CN102955150B - 基于天线主瓣占优强度约束的sar方位模糊抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于天线主瓣占优强度约束的SAR方位模糊抑制方法，涉及合成孔径雷达图像技术，先根据SAR方位向天线方向性图对应的在PRF范围内的模糊能量的分布情况，确定天线主瓣能量占优区域；再完成天线主瓣能量占优区域数据成像；利用该成像结果与原始全分辨率图像之间的幅度关系作为判断条件，对原始全分辨率SAR图像进行选择性强度约束，实现对原始图像方位模糊的抑制处理。本发明方法解决了传统抑制方法受限于场景及目标特性或仅适合局部图像处理的不足，可以在基本保证SAR图像分辨率、峰值旁瓣比和积分旁瓣比等指标不恶化，并保留SAR图像原始相位信息的情况下，快速有效地抑制大区域SAR图像的方位模糊。

Description

基于天线主瓣占优强度约束的SAR方位模糊抑制方法

技术领域

本发明涉及合成孔径雷达图像质量优化处理技术领域，特别涉及一种基于天线主瓣占优强度约束的合成孔径雷达方位模糊抑制方法。

背景技术

合成孔径雷达(SAR)是通过传感器与目标之间的相对运动来获得高方位分辨率的。根据多普勒效应原理，雷达与目标之间的相对运动在回波信号方位向上产生多普勒频率，但由于SAR在方位向上等效于以脉冲重复频率(PRF)为采样频率进行采样，天线主瓣波束宽度之外部分所产生的具有较高多普勒频率的回波被欠采样接收，形成方位模糊信号，进而在二维压缩后的SAR图像中成为“散焦的鬼影目标”。方位模糊严重时会影响对SAR图像的判读和解译，特别是在SAR海洋军事监测中，海面的后向散射系数比较小，沿海陆地尤其是海上舰船的后向散射系数比较大，这时强散射目标的方位模糊像在海面SAR图像上就会对真实目标形成干扰从而成为虚假目标，这常常会对SAR图像的判读造成严重影响。

SAR图像方位模糊问题一般可通过天线优化设计来缓解，然而，由于方位模糊是源于SAR成像机理的固有现象，尤其是对于星载SAR而言，随着空间分辨率的不断提高，系统优化设计的难度显著增加，星载SAR方位模糊逐渐成为影响SAR图像质量的严重问题之一。目前，从SAR信号处理角度抑制方位模糊的方法非常有限，三滤波器抑制算法未考虑SAR回波信号距离徙动的影响，不能满足高分辨率SAR系统的方位模糊抑制需要(参见文献[1]：Zhang Zhi-min and Wang Zhen-song，2001，OnSuppressing Azimuth Ambiguities of Synthetic Aperture Radar by Three Filters.In Proc.CIE-Int.Conf.Radar，pp.624-626)；理想滤波器抑制算法对孤立点式或集中式目标的模糊能量有一定抑制效果，对分布式或大区域场景目标则不再适用(参见文献[2]：Alberto Moreira，1993.Suppressing the AzimuthAmbiguities in Synthetic Aperture Radar Images.IEEE Transaction onGeoscience and Remote Sensing，31(4)，885-895)；基于自适应滤波器的抑制算法依赖于主信号及模糊信号统计特性获取的准确性并且需要多次迭代运算，其处理的适用性和处理效率都相对受限(参见文献[3]：Andrea MontiGuarnieri，2005.Adaptive Removal of Azimuth Ambiguities in SAR Images.IEEE Transaction on Geoscience and Remote Sensing，43(3)，625-633)。因此，迫切需要不受系统参数或技术指标要求限制、不受目标分布特征或信号统计特性限制、易于工程实现和应用的SAR方位模糊抑制方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于天线主瓣占优强度约束的SAR方位模糊抑制方法，以在获得较好的抑制效果和较高的处理效率的同时，避免处理性能受SAR系统设计参数或被照射目标特性限制的问题，并可以基本保持SAR复图像成像指标不恶化。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种基于天线主瓣占优强度约束的SAR方位模糊抑制方法，其包括如下步骤：

