BAQ算法仿真及分析范文

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《空間電子技術(shù)雜志》2015年第一期

1SAR的數(shù)據(jù)特性及baq的作用

SAR回波數(shù)據(jù)具有以下一些特性［10］:(1)I、Q兩路信號均為近似零均值的高斯分布，且I、Q兩路信號彼此獨(dú)立;(2)樣本間的相關(guān)性很微弱;(3)具有類白噪聲的頻譜;(4)數(shù)據(jù)動態(tài)范圍大;(5)距離向和方位向的方差緩慢變化;(6)數(shù)據(jù)率龐大。數(shù)據(jù)間的相關(guān)性是各種壓縮算法利用的重要因素，SAR原始數(shù)據(jù)間的相關(guān)性微弱，導(dǎo)致SAR數(shù)據(jù)壓縮算法的選擇局限在很小的一個范圍內(nèi)。雖SAR數(shù)據(jù)壓縮算法的種類繁多，但是壓縮效果一般的BAQ壓縮算法卻是最簡單、速度最快、最實(shí)用的一種壓縮算法。且BAQ數(shù)據(jù)壓縮可以帶來以下的好處:(1)減少數(shù)據(jù)率。可以降低數(shù)傳速率，而不減少相位信息;可以將更多信息(極化和多頻信息)傳至地面。(2)減少存儲需要的數(shù)據(jù)量。在數(shù)據(jù)向地面發(fā)射之前，可以存儲更多的數(shù)據(jù)，當(dāng)衛(wèi)星軌道處于無數(shù)據(jù)鏈路區(qū)段時，這一特點(diǎn)顯得較為重要。(3)不改變圖像的幾何分辨率［11］;(4)不引起圖像的幾何失真［11］;(5)對圖像的輻射分辨率影響很小［11］。

2BAQ壓縮算法簡介

2．1BAQ算法原理BAQ壓縮算法的思想是通過對大數(shù)據(jù)塊劃分，使得每一分塊數(shù)據(jù)的動態(tài)范圍遠(yuǎn)小于整塊數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)整塊數(shù)據(jù)的自適應(yīng)量化。從全局來看，獲得了較大的動態(tài)范圍。使用BAQ壓縮算法的基礎(chǔ)是認(rèn)為SAR原始數(shù)據(jù)是在距離向和方位向具有零均值、緩變方差的高斯分布信號。BAQ壓縮算法的實(shí)現(xiàn)原理框圖如圖1所示［11］。從圖1可歸納BAQ壓縮算法的實(shí)現(xiàn)步驟為:(1)將需壓縮的原始數(shù)據(jù)分成若干小塊，計(jì)算塊內(nèi)樣本的幅度均值，根據(jù)均值估算方差。(2)應(yīng)用這個方差將塊內(nèi)數(shù)據(jù)歸一化，使之符合均值為零，方差為1的標(biāo)準(zhǔn)高斯分布。(3)以(0，1)高斯分布為基礎(chǔ)，預(yù)先計(jì)算好量化電平和輸出電平。(4)用歸一化后的數(shù)據(jù)與量化電平比較得到量化后的碼字。(5)將編碼及對應(yīng)的塊幅度均值一起打包下傳至地面。(6)在地面上，根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)、各數(shù)據(jù)塊的方差以及輸出電平恢復(fù)出原始數(shù)據(jù)。

2．2BAQ算法求解的關(guān)鍵技術(shù)BAQ壓縮算法的重點(diǎn)在于如何合理的對數(shù)據(jù)分塊、分塊數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差的求解以及根據(jù)分塊數(shù)據(jù)求解判決電平和量化電平。BAQ分塊既不能太大，要盡可能準(zhǔn)確地跟蹤回波數(shù)據(jù)幅度在距離向和數(shù)據(jù)向的起伏;也不能太小，必須保證用該塊數(shù)據(jù)估計(jì)出的標(biāo)準(zhǔn)差能可靠地反映該數(shù)據(jù)塊的統(tǒng)計(jì)特性。即分塊必須足夠小以保證每一分塊中估計(jì)出的方差值恒定;分塊必須足夠大以保證能有效地估計(jì)出每一分塊的方差值。對SAR來講，在距離向分塊應(yīng)小于發(fā)射脈沖所對應(yīng)的采樣點(diǎn)數(shù);在方位向應(yīng)小于合成孔徑點(diǎn)數(shù)。一般地，分塊的大小取為［10］:32×32(方位×距離)。假設(shè)將原始數(shù)據(jù)分成Ka×Kr的子塊，Ka、Kr分別是距離向和方位向的點(diǎn)數(shù)。若原始數(shù)據(jù)的字長為n位，每個子塊產(chǎn)生一個b位的門限電平，則BAQ算法的壓縮比為。

