1.5. ERS系列产品介绍

1.5.1. 雷达参数与工作模式

ERS1 与 ERS2 是欧洲航天局 (European Space Agency, ESA) 研发的两颗卫星, 分别于1991年与1995年发射, 两颗卫星搭载的相同参数的雷达. 雷达工作在C波段, 采用HH极化收发方式, 轨道重访周期为35天. 在ERS1与ERS2同时工作的期间, ESA通过进行轨道调整和控制, 使得ERS1与ERS2间满足干涉测量要求, 从而使系统具备干涉测量的能力. 具体雷达参数可以在 这里这里 获得. 总结如下:

表 1.5 ERS平台参数

参数

符号

单位

平台高度

\(H\)

786070

m

平台速度

\(V\)

7098.0194

m/s

距离向天线长度

\(L_r\)

1

m

方位向天线长度

\(L_a\)

10

m

雷达波长

\(\lambda\)

0.05657

m

雷达载频

\(f_c\)

5.3

GHz

脉冲宽度

\(T_p\)

37.12

\(μs\)

距离向调频率

\(K_r\)

4.18989015e+11

Hz/s

距离向带宽

\(B_r\)

15.55±0.01

MHz

距离向采样率

\(F_{rs}\)

18.962468e+6

Hz

距离向采样数

\(N_{r}\)

5616

方位向调频率

\(K_a\)

2122.96

Hz/s

方位向采样率

\(F_{as}=PRF\)

1640-1720, 1679.902

Hz

方位向采样数

\(N_{a}\)

不定

多普勒中心频率

\(f_{\eta_c}\)

1257.769

Hz

成像分辨率

\(\Delta_a × \Delta_r\)

\(5 × 24.6\)

m

幅宽

80400 or 102500

m

入射角

\(\theta_i\)

23 (at mid-swath)

\(°\)

斜视角

\(\theta_s\)

0

\(°\)

1.5.2. 数据获取

ASF 上可以下载到ERS卫星SAR数据, 解压下载的 zip 数据文件, 可以得到 .raw  .vol .ldr 等文件, 此种格式使用 SNAP, NEST 这些软件都无法打开, 可以使用 GMTSAR 来读取数据或者本书作者开发的 iprs 工具读取.

提示

从ASF上下载数据很慢, 而且经常动不动中断, 后来找了个多线程下载工具, 写了个脚本终于顺利下载, 参见 多线程下载 小节. 此外, GMTSAR依赖于通用映射依赖(Generic Mapping Tools, GMT)软件, 需要先安装GMT依赖, 然而其下载速度相当慢, 可以从 国内镜像下载. GMT 与 GMTSAR 的安装采用源码安装即可, 具体可参见源码目录中的自述文件, 安装过程比较简单, 不再赘述.

1.5.3. 原始回波数据读取

ERS原始SAR回波数据及单视复数产品文件结构描述均可以在 这里 看到, 下面简要介绍原始数据的文件结构及数据提取. 本节以从ASF上下载的 E2_84690_STD_L0_F137.zip 原始回波数据文件和 E2_84690_STD_F137.zip 单视复数数据文件为例进行讲解.

目录及文件格式

ERS产品采用CEOS(参见 CEOS 小节)格式存储数据,

在本书作者开发的 iprs 工具包中, 定义的SAR信号数据映射字典如 代码 1.9, 如记录长度('Length of this record')字段的起止地址为 (9,12), 占4个字节, 类型为 1B4, 即一个四字节的数. 又如字段 'Raw Data', 表示采样数据, 第一个样本的起止地址为 (413,414), 占2个字节, 类型为 2B4, 即包含两个单字节整数.

