基于失真度量的SAR原始回波饱和抑制方法
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综 上 所 述 ，目前亟待解决的是如何采用一种有 效方法抑制回波数据的饱和。此 外 ，现有针对部分 饱和高斯数据的研究仅给出了 8 比 特 A D 采样对应 的统计分布特性，随 着 A D 转换器精度的逐渐提高， 更高速率和更高位数采样已经成为趋势。
基于上述事实，本 文 研 究 了 任 意 比 特 A D 采样
的 离 散 值 和 每 个 离 散 值 对 应 的 量 化 区 间 ，则 可 以 得 到高斯分布A D 数据幅度均值和标准差的对应
关系。 实际应用中，常 见 的 两 种 A D 量 化 准 则为四舍
五 人取整量化和向下取整量化，此 时 可 对 式 （3 ) 进
行简化。
(1)四舍五人取整量化
当 A D 采 用 四 舍 五 入 取 整 量 化 时 ，数据动态范
1 问题描述
回 波 信 号 经 过 雷 达 天 线 接 收 后 ，依 次 通 过 射 频 前 端 放 大 和 数 字 采 样 成 数 字 信 号 ，最 后 完 成 实 时 处
理。图 1 给出了雷达接收系统的简要组成。
图 1 雷达接收系统简图
假 定 回 波 信 号 服 从 理 想 高 斯 分 布 13_5]，信 号 幅 度均值可表示为标准差的函数，即
围
[ 2 ^ - 1 ] 。 此时对式(3)化简得到
2W- 1 /rou„d(cr) = ~ 〇----
n + 0. 5\ JICT I
2 m~' - 0.
(4)
■Jla
(2)向下取整量化
当 A D 采 用 向 下 取 整 量 化 时 ，数据动态范围同
482
202丨年第5 期
样 为 [ - 2 ^ ，2 Mq - 1 ] , 但与四舍五人取整的区别 在 于 量 化 区 间 。此 时 对 式 ( 3 ) 化简可得
〇 引言
随 着 合 成 孔 径 雷 达 （Synthetic Aperture Radar, SAR)系统对图像分辨率和幅宽的指标要求不断提 高 ，信号带宽、脉冲重复频率、通道数等也在提高，导 致 近 年 来 S A R 原 始 数 据 率 正 在 成 倍 增 加 〜 。然而
对 于 处 理 能 力 受 限 的 S A R 平 台 ，尤 其 是 星 载 SAR， 无 法 实 现 如 此 大 数 据 量 的 实 时 处 理 ,通 常 做 法 是 将 原 始 数 据 压 缩 后 下 传 到 地 面 ，在 地 面 上 完 成 准 实 时 处理[2]。
在 诸 多 压 缩 方 法 中 ，块 自 适 应 量 化 （Block Adaptive Quantization, B A Q )压缩方法由于实现简单 且 能 达 到 较 高 的 压 缩 率 ，因 此 被 广 泛 地 用 于 实 际 的
收稿日期:2021>04-14 修订日期:202K4-30
202丨年第5 期
为 便 于 后 续 描 述 ，本 文 将 / ( ^ ) 定 义 为 均 值 函数。
将 式 （1)化简后可得/(〇■)
•〇■，因此理
想高斯信号幅度均值与标准差满足线性关系。 在雷达系统中，回 波 信 号 必 先 经 A D 采样量化
才能用于后续处理。假 设 A D 采 样 位 数 为 M ，量化
准 则 为 <?(*)，则均值函数可表示为：
赵 越 等 :基于失真度量的SAR原始回波饱和抑制方法
481
S A R 系统:3_5]。B A Q 压 缩 方 法 通 过 标 准 差 估 计 、数 据归一化、量 化 编 码 等 几 个 主 要 步 骤 ，完成对原始 S A R 回波数据的压缩。其 中 ，标准差估计作为压缩 算 法 的 第 一 步 ,对 原 始 数 据 的 压 缩 和 重 建 都 具 有 至 关重要的意义。
M(T) =/I
⑵
其中 璆(x ) = U e
,x „ ) ，n e ;1 ，2 , " . ，2 .w |0
根 据 A D 量化准则对均值函数离散化，可得
M a ) = 1 j w C exp(^)dA：=
丨“ r信 )、 W(悬I.
