CN116973849A - 一种基于频谱离群检测的sar影像射频干扰抑制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于频谱离群检测的SAR影像射频干扰抑制方法,涉及信号处理领域。利用KL散度衡量沿方位向上的功率谱与瑞利分布拟合的差异程度,通过离群点检测出干扰,最终通过自适应迭代和滤波器实现SAR影像在距离频域上的干扰抑制。相较于传统的陷波滤波抑制干扰方法,本发明可以快速识别并抑制一些弱能量干扰,并且干扰抑制后SLC影像中有用信号损失较少,抑制干扰的精确度更高,能较大程度提升干扰抑制后的图像质量。

Description

一种基于频谱离群检测的SAR影像射频干扰抑制方法
技术领域
本发明涉及信号处理领域,特别涉及一种频域离群检测下的SAR射频干扰抑制方法,适用于在距离频域下具有聚集特性的干扰抑制。
背景技术
合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)作为一种全天时、全天候的成像雷达,能够获得高分辨的场景图像,是重要的侦察工具。同时,随着空间电磁环境日益复杂,同频段的业务往往对SAR形成射频干扰(Radio Frequency Interference,RFI),射频干扰会造成回波信号的幅度、相位、频率和极化等特性失真,使SAR图像散焦变模糊或者呈现伪影。如何有效的抑制干扰,提升SAR图像质量,是雷达信号处理领域的研究热点。
根据干扰信号的带宽可以把干扰分为窄带干扰(Narrow-Band Interference,NBI))和宽带干扰(Wide-Band Interference,WBI)。窄带干扰的带宽小于有用信号带宽的1%,并且雷达回波建模相对简单,因此通过时域或频域的分析手段能够实现有效的干扰抑制。传统的干扰抑制方法例如陷波滤波器,在超过设定的频谱或图像能量门限的强窄带干扰区域设置零陷。陷波滤波器实现较为简单,在实际复杂的电磁环境中,会接收到各种干扰,干扰信号的能量与有用信号能量相近或干扰信号能量微弱时,陷波滤波器不好设置阈值,难以有效抑制干扰。此类方法抑制干扰的鲁棒性低,且容易造成较多的漏检和信号损失。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是:
为了避免现有干扰抑制技术的不足之处,本发明提供一种频谱离群检测下的SAR干扰抑制方法。
为了解决上述技术问题,本发明采用的技术方案为:
一种基于频谱离群检测的SAR影像射频干扰抑制方法,其特征在于包括:
对SAR的SLC影像数据进行相应去窗处理,转换为距离频域、方位时域的二维频谱;
对SLC影像的二维频谱的功率谱进行瑞利分布拟合得到KL散度,利用其检测离群值得到定位干扰的一维掩膜;
一维干扰掩膜沿距离向对频谱分类计算信噪比,根据信噪比设置自适应迭代阈值;
根据设置的自适应迭代阈值,使用频域陷波滤波器根据迭代次数对SLC影像的二位频谱实现二维干扰掩膜预测;
根据掩膜进行频域陷波,完成干扰抑制后加窗处理,并转换到时域得到最终影像。
本发明进一步的技术方案:所述对SAR的SLC影像数据进行相应去窗处理,转换为距离频域、方位时域的二维频谱,具体为:
接收SAR的单视复数影像数据,根据其对应的参数文件,读取参数并根据需求进行相应频带内去窗处理,利用快速傅里叶变换得到SLC影像数据的距离频谱和距离频域、方位时域的二维频谱。
本发明进一步的技术方案:所述对SLC影像的二维频谱的功率谱进行瑞利分布拟合得到KL散度,利用其检测离群值得到定位干扰的一维掩膜,具体为:
通过SLC影像的二维频谱,计算功率谱距离向均值,对功率谱距离向均值与瑞利分布进行拟合;
在频带通过计算KL散度沿方位向衡量功率谱与拟合后的瑞利分布之间的差异程度,利用平滑后的KL散度检测离群值来定位干扰,得到一维干扰掩膜Mask1D。
本发明进一步的技术方案:还包括:为了防止干扰掩膜中包含直流分量的异常值,对二维频谱距离向中间区域与掩膜Mask1D取交集,若距离向中间区域全在Mask1D中,则从Mask1D中除去这种直流分量异常值。
本发明进一步的技术方案:所述一维干扰掩膜沿距离向对频谱分类计算信噪比,根据信噪比设置自适应迭代阈值,具体为:
对二维频谱沿距离向按Mask1D分为干扰频谱和信号频谱,分别取模计算得到干扰能量N和有用信号能量S;其中干扰能量取最大值,有用信号能量取平均值,得到信噪比SNR;
