基于图像稀疏域噪声分布约束的合成孔径雷达成像方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于图像稀疏域噪声分布约束的SAR成像方法，解决了现有的在SAR成像的同时去相干斑所导致的图像细节和纹理过于平滑的问题。本发明首先使用成像雷达向目标区域发射探测信号并接收回波数据，并对回波数据进行预处理；接着依据预处理的回波数据及观测过程构建SAR成像重构模型；在重构模型中，加入对场景图像稀疏域噪声分布的1范数正则约束；然后用稀疏优化的方法得到高分辨的SAR图像。本发明不但能够在重构场景的同时去除相干斑，而且SAR图像细节保持度好，纹理清晰。
【专利说明】基于图像稀疏域噪声分布约束的合成孔径雷达成像方法
【技术领域】
[0001]本发明属于微波成像【技术领域】，具体地说是一种能在成像的同时抑制相干斑的高分辨合成孔径雷达SAR成像方法，可用于地球遥感，军事侦察等领域。
【背景技术】
[0002]相对于光学传感器，合成孔径雷达具有全天时全天候对地观测能力，因而被广泛应用于地球遥感、海洋研究、资源勘探、军事侦察等领域。
[0003]近年来涌现的稀疏表示理论指出，若某高维信号本身是稀疏的或在某个变换域下能够稀疏表示，可以通过一个与变换域不相关的观测矩阵将该信号投影到低维空间上，并通过优化方法实现高概率信号重建。在稀疏表示理论的推动下，相关学者提出压缩合成孔径雷达能在较少的信号采样数据条件下实现目标的成像处理，解决了 SAR成像系统面临的高速数据采集、大量数据存储与传输问题。
[0004]但是，由于合成孔径雷达是一种相干成像系统，成像结果不可避免的含有相干斑噪声，相干斑的存在严重影响了 SAR图像后期的检测、分类与识别。目前针对这个问题有两种解决方法。
[0005]第一种方法 是先进行SAR成像，接着对SAR图像去相干斑。然而这两个相互独立的处理方式不但增加了系统的成本和处理时间，而且使得获取高分辨SAR图像的难度增大，因为在进行SAR图像去相干斑时，只是利用了 SAR图像本身的信息，没有利用回波先验信
肩、O
[0006]第二种方法是直接在SAR成像的过程中抑制相干斑。如2010年，V.M Patel等人在其公开发表的文献“Compressed Synthetic Aperture Radar”中提出:通过在压缩SAR成像模型中加入对场景的I范数全变差正则约束，能够在重构场景的同时去除相干斑。然而他在加入对场景的I范数全变差正则约束时所基于的假设是重构场景是分段光滑的，这种假设会导致SAR图像的一些细节和纹理变得过于平滑，影响成像效果。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种基于图像稀疏域噪声分布约束的合成孔径雷达成像方法，以实现在成像的同时抑制相干斑，使成像后获得的SAR图像细节和纹理清晰，提升成像效果。
[0008]为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下步骤:
[0009](I)载机沿预定航迹飞行，成像雷达向待成像区域以固定的脉冲重复频率发射线性调频信号并接收回波，对回波信号进行混频和低通滤波处理，获得用于成像的回波信号:r=伞 + ?，其中A为观测矩阵，g表示含有相干斑噪声的目标场景图像，?为接收机噪声；
[0010](2)将含有相干斑噪声的目标场景图像g表示为成像区域散射系数构成的不含相干斑噪声的待重建图像f与相干斑噪声η。的乘积式:g = fn。，对该式进行对数变换log(g)=log(f)+log(n。)，并记y = log(f)为待重建图像的对数图像；[0011](3)根据回波信号r，观测矩阵A，待重建图像的对数图像y，构建如下目标函数
式:
[0012]
【权利要求】
1.一种基于图像稀疏域噪声分布约束的合成孔径雷达成像方法，包括如下步骤: (1)载机沿预定航迹飞行，成像雷达向待成像区域以固定的脉冲重复频率发射线性调频信号并接收回波，对回波信号进行混频和低通滤波处理，获得用于成像的回波信号:r = /Ig+ ?，其中a为观测矩阵，g表示含有相干斑噪声的目标场景图像，?为接收机噪声； (2)将含有相干斑噪声的目标场景图像g表示为成像区域散射系数构成的不含相干斑噪声的待重建图像f与相干斑噪声η。的乘积式:g = fn。，对该式进行对数变换log(g)=log(f)+log(n。)，并记y = log(f)为待重建图像的对数图像； (3)根据回波信号r，观测矩阵A，待重建图像的对数图像y，构建如下目标函数式:
2.根据权利要求1所述的基于图像稀疏域噪声分布约束的合成孔径雷达成像方法，其中第(5)步所述的用K均值聚类方法将子图像块Y聚为K类，按如下步骤进行: (5a)对子图像块Y进行高通滤波处理，记滤波后的子图像块为P?其中V-是第i个子图Yi滤波后的子图像块，i = 1，2，...，L ; (5b)用K均值聚类的方法对滤波后的子图像块Yh进行聚类: (5bl)随机选取滤波后的子图像块Yh中的K个子图作为初始聚类的几何中心，其中K为聚类总数； (5b2)计算滤波后的子图像块Yh中的每一个子图到所有几何中心的欧氏距离，并将该子图归入欧氏距离最小的聚类中； (5b3)计算每一个聚类里面所有图像块的均值，得到新的几何中心； (5b4)重复(5b2)-(5b3)，经过12次迭代，将滤波后的子图像块Yh聚为K类IC1, C2，…，Cq,...，CK}，q= 1,2, -,K； (5c)根据子图像块Y滤波前后的一一对应关系，将相应的子图像块Y直接划分为K类{S1; S2,…，Sq,…，Sj ,其中Sq表不第q个聚类，q = 1,2,…，K。
3.根据权利要求1所述的基于图像稀疏域噪声分布约束的合成孔径雷达成像方法，其中步骤(6)所述的用主成分分析的方法计算得到每一个聚类的子字典D,，按如下步骤进行: (6a)计算子图像块Y的第q个聚类Sq的协方差矩阵Ψ, = Sq* (Sq)T, q= 1,2,…，K，其中T表示矩阵转置，K表示聚类总数； (6b)对协方差矩阵Ψ,进行奇异值分解，将其分解为正交矩阵Dq，特征值矩阵Aq及正交矩阵\，即Ψ, = DqA JqH，其中H表示共轭转置，取正交矩阵Dq为聚类Sq的子字典。
4.根据权利要求1所述的基于图像稀疏域噪声分布约束的合成孔径雷达成像方法，其中步骤(7)所述的用稀疏域非局部均值的方法计算第i个子图Ji对应的最终重建子图的稀疏表示系数估计值6，按如下步骤进行: (7a)计算子图yi与其周围大小为wXw的正方形邻域内所有子图的欧氏距离，并保留欧氏距离最小的P个子图，记为={ Vii, yn,--,Vij,-",Vw) , Yij是子图Ji的第j个相似子图，j = 1,2, , P,其中w是正方形邻域的边长，￡是包含于符号； (7b)计算子图Ji的第j个相似子图yu在字典D下的稀疏表示系数a u = DVij ; (7c)计算子图y,对应的最终重建子图稀疏表示系数的估计值
5.根据权利要求1所述的基于图像稀疏域噪声分布约束的合成孔径雷达成像方法，其中步骤(10)所述的用交替迭代最小化方法对步骤(9)中的三个子目标函数式进行求解，得到待重建图像的对数图像y，按如下步骤进行: (IOa)参数初始化 设保真参数μ >0,惩罚参数β > O,正则参数K i > O,迭代步数初始值η = I,待重建对数图像初始值为ya) = 0，第i个子图yi的稀疏表示系数初始值《f1= O, i = 1，2，...，L，L为子图像总数； (IOb)固定第η-l步迭代后得到的待重建对数图像y(n)，用共轭梯度方向法求解第一个子目标函数式I,得到第η步迭代后的含有相干斑噪声的目标场景图像g(n+1)； (IOc)用收缩算法求解 第二个子目标函数式表，得到第n步迭代后的第i个子图yi的稀疏表示系数(IOcl)对第η步迭代后得到的含有相干斑噪声的目标场景图像g(n+1)进行对数变换，得到第η步迭代后的待重建对数图像中间结果y, (n+1)，然后将图像y' (n+1)划分为大小相同的重叠子图像块4表示待重建对数图像中间结果y' (n+1)的第i个子图，i = l，2，...，L; (10c2)将子图像块Y' (n+1)用K均值聚类方法聚为K类，并用主成分分析法构造第η步迭代后的稀疏表不字典D(n+1)； (10c3)用稀疏域非局部均值方法计算第i个子图yi对应的最终重建子图的稀疏表示系数估计值，i = I, 2,..., L ； (10c4)根据第η步迭代后的稀疏表示字典D(n+1)，及第i个子图yi对应的最终重建子图的稀疏表示系数估计值,用软阈值收缩算子计算第η步迭代后的第i个子图yi的稀疏表示系数K),其中‘S0ft’表示表示经典的软阈值收缩算子，uyf"11表示第η步迭代后的第i个子图yi的稀疏表示系数的中间结果，Jf 表示待重建对数图像中间结果I' (n+1)的第i个子图，K i是目标函数稀疏约束项的正则参数;i = I, 2,..., L ; (IOd)求解第三个子目标函数式P: (IOdl)对第η步迭代后的第i个子图的稀疏表示系数^i进行反稀疏变换，得到抑斑后的子图像块>彳_i = 1，2，...，L ;(10d2)将各子图像块《重新拼接，得到第n步迭代后得到的待重建对数图像y(n+1)； (IOe)判断是否满足终止迭代条件:||y(n+1)-y(n)||2/||y(n)||2< ε，其中Il.||2表示求向量的2范数，y(n+1)为待重建对数图像在第η步迭代的结果，y(n)是待重建对数图像在第η-l步迭代后的结果，ε = 10_6是相邻两次迭代残差； 若不满足终止迭代条件，将迭代步数η加1，重复(IOb)-(IOd)继续迭代； 若满足终止迭代条件，将第η步迭代后得到的待重建对数图像y(n+1)作为最终的待重建对数 图像y。
【文档编号】G06T5/00GK103983973SQ201410230482
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年5月28日 优先权日:2014年5月28日
【发明者】赵光辉, 王成龙, 罗喜, 石光明, 沈方芳 申请人:西安电子科技大学