, | ( U - k I W ( 萁 )]
(3)
式 中 :erf( 幻 表 示 误 差 函 数 。 由式(3)可 知 ，只要在量化准则中明确量化后
2 部分饱和高斯信号标准差估计方法
由式( 4 ) 和 式 （5 ) 可 知 ，无论采 用 何 种 量 化 准
上 空 ）或 海 岸 线 附 近 进 行 观 测 时 ，可 能 导 致 A D 饱 和[6]。此 时 采 用 B A Q 算法进行数据压缩时，由于数 据 分 块 的 大 小 有 限 ，无 法 准 确 获 得 饱 和 数 据 块 的 标 准差 ，最终引起算法性能下降，影响数据恢复。
时 部 分 饱 和 高 斯 数 据 的 分 布 特 性 ，并 针 对 两 种 最 常 用 的 A D 量 化 准 则 推 导 出 均 值 函 数 的 表 示 式 ，归纳 出通用的标准差估计方法。针对部分饱和回波数据 采 用 B A Q 压缩算法时遇到的难题，提出一种基于失 真 度 量 的 饱 和 抑 制 方 法 。在 仿 真 结 果 部 分 则 是 对 得 出的标准差估计方法和饱和抑制方法进行了验证。
=^- I
(^)
3 )根据均值码查表得到标准差。
3 基于失真度量的饱和抑制方法
将 M = 8 带 人 式 （5 ) ，结 果 与 文 献 [10]给出的 经 典 表 示 式 一 致 ，因 此 虽 然 现 有 文 献 未 作 说 明 ，但经 典表示式仅适用于8 比特A D 采样向下取整量化。
在 雷 达 系 统 中 ，射 频 端 通 过 自 动 增 益 控 制 ，可将 回 波 信 号 的 动 态 范 围 控 制 在 合 理 范 围 内 ，然而当 S A R 对回波信号较强的大面积分布式目标（如城市
摘 要 ： 在合成孔径雷达系统中，针对块自适应量化压缩算法处理饱和数据引起的性能下降，现有 方 法 通 常 从 解 码 端 对 信 号 进 行 功 率 补 偿 ，但 并 未 从 根 本 上 解 决 原 始 数 据 饱 和 问 题 。 文中首先研究 了部分饱和高斯回波信号的统计分布，推 导 出 常 用 A D 量 化 准 则 下 任 意 比 特 A D 回波数据的标准 差估计方法。随后通过该方法，引入信号失真度，并提出了一种基于失真度量的饱和抑制方法。仿 真 结 果 表 明 ，文 中 提 出 的 方 法 可 在 保 证 良 好 动 态 范 围 的 同 时 有 效 降 低 信 号 失 真 度 ，当原始信号严重 饱和时，可使失真度降低1 ~2个 数 量 级 。 关键词 ：合成孔径雷达；块自适应量化；部分饱和信号；失真度 中图分类号:TN957.51 文献标志码：A 文章编号： 1673-5692( 2021 )05480>06
Distortion-degree Based Saturation Suppression Method for SAR Raw Data
Z H A O Yue, ZHENG Zhi-bin
( Nanjing Research Institute of Electronics Technology, Nanjing 210039, China)
为 了 提 高 部 分 饱 和 回 波 数 据 压 缩 的 性 能 ，文献 [7]提 出了一 种 混 合 编 码 算 法 ，即对饱和的数据采 用无损编码，而 对 未 饱 和 的 数 据 采 用 传 统 B A Q 压 缩;文 献 [ 8 ] 提出了 一 种 分 数 比 特 率 算 法 ，较传统 B A Q 算法的压缩率更为灵活；然而上述动态压缩率 算 法 会 增 加 下 传 速 率 的 不 确 定 性 ，尤 其 在 多 通 道 传 输 时 ，无法保证通道间速率一致性，这不利于压缩数 据 的 重 建 。文 献 [ 6 ] 针 对 部 分 饱 和 数 据 设 计 了 一 种 功 率 补 偿 解 码 器 ，通 过 调 整 解 码 端 的 判 决 电 平 ，提高 了信 噪 比 ;文 献 [ 9 ] 提 出 了 一 种 基 于 动 态 解 码 的 饱 和校正方法，根 据 先 验 知 识 由 S A R 回波量化输出功 率 推 测 量 化 输 人 功 率 ，据 此 改 变 解 码 时 采 用 的 边 界 码 值 。文献[6]和 [9]不改变现有的编码架构，而是 从 解 码 端 对 B A Q 算法进行优化，虽然能够获得更高 的信噪比，但 并 未 从 根 本 上 解 决 原 始 数 据 饱 和 的 问题。