设置滤波自适应迭代次数k,当滤波前后信噪比之差|SNRk-SNRk-1|小于所设迭代阈值ε时,结束迭代。
本发明进一步的技术方案:所述根据设置的自适应迭代阈值,使用频域陷波滤波器根据迭代次数对SLC影像的二位频谱实现二维干扰掩膜预测,具体为:
通过设置区块处理距离频点,沿方位维将区块内的每个距离频点取平均值;RFI在距离频谱中形成峰值,当功率明显偏离高斯分布的背景杂波,就会被滤波器检测到;频域滤波器在不计算直流分量下,提取是否偏离高斯分布的特征,对区块内频点计算Z分数;
利用Z分数计算是否偏离高斯分布的置信度v,与设置的滤波器阈值进行比较来判定频点是否包含干扰;
设计自适应迭代次数,经过多次迭代,得到每个区块的掩膜,汇总后得到最终掩膜Mask并进行填充处理。
本发明进一步的技术方案:所述根据掩膜进行频域陷波,完成干扰抑制后加窗处理,并转换到时域得到最终影像,具体为:
对最终掩膜进行频域陷波,将干扰掩膜为1的位置在频谱上置零,干扰抑制后的二维频谱根据参数需要加窗处理,并通过逆傅里叶变换转到时域得到最终干扰抑制后的SAR影像。
一种计算机系统,其特征在于包括:一个或多个处理器,计算机可读存储介质,用于存储一个或多个程序,其中,当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时,使得所述一个或多个处理器实现上述的方法。
一种计算机可读存储介质,其特征在于存储有计算机可执行指令,所述指令在被执行时用于实现上述的方法。
本发明的有益效果在于:
本发明提供的一种基于频谱离群检测的SAR影像射频干扰抑制方法,利用KL散度衡量沿方位向上的功率谱与瑞利分布拟合的差异程度,通过离群点检测出干扰,最终通过自适应迭代和滤波器实现SAR影像在距离频域上的干扰抑制。相较于传统的陷波滤波抑制干扰方法,本发明可以快速识别并抑制一些弱能量干扰,并且干扰抑制后SLC影像中有用信号损失较少,抑制干扰的精确度更高,能较大程度提升干扰抑制后的图像质量。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的,而并不认为是对本发明的限制,在整个附图中,相同的参考符号表示相同的部件。
图1为频谱离群检测下的SAR干扰抑制方法流程图。
图2为干扰抑制前的L波段SAR卫星实测影像示例。
图3为SAR实测SLC影像数据距离频谱示例,其中图3(a)为距离维频频谱、图3(b)为距离频域、方位时域的二维频谱图。
图4为频谱计算得到的KL散度,其中图4(a)为KL散度、图4(b)为平滑处理后的KL散度。
图5为采用本发明方法获得的最终干扰掩膜。
图6为采用本发明方法对掩膜陷波后的频谱。
图7为采用本发明方法干扰抑制后的SAR图像。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图和实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。此外,下面描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供的一种基于频谱离群检测的SAR影像射频干扰抑制方法,计算KL散度,作为频域离群点检测算子提取干扰;利用信噪比之绝对差作为迭代次数的限制,防止滤波器过多或过少检测到干扰,在多个脉冲内实现干扰信号与有用信号的分离。由于本发明灵活有效的检测机制,与传统的频域、时频域陷波的方法相比,在抑制干扰的同时可有效地保留有用信号,能较大程度提升干扰抑制后的图像质量。
图1所示为本发明的频谱离群检测下的SAR干扰抑制方法流程图,包括以下步骤:
步骤1:接收SAR的单视复数(Single Look Complex,SLC)影像数据,根据其对应的参数文件,读取参数并根据需求进行相应频带内去窗处理,利用快速傅里叶变换(FastFourier Transform,FFT)得到SLC影像数据的距离频谱和距离频域、方位时域的二维频谱;
步骤2:通过步骤1所得SLC影像的二维频谱,计算功率谱距离向均值,对功率谱距离向均值与瑞利分布进行拟合。瑞利分布的概率密度表示为:
其中,x是距离向上功率谱的值,σ为标准差。
在频带通过计算KL散度沿方位向衡量功率谱与拟合后的瑞利分布之间的差异程度,利用平滑后的KL散度检测离群值来定位干扰,得到一维干扰掩膜Mask1D;KL散度DKL计算表示为:
