CN108008381B - 一种基于多方位角sar图像的目标方位旁瓣抑制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种基于多方位角SAR图像的目标方位旁瓣抑制方法及装置，用以解决相关技术中抑制SAR图像目标旁瓣的方式会导致目标信息损失的问题。该方法包括：通过SAR获取单视复图像；对获取到的单视复图像进行去斜处理，得到第一图像；将第一图像沿高度向进行快速傅里叶变换，得到第二图像；确定在第二图像中目标主瓣所在的高度向上的信号叠加区域；将信号叠加区域的信号沿高度向进行能量叠加。该方法能够有效抑制目标的方位旁瓣，提高SAR图像质量。

Description

一种基于多方位角SAR图像的目标方位旁瓣抑制方法及装置

技术领域

本公开涉及图像处理领域，具体地，涉及一种基于多方位角SAR图像的目标方位旁瓣抑制方法及装置。

背景技术

SAR(Synthetic Aperture Radar，合成孔径雷达)属于一种微波成像雷达，其具有不受天气、气候等影响的特点，能够全天时、全天候工作，因此在军事与民用领域均得到了广泛的应用。

SAR图像中目标的旁瓣对图像质量具有较大影响，特别是在同时具有强目标和弱目标的场景中，如在含有舰船和集装箱的港口成像场景中，强目标的旁瓣会掩盖弱目标，影响对弱目标的判读与解译。因此，在许多情况下需要通过抑制目标旁瓣来提高SAR图像的质量。

目前，抑制SAR图像目标旁瓣的方法主要分为两种，分别是频谱加权法和基于空变的切趾法(spatially variant apodization，SVA)。频谱加权法是最常用的方法，其缺点是会损失分辨率，第二种方法可以在不损失分辨率的情况下抑制目标旁瓣，但该方法是采用非线性处理的方法，会损失目标信息。

发明内容

本公开的目的是提供一种基于多方位角SAR图像的目标方位旁瓣抑制方法及装置，用以解决相关技术中抑制SAR图像目标旁瓣的方式导致目标信息损失的问题。

本公开提供了一种基于多方位角SAR图像的目标方位旁瓣抑制方法，包括：通过合成孔径雷达SAR获取单视复图像；对所述单视复图像进行去斜处理，得到第一图像；将所述第一图像沿高度向进行快速傅里叶变换，得到第二图像；确定在所述第二图像中目标主瓣所在的高度向上的信号叠加区域；将所述信号叠加区域的信号沿高度向进行能量叠加。

可选地，所述方法还包括：在通过SAR获取单视复图像之后，将所述单视复图像数据存储在三维数组中。

可选地，所述确定在所述第二图像中目标主瓣所在的高度向上的信号叠加区域，包括：通过以下公式计算所述目标主瓣所在的高度向上的信号叠加区域[-h,h]中h的值：h＝0.5ρ_acotα/sinθ+0.5ρ_e；其中，ρ_a为三维SAR图像方位向的分辨率，ρ_e为所述第二图像的高度向分辨率。

可选地，所述方法还包括：

在确定在所述第二图像中目标主瓣所在的高度向上的信号叠加区域之后，计算所述目标主瓣所在的高度向上的离散叠加区域[N_s,N_e]，所述N_s以及N_e用于代表所述高度向上的信号叠加区域的起始像素值和结束像素值，所述N_s以及N_e分别通过如下公式进行计算：

其中，H_max为所述第二图像的最大非模糊高度，所述单视复图像的数量为2N+1。

可选地，所述通过SAR获取的单视复图像为基于多个方位角获取的多个单视复图像，所述多个单视复图像满足预设的空间几何成像关系。

本公开还提供了一种基于多方位角SAR图像的目标方位旁瓣抑制装置，包括：获取模块，用于通过合成孔径雷达SAR获取单视复图像；处理模块，用于对所述单视复图像进行去斜处理，得到第一图像；变换模块，用于将所述第一图像沿高度向进行快速傅里叶变换，得到第二图像；确定模块，用于确定在所述第二图像中目标主瓣所在的高度向上的信号叠加区域；叠加模块，用于将所述信号叠加区域的信号沿高度向进行能量叠加。

