WO2011144002A1 - Sar图像旁瓣抑制方法 - Google Patents

Description

SAR图像旁瓣抑制方法 本申请要求于 2010 年 5 月 18 日提交中国专利局、 申请号为 201010175094.8、发明名称为" SAR图像谱变形旁瓣抑制方法" 的中国专利申 请的优先权， 其全部内容通过引用结合在本申请中。

技术领域

本发明涉及雷达成像技术领域， 更具体地说， 涉及一种 SAR( synthetic aperture radar, 合成孔径雷达)图像旁瓣抑制方法。

背景技术

SAR系统可看作是线性的， 线性系统冲激响应可用 sine型函数表示。 许 多重要的 SAR图像质量参数都可以通过冲激响应予以估计， 如与旁瓣性能有 关的两个质量参数一 PSLR(peak side-lobe ratio ,峰值旁瓣比)和 ISLR (integrated side-lobe ratio, 积分旁瓣比)都可通过冲激响应测量。 PSLR的大小决定了强目 标点对邻近弱目标点的遮盖能力， ISLR表示 SAR图像中局部暗区被周围亮区 的能量泄露所淹没的程度。

旁瓣性能直接影响 SAR图像中信息的利用，特别是在 SAR图像解译和目 标判读过程中， 高旁瓣的 SAR图像将大大降低系统对弱目标的处理能力， 同 时强目标的判读精度也会因为旁瓣干扰而受到影响。 低旁瓣的 SAR图像不仅 便于目视判读， 而且对于情报的自动或者半自动处理都是有利的。在不进行任 何旁瓣抑制处理情况下， SAR图像的 PSLR和 ISLR取值都过高， 约为 -13dB 和 -10dB左右。

为了获取低旁瓣 SAR图像， 人们提出了各种各样的旁瓣抑制方法， 大致 可分为两类:其一是使用线性加权法来降低旁瓣电平，但这需要付出展宽主瓣、 降低分辨率的代价； 其二是采用一些非线性的处理方法， 以保证不损失图像分 辨率。与线性加权法相比， 当前已有的非线性处理方法大都比较复杂且运算量 很大。 就目前而言， SAR 图像的高旁瓣问题一直没有得到有效解决。 因此， 研究在保证分辨率的条件下， 简单、 有效的旁瓣抑制方法对于 SAR系统的研 制和 SAR图像的应用都非常有价值。

发明内容 本发明为了有效解决 SAR图像的高旁瓣问题， 提供了一种基于空间频谱 支撑区变形的 SAR图像旁瓣抑制方法。 本方法的旁瓣抑制效果明显且不损失 图像分辨率， 同时实现简单， 运算量小并且对噪声不敏感， 实施起来也非常方 便， 可直接用于对原始 SAR图像进行处理。

本发明的基本思路是： 通过分析 SAR系统空间频谱支撑区分布和冲激响 应的关系发现， 空间频谱支撑区变形会造成冲激响应旁瓣走向的变化， 进而导 致 SAR图像中目标的旁瓣走向也发生相应变化， 而有关主瓣的信息却没有发 生改变， 这样就可通过两幅 SAR图像之间的旁瓣走向差异信息来实现目标主 瓣和旁瓣的相互分离， 进而实现有效的旁瓣抑制。

本发明的技术方案是： 一种合成孔径雷达图像旁瓣抑制方法， 具体包括下 述歩骤：

对原始合成孔径雷达 SAR图像进行二维傅里叶变换， 得到 SAR系统空间 频谱图像；

提取所述 SAR系统空间频谱的支撑区，对所述 SAR系统空间频谱的支撑 区进行变形， 得到空间频谱支撑区变形后的 SAR系统空间频谱图像；

对所述空间频谱支撑区变形后的 SAR系统空间频谱图像进行二维逆傅里 叶变换， 得到变形后的 SAR图像；

分别对所述原始 SAR图像和所述变形后的 SAR图像进行归一化处理； e(x, y) \ + \ 2e^,(x, y) -e(x, y

^^) =5 ^'^ __{1 2}^^_^'^分别计算主旁瓣叠加图像和分离出主瓣后的 剩余旁瓣图像， 其中， e_s( ,) 为主旁瓣叠加图像， (x,y)为分离出主瓣后的剩 余旁瓣图像， 为归一化的原始 SAR图像， 为归一化的变形后 SAR