Abstract ：In the synthetic aperture radar system, to deal with the performance degradation problem of the block adaptive quantization algorithm due to signal saturation, current methods usually compensate the signal power at the receiver side, which however does not fundamentally solve the signal saturation prob lem. This paper first investigated the statistical distribution of the partially saturated Gaussian echo sig nal, and summarized a standard deviation estimation method for arbitrary-bit sampled echo data under common quantization criteria, rhrough introducing the concept of distortion degree, we proposed a distortion-degree based saturation suppression method. Simulation results showed that the proposed saturation suppression method could significantly decrease the signal distortion degree. When the signal is heavily saturated， the distortion degree can be decreased by 1 〜 2 orders of magnitude. Key w ords：synthetic aperture radar；block adaptive quantization；partially saturated signal； distortion degree
BAQ算法的最大缺陷在于假设了原始数据服 从 高 斯 分 布 ，仅 在 高 斯 分 布 假 设 成 立 的 情 况 下 实 现 最优的压缩 分 布 式 目 标 进 行 观 测 时 ，可 能 导 致 饱 和 161， 此 时 A D 采 样 必 须 对 数 据 进 行 截 断 ，导致截断后的 数 据 不 再 满 足 严 格 的 高 斯 分 布 ，最 终 引 起 压 缩 算 法 性能恶化。
则 ，均 值 函 数 的 数 学 特 性 取 决 于 误 差 函 数 erfU)。
解决饱和数据压缩问题的根本方法在于从源头
对 函 数 g (〇•) = erf(m /cr) 求 关 于 〇•的 一 阶 导 数 ， 上 实 现 饱 和 抑 制 ，为 此 需 要 提 出 相 应 的 饱 和 判 断
第5 期 2021年5 月
! 工程应用
Journal of CAEIT
Vol. 16 No. 5 May 2021
d o i：10.3969/j. issn. 1673-5692.2021.05.009
基 于失真度量的 SAR原始回波饱和抑制方法
赵越,郑志彬
( 南京电子技术研究所，江 苏 南 京 210039)
基于上述事实，本 文 研 究 了 任 意 比 特 A D 采样
的 离 散 值 和 每 个 离 散 值 对 应 的 量 化 区 间 ，则 可 以 得 到高斯分布A D 数据幅度均值和标准差的对应
关系。 实际应用中，常 见 的 两 种 A D 量 化 准 则为四舍
五 人取整量化和向下取整量化，此 时 可 对 式 （3 ) 进
行简化。
(1)四舍五人取整量化
当 A D 采 用 四 舍 五 入 取 整 量 化 时 ，数据动态范
1 问题描述
回 波 信 号 经 过 雷 达 天 线 接 收 后 ，依 次 通 过 射 频 前 端 放 大 和 数 字 采 样 成 数 字 信 号 ，最 后 完 成 实 时 处
理。图 1 给出了雷达接收系统的简要组成。
图 1 雷达接收系统简图
假 定 回 波 信 号 服 从 理 想 高 斯 分 布 13_5]，信 号 幅 度均值可表示为标准差的函数，即
围
[ 2 ^ - 1 ] 。 此时对式(3)化简得到
2W- 1 /rou„d(cr) = ~ 〇----
n + 0. 5\ JICT I
2 m~' - 0.