可选地，所述装置还包括：存储模块，用于在通过SAR获取单视复图像之后，将所述单视复图像数据存储在三维数组中。

可选地，所述确定模块用于：通过以下公式计算所述目标主瓣所在的高度向上的信号叠加区域[-h,h]中h的值：

h＝0.5ρ_acotα/sinθ+0.5ρ_e；

其中，ρ_a为三维SAR图像方位向的分辨率，ρ_e为所述第二图像的高度向分辨率。

可选地，所述装置还包括：计算模块，用于在确定在所述第二图像中目标主瓣所在的高度向上的信号叠加区域之后，计算所述目标主瓣所在的高度向上的离散叠加区域[N_s,N_e]，所述N_s以及N_e用于代表所述高度向上的信号叠加区域的起始像素值和结束像素值，所述N_s以及N_e分别通过如下公式进行计算：

其中，H_max为所述第二图像的最大非模糊高度，所述单视复图像的数量为2N+1。

可选地，所述通过SAR获取的单视复图像为基于多个方位角获取的多个单视复图像，所述多个单视复图像满足预设的空间几何成像关系。

本公开的实施例提供的方法能够在不损失目标分辨率的情况下，有效抑制目标的方位旁瓣，提高SAR图像的质量，能够较为方便快捷地对目标进行识别、判读与解译。

本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：

图1是本公开一示例性的基于多方位角SAR图像的目标方位旁瓣抑制方法的流程图。

图2是本公开一示例性的多方位角SAR空间几何成像模型。

图3A是使用本公开的基于多方位角SAR图像的目标方位旁瓣抑制方法获取的点目标二维等高线图。

图3B是使用本公开的基于多方位角SAR图像的目标方位旁瓣抑制方法和原始二维图像的点目标方位切面比较示意图。

图3C是使用本公开的基于多方位角SAR图像的目标方位旁瓣抑制方法和泰勒加权方法的点目标方位切面比较示意图。

图4是本公开的基于多方位角SAR图像的目标方位旁瓣抑制装置的结构框图。

具体实施方式

以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。

本公开提供了一种基于多方位角SAR图像的目标方位旁瓣抑制方法，图1是该方法的流程图，如图1所示，该方法包括如下步骤：

S101：通过SAR获取单视复图像；

示例的，本公开中通过SAR获取的单视复图像为基于多个方位角获取的多个单视复图像，该多个单视复图像满足预设如图2所示的空间几何成像关系。

以下对图2中多方位角SAR的空间几何成像模型进行说明：

图中X、Y、Z以及S分别表示距离向、方位向、高度向和垂直距离向的坐标轴，假定雷达平台在方位-高度平面飞行，L_n(n＝1,2,…,2N+1)表示雷达平台第n次的飞行轨迹，A_n为雷达平台第n次飞行轨迹的中心位置，且所有的A_n是在同一条直线上，2N+1为飞行次数，为方位斜视角，H为第N+1次飞行时雷达平台的高度，θ为视角，α为“飞行角度”，其定义为各次飞行轨迹的中心位置连成的直线与方位坐标轴的夹角，则有其中为方位向单位向量，为相邻飞行轨迹中心位置的距离，假设飞行轨迹中心位置为等间距分布，则B为一常数，定义B_a,n、B_//,n、和B_⊥,n分别为方位基线、平行基线和垂直基线，并且是向量在方位向、视线方向和垂直视线方向上的投影，则有

