CN110579761A - 一种合成孔径雷达旁瓣抑制方法 - Google Patents

一种合成孔径雷达旁瓣抑制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种合成孔径雷达旁瓣抑制方法，本发明针对SAR图像频谱支撑域中每个像素点添加一个余弦底座的非线性频域加权窗函数，该窗函数的权重由图像附近的三个点的幅值经过特定加权公式计算得到，该权重值可以从负无穷到正无穷变化，从而降低甚至消除SAR图像的旁瓣，并且距离主瓣远处的旁瓣也能得到有效抑制，而且在有效抑制旁瓣的同时，能使SAR系统图像主瓣变窄，有效提高SAR系统图像的分辨率，本发明具有很强的适应性，甚至在SAR系统参数未知的情况下，也可对SAR图像进行旁瓣抑制，鲁棒性强，计算复杂度低。

Description

一种合成孔径雷达旁瓣抑制方法
技术领域
本发明属于雷达成像领域，具体涉及一种合成孔径雷达旁瓣抑制方法。
背景技术
对于一幅合成孔径雷达(syntheticaperture radar，SAR)图像，其图像质量指标主要有以下几个方面：1)图像分辨率，决定了图像中能分离的两个目标最小距离；2)峰值旁瓣比和积分旁瓣比，反映了信号旁瓣对图像的影响；3)模糊度和保真度等。由于SAR成像系统所获取的回波信号的频谱是有限支撑分布，使得经过傅里叶变换后，回波信号的脉冲响应具有很高的旁瓣，尤其是掺杂干扰信号时，这一现象尤为明显。旁瓣干扰会影响附近弱小目标的观测性能，并且，旁瓣还会导致SAR图像对比度降低，因此，旁瓣抑制对于改善SAR系统成像质量有着重要的意义。
目前针对旁瓣抑制的方法，一类是频域加窗法，例如文献《直接加窗加权旁瓣抑制技术研究》等，这类方法会造成主瓣展宽，使得图像分辨率降低，并且，这类方法没有自适应性；另一类是基于谱分析理论的超分辨成像方法，相关参考文献有“Two-dimensionalsuper-resolution spectral analysis applied to SAR images,IEE Proc-Radar,SonarN avig,vol.145,No.5,October 1998,pp 281-290”等，但是这类算法主要是针对图像分辨率的改善，复杂的计算使得它们在工程实践中难以实现；另一类是文献“Stankwitz H C,Kosek M R.Sparse aperture fill for SAR using Super-SVA.Proceedings of the1996 IEEE National Radar Conference,Ann Arbor,13-16 May 1996:70-75”中提到的SVA算法，但是这种方法一个缺陷是需要两次傅里叶变换，运算量比较大，另外一个缺陷是这种方法会导致远处的旁瓣升高1-2个dB，这种现象对于分布式目标来说，叠加起来之后影响是很严重的，并且该方法为了避免反加权之后出现奇异点，对信号频谱的先验条件要求比较苛刻，在实际工程中拓展性较差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种合成孔径雷达旁瓣抑制方法，针对SAR图像频谱支撑域中每个像素点添加一个余弦底座的非线性频域加权窗函数，该窗函数的权重由图像附近的三个点的幅值经过特定加权公式计算得到，该权重值可以从负无穷到正无穷变化，从而降低甚至消除SAR图像的旁瓣，并且同时主瓣变窄，提高图像的分辨率。
本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
一种合成孔径雷达旁瓣抑制方法，包括以下步骤：
步骤一、获得SAR图像的大小和频谱，SAR图像距离向像素点数目为lr，SAR图像方位向像素点数目为la，SAR图像距离向过采样率为fsr，SAR图像方位向过采样率为fsa；
步骤二、SAR图像距离向旁瓣抑制；步骤二包括以下步骤：
步骤2-1、按照公式(1)计算得到距离向加权窗函数门限：
式(1)中：Kr为对fsr进行四舍五入运算得到的整数；
步骤2-2：将SAR图像沿着距离向看做fsa个fsr×1的一维数组，记作dater(n)，其中，r(r＝1,2,3,L,fsa)表示二维SAR图像距离向第r组像素点；
步骤2-3：从dater(n)中第Kr+1个像素点开始迭代，每个像素点的实部和虚部均分别按照公式(2)计算距离向窗函数加权参数，