(4)
■Jla
(2)向下取整量化
当 A D 采 用 向 下 取 整 量 化 时 ，数据动态范围同
482
202丨年第5 期
样 为 [ - 2 ^ ，2 Mq - 1 ] , 但与四舍五人取整的区别 在 于 量 化 区 间 。此 时 对 式 ( 3 ) 化简可得
〇 引言
随 着 合 成 孔 径 雷 达 （Synthetic Aperture Radar, SAR)系统对图像分辨率和幅宽的指标要求不断提 高 ，信号带宽、脉冲重复频率、通道数等也在提高，导 致 近 年 来 S A R 原 始 数 据 率 正 在 成 倍 增 加 〜 。然而
对 于 处 理 能 力 受 限 的 S A R 平 台 ，尤 其 是 星 载 SAR， 无 法 实 现 如 此 大 数 据 量 的 实 时 处 理 ,通 常 做 法 是 将 原 始 数 据 压 缩 后 下 传 到 地 面 ，在 地 面 上 完 成 准 实 时 处理[2]。
在 诸 多 压 缩 方 法 中 ，块 自 适 应 量 化 （Block Adaptive Quantization, B A Q )压缩方法由于实现简单 且 能 达 到 较 高 的 压 缩 率 ，因 此 被 广 泛 地 用 于 实 际 的
收稿日期:2021>04-14 修订日期:202K4-30
202丨年第5 期
为 便 于 后 续 描 述 ，本 文 将 / ( ^ ) 定 义 为 均 值 函数。
将 式 （1)化简后可得/(〇■)
•〇■，因此理
想高斯信号幅度均值与标准差满足线性关系。 在雷达系统中，回 波 信 号 必 先 经 A D 采样量化
才能用于后续处理。假 设 A D 采 样 位 数 为 M ，量化
准 则 为 <?(*)，则均值函数可表示为：
赵 越 等 :基于失真度量的SAR原始回波饱和抑制方法
481
S A R 系统:3_5]。B A Q 压 缩 方 法 通 过 标 准 差 估 计 、数 据归一化、量 化 编 码 等 几 个 主 要 步 骤 ，完成对原始 S A R 回波数据的压缩。其 中 ，标准差估计作为压缩 算 法 的 第 一 步 ,对 原 始 数 据 的 压 缩 和 重 建 都 具 有 至 关重要的意义。
M(T) =/I
⑵
其中 璆(x ) = U e
,x „ ) ，n e ;1 ，2 , " . ，2 .w |0
根 据 A D 量化准则对均值函数离散化，可得
M a ) = 1 j w C exp(^)dA：=
丨“ r信 )、 W(悬I.
, | ( U - k I W ( 萁 )]
(3)
式 中 :erf( 幻 表 示 误 差 函 数 。 由式(3)可 知 ，只要在量化准则中明确量化后
2 部分饱和高斯信号标准差估计方法
由式( 4 ) 和 式 （5 ) 可 知 ，无论采 用 何 种 量 化 准
上 空 ）或 海 岸 线 附 近 进 行 观 测 时 ，可 能 导 致 A D 饱 和[6]。此 时 采 用 B A Q 算法进行数据压缩时，由于数 据 分 块 的 大 小 有 限 ，无 法 准 确 获 得 饱 和 数 据 块 的 标 准差 ，最终引起算法性能下降，影响数据恢复。
时 部 分 饱 和 高 斯 数 据 的 分 布 特 性 ，并 针 对 两 种 最 常 用 的 A D 量 化 准 则 推 导 出 均 值 函 数 的 表 示 式 ，归纳 出通用的标准差估计方法。针对部分饱和回波数据 采 用 B A Q 压缩算法时遇到的难题，提出一种基于失 真 度 量 的 饱 和 抑 制 方 法 。在 仿 真 结 果 部 分 则 是 对 得 出的标准差估计方法和饱和抑制方法进行了验证。
=^- I
(^)
3 )根据均值码查表得到标准差。
3 基于失真度量的饱和抑制方法
将 M = 8 带 人 式 （5 ) ，结 果 与 文 献 [10]给出的 经 典 表 示 式 一 致 ，因 此 虽 然 现 有 文 献 未 作 说 明 ，但经 典表示式仅适用于8 比特A D 采样向下取整量化。
在 雷 达 系 统 中 ，射 频 端 通 过 自 动 增 益 控 制 ，可将 回 波 信 号 的 动 态 范 围 控 制 在 合 理 范 围 内 ，然而当 S A R 对回波信号较强的大面积分布式目标（如城市
摘 要 ： 在合成孔径雷达系统中，针对块自适应量化压缩算法处理饱和数据引起的性能下降，现有 方 法 通 常 从 解 码 端 对 信 号 进 行 功 率 补 偿 ，但 并 未 从 根 本 上 解 决 原 始 数 据 饱 和 问 题 。 文中首先研究 了部分饱和高斯回波信号的统计分布，推 导 出 常 用 A D 量 化 准 则 下 任 意 比 特 A D 回波数据的标准 差估计方法。随后通过该方法，引入信号失真度，并提出了一种基于失真度量的饱和抑制方法。仿 真 结 果 表 明 ，文 中 提 出 的 方 法 可 在 保 证 良 好 动 态 范 围 的 同 时 有 效 降 低 信 号 失 真 度 ，当原始信号严重 饱和时，可使失真度降低1 ~2个 数 量 级 。 关键词 ：合成孔径雷达；块自适应量化；部分饱和信号；失真度 中图分类号:TN957.51 文献标志码：A 文章编号： 1673-5692( 2021 )05480>06