将所述主旁瓣叠加图像减去剩余旁瓣图像，得到旁瓣抑制后的 SAR图像 ₍ 优选的， 所述 SAR系统空间频谱的支撑区为规则形状或不规则形状。 优选的， 所述提取所述 SAR系统空间频谱的支撑区为： 按照公式 A A) 皿 ≤ ≤k_x '腿 ，

匪^≤^^≤ ： nax计算矩形的 SAR 系统空间频谱的支撑区， 其中， A(JC为

SAR系统空间频谱的支撑区， _min和 分别表示 SAR系统空间频谱 ^方向 取值范围的最小值和最大值， _min和 分别表示 SAR系统空间频谱 方向 取值范围的最小值和最大值。 优选的， 所述对所述 SAR系统空间频谱的支撑区进行变形， 得到空间频 谱支撑区变形后的 SAR系统空间频谱图像包括：

按 照 公 式 A k_x,k = A(i_x,k F(i_x,k

1, K _min≤k <0 and + k„ < k„≤ + k„

F(k_x ) = 1, 0≤k <k and— - - + k一≤ k ≤

k

0, other 空间频谱的支撑区进行变形， 得到菱形的空间频谱支撑区变形后的 SAR系统 空间频谱图像， 其中， 为变形后的 SAR系统空间频谱图像， F(k_x,k_y)为

F(k_x 是形变函数， 和 分别表示 SAR系统空间频谱 方向取值范 围的最小值和最大值， _min和 分别表示 SAR系统空间频谱 方向取值范 围的最小值和最大值。 一种合成孔径雷达图像旁瓣抑制方法， 具体包括下述歩骤：

第一歩： SAR系统空间频谱获取

对原始 SAR 图像 ^， 进行二维傅立叶变换得到 SAR 系统空间频谱 即：

E(k_x,k_y) = jje(x, y)e-^KkxX+kyy)dxdy )

1 k . <k <k_xmax,k . <k <k

o 其它 上式中 皿和 分别表示 系统空间频谱 ^方向取值范围的最小值 和最大值， 和 皿分别表示 系统空间频谱 方向取值范围的最小值 和最大值。

对空间频谱支撑区分布函数 进行变形， 采用如下方式：

A\k_x,k_y) =^-A(k_x -ak_y,k_y)+ -A(k_x,k_y -β )

上式中

3 。 ^A'(^， 即为空间频谱支撑区 变形后的分布函数。 第三歩： 图像生成与归一化

根据空间频谱支撑区变形后的分布函数^^'^)， 求出变形后的 系统 空间频谱 ^Ε'^^χ， ）， 即 、 、 ^ΑΆ， 、。

对^£'^，^)进行二维逆傅立叶变换得到空间频谱支撑区变形后的 图像 e'( ,y)， 即： dk_Ydk

对原始 图像 ^e(， 和变形后的 图像 ^e'(，y)分别进行归一化处理， 并设 e{ ,y) e'(x,y)归一化后分别为 {x,y)和 e'(x,y)， 即 e{x,y)和 满足：

四歩： 主旁瓣分离

先， 利用下式计算主旁瓣叠加图像 (， ， 即:

再计算分离出主瓣后的剩余旁瓣图像 ^³ ， 即: e , y) = ^ (x, y) \ - \ 2e' (x, y) -e(x, y) l| 第五歩： 旁瓣抑制

用主旁瓣叠加图像减去剩余旁瓣图像， 得到旁瓣被抑制后对应的 SAR图 像 ， 即

em , y) = e_s , y)― ¾ , y)。 本发明的有益效果是： 利用空间频谱支撑区变形后与变形前 SAR图像旁 瓣走向的差异信息进行旁瓣抑制，这使得在旁瓣抑制过程中不仅有效地抑制了 旁瓣， 而且不损失图像分辨率。此外， 在本发明的整个实施过程都只是涉及一 些简单的算术运算，不涉及求逆、特征分解等复杂运算，因此本发明实现简单， 运算量小， 对噪声不敏感， 并且实施起来也非常方便， 可直接用于对原始 SAR 图像进行处理。