代码 1.9 ERS Sar Data File Signal Data Record Descriptor Dictionary defined in iprs
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 SarDataFileSignalDataRecordERS = {
     'Record sequence number': [(1, 4), '1B4', 0],
     'l-st record sub-type code': [(5, 5), '1B1', 0],
     'Record type code': [(6, 6), '1B1', 0],
     '2-nd record sub-type code': [(7, 7), '1B1', 0],
     '3-rd record sub-type code': [(8, 8), '1B1', 0],
     'Length of this record': [(9, 12), '1B4', 0],
     # PREFIX DATA - GENERAL INFORMATION
     'SAR image data line number': [(13, 16), '1B4', 0],
     'SAR image data record index (indicates the record sequence number of the image line)': [(17, 20), '1B4', 0],
     'Actual count of left-fill pixels': [(21, 24), '1B4', 0],
     'Actual count of data pixels (samples)': [(25, 28), '1B4', 0],
     'Actual count of right-fill pixels': [(29, 32), '1B4', 0],
     'Reserved1': [(33, 84), '1I52', 0],
     'Spare1': [(85, 88), '1I4', 0],
     'Spare2': [(89, 92), '1I4', 0],
     'Reserved2': [(93, 124), '1I32', 0],
     'Spare3': [(125, 128), '1I4', 0],
     # PREFIX DATA PLATFORM REFERENCE INFORMATION
     'Platform information': [(129, 192), '1B64', 0],
     # PREFIX DATA - SENSOR/FACILITY SPECIFIC, AUXILIARY DATA
     'Fixed code = AA in Hexadecimal notation': [(193, 193), '1B1', 0],
     'OGRC/OBRC flag (1 or 0)': [(194, 194), '1B1', 0],
     'ICU on board time': [(195, 198), '1B4', 0],
     'Activity task': [(199, 200), '1B2', 0],
     'Image format counter': [(201, 204), '1B4', 0],
     'Sampling window start time': [(205, 206), '1B2', 0],
     'Pulse repetition interval': [(207, 208), '1B2', 0],
     'Calibration attenuation setting': [(209, 209), '1B1', 0],
     'Receiver gain attenuation setting': [(210, 210), '1B1', 0],
     'Spare4': [(211, 340), '130B1', 0],
     '36 calibration pulses as (4bit spare 6bit Q 6bit I from MSB down to LSB)': [(341, 412), '36B2', 0],
     # SAR RAW SIGNAL DATA
     'Raw Data': [(-1, -1), '2B1', 0]  # auto infer, (413, )
 }

数据读取与解析

采用本书作者开发的 iprs 工具包可以读取ERS原始SAR回波数据, 使用 iprs 读取 E2_84690_STD_L0_F137.zip 中的 E2_84690_STD_L0_F137.000.raw 文件, 这里给出读取的SAR数据文件文件描述记录, 参见 代码 1.10.

代码 1.10 Sar Data File File Descriptor Record in sar raw data file of product E2_84690_STD_L0_F137.
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 Record sequence number [(1, 4), '1B4', [1]]
 l-st record sub-type code [(5, 5), '1B1', [63]]
 Record type code [(6, 6), '1B1', [192]]
 2-nd record sub-type code [(7, 7), '1B1', [18]]
 3-rd record sub-type code [(8, 8), '1B1', [18]]
 Length of this record [(9, 12), '1B4', [11644]]
 ASCII/EBCDIC flag [(13, 14), '1A2', ['A ']]
 1Blanks [(15, 16), '1A2', ['  ']]
 Format control document ID [(17, 28), '1A12', ['CEOS-SAR-CCT']]
 Format control document revision level [(29, 30), '1A2', ['B ']]
 File design descriptor revision letter [(31, 32), '1A2', ['B ']]
 Generating software release and revision level [(33, 44), '1A12', ['SKY 5.4.8   ']]
 File number [(45, 48), '1I4', [2]]
 File name [(49, 64), '1A16', ['ERS2.SAR.RAWIMGY']]
 Record sequence and location type flag [(65, 68), '1A4', ['FSEQ']]
 Sequence number location [(69, 76), '1I8', [1]]
 Sequence number field length [(77, 80), '1I4', [4]]
 Record code and location type flag [(81, 84), '1A4', ['FTYP']]
 Record code location [(85, 92), '1I8', [5]]
 Record code field length [(93, 96), '1I4', [4]]
 Record length and location type flag [(97, 100), '1A4', ['FLGT']]
 Record length location [(101, 108), '1I8', [9]]
 Record length field length [(109, 112), '1I4', [4]]
 Reserved1 [(113, 113), '1I1', [[]]]
 Reserved4 [(116, 116), '1I1', [[]]]
 Reserved segment [(117, 180), '1A64', ['                                                                ']]
 Number of SAR DATA records (nominal) [(181, 186), '1I6', [28603]]
 SAR DATA record length (bytes) [(187, 192), '1I6', [11644]]
 Reserved1 (blanks) [(193, 216), '1A4', ['    ']]
 Number of bits per sample [(217, 220), '1I4', [16]]
 Number of samples per data group (or pixels) [(221, 224), '1I4', [1]]
 Number of bytes per data group (or pixel) [(225, 228), '1I4', [2]]
 Justification and order of samples within data group [(229, 232), '1A4', ['    ']]
 Number of SAR channels in this file [(233, 236), '1I4', [1]]
 Number of lines per data set (nominal) [(237, 244), '1I8', [28603]]
 Number of left border pixels per line [(245, 248), '1I4', [0]]
 Total number of data groups per line per SAR channel [(249, 256), '1I8', [5616]]
 Number of right border pixels per line [(257, 260), '1I4', [0]]
 Number of top border lines [(261, 264), '1I4', [0]]
 Number of bottom border lines [(265, 268), '1I4', [0]]
 Interleaving indicator [(269, 272), '1A4', ['BSQ ']]
 Number of physical records per line [(273, 274), '1I2', [1]]
 Number of physical records per multi-channel line [(275, 276), '1I2', [[]]]
 Number of bytes of prefix data per record [(277, 280), '1I4', [412]]
 Number of bytes of SAR data (or pixel data) per record (nominal) [(281, 288), '1I8', [11232]]
 Number of bytes of suffix data per record [(289, 292), '1I4', [0]]
 Reserved2 [(293, 340), '1A48', ['       1 4PB  37 2PB  33 4PB   9 4PB  17 4PB    ']]
 Blanks [(341, 368), '1A28', ['                            ']]
 Reserved3 [(369, 400), '1A32', ['                                ']]
 SAR Data format type identifier [(401, 428), '1A28', ['COMPLEX SIGNED INTEGER*2    ']]
 SAR Data format type code [(429, 432), '1A4', ['CIS2']]
 Number of left fill bits within pixel [(433, 436), '1I4', [0]]
 Number of right fill bits within pixel [(437, 440), '1I4', [0]]
 Maximum data range of pixel (max-min value for I and Q) [(441, 448), '1I8', [65535]]