假设单视复图像的数据已经完成了图像的几何配准，将这些单视复图像数据储存在三维数组D中，D的大小为N_a×M_b×(2N+1)，D(i,k,n)表示第n幅图像的第i行(方位向)、第k列(距离向)像素对应的复数据，其中，N_a和M_b分别为二维数组的行(方位向)和列(距离向)的数据的个数，i＝1,2,…,N_a，k＝1,2,…,M_b，n＝1,2,…,2N+1。

在执行S101时，或执行完S101时，还可以进一步获取单视复图像对应的成像参数。该成像参数主要包括平台飞行高度H、天线中心视角θ、飞行角度α、基线长度B、信号的波长、采样率f_s以及单视复图像数量2N+1。

示例的，获取的单视复图像对应的成像参数具体可以为：N_a＝512，M_b＝512，H＝20km，θ＝30°，α＝2°，B＝12m，λ＝0.03m,f_s＝100MHz,2N+1＝31。

S102：对获取到的单视复图像进行去斜处理，得到第一图像；

该S102具体可以包括以下几个子步骤：

(1)、计算第n幅图像数据的第i行、第k列像素单元D(i,k,n)对应的去斜因子H(i,k,n)，该去斜因子H(i,k,n)可以通过下式计算得到：

j²＝-1，c为光速，取值为3.0×10⁸m/s，r为第i行、第k列像素对应的斜距，可通过下式计算：

(2)、将去斜因子H(i,k,n)与D(i,k,n)相乘，得到去斜后的数据D′(i,k,n)。

D′(i,k,n)＝D(i,k,n)·H(i,k,n) (7)

(3)、对n、i和k进行遍历，重复上述子步骤(1)和(2)，直到所有像素单元都进行了去斜处理，即得到去斜处理后的数据D′，D′是大小为N_a×M_b×(2N+1)的三维数组。

S103：将第一图像沿高度向进行快速傅里叶变换，得到第二图像；

在进行快速傅里叶变换之前，将获取的去斜处理后的数据D′沿高度向两端补零，得到补零后的三维数组D^*。假设高度向补零后的数据长度为N_h(N_h为2的整数次幂)，则D^*的大小为N_a×M_b×N_h，且有：

示例的，N_h＝512。

将补零后的数据D^*沿高度向进行快速傅里叶变换(FFT)，实现数据高度向压缩处理，得到三维SAR图像具体可以包括如下处理：

(1)、选取第i行、第k列对应的高度向一维数据D^*(i,k,:)。

(2)、对D^*(i,k,:)进行快速傅里叶变换(FFT)，并将数据存储在S(i,k,:)中，其中S为三维数组，数据大小为N_a×M_b×N_h。

S(i,k,:)＝FFT(D^*(i,k,:)) (9)

(3)、对i和k进行遍历，重复步骤(1)和(2)，直到所有数据完成了高度向傅里叶变换，即可以得到三维SAR图像数据

S104：确定在第二图像中目标主瓣所在的高度向上的信号叠加区域；

在执行S104之前，需要先计算高度向成像参数，该高度向成像参数主要可以包括高度向分辨率ρ_e和最大非模糊高度H_max，这两个参数分别可以通过下式计算得到：

其中，B_⊥,total＝2N·Bsinα·sinθ。

示例的，上述两式中所涉及到的参数为：B_⊥,total＝6.28m，ρ_e＝55m，H_max＝1654m。

基于式(10)以及式(11)计算得到的参数确定在第二图像中目标主瓣所在的高度向上的信号叠加区域，该域为目标主瓣所在的高度向区域，假定高度向信号叠加区域为[-h,h]，则h的取值由下式计算：

h＝0.5ρ_acotα/sinθ+0.5ρ_e (12)

其中，ρ_a为三维SAR图像的方位向分辨率。由于h为连续值，故在实际处理过程中需要计算离散叠加区间[N_s,N_e]，N_s和N_e为整数，代表高度向信号叠加区域的起始像素值和结束像素值，可通过下式计算：