式(2)中：wr(n)表示第n(n＝Kr+1,Kr+2,Kr+3,L)次迭代后当前窗函数加权参数，n表示迭代次数，wr(n)的约束条件为：-wrmax≤wr(n)≤wrmax；
步骤2-4：dater(n)中每个像素点的实部和虚部均分别按照公式(3)取值范围判别条件得到经过旁瓣抑制后的SAR图像距离向像素点像素值：
公式(3)中，date'r(n)表示第n(n＝Kr+1,Kr+2,Kr+3,L)次迭代后当前SAR图像距离向像素点像素值；
步骤2-5：所述步骤2-2中r分别取值1至fsa，每个r值对应的dater(n)循环重复步骤2-3以及步骤2-4中的迭代操作，直到迭代到SAR图像距离向第(fsr-Kr)个像素点迭代结束，得到经过距离向旁瓣抑制后的SAR图像date'r(x,y)。
作为本发明的进一步改进，所述步骤一具体为：
步骤1-1、分别获取二维SAR图像date(x,y)距离向和方位向像素点数目，分别记作lr、la；
步骤1-2、对SAR图像date(x,y)做二维傅里叶变换，得到SAR图像频谱Date(ωx,ωy)，即：
步骤1-3、分别根据频谱Date(ωx,ωy)距离向、方位向占空比，其倒数即可分别得到SAR图像在距离向和方位向过采样率，分别记作fsr、fsa。
作为本发明的进一步改进，还包括步骤三、SAR图像方位向旁瓣抑制；所述步骤三具体包括以下步骤：
步骤3-1：按照公式(4)计算得到方位向加权窗函数门限：
式(4)中：Ka为对fsa进行四舍五入运算得到的整数；
步骤3-2：将SAR图像沿着方位向看做fsr个fsa×1的一维数组，记作datea(m)，其中，a(a＝1,2,3,L,fsr)表示二维SAR图像方位向第a组像素点；
步骤3-3：从datea(m)中SAR图像方位向第Ka+1素点开始迭代，每个像素点的实部和虚部均分别按照公式(5)计算方位向窗函数加权参数，
式(5)中，wa(m)表示第m(m＝Ka+1,Ka+2,Ka+3,L)次迭代后当前窗函数加权参数，m表示迭代次数，wa(m)的约束条件为：-wamax≤wa(n)≤wamax；
步骤3-4：按照公式(6)取值范围判别条件得到经过旁瓣抑制后的SAR图像方位向像素点像素值：
式(6)中，date'a(m)表示第m(m＝Ka+1,Ka+2,Ka+3,L)次迭代后当前SAR图像方位向像素点像素值；
步骤3-5：,步骤2-2中a分别取值1至fsr，每个a值对应的datea(m)循环重复步骤3-3以及步骤3-4中的迭代操作，直到迭代到SAR图像方位向第(fsa-Ka)个像素点迭代结束，得到经过方位向旁瓣抑制后的SAR图像date'a(x,y)。
本发明的有益效果：
1、本发明在有效抑制旁瓣的基础上，能使得主瓣变窄，提高SAR图像分辨率，并且计算量小，鲁棒性强，可直接应用在原始雷达图像处理中，具有很好的普适性。
2、本发明可以将SAR系统图像旁瓣有效抑制甚至消除，并且距离主瓣远处的旁瓣也能得到有效抑制。
3、本发明在有效抑制旁瓣的同时，能使SAR系统图像主瓣变窄，有效提高SAR系统图像的分辨率。
4、本发明具有很强的适应性，甚至在SAR系统参数未知的情况下，也可对SAR图像进行旁瓣抑制，鲁棒性强。
5、本发明不需要进行矩阵求逆等复杂运算，只需要进行4M次乘法、4M次加法以及M次判决(M为图像大小)，计算复杂度低，可以很好地应用于工程实践中。
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是一种合成孔径雷达旁瓣抑制方法流程图。
图2是旁瓣抑制前原始点目标仿真图。
图3是SAR图像分别进行距离向、方位向旁瓣抑制后点目标仿真结果。
图4是SAR图像距离向切片旁瓣抑制前后对比图。
图5是一幅机载SAR原始图像切片。
图6是一幅机载SAR经过旁瓣抑制后的图像切片。
图4中，a、蓝色；b、红色。
具体实施方式
为进一步阐述本实施例达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及实施例对本实施例的具体实施方式、结构特征及其功效，详细说明如下。
下面结合附图和实施例对本发明做详细说明。
按照附图1所示流程操作，具体仿真参数如下所示：
采用成像模式为条带SAR，雷达景中心斜距为10千米，发射线性调频信号带宽17.2MHz，距离向过采样率1.92，方位向过采样率2.56，雷达波束斜视角0度，雷达工作频率1GHz，成像算法为RD算法。