附图说明

图 1为本发明所提供的合成孔径雷达图像旁瓣抑制方法的流程图； 图 2为仿真实验中计算的点目标 SAR ^e^^y)的空间分布示意图； 图 3为仿真实验中计算的点目标 SAR图像 ( ，y)的空间分布示意图； 图 4为仿真实验中计算的点目标 SAR图像 ^y)的空间分布示意图； 图 5为仿真实验中计算的点目标 SAR图像 的空间分布示意图。 具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的合成孔径雷达图像旁瓣抑制方法进行详细 说明。

图 1是本发明所提供的合成孔径雷达图像旁瓣抑制方法的流程图。该流程 图的第一歩是 SAR系统空间频谱 获取， 通过对原始 SAR图像 ^， 进 行二维傅立叶变换来实现。 第二歩是空间频谱支撑区变形， 包括计算 SAR系 统空间频谱支撑区分布函数 和空间频谱支撑区变形， 其中计算 SAR系 统空间频谱支撑区分布函数时需要确定 皿、 皿、 和 皿的取值， 具 体的计算关系式参见文献 "雷达成像技术 "第 78页， 保铮等编著， 电子工业 出版社 2005年出版。 第三歩是 SAR 图像生成与归一化， 首先求得变形后的 SAR系统空间频谱 '«， ）， 然后对其进行二维逆傅立叶变换生成空间频谱支 撑区变形后的 SAR图像 ， ， 而后对原始 SAR图像和空间频谱支撑区变形 后的 SAR图像都作归一化处理。 第四歩是主旁瓣分离， 计算主旁瓣叠加图像 和剩余旁瓣图像 )。 第五歩是旁瓣抑制， 用主旁瓣叠加图像减去剩 余旁瓣图像， 输出旁瓣抑制结果 (， 。

本发明的技术方案是： 一种合成孔径雷达图像旁瓣抑制方法， 具体包括下 述歩骤： 第一歩： SAR系统空间频谱获取 对原始 SAR 图像 进行二维傅立叶变换得到 SAR 系统空间频谱 E(k_x,k_y) , 即：

E(k_x ,k_y ) = jj e(x, y)e~^{i k}^^y)dxdy 第二歩： 空间频谱支撑区变形 利用原始 SAR图像的空间频谱 E(^, )可以计算成像系统的空间频谱分布 范围， 也即空间频谱支撑区分布函数 Α(^, ）。 其中， A(^, )_e {0,l}， k_x, ≤ k_x≤ k_x ' _min和 分别表示 SAR系统空间频谱 方向取值范围的最小值和最大值， _min和 _max分别表示 SAR系统空间频谱 方向取值范围的最小值和最大值。 表示的空间频谱支撑区可以是规则 形状， 如矩形； 也可以是不规则的形状， 如扇形或组合形状， 其中， 组合形状 如为矩形附加梯形等。 对上述形状的空间频谱支撑区分布函数 A , k_y )进行如下变形：

上式中 为变形后的空间频谱支撑区分布函数，满足 A' d F(k_x ,k_y ) 是形变函数， ^ ) {0,1} ， 其自变量取值范围为 ^

匪^≤^^≤ ： nax。 需要说明的是， 在本申请技术方案中， 可以将任意形状的 空间频谱支撑区转变为任意的另一种形状。本申请对变形前的形状和变形后的 形状并不进行限定。

为了能够清楚地说明变形过程，下面以将矩形的空间频谱支撑区转变为菱 形为例：

当空间频谱支撑区 )为矩形时， 其

A(k_x,k_y) =

0 其它

若将矩形的支撑空间变为最大面积的菱形， 则形变函数为:

1 ≤k_x≤0 and -^k_x k_y≤ -f^k ^ +

χ χ

F(k_x ) = 1 Q≤k <k _and— ^^ + υ ,,≤—

0, other 第三歩： SAR图像生成与归一化

根据空间频谱支撑区变形后的分布函数 A^, ）， 求出变形后的 SAR系统 空间频谱 E'(l_x ,k_y) , 即 E'(k_x ,k_y) = A'(k_x , k_y )E(k_x ,k

对 E'(H_y)进行二维逆傅立叶变换得到空间频谱支撑区变形后的 SAR图像 e'(x,y) , 即：

e\x,y)= ί [E k_x,k_y)e dk_Ydk 对原始 SAR图像 和变形后的 SAR图像 分别进行归一化处理， 并设 e(x, y)和 e'(x, y)归一化后分别为 e(x, y)和 e x, y)， 即 e(x, y)和 e x, y)满足： e(x,y) = 。

第四歩： 主旁瓣分离 首先， 利用下式计算主旁瓣叠加图像 ( ,) ， 即： e(x, y)\ + \ 2e^f(x, y)― e(x, y) l|

再计算分离出主瓣后的剩余旁瓣图像 (^ ， §Ρ:

y)\-\2e' (x, y)-e(x,y) l|

第五歩： 旁瓣抑制 用主旁瓣叠加图像减去剩余旁瓣图像， 得到旁瓣被抑制后对应的 SAR图 像^ ， ， 即 e_m(x,y) = e_s(x,y)-e_l(x,y)。

图 2至图 5是利用本发明一具体实施方式进行仿真实验的处理结果，每幅 图坐标轴的 X方向和 y方向的坐标单位都为米， 其中 X方向表示 SAR图像的 方位向， y方向表示 SAR图像的距离向， z方向表示归一化的 SAR图像幅度 值。 仿真实验的基本参数设置如下：

发射信号带宽为 200E+6赫兹； 发射信号中心频率为 10E+9赫兹； 雷达天 线到理想点目标的垂直航线距离为 10E+3米； 形成的合成孔径长度为 200米。

图 2是仿真实验中计算的点目标 SAR ^e^^y)的空间分布示意图。 图 2 中点目标 SAR ^e^^y)的旁瓣走向分别为 X方向和 y方向，即旁瓣的空间分 布分别沿着 X坐标轴方向和 y坐标轴方向， 其 X方向和 y方向 PSLR均高达 -13.3dB， X方向和 y方向 ISLR都为 -10.1dB。 可见， 未经任何旁瓣抑制处理的 SAR图像的旁瓣电平是非常高的。 图 3是仿真实验中计算的点目标 SAR图像 ，y)的空间分布示意图。从图 3可以看出， ^， 的旁瓣走向较为复杂， 除了 X方向和 y方向的旁瓣走向外， 还出现了非 X方向和非 y方向的旁瓣走向，这样 ^^χ， 与 ^， 就存在一定的旁 瓣走向差异信息。

图 4是仿真实验中计算的点目标 SAR图像 ^，y)的空间分布示意图。点目 标 SAR图像 主要体现为点目标 SAR图像 的旁瓣分布，点目标 SAR 图像 ^， 的主瓣已经被去除了， 也就是说 ^，y)将 的旁瓣单独分离了出 来， 因此可以称之为剩余旁瓣图像。

图 5是仿真实验中计算的点目标 SAR图像 的空间分布示意图。 点 目标 SAR 图像 即为利用本发明所提供方法得到的旁瓣抑制后的结果， 由图 5可知， 点目标 SAR图像 的大部分旁瓣都抑制了， 只留下了的主 瓣和少许旁瓣， 因而这种基于空间频谱支撑区变形的 SAR图像旁瓣抑制方法 并不损失图像分辨率。 点目标 SAR图像 的 X方向和 y方向 PSLR都降 低至 -26.9dB， 同时 X方向和 y方向 ISLR则都降低到 -26.8dB， 说明本发明提 供的 SAR图像旁瓣抑制方法性能优良。