a)根据SAR方位向天线方向性图对应的在PRF范围内模糊能量的分布情况，确定满足一定模糊度要求的天线主瓣能量占优区域；

b)将原始全分辨率SAR图像变换到多普勒域，对天线主瓣占优区域进行窗函数幅度加权，其余区域能量全部置零，反变换回方位图像域，经处理增益校正后获得满足模糊度要求的低分辨率、低旁瓣SAR图像；

c)以天线主瓣能量占优区域数据成像结果与原始全分辨率图像之间的幅度关系作为判断条件，对包含高模糊区域的原始全分辨率SAR图像进行选择性强度约束处理，从而在保证SAR图像分辨率、峰值旁瓣比和积分旁瓣比等指标不恶化的情况下，获得满足模糊度要求的SAR全分辨率复图像。

所述的SAR方位模糊抑制方法，其所述步骤a)中，综合考虑方位模糊抑制要求、被方位模糊严重污染目标图像的分辨率损失和噪声电平抬高等三方面因素，在PRF范围内确定天线主瓣能量占优区域(MDD)，即，低模糊能量区域。

所述的SAR方位模糊抑制方法，其所述步骤b)中，在多普勒域对SAR原始全分辨率复图像(CI_o)实施针对天线主瓣能量占优区域的窗函数加权，并经过处理增益校正，获得低方位模糊图像(CI_md)，简称“低模糊图像”。

所述的SAR方位模糊抑制方法，其所述步骤c)中，低模糊全分辨率复图像(CI_mdir)的生成原则是：相同像素点上，原始图像幅度(AI_o)高于低模糊图像幅度(AI_md)的，若高出量大于或等于理论抑制量，即AI_md与AI_o之比的对数值小于或等于根据方位向天线方向性图计算并考虑噪声电平抬高因素得到的理论抑制比(AAS_ideal)的，则被认定为是只含模糊像的，该像素图像值将被置为零，否则，被认定为是同时含有模糊像和真实目标主像的，该像素图像值取为低模糊图像值；原始图像幅度AI_o低于或等于低模糊图像幅度AI_md的，该像素图像值取为原始图像值。

本发明方法解决了传统抑制方法受限于场景及目标特性或仅适合局部图像处理的不足，可以在基本保证SAR图像分辨率、峰值旁瓣比和积分旁瓣比等指标不恶化，并保留SAR图像原始相位信息的情况下，快速有效地抑制大区域SAR图像的方位模糊。

附图说明

图1为本发明的一种基于天线主瓣占优强度约束的SAR方位模糊抑制方法流程图，图中：“FFT”代表“傅里叶变换”，“IFFT”代表“逆傅里叶变换”，“ABS”代表复数取模运算；

图2为天线方位向方向性示意图；

图3为PRF范围内天线主瓣信号及模糊信号分布示意图；

图4为天线主瓣占优区域成像分辨率扩展与方位模糊度制约关系示意图；

图5为天线主瓣占优区域分布及窗函数加权示意图；

图6为SAR理想无模糊全分辨率图像方位向剖面示意图；

图7为SAR实际原始全分辨率图像方位向剖面示意图；

图8为天线主瓣占优区域成像结果方位向剖面示意图；

图9为基于天线主瓣占优强度约束抑制方法处理结果示意图。

具体实施方式

为了更加清楚地阐述本发明的技术方案和技术优点，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明的一种基于天线主瓣占优强度约束的SAR图像方位模糊抑制方法，完整处理流程如图1所示。所述方法的具体步骤包括：