其中，表示不大于x的最大整数。

示例的，上式中涉及到的参数具体可以为ρ_a＝2.0m，h＝84.7m，N_s＝229以及N_e＝282。

S105：将信号叠加区域的信号沿高度向进行能量叠加。

在执行S101至S104之后，得到了三维SAR图像，在S105中即对得到的三维SAR图像中的目标主瓣所在区域的信号沿高度向进行能量叠加，可以得到方位旁瓣抑制后的高质量二维SAR图像数据S^*，S^*为大小为N_a×M_b的二维数组，且有：

通过上述步骤，即可获得低方位旁瓣的高质量二维SAR图像数据。

为说明本公开提供的基于多方位角SAR图像的目标方位旁瓣抑制方法的有效性，进行如下点目标仿真实验，仿真参数如下表1所示，图3A为采用本方法获取的点目标二维等高线图，图3B为采用本方法(图中简称目标算法)和原始二维图像的点目标方位切面比较图，图3C为采用本方法(图中简称目标算法)和泰勒加权方法的点目标方位切面比较图。从图3A中可以看出，本方法获取的点目标得到了完全聚焦，且方外向旁瓣低，证明了本方法的有效性；从图3B中可以看出本方法得到的点目标方位向旁瓣低于-30dB，且分辨率没有展宽；从图3C中可以看出采用泰勒加权可以抑制方位旁瓣，但损失了分辨率，和频谱加权法相比，本方法方位旁瓣抑制效果更好；仿真结果则证明了本公开提出的基于多方位角SAR图像的目标方位旁瓣抑制方法的有效性。

表1

本公开提供的基于多方位角SAR图像的方位旁瓣抑制方法可以有效抑制目标的方位旁瓣，同时不损失图像分辨率，且该方法具有很强的实用性。该方法仅需通过去斜处理、高度向补零处理、高度向FFT变换和高度向信号能量叠加，处理较为简单，计算效率较高。该方法中的图像数据仅需满足预设如附图2所示的空间几何成像关系即可，使得该方法的通用性较高。

本公开还提供了一种基于多方位角SAR图像的目标方位旁瓣抑制装置，图4是该装置的结构框图，如图4所示，该装置40包括如下组成部分：

获取模块41，用于通过SAR获取单视复图像；

该获取模块41通过SAR获取到的单视复图像可以是基于多个方位角获取的多个单视复图像，该多个单视复图像满足预设的如图2所示的空间几何成像关系。

该装置40还可以包括存储模块(图4中暂未示出)，该存储模块用于在通过SAR获取单视复图像之后，将单视复图像数据存储在三维数组中。

处理模块42，用于对单视复图像进行去斜处理，得到第一图像；

变换模块43，用于将第一图像沿高度向进行快速傅里叶变换，得到第二图像；

确定模块44，用于确定在第二图像中目标主瓣所在的高度向上的信号叠加区域；

该确定模块44具体可以用于：通过以下公式计算目标主瓣所在的高度向上的信号叠加区域[-h,h]中h的值：

h＝0.5ρ_acotα/sinθ+0.5ρ_e；

其中，ρ_a为三维SAR图像方位向的分辨率，ρ_e为第二图像的高度向分辨率。

上述装置40还可以包括：计算模块，用于在计算在第二图像中目标主瓣所在的高度向上的信号叠加区域之后，计算目标主瓣所在的高度向上的离散叠加区域[N_s,N_e]，N_s以及N_e用于代表高度向上的信号叠加区域的起始像素值和结束像素值，N_s以及N_e分别通过如下公式进行计算：

其中，H_max为第二图像的最大非模糊高度，单视复图像的数量为2N+1。

叠加模块45，用于将信号叠加区域的信号沿高度向进行能量叠加。

以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。

Claims (8)