3一種改進(jìn)的BAQ算法

由于SAR原始數(shù)據(jù)的動態(tài)范圍太大，既要照顧到小信號，又不使大信號飽和是一個很困難的事情。所以如果AGC調(diào)節(jié)不當(dāng)或者地面反射突變，造成接收機(jī)飽和，很多采樣數(shù)據(jù)就會等于A/D變換器的最大值和最小值。原始數(shù)據(jù)的分布近似服從高斯分布是傳統(tǒng)BAQ算法的重要條件。實(shí)際上大多數(shù)回波數(shù)據(jù)也很好地符合這個條件。但是在上述情況下，回波數(shù)據(jù)中含有較多的飽和數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)BAQ算法的基本條件已經(jīng)不能滿足，若仍使用傳統(tǒng)BAQ算法進(jìn)行量化，就會造成很大的誤差。這時需要對傳統(tǒng)BAQ算法進(jìn)行改進(jìn)，以便更好地適用于實(shí)際的SAR信號壓縮處理中。原始數(shù)據(jù)經(jīng)過8位A/D轉(zhuǎn)換器(ADC08D1500)量化，由于此AD有固定之流128，所以最大值為255，最小值為0。對大量回波數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，在局部集中區(qū)域中最大值和最小值的出現(xiàn)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他中間值的出現(xiàn)頻率，甚至幾倍于數(shù)據(jù)均值的出現(xiàn)頻率;除了最大值和最小值的區(qū)域，中間區(qū)域基本上符合高斯分布。由于原始數(shù)據(jù)含有過多飽和成分只在一定的區(qū)域，并不會延伸到所有的數(shù)據(jù)段，所以在數(shù)據(jù)壓縮前先要對需要量化的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，判斷飽和數(shù)據(jù)是否多到需要進(jìn)行特別處理的程度。傳統(tǒng)BAQ算法的設(shè)計(jì)思想就是在數(shù)據(jù)分布密集的區(qū)域，取較小的量化區(qū)間，在數(shù)據(jù)分布稀疏的區(qū)域，取較大量化區(qū)間。這樣在均方誤差的意義下，全局量化誤差達(dá)到最小。根據(jù)這個思想，由于最大值和最小值是局部數(shù)據(jù)非常集中的區(qū)域，所以有必要用專門碼字來表示;而對于中間值，由于數(shù)據(jù)仍然能夠很好地符合高斯分布，所以仍然使用傳統(tǒng)BAQ算法對其量化。

改進(jìn)的BAQ算法具體實(shí)現(xiàn)步驟分4大步:(1)接收到原始數(shù)據(jù)之后，先對其進(jìn)行分塊，然后統(tǒng)計(jì)塊內(nèi)飽和數(shù)據(jù)在塊內(nèi)所占的百分比，同時統(tǒng)計(jì)出非飽和數(shù)據(jù)的方差。(2)預(yù)先設(shè)置一個百分比，當(dāng)飽和數(shù)據(jù)所占百分比小于此值時，對數(shù)據(jù)塊進(jìn)行傳統(tǒng)BAQ算法量化;當(dāng)飽和數(shù)據(jù)所占百分比大于此值時，采用對飽和數(shù)據(jù)單獨(dú)編碼的方法，其余數(shù)據(jù)仍然使用根據(jù)高斯分布計(jì)算得出的門限電平進(jìn)行量化。(3)下傳的數(shù)據(jù)包括量化后數(shù)據(jù)、各數(shù)據(jù)塊的方差和各數(shù)據(jù)塊的量化方法指示。(4)在地面上，根據(jù)量化的方法和數(shù)據(jù)塊的方差恢復(fù)出原始的數(shù)據(jù)。改進(jìn)的BAQ算法的實(shí)質(zhì)是，根據(jù)數(shù)據(jù)塊的統(tǒng)計(jì)特性，自適應(yīng)地選擇均方誤差最小的量化方法。如果數(shù)據(jù)完全沒有飽和情況，那么這種算法也完全不會影響量化的質(zhì)量，所以是一種通用的量化方法。對比傳統(tǒng)BAQ算法，改進(jìn)的BAQ算法可以帶來2大好處:(1)在計(jì)算方差的時候，由于除去了飽和的數(shù)據(jù)，使量化的方差更好地符合非飽和數(shù)據(jù)，減少了非飽和數(shù)據(jù)量化的誤差。(2)由于飽和數(shù)據(jù)產(chǎn)生的很大的量化誤差變成了無誤差。

