均方
差来表示.
（3）显示扫描起点抖动既引起距离分辨率下降,
又引起方位向分辨率的下降,用R扫描抖动来表示.但
由于在数字成像处理过程中,要进行方位向和距离
向的脉冲压缩,因此二者的误差可忽略不计.
从上面分析可以看出,雷达设备的不稳定将造
成雷达回波的随机相位误差,用e雷达设备表示,其方差
可用下式表示:
雷达设备=+R2
信号源不稳定+R2
锁相环路+R2
扫描抖动（9）
2）载机的随机运动
在以上的讨论,假定雷达载机在成像飞行过程
中,始终保持水平,直线和均速飞行.同时保持天
线波束最大值方向与航迹正交.但是由于大气干扰
和机动飞行的影响,载机的实际飞行状态总会产生
转动和平移两类随机运动,对于转动即偏航,俯仰,
横滚可通过稳定天线平台作部分校正,保持天线指
向初步稳定.对于载机的平移运动可以利用运动补
偿系统（杂波锁定,径向补偿和航向补偿）来完成.
杂波跟踪除了用来校正陀螺的长期漂移造成的多卜
勒频谱中心不稳定外,还能对如天线定位一类固定
误差造成的多卜勒频谱中心偏移进行改正.
但运动补偿系统还会有补偿残留误差,一般包
括:
由于补偿系统精度不够造成的误差和由于定点
式补偿方式在测绘带两边产生的误差（张澄波,
1989;
谢寿生,1987）.鉴于以上分析,将其误差表
达成下式:
$U载机运动=$U转动-$U天线平台校正+$U平移
-$U运动补偿=$U运动补偿残留误差（10）
$U运动补偿残留误差=$U精度不够+$U定点补偿误差
=PKRk2rvA
4Q2
AvA+PKRk2rA4Q2
Av2
A（11）
这里先只考虑运动补偿系统精度不够产生的相
位误差,定点补偿误差将在以后继续讨论.第一项
为航向补偿残留速度误差所产生的二次相位误差,
其中:
R为点目标离载机航线的垂直距
离;
K为常数;
QA为方位分辨率;
vA,rA分别为航
向速度和航向速度残留误差.由于径向速度误差残
留误差和杂波锁定误差对相位误差影响可以忽略.
03地球信息科学2000年3月
因此第二项为矢量计算机系统精度对相位误差影
响,其中:
rA为残留的加速度.
3）大气传播
大气传播产生的相位误差包括折射率不均匀造
成传播路线偏离直线而产生的相位误差;
大气湍流
造成的相位误差等,可由下面公式计算:
$U大气传播=1168×
10-6（TCEC）f0（12）
式中:
f0——雷达频率;
TCEC——微波波束在电离
层中沿着传播路径圆柱的4Q2
A
+1168×
10-6（TCEC）f0+$U其它（13）
除了以上分析的误差源以外,另外还有载机非
线性飞行,系统非线性,航向和垂直速度测量误差
等一些误差源所引起的相位畸变均归为$U其它中.
根据表1分类,可以将雷达设备不稳定产生的误差
归为随机误差,载机运动和大气影响产生的误差则
看作确定性误差,即系统误差.
我们用5表示回波相位的测量值,U表示回波
相位的真值,$U表示回波相位的误差,则可以用下
式表达三者的关系:
5=U+$U=-
krt
2R2
+$U=-
krt-
+PKRk2rvA
AvA
+PKRk2rA4Q2
A+1168×
10-6（TCEC）f0
+e雷达设备+$U其它（14）
同时雷达波在大气的传播中还受到对流层的衰
减,背向,散射以及色散等影响,所以雷达波在大
气的传播中还将产生幅度误差.但由于这些误差对
于雷达图像的影响是具有整体效果,可看作是系统
误差,在图像处理的过程中进行整体处理.
4误差灵敏度分析
灵敏度分析是从理论上研究误差传递函数中输
入信息和输出信息之间的关系,以及输出信息中的
误差随输入信息中的误差变化而变化的规律,即影
响SAR图像质量主次因素的排序.灵敏度分析法的
数学原理可参见参考文献3,16,17.下面我们简要
介绍一下灵敏度分析法在SAR成像中的应用.
5=-
+
$U雷达设备+PKRk2rvA
10-6（TCEC）f0+$U其它（15）
当残留加速度rA发生一个变化量$rA,5也相
应有一个变化$5,则单变量增量灵敏度为:
SrA=$5$rA（16）
依靠误差传递函数进行灵敏度分析可以解决下
列问题:
（1）当缺少实际数据或不确定性信息时,可
用灵敏度分析进行理论上的不确定传播分析（通过
不断的改变输入信息,观察输出信息的变化率）;
（2）灵敏度分析能提供影响因素重要性的排序问题
以及探测误差传递函数的稳定性;
（3）当给定输出
信息的质量限值后,利用灵敏度分析可以确定输入
信息质量的临界值（刘文宝,1995）;
（4）不仅可以
定性和定量的分析SAR成像各个进程中误差的影
响大小,同时利用分析结果指导SAR系统元器件的
设计和系统优化.
5结论和展望
本文分析了在遥感和GIS的误差研究中的两
种主要方法:
概率统计和机理模拟的特点,结合
SAR系统成像原理,提出机理的方法分析SAR系
统成像误差.在系统成像原理的基础上,详细讨论
了影响合成孔径雷达成像的诸多因素.并利用灵敏
度分析的方法探测和确定每一个误差对SAR图像
影响的大小.在后续工作中,利用误差传递函数和
灵敏度分析的结果计算SAR系统的成像误差.然
后,将误差改正数加到相应SAR图像像元上,从而
提高了SAR图像的精度.
这一问题的研究不仅对研制合成孔径雷达的设
计具有指导意义,而且对遥感数据的质量控制,遥
感信息反演的研究也有着重要意义.
131期葛咏等:
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Mechanism-BasedSARImagingSystemErrorTheoryAnalysis
GeYongWangJinfeng
（StateKeyLaboratoryofResourcesandEnvironmentalInformationSystem,InstituteofGeography,CAS,Beijing100101）
Abstract
CurentsTwokindsofmethodstavebeendavelopedindealingwitherroranduncertaintyinremote
sensingandgeographicinformationsystem1oneisstatisticsmethod1Theotherismechanismanalysis
method1Wediscussedthecharacteristicsofthesemethodsrespectively1Ginentheshortcomingofstatistics
method,weproposedonemethodbelongingtomechanismmethodtoanalysiserrorpropagationin
SyntheticApertureRadar1Itisveryimportantvaluetodataqualitycontrolandinversionofremote
sensing1
Keywords:
SARErrorStatisticsmethodMechanismAnalysisMethodControlTheoryError
PropagationModel
23地球信息科学2000年3月
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