具体的说，参照图1本发明所提供一种合成孔径雷达旁瓣抑制方法流程图，本发明的方法包括以下步骤：
步骤1：读取雷达回波数据，图2是旁瓣抑制前原始点目标仿真图，获得SAR图像大小，二维SAR图像date(x,y)距离向和方位向像素点数目，分别为lr＝1024、la＝1024，由于SAR图像在距离向和方位向过采样率参数已知，分别为fsr＝1.92、fsa＝2.56，故不需要进行步骤1-2和步骤1-3；
步骤2：距离向旁瓣抑制
步骤2-1：按照下式计算得到距离向加权窗函数门限：
步骤2-1中：
式中Kr为对fsr进行四舍五入运算得到的整数，计算得到Kr＝2；
步骤2-2：大小为fsr×fsa二维SAR图像沿着距离向可以看做fsa个fsr×1的一维数组，记作dater(n)，其中，r(r＝1,2,3,L,fsa)表示二维SAR图像距离向第r组像素点；
步骤2-3：为了避免SAR图像像素点溢出，从步骤2-2中dater(n)中第Kr+1个像素点开始迭代，每个像素点的实部和虚部均分别按照下式计算距离向窗函数加权参数，
步骤2-3中wr(n)表示第n(n＝Kr+1,Kr+2,Kr+3,L)次迭代后当前窗函数加权参数，n表示迭代次数，并且wr(n)的约束条件为：
-wrmax≤wr(n)≤wrmax
步骤2-4：dater(n)中每个像素点的实部和虚部均分别按照下式取值范围判别条件得到经过旁瓣抑制后的SAR图像距离向像素点像素值：
步骤2-4中date'r(n)表示第n(n＝Kr+1,Kr+2,Kr+3,L)次迭代后当前SAR图像距离向像素点像素值；
步骤2-5：步骤2-2中r分别取值1至fsa，每个r值对应的dater(n)循环重复步骤2-3以及步骤2-4中的迭代操作，同样为了避免SAR图像像素点溢出，直到迭代到SAR图像距离向第(fsr-Kr)个像素点迭代结束，
至此，得到经过距离向旁瓣抑制后的SAR图像date'r(x,y)；
步骤3：方位向旁瓣抑制
步骤3-1：按照下式计算得到方位向加权窗函数门限：
步骤3-1中：
式中Ka为对fsa进行四舍五入运算得到的整数，计算得到fsa＝3；
步骤3-2：大小为fsr×fsa二维SAR图像沿着方位向可以看做fsr个fsa×1的一维数组，记作datea(m)，其中，a(a＝1,2,3,L,fsr)表示二维SAR图像方位向第a组像素点；
步骤3-3：为了避免SAR图像像素点溢出，从SAR图像方位向第Ka+1素点开始迭代，每个像素点的实部和虚部均分别按照下式计方位向窗函数加权参数，
式中wa(m)表示第m(m＝Ka+1,Ka+2,Ka+3,L)次迭代后当前窗函数加权参数，m表示迭代次数，并且wa(m)的约束条件为：
-wamax≤wa(n)≤wamax
步骤3-4：按照下式取值范围判别条件得到经过旁瓣抑制后的SAR图像方位向像素点像素值：
步骤3-4中date'a(m)表示第m(m＝Ka+1,Ka+2,Ka+3,L)次迭代后当前SAR图像方位向像素点像素值；
步骤3-5：步骤2-2中a分别取值1至fsr，每个a值对应的datea(m)循环重复步骤3-3以及步骤3-4中的迭代操作，同样为了避免SAR图像像素点溢出，直到迭代到SAR图像方位向第(fsa-Ka)个像素点迭代结束，
至此，得到经过方位向旁瓣抑制后的SAR图像date'a(x,y)；
图3是SAR图像分别进行距离向、方位向旁瓣抑制后点目标仿真结果，图4是SAR图像距离向切片旁瓣抑制前后对比图，结果表明，采用本发明方法能更好地对旁瓣抑制，同时，距离主瓣远处的旁瓣也能有效抑制，并且主瓣变窄，变成原来的0.75倍，在降低旁瓣的同时有效提高了主瓣分辨率。
图5是一幅机载SAR原始图像切片，图像中有比较严重的十字旁瓣干扰，一些目标由于旁瓣干扰，导致形状模糊。按照图1所示流程操作，进行旁瓣抑制。
步骤一：读取雷达回波数据，获得SAR图像大小
步骤1-1：二维SAR图像date(x,y)距离向和方位向像素点数目，分别为lr＝1024、la＝1024；
步骤1-2：由于图4中SAR图像在距离向和方位向过采样率参数未知，因此，对SAR图像date(x,y)做二维傅里叶变换，得到SAR图像频谱Date(ωx,ωy)，即：
步骤1-3：分别根据频谱Date(ωx,ωy)距离向、方位向占空比，其倒数即可分别得到SAR图像在距离向和方位向过采样率，得到fsr＝2.3、fsa＝2.5。
步骤2：距离向旁瓣抑制。
步骤3：方位向旁瓣抑制。