1.一种基于多方位角SAR图像的目标方位旁瓣抑制方法，其特征在于，包括：

通过合成孔径雷达SAR获取单视复图像，所述通过SAR获取的单视复图像为基于多个方位角获取的多个单视复图像，所述多个单视复图像满足预设的空间几何成像关系，所述预设的空间几何成像关系满足如下条件：在距离向、方位向和高度向各自对应的坐标轴构成的坐标系中，所述SAR所在的雷达平台在方位向和高度向构成的平面飞行，所述雷达平台多次飞行轨迹的中心位置在同一条直线上，且所述飞行轨迹的中心位置为等间距分布；

对所述单视复图像进行去斜处理，得到第一图像；

将所述第一图像沿高度向进行快速傅里叶变换，得到第二图像；

确定在所述第二图像中目标主瓣所在的高度向上的信号叠加区域；

将所述信号叠加区域的信号沿高度向进行能量叠加。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

在通过所述SAR获取单视复图像之后，将所述单视复图像数据存储在三维数组中。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定在所述第二图像中目标主瓣所在的高度向上的信号叠加区域，包括：

通过以下公式计算所述目标主瓣所在的高度向上的信号叠加区域[-h,h]中h的值：

h＝0.5ρ_acotα/sinθ+0.5ρ_e；

其中，ρ_a为三维SAR图像方位向的分辨率，ρ_e为所述第二图像的高度向分辨率，α为所述SAR所在的雷达平台各次飞行轨迹的中心位置连成的直线与方位坐标轴的夹角，θ为天线中心视角。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

在确定在所述第二图像中目标主瓣所在的高度向上的信号叠加区域之后，计算所述目标主瓣所在的高度向上的离散叠加区域[N_s,N_e]，所述N_s以及N_e用于代表所述高度向上的信号叠加区域的起始像素值和结束像素值，所述N_s以及N_e分别通过如下公式进行计算：

其中，N_h为高度向补零后的数据长度，H_max为所述第二图像的最大非模糊高度，所述单视复图像的数量为2N+1。

5.一种基于多方位角SAR图像的目标方位旁瓣抑制装置，其特征在于，包括：

获取模块，用于通过合成孔径雷达SAR获取单视复图像，所述通过SAR获取的单视复图像为基于多个方位角获取的多个单视复图像，所述多个单视复图像满足预设的空间几何成像关系，所述预设的空间几何成像关系满足如下条件：在距离向、方位向和高度向各自对应的坐标轴构成的坐标系中，所述SAR所在的雷达平台在方位向和高度向构成的平面飞行，所述雷达平台多次飞行轨迹的中心位置在同一条直线上，且所述飞行轨迹的中心位置为等间距分布；

处理模块，用于对所述单视复图像进行去斜处理，得到第一图像；

变换模块，用于将所述第一图像沿高度向进行快速傅里叶变换，得到第二图像；

确定模块，用于确定在所述第二图像中目标主瓣所在的高度向上的信号叠加区域；

叠加模块，用于将所述信号叠加区域的信号沿高度向进行能量叠加。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

存储模块，用于在通过所述SAR获取单视复图像之后，将所述单视复图像数据存储在三维数组中。

7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述确定模块用于：

通过以下公式计算所述目标主瓣所在的高度向上的信号叠加区域[-h,h]中h的值：

h＝0.5ρ_acotα/sinθ+0.5ρ_e；

其中，ρ_a为三维SAR图像方位向的分辨率，ρ_e为所述第二图像的高度向分辨率，α为所述SAR所在的雷达平台各次飞行轨迹的中心位置连成的直线与方位坐标轴的夹角，θ为天线中心视角。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

计算模块，用于在确定在所述第二图像中目标主瓣所在的高度向上的信号叠加区域之后，计算所述目标主瓣所在的高度向上的离散叠加区域[N_s,N_e]，所述N_s以及N_e用于代表所述高度向上的信号叠加区域的起始像素值和结束像素值，所述N_s以及N_e分别通过如下公式进行计算：

其中，N_h为高度向补零后的数据长度，H_max为所述第二图像的最大非模糊高度，所述单视复图像的数量为2N+1。