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4．1量化信噪比結(jié)果對比為了驗(yàn)證改進(jìn)的BAQ算法的效果，本文以實(shí)際的SAR原始數(shù)據(jù)作了3次實(shí)驗(yàn)，分別是直接取高3位量化、3比特傳統(tǒng)BAQ算法量化，3比特改進(jìn)的BAQ算法量化。數(shù)據(jù)塊為16384*16384點(diǎn)數(shù)。傳統(tǒng)BAQ算法是根據(jù)均方最小誤差準(zhǔn)則得出的，而改進(jìn)的BAQ算法是在數(shù)據(jù)含有飽和成分時繼續(xù)貫徹最小均方誤差準(zhǔn)則得出的，所以這兩種算法的衡量標(biāo)準(zhǔn)就是SQNR。使用三種方法對原始數(shù)據(jù)量化結(jié)果如表1所示。噪聲功率ε表示原始數(shù)據(jù)和重建數(shù)據(jù)間量化誤差的絕對測量，σ為標(biāo)準(zhǔn)差。從以上的對比結(jié)果來看，使用直接取高3位量化方法時飽和數(shù)據(jù)對噪聲功率影響大;而對于傳統(tǒng)BAQ算法，飽和成分越多，量化信噪比越低;而對于改進(jìn)的BAQ算法，含有飽和成分的數(shù)據(jù)塊飽和成分越多，量化信噪比越高;所以在提高量化信噪比方面，改進(jìn)的BAQ算法優(yōu)于傳統(tǒng)BAQ算法。

4．2恢復(fù)的數(shù)據(jù)結(jié)果對比從原始數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)特性來看，當(dāng)飽和成分達(dá)到20%以上時，非飽和部分的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)近似三角分布。但是飽和成分過多并不是數(shù)據(jù)沒有用處，仍要進(jìn)行量化下傳。下面通過對使用這兩種壓縮算法量化下傳后恢復(fù)的數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)比較來分析這兩種壓縮算法的效果。兩種壓縮方法恢復(fù)的數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)對比結(jié)果如圖2所示。兩種壓縮方法恢復(fù)的數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)的信號誤差對比結(jié)果如表2所示。從圖2可看出，改進(jìn)的BAQ算法量化下傳后恢復(fù)的數(shù)據(jù)較接近原始數(shù)據(jù);傳統(tǒng)BAQ算法量化下傳后恢復(fù)的數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)對比效果較差，尤其是在2100個點(diǎn)后幅值比實(shí)際幅值整個抬高了。表2定量地給出了這兩種壓縮方法恢復(fù)的數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)的信號誤差。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)的BAQ算法對于降低含有較多飽和成分原始數(shù)據(jù)的量化誤差有很大的幫助。在處理非飽和數(shù)據(jù)時，這兩種壓縮算法效果接近。但是由于改進(jìn)的BAQ算法對飽和部分的數(shù)據(jù)作了特殊的處理，而傳統(tǒng)BAQ算法在處理飽和數(shù)據(jù)時會造成很大的誤差，所以總體上改進(jìn)的BAQ算法優(yōu)于傳統(tǒng)BAQ算法;而且改進(jìn)的BAQ算法計(jì)算量增加不大，易于實(shí)現(xiàn)，所以它是一種比較實(shí)用的SAR原始數(shù)據(jù)壓縮方法。

5結(jié)束語

雖然合成孔徑雷達(dá)的數(shù)據(jù)壓縮在信號的處理中必不可少，但是由于對速度的要求，很多高性能的算法很難應(yīng)用。因此壓縮效果一般的BAQ算法以其最簡單、速度最快、最實(shí)用而成為現(xiàn)在唯一實(shí)用的合成孔徑雷達(dá)壓縮算法。在實(shí)際應(yīng)用中，SAR的回波數(shù)據(jù)中往往含有飽和數(shù)據(jù)。若仍使用傳統(tǒng)BAQ算法則存在很大的誤差。針對傳統(tǒng)BAQ算法的這一缺點(diǎn)，從實(shí)用性的角度出發(fā)，本文在分析了SAR實(shí)際回波數(shù)據(jù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了一種改進(jìn)的BAQ算法并應(yīng)用于SAR信號處理系統(tǒng)中。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在地面上，改進(jìn)的BAQ算法比傳統(tǒng)BAQ算法能更好地恢復(fù)出含有飽和數(shù)據(jù)的原始回波數(shù)據(jù)。且該算法易于實(shí)現(xiàn)，可很好地應(yīng)用于壓縮處理具有飽和成分的SAR回波數(shù)據(jù)中。

作者：于巍巍孫娟韓濤王明偉單位：中國空間技術(shù)研究院西安分院