代码 1.10 知, 数据存储格式为 CEOS-SAR-CCT, 该数据共 \(28603\) 行脉冲数据, 每行为一次脉冲回波, 一个脉冲含 \(5616\) 个距离单元, 每个像素含实部(I)虚部(Q)共2个字节, 故每行脉冲含11232个字节. 该记录长度为11644字节, 后面的SAR数据记录长度亦为11644字节.

1.5.4. 单视复数数据读取

代码 1.11 给出了ERS合成孔径雷达单视复数数据文件的记录格式, 按照该格式读取数据即可, 本书作者开发的 iprs 工具包可以读取ERS单视复数数据, 读取函数为 read_ers_sar_slc(), iprs 中定义的用于读取处理后的SAR数据映射字典如下:

SarDataFileProcessedDataRecordERS = {
    'Record sequence number': [(1, 4), '1B4', 0],
    'l-st record sub-type code': [(5, 5), '1B1', 0],
    'Record type code': [(6, 6), '1B1', 0],
    '2-nd record sub-type code': [(7, 7), '1B1', 0],
    '3-rd record sub-type code': [(8, 8), '1B1', 0],
    'Length of this record': [(9, 12), '1B4', 0],
    # SAR PROCESSED DATA
    'Processed Data': [(13, 16), '1C4', 0]  # '2F2' for [real, imag], or '1C4' for real + 1j*imag
}

警告

需要注意的是, 下载到的单视复数数据可能仅仅是幅度图, 这种情况下, 读取到的 SAR Data format type code 值可能为 IU1 即一字节无符号整数, 而不是 代码 1.11 中所列的 CI*4. 此时将映射表中的 'Processed Data' 段的类型改为 '1B' 即可.

代码 1.11 Sar Data File File Descriptor Record in sar raw data file of product E2_84690_STD_L0_F137.
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 ===DATA SET FILE FORMAT DEFINITION

 ---1 SAR DATA FILE - FILE DESCRIPTOR RECORD (FIXED SEGMENT)