1)确定天线主瓣能量占优区域

根据天线主瓣和副瓣能量分布情况(如图2所示)，确定PRF范围内天线主瓣占优区域，即，首先搜索模糊-多普勒曲线(如图3所示，横坐标：±PRF/2；纵坐标：模糊幅度)的极点，然后，以此极点为出发点向前向后拓展天线主瓣占优区域，计算得到天线主瓣占优区域成像分辨率扩展与方位模糊度之间的制约关系(如图4所示)，并综合考虑天线主瓣占优区域成像获得的低模糊图像的最大分辨率损失和噪声电平抬高以及方位模糊度抑制要求等三方面因素确定天线主瓣占优区域，即低模糊区域(如图5阴影部分所示)，又结合图4获得方位模糊的理论抑制比的对数值AAS_ideal(AAS_ideal为负数，单位是dB)。

2)天线主瓣占优区域成像处理

将SAR原始全分辨率复图像经傅里叶变换(FFT)到多普勒域，在上步所确定的天线主瓣占优区域进行窗函数幅度加权处理(如图5所示，这里采用峰值旁瓣比可调的泰勒窗)，幅度加权一方面起到进一步抑制模糊能量的作用，另一方面可以提高抑制处理后图像的积分旁瓣比；除此之外，对非主瓣占优区域的能量全部做置零处理，然后，做方位逆傅里叶变换(IFFT)，再经处理增益校正后，获得低旁瓣、低方位模糊图像。由于图像不同距离门的处理步骤完全相同，这里以一个距离门的处理过程为例，首先，理想无模糊幅度图像如图6所示，并记存在模糊的SAR原始全分辨率复图像为CI_o(k)＝R_o(k)+j·I_o(k)，k＝0，.....，N_a-1，N_a为方位向处理点数，R_o和I_o分别为CI_o的实部和虚部，其幅度图像如图7所示。记天线主瓣占优区域窗函数加权处理并经处理增益校正后的SAR复图像为CI_md(k)＝R_md(k)+j·I_md(k)，其中R_md和I_md分别为CI_md的实部和虚部。处理增益校正包括对主瓣占优区域带宽相对原始全分辨率处理带宽的比例系数和幅度加权处理增益的校正两个部分，CI_md幅度图像如图8所示。

3)天线主瓣占优强度约束方位模糊抑制处理

低模糊全分辨率复图像CI_mdir的具体生成步骤是：相同像素点上，原始复图像CI_o幅度AI_o高于低模糊复图像CI_md幅度AI_md的，若高出量大于或等于理论抑制量，即AI_md与AI_o之比的对数值小于或等于理论抑制比AAS_ideal的，被认定为是只含模糊像的，该像素图像值将被置为零，否则，被认定为是同时含有模糊像和真实目标主像的，该像素图像值取为低模糊图像值；原始复图像CI_o幅度AI_o低于或等于低模糊复图像CI_md幅度AI_md的，该像素图像值取为原始图像值。最终，获得低模糊全分辨率复图像CI_mdir，针对每个方位像素有CI_mdir(k)＝R_mdir(k)+j·I_mdir(k)，k＝0，.....，N_a-1，方位向处理点数保持不变为N_a，R_mdir和I_mdir分别为CI_mdir的实部和虚部。即当CI_o(k)＝0时，CI_mdir(k)＝0，其余满足如下条件约束关系：

$\left\{\begin{array}{cc}\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{mdir}}\left(k\right)=0\\ I_{\mathrm{mdir}}\left(k\right)=0\end{array}& \mathrm{dBconstrast}\∈(-\∞,\mathrm{AA}{S}_{\mathrm{ideal}}]\\ \begin{array}{c}{R}_{\mathrm{mdir}}\left(k\right)=R_{\mathrm{md}}\left(k\right)\\ I_{\mathrm{mdir}}\left(k\right)=I_{\mathrm{md}}\left(k\right)\end{array}& \mathrm{dBconstrast}\∈({\mathrm{AAS}}_{\mathrm{ideal}},0)\\ \begin{array}{c}{R}_{\mathrm{mdir}}\left(k\right)=R_o\left(k\right)\\ I_{\mathrm{mdir}}\left(k\right)=I_o\left(k\right)\end{array}& \mathrm{dBconstrast}\∈[0,\∞)\end{array}\right.$

其中：

dBconstrast＝20·log10[AI_md(k)/AI_o(k)]