图6是一幅机载SAR经过旁瓣抑制后的图像切片，从整体来看，采用本发明方法进行旁瓣抑制能很好地保持甚至锐化原始图像的纹理信息，另外经过旁瓣抑制后，能够有效抑制旁瓣，并且不会影响弱小目标，滤波后图像地物特征纹理更加清晰，目标之间清晰可分。
本发明可以将SAR系统图像旁瓣有效抑制甚至消除，并且距离主瓣远处的旁瓣也能得到有效抑制,同时，能使SAR系统图像主瓣变窄，有效提高SAR系统图像的分辨率，本发明具有很强的适应性，甚至在SAR系统参数未知的情况下，也可对SAR图像进行旁瓣抑制，鲁棒性强，计算复杂度低，可以很好地应用于工程实践中。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种合成孔径雷达旁瓣抑制方法，包括以下步骤：
步骤一、获得SAR图像的大小和频谱，SAR图像距离向像素点数目为lr，SAR图像方位向像素点数目为la，SAR图像距离向过采样率为fsr，SAR图像方位向过采样率为fsa；
步骤二、SAR图像距离向旁瓣抑制；步骤二包括以下步骤：
步骤2-1、按照公式(1)计算得到距离向加权窗函数门限：
式(1)中：Kr为对fsr进行四舍五入运算得到的整数；
步骤2-2：将SAR图像沿着距离向看做fsa个fsr×1的一维数组，记作dater(n)，其中，r(r＝1,2,3,L,fsa)表示二维SAR图像距离向第r组像素点；
步骤2-3：从dater(n)中第Kr+1个像素点开始迭代，每个像素点的实部和虚部均分别按照公式(2)计算距离向窗函数加权参数，
式(2)中：wr(n)表示第n(n＝Kr+1,Kr+2,Kr+3,L)次迭代后当前窗函数加权参数，n表示迭代次数，wr(n)的约束条件为：-wrmax≤wr(n)≤wrmax；
步骤2-4：dater(n)中每个像素点的实部和虚部均分别按照公式(3)取值范围判别条件得到经过旁瓣抑制后的SAR图像距离向像素点像素值：
公式(3)中，date'r(n)表示第n(n＝Kr+1,Kr+2,Kr+3,L)次迭代后当前SAR图像距离向像素点像素值；
步骤2-5：所述步骤2-2中r分别取值1至fsa，每个r值对应的dater(n)循环重复步骤2-3以及步骤2-4中的迭代操作，直到迭代到SAR图像距离向第(fsr-Kr)个像素点迭代结束，得到经过距离向旁瓣抑制后的SAR图像date'r(x,y)。
2.如权利要求1所述的合成孔径雷达旁瓣抑制方法，其特征在于，所述步骤一具体为：
步骤1-1、分别获取二维SAR图像date(x,y)距离向和方位向像素点数目，分别记作lr、la；
步骤1-2、对SAR图像date(x,y)做二维傅里叶变换，得到SAR图像频谱Date(ωx,ωy)，即：
步骤1-3、分别根据频谱Date(ωx,ωy)距离向、方位向占空比，其倒数即可分别得到SAR图像在距离向和方位向过采样率，分别记作fsr、fsa。
3.如权利要求1或2所述的合成孔径雷达旁瓣抑制方法，其特征在于，还包括步骤三、SAR图像方位向旁瓣抑制；所述步骤三具体包括以下步骤：
步骤3-1：按照公式(4)计算得到方位向加权窗函数门限：
式(4)中：Ka为对fsa进行四舍五入运算得到的整数；
步骤3-2：将SAR图像沿着方位向看做fsr个fsa×1的一维数组，记作datea(m)，其中，a(a＝1,2,3,L,fsr)表示二维SAR图像方位向第a组像素点；
步骤3-3：从datea(m)中SAR图像方位向第Ka+1素点开始迭代，每个像素点的实部和虚部均分别按照公式(5)计算方位向窗函数加权参数，
式(5)中，wa(m)表示第m(m＝Ka+1,Ka+2,Ka+3,L)次迭代后当前窗函数加权参数，m表示迭代次数，wa(m)的约束条件为：-wamax≤wa(n)≤wamax；
步骤3-4：按照公式(6)取值范围判别条件得到经过旁瓣抑制后的SAR图像方位向像素点像素值：
式(6)中，date'a(m)表示第m(m＝Ka+1,Ka+2,Ka+3,L)次迭代后当前SAR图像方位向像素点像素值；
步骤3-5：步骤2-2中a分别取值1至fsr，每个a值对应的datea(m)循环重复步骤3-3以及步骤3-4中的迭代操作，直到迭代到SAR图像方位向第(fsa-Ka)个像素点迭代结束，得到经过方位向旁瓣抑制后的SAR图像date'a(x,y)。
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