 FIELD  BYTES    FORMAT  DESCRIPTION                                             CONTENT
  1     1-4      B4      Record sequence number                                      (1)
  2     5        Bl      1-st record sub-type code                                  (63)
  3     6        Bl      Record type code                                          (192)
  4     7        Bl      2-nd record sub-type code                                  (18)
  5     8        Bl      3-rd record sub-type code                                  (18)
  6     9-12     B4      Length of this record                                   (10012)
  7     13-14    A2      ASCII/EBCDIC flag                                            A$
  8     15-16    A2      blanks                                                       $$
  9     17-28    A12     Format control document ID for this data file
                         format CEOS-SAR-CCT
 10     29-30    A2      Format control document revision level                       $B
 11     31-32    A2      File design descriptor revision letter                       $B
 12     33-44    A12     Generating software release and revision level         <......>
 13     45-48    I4      File number                                                $$$2
 14     49-64    A16     File name                                      ERS1.SAR.SLCIMGY
 15     65-68    A4      Record sequence and location type flag                     FSEQ
 16     69-76    I8      Sequence number location                               $$$$$$$1
 17     77-80    I4      Sequence number field length                               $$$4
 18     81-84    A4      Record code and location type flag                         FTYP
 19     85-92    I8      Record code location                                   $$$$$$$5
 20     93-96    I4      Record code field length                                   $$$4
 21     97-100   A4      Record length and location type flag                       FLGT
 22     101-108  I8      Record length location                                 $$$$$$$9
 23     109-112  I4      Record length field length                                 $$$4
 24     113      A1      Reserved                                               <$....$>
 25     114      Al      Reserved                                               <$....$>
 26     115      Al      Reserved                                               <$....$>
 27     116      Al      Reserved                                               <$....$>
 28     117-180  A64     Reserved segment                                       <$....$>


 ---2 SAR DATA IMAGERY OPTIONS FILE FILE DESCRIPTOR RECORD VARIABLE SEGMENT

 FIELD  BYTES    FORMAT  DESCRIPTION                                             CONTENT

 29     181-186  I6      Number of SAR DATA records  (nominal)                   $15000
 30     187-192  I6      SAR DATA record length (bytes)                          $10012
 31     193-216  A24     Reserved (blanks)                                      <$....$>

                         SAMPLE GROUP DATA

 32     217-220  I4      Number of bits per sample                                 $$32
 33     221-224  I4      Number of samples per data group  (or pixels)             $$$1
 34     225-228  I4      Number of bytes per data group (or pixel)                 $$$4
 35     229-232  A4      Justification and order of samples within data group    <$....$>

                         SAR RELATED DATA IN THE RECORD

 36     233-236  I4      Number of SAR channels in this file                       $$$1
 37     237-244  I8      Number of lines per data set   (minimum)              $$$15000
 38     245-248  I4      Number of left border pixels per line                     $$$0
 39     249-256  I8      Total number of data groups per line per SAR channel  $$$$2500
 40     257-260  I4      Number of right border pixels per line                    $$$0
 41     261-264  I4      Number of top border lines                                $$$0
 42     265-268  I4      Number of bottom border lines                             $$$0
 43     269-272  A4      Interleaving indicator                                    BSQ$

                         RECORD DATA IN THE FILE

 44     273-274  I2      Number of physical records per line                         $1
 45     275-276  I2      Number of physical records per multi-channel line           $$
 46     277-280  I4      Number of bytes of prefix data per record                 $$$0
 47     281-288  I8      Number of bytes of SAR data (or pixel data)           $$$10000
                         per record (nominal)
 48     289-292  I4      Number of bytes of suffix data per record                 $$$0
 49-55  293-340  A48     reserved                                               <$....$>
 56     341-368  A28     blanks                                                 <$....$>
 57-60  369-400  A32     reserved                                               <$....$>
 61     401-428  A28     SAR Data format type identifier             COMPLEX$INTEGER$..$
 62     429-432  A4      SAR Data format type code                                  CI*4
 63     433-436  I4      Number of left fill bits within pixel                      $$$0
 64     437-440  I4      Number of right fill bits within pixel                     $$$0
 65     441-448  I8      Maximum data range of pixel                            $$$65535
 66     449-EOR  A15564  spare                                                  <$....$>

 ===DATA RECORD

 ---1 IMAGERY OPTIONS FILE - PROCESSED DATA RECORD

 FIELD  BYTES       FORMAT  DESCRIPTION                                            CONTENT

 1     1-4         B4      Record sequence number                                (n)
 2     5           Bl      1-st record sub-type code                             (50)
 3     6           Bl      Record type code                                      (11)
 4     7           Bl      2-nd record sub-type code                             (31)
 5     8           Bl      3-rd record sub-type code                             (20)
 6     9-12        B4      Length of this record     (nominal)                   (10012)
 7     13-16       C4      first sample of image line                            (n)
 8     17-20       C4      second sample of image line                           (n)

 .      .....    ..      ............................                            ..........