AI_o(k)＝{[R_o(k)]²+[I_o(k)]²}^1/2

AI_md(k)＝{[R_md(k)]²+[I_md(k)]²}^1/2

低模糊全分辨率图像CI_mdir的幅度图像如图9所示，与图6所示理想无模糊全分辨率图像基本一致，方位模糊抑制处理对图像性能指标的影响具体见下面的分析。

■性能指标损失分析

为了观察本发明方位模糊抑制处理对SAR图像性能指标的影响，这里仿真了单点目标、多点目标(两点)等不同情况，用于分析方位模糊抑制处理对图像分辨率、积分旁瓣比、峰值旁瓣比、强度信息和相位信息等方面的影响。仿真系统工作频率为X波段，合成孔径长度N_syn为1270个脉冲，抑制处理时采用方位处理点数N_a为8192，脉冲重复频率为2822Hz，天线主瓣3dB波束宽度对应多普勒频率2313Hz，采用的天线方位向方向性图形状如图2所示。

单点目标仿真

仿真场景中心位置布设点目标1个，选择天线主瓣占优区域，以保证最大分辨率扩展系数为2(对应噪声电平抬高最大约为6dB)，方位模糊度可达到-30dB，如图4所示，此时，在无图像噪声的情况下的方位模糊理论抑制比AAS_ideal约为-12.9540dB。全分辨率图像方位向采用-35dB泰勒窗加权，主瓣占优区域采用-60dB泰勒窗加权，如图5所示，经过加权处理后，天线主瓣占优区域内模糊信号的幅度基本控制在-40dB以下。仿真不加入噪声的情况下，原始全分辨率图像中第一模糊像峰值为-28.68dB，天线主瓣占优区域成像结果第一模糊像峰值为-43.29dB，峰值模糊信号比(模糊像峰值与主像峰值之比)改善达到14.61dB，大于理论抑制量，说明模糊像所在位置仅含有模糊信号能量，经本发明抑制处理之后，峰值模糊信号比改善达到了26.82dB。这里对处理前后单点目标主像分辨率、峰值旁瓣比、积分旁瓣比等指标恶化情况以及主像峰值位置相位信息保持情况进行测试，如下表1所示：

表1单点目标方位模糊抑制前后成像质量指标及相位信息测试

注：指标测试插值倍数为256倍

多次类似仿真实验测试结果表明，本发明中的方位模糊抑制处理不会对目标主像分辨率、峰值旁瓣比以及主像峰值位置相位信息产生明显影响，并且会一定程度改善积分旁瓣比，改善程度与方法第2步中幅度加权所选的窗函数类型有关。目标主像与其它目标模糊像在SAR图像中重叠的情况将在下面讨论。

多点目标仿真

处理步骤和处理参数与上面单点目标仿真完全一致的情况下，设计了目标主像与其它目标模糊像在SAR图像中重叠的两点目标仿真实验，用以分析在方位模糊像对真实目标主像造成严重干扰的极端情况下方位模糊抑制后真实目标主像成像质量指标损失和强度信息保持情况。考虑到原始全分辨率图像第一模糊像比主像低28dB，这里分别设计了目标1强度比目标2高3dB、8dB、13dB、18dB、23dB、28dB、33dB、38dB、43dB和48dB时的仿真实验，表2记录了目标2在前述9种情况的分辨率、峰值旁瓣比和积分旁瓣比，以及强度信息(相对理想情况下目标1强度取对数)。