Distortion-degree Based Saturation Suppression Method for SAR Raw Data
Z H A O Yue, ZHENG Zhi-bin
( Nanjing Research Institute of Electronics Technology, Nanjing 210039, China)
为 了 提 高 部 分 饱 和 回 波 数 据 压 缩 的 性 能 ，文献 [7]提 出了一 种 混 合 编 码 算 法 ，即对饱和的数据采 用无损编码，而 对 未 饱 和 的 数 据 采 用 传 统 B A Q 压 缩;文 献 [ 8 ] 提出了 一 种 分 数 比 特 率 算 法 ，较传统 B A Q 算法的压缩率更为灵活；然而上述动态压缩率 算 法 会 增 加 下 传 速 率 的 不 确 定 性 ，尤 其 在 多 通 道 传 输 时 ，无法保证通道间速率一致性，这不利于压缩数 据 的 重 建 。文 献 [ 6 ] 针 对 部 分 饱 和 数 据 设 计 了 一 种 功 率 补 偿 解 码 器 ，通 过 调 整 解 码 端 的 判 决 电 平 ，提高 了信 噪 比 ;文 献 [ 9 ] 提 出 了 一 种 基 于 动 态 解 码 的 饱 和校正方法，根 据 先 验 知 识 由 S A R 回波量化输出功 率 推 测 量 化 输 人 功 率 ，据 此 改 变 解 码 时 采 用 的 边 界 码 值 。文献[6]和 [9]不改变现有的编码架构，而是 从 解 码 端 对 B A Q 算法进行优化，虽然能够获得更高 的信噪比，但 并 未 从 根 本 上 解 决 原 始 数 据 饱 和 的 问题。
Abstract ：In the synthetic aperture radar system, to deal with the performance degradation problem of the block adaptive quantization algorithm due to signal saturation, current methods usually compensate the signal power at the receiver side, which however does not fundamentally solve the signal saturation prob lem. This paper first investigated the statistical distribution of the partially saturated Gaussian echo sig nal, and summarized a standard deviation estimation method for arbitrary-bit sampled echo data under common quantization criteria, rhrough introducing the concept of distortion degree, we proposed a distortion-degree based saturation suppression method. Simulation results showed that the proposed saturation suppression method could significantly decrease the signal distortion degree. When the signal is heavily saturated， the distortion degree can be decreased by 1 〜 2 orders of magnitude. Key w ords：synthetic aperture radar；block adaptive quantization；partially saturated signal； distortion degree
BAQ算法的最大缺陷在于假设了原始数据服 从 高 斯 分 布 ，仅 在 高 斯 分 布 假 设 成 立 的 情 况 下 实 现 最优的压缩 分 布 式 目 标 进 行 观 测 时 ，可 能 导 致 饱 和 161， 此 时 A D 采 样 必 须 对 数 据 进 行 截 断 ，导致截断后的 数 据 不 再 满 足 严 格 的 高 斯 分 布 ，最 终 引 起 压 缩 算 法 性能恶化。
则 ，均 值 函 数 的 数 学 特 性 取 决 于 误 差 函 数 erfU)。
解决饱和数据压缩问题的根本方法在于从源头
对 函 数 g (〇•) = erf(m /cr) 求 关 于 〇•的 一 阶 导 数 ， 上 实 现 饱 和 抑 制 ，为 此 需 要 提 出 相 应 的 饱 和 判 断
第5 期 2021年5 月
! 工程应用
Journal of CAEIT
Vol. 16 No. 5 May 2021
d o i：10.3969/j. issn. 1673-5692.2021.05.009
基 于失真度量的 SAR原始回波饱和抑制方法
赵越,郑志彬
( 南京电子技术研究所，江 苏 南 京 210039)