Claims

权 利 要 求

1、 对原始合成孔径雷达 SAR图像进行二维傅里叶变换， 得到 SAR系统空间 频谱图像；

提取所述 SAR系统空间频谱的支撑区，对所述 SAR系统空间频谱的支撑 区进行变形， 得到空间频谱支撑区变形后的 SAR系统空间频谱图像；

对所述空间频谱支撑区变形后的 SAR系统空间频谱图像进行二维逆傅里 叶变换， 得到变形后的 SAR图像；

分别对所述原始 SAR图像和所述变形后的 SAR图像进行归一化处理；

分别计算主旁瓣叠加图像和分离出主瓣后的 剩余旁瓣图像， 其中， e_s( , ) 为主旁瓣叠加图像， 为分离出主瓣后的剩 余旁瓣图像， 为归一化的原始 SAR图像， 为归一化的变形后 SAR 图像; 将所述主旁瓣叠加图像减去剩余旁瓣图像，得到旁瓣抑制后的 SAR图像。

2、 根据权利要求 1所述的方法， 其特征在于， 所述 SAR系统空间频谱的 支撑区为规则形状或不规则形状。

3、 根据权利要求 1所述的方法， 其特征在于， 所述提取所述 SAR系统空 间频谱的支撑区为： 按照公式 x,m x x,ma ' y,mm y , max < <

0 其它 匪^≤^^≤ ： nax计算矩形的 SAR 系统空间频谱的支撑区， 其中， A( , k_y )为

SAR系统空间频谱的支撑区， _mm和 _max分别表示 SAR系统空间频谱 ^方向 取值范围的最小值和最大值， _min和 _max分别表示 SAR系统空间频谱 方向 取值范围的最小值和最大值。

4、 根据权利要求 3所述的方法， 其特征在于， 所述对所述 SAR系统空间 频谱的支撑区进行变形， 得到空间频谱支撑区变形后的 SAR系统空间频谱图 像包括

按 照 公 式

1 k ≤ ≤0 and + ,― < < -^k + .

k_x

k

F{k_x ) = ≤k_x≤k_w and ； k. < 对矩形的 SAR系统 other 空间频谱的支撑区进行变形， 得到菱形的空间频谱支撑区变形后的 SAR系统 间频谱图像， 其中， 为变形后的 SAR系统空间频谱图像， F k_x,k_y 为 F t_A.,yt_v)是形变函数， ，和^ 分别表示 SAR系统空间频谱 ^方向取值范 围的最小值和最大值， _min和 _max分别表示 SAR系统空间频谱 方向取值范 围的最小值和最大值。

5、 一种合成孔径雷达图像旁瓣抑制方法， 其特征在于， 具体包括下述歩 骤：

第一歩： SAR系统空间频谱获取

对原始 SAR 图像 ^e(， 进行二维傅立叶变换得到 SAR 系统空间频谱 E(k_x,k_y)； 第二歩： 空间频谱支撑区变形

利用下式计算 SAR系统空间频谱的支撑区分布函数^^' ）：

k . ≤k <k_xmax,k . ≤k <k_vmax

其它 上式中 皿和 分别表示 _SAR系统空间频谱 ^方向取值范围的最小值 和最大值， 和 ' 分别表示 SAR系统空间频谱 方向取值范围的最小值 和最大值；

对空间频谱支撑区分布函数 进行变形， 采用如下方式:

A'(k_x , k_y ) =^MK - k_y , k_y ) + ^A(k_x , k_y - )

^一 k_x,_max - k_{x min} β _

- k_{x min} )

上式中 3( ,丽 - k_yi 3( y,max—k

对 '«Λ)进行二维逆傅立叶变换得到空间频谱支撑区变形后的 _SAR图像 e'(x, y ) . 对原始 SAR图像 ^e(， 和变形后的 SAR图像 ^e'(，y)分别进行归一化处理， 并设 ^ ^， 和 ^e' 归一化后分别为 和 ；

第四歩： 主旁瓣分离

利用下式计算主旁瓣叠加图像 (， ， §Ρ:

计算分离出主瓣后的剩余旁瓣图像 ^³ , 即:

第五歩： 旁瓣抑制

用主旁瓣叠加图像 (， 减去剩余旁瓣图像 ^，³ ， 得到旁瓣被抑制后对 应的 SAR图像 ， 。