 5006   10009-10012 C4      last sample of image line                            (n)

读取的 E2_84690_STD_F137 文件中的数据大小为 \(9182×9182\), 实际有效数据大小为 \(9182×7833\), 从7834到9182列为填补的无效数据. 该数据实际上为幅度图像数据, 而不是复数数据, 由于数据较大, 故进行8倍降采样显示, 显示结果如 _fig-E2_84690_STD_F137 所示, 其中左图未去除无效右边界像素, 右图去除了无效右边界的像素. 此外, 可以看到成像算法处理完后的数据对比度较低, 可以通过增强算法进行调整.

Imaging result of Chirp Scaling Algorithm

图 1.30 数据 E2_84690_STD_F137 中的图像数据. (左) 未去除无效右边界像素, (右) 去除无效右边界的像素.

1.5.5. 原始数据成像

本节给出Chirp Scaling Algorithm(CSA)在以上两景ERS数据上的成像结果, 有关CSA算法, 参见 调频变标成像 小节. 由于原始数据较大, 且方位向采样点数一般远大于距离向采样点数, 故这里仅给出降采样的成像结果图以及多视处理后的结果图. 对于数据 E2_84690_STD_L0_F137, 其方位向采样点数为 \(N_a=28603\), 距离向采样点数为 \(N_r=5616\), 成像后的单视复数图像矩阵大小为 \(28603 × 5616\), 将其降采样至 \(1024 × 1000\), 得到 图 1.32 所示结果. 图 1.33 显示的是方位向多视处理结果, 其中视数为4, 处理得到 \(7150 × 5616\) 的数据, 将其降采样至 \(1024 × 1000\) 显示. 图 1.31 显示的是下载的数据 E2_84690_STD_L0_F137 的单视复数图像, 对比可以发现, CSA成像结果正确.

Single Look Complex image of ERS SAR product (E2_84690_STD_SLC_F137)

图 1.31 Single Look Complex image of ERS SAR product (E2_84690_STD_SLC_F137)

Single look imaging result of ERS SAR product (E2_84690_STD_L0_F137) using ChirpScaling Algorithm

图 1.32 Single look imaging result of ERS SAR product (E2_84690_STD_L0_F137) using ChirpScaling Algorithm

Multiple look (4) imaging result of ERS SAR product (E2_84690_STD_L0_F137) using ChirpScaling Algorithm

图 1.33 Multiple look (4) imaging result of ERS SAR product (E2_84690_STD_L0_F137) using ChirpScaling Algorithm

同样地, 图 1.34 显示的是下载的数据 E2_84686_STD_L0_F203 的单视复数图像, E2_84686_STD_L0_F203 数据的方位向采样点数为 \(N_a=28659\), 距离向采样点数为 \(N_r=5616\), 成像后的单视复数图像矩阵大小为 \(28659 × 5616\), 将其降采样至 \(1024 × 1000\), 得到 图 1.35 所示结果. 图 1.36 显示的是方位向多视处理结果, 其中视数为4, 处理得到 \(7150 × 5616\) 的数据, 将其降采样至 \(1024 × 1000\) 显示

Single Look Complex image of ERS SAR product (E2_84686_STD_SLC_F203)

图 1.34 Single Look Complex image of ERS SAR product (E2_84686_STD_SLC_F203)

Single look imaging result of ERS SAR product (E2_84686_STD_L0_F203) using ChirpScaling Algorithm

图 1.35 Single look imaging result of ERS SAR product (E2_84686_STD_L0_F203) using ChirpScaling Algorithm

Multiple look (4) imaging result of ERS SAR product (E2_84686_STD_L0_F203) using ChirpScaling Algorithm

图 1.36 Multiple look (4) imaging result of ERS SAR product (E2_84686_STD_L0_F203) using ChirpScaling Algorithm

注意

需要注意的是, 使用CSA成像后得到的是单视复数图像数据 \(\bm I\), 经过多视处理后得到降噪后的多视数据, 图 1.32, 图 1.33, 图 1.35, 图 1.36 中显示的结果, 为成像复数结果的幅度图, 未进行RCS换算, 由此得到的图像往往对比度较低, 不能准确还原目标的RCS, 这里采用对数增强与截断操作增强图像 (参见 对数增强 小节). 此外, 仔细观察可以发现, 下载的单视复数结果图像与本节CSA算法成像结果略有不同, 后者场景区域稍大一些, 这是由于在进行CSA成像时, 未丢弃非完全成像边界区域.