表2多点目标方位模糊抑制后成像质量指标及强度信息测试

注：指标测试插值倍数为256倍

针对上表测试结果，当目标2主像比目标1模糊像强度低约10dB以上时，抑制后其像的分辨率扩展由主瓣占优区域成像结果决定，扩展系数接近2；当目标2主像与目标1模糊像强度相当时，抑制后其像的强度误差超过1dB；抑制后目标2像的峰值旁瓣比和积分旁瓣比的变化反映了其像与理想sinc形状的差异。此结果表明，本发明中方位模糊抑制处理引入的分辨率损失主要表现在被强目标模糊像淹没的弱目标的方位像上。图6-图9分别给出了两个点目标中目标2强度比目标1低28dB(即目标2主像与目标1第一模糊像强度相当的情况)且输入信噪比28dB时的理想无模糊情况下的全分辨率方位向剖面、存在模糊情况下的实际原始全分辨率方位向剖面、天线主瓣占优区域成像结果方位向剖面以及经基于天线主瓣占优强度约束处理后的低模糊全分辨率方位向剖面。

■实测数据验证

为了验证方位模糊抑制效果，并便于结果测试，对海面舰船目标存在明显方位模糊情况的实测SAR数据复图像进行基于天线主瓣占优强度约束的方位模糊抑制处理，并测试了全部五艘孤立舰船目标抑制处理前后的峰值模糊信号比，该实测数据处理参数与仿真所用参数相似，方位模糊理论抑制比AAS_ideal约为-12dB，测试结果如下表3所示：

表3实测舰船目标SAR图像方位模糊抑制前后峰值模糊信号比测试

上表说明，经本发明方位模糊抑制方法处理后，五艘舰船目标像的峰值模糊信号比平均改善了6.36dB，而传统理想滤波器抑制算法的处理结果峰值模糊信号比平均改善量仅约为本发明方法的四分之一。考虑到减小一半方位处理带宽(即分辨率扩展系数为2的情况)会引起噪声电平抬高6.02dB，实测图像处理结果与仿真结果及理论分析基本相符。

附“峰值模糊信号比”定义说明：

峰值模糊信号比(PASR)是从目标方位模糊像和主像强度关系角度出发，衡量方位模糊对图像质量影响的，其定义为模糊像强度峰值与主像强度峰值的比值，以分贝(dB)度量表示为：

$\mathrm{PASR}=20\·\log 10\frac{P_{\mathrm{ambiguity}}}{P_{\mathrm{main}}}$

上式中，P_main为主像强度峰值，P_ambiguity为模糊像强度峰值。

Claims (3)

1.一种基于天线主瓣占优强度约束的SAR方位模糊抑制方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)根据SAR方位向天线方向性图对应的在脉冲重复频率范围内模糊能量的分布情况，确定满足一定模糊度要求的天线主瓣能量占优区域；

2)将原始全分辨率SAR图像变换到多普勒域，对天线主瓣占优区域进行窗函数幅度加权，其余区域能量全部置零，反变换回方位图像域，经处理增益校正后获得满足模糊度要求的低分辨率、低旁瓣SAR图像；

3)以天线主瓣能量占优区域数据成像结果与原始全分辨率图像之间的幅度关系作为判断条件，对包含高模糊区域的原始全分辨率SAR图像进行选择性强度约束处理，从而在保证SAR图像分辨率、峰值旁瓣比和积分旁瓣比等指标不恶化的情况下，获得满足模糊度要求的SAR全分辨率复图像；

所述步骤3)中，低模糊全分辨率复图像的生成原则是：相同像素点上，原始图像幅度高于低模糊图像幅度的，若高出量大于或等于理论抑制量，则被认定为是只含模糊像的，该像素图像值将被置为零，否则，被认定为是同时含有模糊像和真实目标主像的，该像素图像值取为低模糊图像值；原始图像幅度低于或等于低模糊图像幅度的，该像素图像值取为原始图像值。

2.根据权利要求1所述的SAR方位模糊抑制方法，其特征在于，所述步骤1)中，综合考虑方位模糊抑制要求、被方位模糊严重污染目标图像的分辨率损失和噪声电平抬高的三方面因素，在PRF范围内确定天线主瓣能量占优区域。

3.根据权利要求1所述的SAR方位模糊抑制方法，其特征在于，所述步骤2)中，在多普勒域对SAR原始全分辨率复图像实施针对天线主瓣能量占优区域的窗函数加权，并经过处理增益校正，获得低方位模糊图像。