其中,p为方位向功率谱,q为对距离向上功率谱按瑞利分布拟合结果。
为了防止干扰掩膜中包含直流分量的异常值,对二维频谱距离向中间区域与掩膜Mask1D取交集,若距离向中间区域全在Mask1D中,则从Mask1D中除去这种直流分量异常值;
步骤3:根据步骤2所得一维干扰掩膜Mask1D,对二维频谱沿距离向按Mask1D分为干扰频谱和信号频谱,分别取模计算得到干扰能量N和有用信号能量S。其中干扰能量取最大值,有用信号能量取平均值,得到信噪比SNR,SNR可以表示为:
设置滤波自适应迭代次数k,当滤波前后信噪比之差|SNRk-SNRk-1|小于所设迭代阈值ε时,结束迭代;
步骤4:频域陷波滤波器根据迭代次数实现二维干扰掩膜预测。通过设置区块处理距离频点,沿方位维将区块内的每个距离频点取平均值。RFI在距离频谱中形成峰值,当功率明显偏离高斯分布的背景杂波,就会被滤波器检测到。频域滤波器在不计算直流分量下,提取是否偏离高斯分布的特征,对区块内频点计算Z分数,Z计算表示为:
其中,data为带内数据,μ为其均值,ζ为其无偏估计。
利用Z计算是否偏离高斯分布的置信度v,与设置的滤波器阈值进行比较来判定频点是否包含干扰,置信度v计算表示为:
根据步骤3得到的迭代次数要求,经过多次迭代,得到每个区块的掩膜,汇总后得到最终掩膜Mask并进行填充处理;
步骤5:根据步骤4得到的最终掩膜进行频域陷波,将干扰掩膜为1的位置在频谱上置零,干扰抑制后的二维频谱根据参数需要加窗处理,并通过逆傅里叶变换转到时域得到最终干扰抑制后的SAR影像。
实施例1:
步骤1:接收L波段SAR的实测SLC影像数据,其成像结果如图2所示,根据其对应的参数文件,读取参数并根据需求进行相应频带内去窗处理。带内截取区间为[chop+1,Nr-chop],其中Nr为距离向长度,Bw为带宽,Fs为采样频率。
利用快速傅里叶变换(Fast Fourier transform,FFT)得到SLC影像数据的距离频谱如图3(a)所示,和距离频域、方位时域的二维频谱如图3(b)所示;
步骤2:通过步骤1所得SLC影像的二维频谱,计算功率谱距离向均值,对功率谱距离向均值与瑞利分布进行拟合。瑞利分布的概率密度表示为:
其中,x是距离向上功率谱的值,σ为标准差。
在频带通过计算KL散度沿方位向衡量功率谱与拟合后的瑞利分布之间的差异程度,如图4(a)所示。KL散度DKL的计算表示为:
其中,p为方位向上的功率谱,q为距离向上的功率谱按瑞利分布拟合结果。
KL散度可以度量两个函数的相似程度,本实施例使用窗口长度为100的高斯加权移动平均滤波器对KL散度进行平滑处理,利用平滑后的KL散度检测离群值来定位干扰如图4(b)所示,得到一维干扰掩膜。为了防止干扰掩膜中包含直流分量的异常值,对二维频谱距离向中间区域与掩膜Mask1D取交集,若距离向中间区域全在Mask1D中,则从Mask1D中除去这种直流分量异常值。本实施例将翻转后的二维频谱中间11处频点作为直流分量进行检测,检测离群值是否包含直流分量异常值,如果包含频点长度小于10则从离群值中剔除。
步骤3:根据步骤2所得一维干扰掩膜Mask1D,对二维频谱沿距离向按Mask1D分为干扰频谱和信号频谱,分别取模计算得到干扰能量N和有用信号能量S。其中干扰能量取最大值,有用信号能量取平均值,得到信噪比SNR,SNR可以表示为:
设置滤波自适应迭代次数k,当滤波前后信噪比之差|SNRk-SNRk-1|小于所设迭代阈值ε时,结束迭代,本实施例阈值设为0.1;
步骤4:频域陷波滤波器根据迭代次数实现二维干扰掩膜预测。通过设置区块处理距离频点,沿方位维将区块内的每个距离频点取平均值。本实施例设置区块大小为16×Nr,其中Nr为距离向长度。RFI在距离频谱中形成峰值,当功率明显偏离高斯分布的背景杂波,就会被滤波器检测到。频域滤波器在不计算直流分量下,提取是否偏离高斯分布的特征,对区块内频点计算Z分数,Z计算表示为:
其中,data为带内数据,μ为其均值,ζ为其无偏估计。
利用Z计算是否偏离高斯分布的置信度v,与设置的滤波器阈值进行比较来判定频点是否包含干扰,本实施例所设置的滤波器阈值为0.075。置信度v计算表示为:
根据步骤3得到的迭代次数要求,经过多次迭代,得到每个区块的掩膜,汇总后得到最终掩膜Mask并进行填充处理,如图5所示;
步骤5:根据步骤4得到的最终掩膜进行频域陷波,将干扰掩膜为1的位置在频谱上置零,如图6所示为干扰抑制后的二维频谱。干扰抑制后的频谱根据参数需要加窗处理,并通过逆傅里叶变换转到时域得到最终干扰抑制后的回波数据,如图7所示为干扰抑制后的图像;
对比干扰抑制前后的图像和二维频谱可以发现:频谱离群检测下的SAR射频干扰抑制方法,干扰抑制后有用回波信号损失较少,抑制干扰的精确度更高,能较大程度提升干扰抑制后的图像质量。
以上所述,仅为本发明的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内,可轻易想到各种等效的修改或替换,这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于频谱离群检测的SAR影像射频干扰抑制方法,其特征在于包括:
S1:对SAR的SLC影像数据进行相应去窗处理,转换为距离频域、方位时域的二维频谱;
S2:对SLC影像的二维频谱的功率谱进行瑞利分布拟合得到KL散度,利用其检测离群值得到定位干扰的一维掩膜;
S3:一维干扰掩膜沿距离向对频谱分类计算信噪比,根据信噪比设置自适应迭代阈值;
S4:根据设置的自适应迭代阈值,使用频域陷波滤波器根据迭代次数对SLC影像的二位频谱实现二维干扰掩膜预测;
S5:根据掩膜进行频域陷波,完成干扰抑制后加窗处理,并转换到时域得到最终影像。
2.根据权利要求1所述的一种基于频谱离群检测的SAR影像射频干扰抑制方法,其特征在于S1具体为:
接收SAR的单视复数影像数据,根据其对应的参数文件,读取参数并根据需求进行相应频带内去窗处理,利用快速傅里叶变换得到SLC影像数据的距离频谱和距离频域、方位时域的二维频谱。
3.根据权利要求2所述的一种基于频谱离群检测的SAR影像射频干扰抑制方法,其特征在于S2具体为:
通过SLC影像的二维频谱,计算功率谱距离向均值,对功率谱距离向均值与瑞利分布进行拟合;
在频带通过计算KL散度沿方位向衡量功率谱与拟合后的瑞利分布之间的差异程度,利用平滑后的KL散度检测离群值来定位干扰,得到一维干扰掩膜Mask1D。
4.根据权利要求3所述的一种基于频谱离群检测的SAR影像射频干扰抑制方法,其特征在于S2还包括:为了防止干扰掩膜中包含直流分量的异常值,对二维频谱距离向中间区域与掩膜Mask1D取交集,若距离向中间区域全在Mask1D中,则从Mask1D中除去这种直流分量异常值。
5.根据权利要求3所述的一种基于频谱离群检测的SAR影像射频干扰抑制方法,其特征在于S3具体为:
对二维频谱沿距离向按Mask1D分为干扰频谱和信号频谱,分别取模计算得到干扰能量N和有用信号能量S;其中干扰能量取最大值,有用信号能量取平均值,得到信噪比SNR;
设置滤波自适应迭代次数k,当滤波前后信噪比之差|SNRk-SNRk-1|小于所设迭代阈值ε时,结束迭代。
6.根据权利要求5所述的一种基于频谱离群检测的SAR影像射频干扰抑制方法,其特征在于S4具体为:
通过设置区块处理距离频点,沿方位维将区块内的每个距离频点取平均值;RFI在距离频谱中形成峰值,当功率明显偏离高斯分布的背景杂波,就会被滤波器检测到;频域滤波器在不计算直流分量下,提取是否偏离高斯分布的特征,对区块内频点计算Z分数;
利用Z分数计算是否偏离高斯分布的置信度v,与设置的滤波器阈值进行比较来判定频点是否包含干扰;
设计自适应迭代次数,经过多次迭代,得到每个区块的掩膜,汇总后得到最终掩膜Mask并进行填充处理。
7.根据权利要求6所述的一种基于频谱离群检测的SAR影像射频干扰抑制方法,其特征在于S5为:
对最终掩膜进行频域陷波,将干扰掩膜为1的位置在频谱上置零,干扰抑制后的二维频谱根据参数需要加窗处理,并通过逆傅里叶变换转到时域得到最终干扰抑制后的SAR影像。
8.一种计算机系统,其特征在于包括:一个或多个处理器,计算机可读存储介质,用于存储一个或多个程序,其中,当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时,使得所述一个或多个处理器实现权利要求1所述的方法。
9.一种计算机可读存储介质,其特征在于存储有计算机可执行指令,所述指令在被执行时用于实现权利要求1所述的方法。
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