（信号与信息处理专业论文）基于2d混合变换与滤波的sar图像处理.pdf

：入学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明)导师签名：协导师签名：桫签字嗍叫绰6 月甲日，j基于2 一d 混合变换与滤波的s a r 图像处理s a ri m a g ep r o c e s s i n gb a s e do n2 - dh y b r i dt r a n s f o r ma n df i l t e r i n g作者姓名：刘之幸导师姓名：肖扬学位类别：工学学科专业：信号与信息处理学号：0 6 1 2 0 4 0 5职称：教授学位级别：硕士研究方向：s a r 图像处理北京交通大学2 0 1 0 年6 月0 ，致谢本论文的工作是在我的导师肖扬教授的悉心指导下完成的，肖扬教授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响，在学习上和生活上都给予了我很大的关心和帮助，在此衷心感谢两年来肖扬教授对我的关心和指导。鲁凌云和胡绍海老师悉心指导我完成了实验室的科研工作，对于我的科研工作和论文都提出了许多宝贵意见，在此向鲁凌云和胡绍海老师表示衷心的谢意。在实验室工作及撰写论文的这段时间里，特别感谢张颖康师兄，他常常将自己的论文工作与我交流，不吝于与我分享资料，他优秀的工作给了我很大的启发。感谢尹华镜，带我入门m a t l a b 的世界，在很多迷茫的时候帮我打开思路。感谢宋丽丽，刘晓丽，刘静这三位女性同门，对我这两年的关照，以及在找工作方面的经验交流。感谢王磊，刘晏昌，王铠尧的关照，也要感谢毛鹏轩师兄，张南学姐和诸位学弟妹们，是他们一起创造了良好的实验室学术氛围。非常感谢计算机学院研究生科的平洋，郭棉华和王延超三位老师，他们所组成的工作团队活力十足，魅力四射，给所有研究生同学们许多关照。另外也是最后要着重感谢我的父母和关系良好的父辈叔叔阿姨们，他们的理解和支持使我能够专心完成我的学业。， 并且s a r 图像还是在民用领域后向散射系数，干涉作用使图像的图像信息；其次，在实际中s a r 系统不可避免地受到各种噪声源的干扰，使s a r 的成像性能恶化。比如反雷达目标回波信号非常的微弱以至无法检测。特别是在现代电子对抗中，受到敌方主动性的干扰，重建后的s a r 图像质量受到严重影响。因此要提取s a r 图像的有用信息，就必须解决这两方面的问题。本文着重研究如何抑制相干斑点噪声和在干扰的状态下提取有用信息。( 1 ) 在现有图像处理方法的基础上，创新性的提出基于二维混合变换的图像处理方法，并首次应用于s a r 图像处理领域，研究相干斑点噪声的抑制；( 2 ) 在将混合变换应用于s a r 成像后处理的基础上，进一步研究并模拟回波信号，大胆尝试将混合变换应用于回波信号的去噪预处理，在去噪的同时研究混合变换去噪预处理抗干扰的性能；( 3 ) 在混合变换作为二维滤波器计算量较大的基础上，提出二维递归滤波方法处理干扰下的s a r 图像，提取图像目标。实验数据表明二维混合变换在不同的两个方向上结合运用d f t ( d c t ) 和d w t ，在处理复杂二维信号时使各自优势得到充分运用；二维递归滤波应用于目标信号与噪声在空域和频域混迭的情形，能够快速实时地处理s a r 图像。这两种方法对于提高s a r 图像可译性都做出了积极有效的贡献。关键词：s a r 图像；二维混合变换；二维递归滤波分类号：t n 9 5c o h e r e n ts i g n a la n ds c a t t e rs i g n a lw i l lm a k ei m a g e sg e n e r a t e dc o h e r e n ts p o tn o i s e ，b u ts p e c k l en o i s eh a v el o t so fi m a g ei n f o r m a t i o n s ；s e c o n d l y , i np r a c t i c e ，s a rs y s t e mw i l li n e v i t a b l ys u f f e rf r o mv a r i o u ss o u r c e so fi n t e r f e r e n c e ，i m a g i n gp e r f o r m a n c ew i l lb ed e t e r i o r a t e d f o re x a m p l e ，t h ee c h os i g n a lo ft h ea n t i - r a d a rt a r g e tw i l lb e c o m ev e r yf a i n tt h a tc a n n o tb ed e t e c t e d e s p e c i a l l yi nt h ee l e c t r o n i cc o u n t e r m e a s u r e ，s a rs y s t e mw i l lb ea f f e c t e db yt h ee n e m y si n i t i a t i v eo p p r e s s i v ee l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c ea n dt h eq u a l i t yo ft h er e c o n s t r u c t e di m a g ew i l lb eb a d l ya f f e c t e d a p p l y i n gt h eu s e f u ls a ri n f o r m a t i o nm u s tb eo v e r c o m ea n ds o l v e t h e s et w op r o b l e m s t h i sp a p e re m p h a t i c a l l yi n t r o d u c e sh o wi n h i b i tt h ec o h e r e n ts p o tn o i s ea n de x t r a c tu s e f u li n f o r m a t i o ni ni n t e r f e r ec o n d i t i o n ( 1 ) b a s e do nt h ec u r r e n ti m a g ep r o c e s s i n gm e t h o d ，t h i sp a p e ri n n o v a t i v e l yp r o p o s e st h ep o s t p r o c e s sm e t h o d s ，a n df i r s t l ya p p l i e di ns a ri m a g ep r o c e s s i n gf i e l d ，r e s e a r c h e sh o wt oi n h i b i tt h es p e c k l en o i s e ；( 2 ) b a s e do nt h ep o s t p r o c e s s i n go fs a ri m a g e ，r e s e a r c ht h et a r g e te c h os i g n a l ，a p p l y i n gt h e2 一dh y b r i dt r a n s f o r mi nt h ed e n o i s i n gp r e - p r o c e s s i n gf o rs a rt a r g e te c h os i g n a l ，a n da l s or e s e a r c ht h ep e r f o r m a n c eo fa n t i i n t e r f e r e n c e ；( 3 ) s i n c et h e2 - dh y b r i dt r a n s f o r ma sa2 - df i l t e rr e q u i r eh u g ec a l c u l a t i o n ，p r o p o s e2 - dr e c u r s i v ef i l t e r i n gm e t h o dp r o c e s ss a ri m a g ea n de x t r a c tt a r g e t s e x p e r i m e n t a ld a t as h o w st h a tm i xd f t ( d c t ) a n dd w ti nd i f f e r e n td i r e c t i o n sm a k eb o t ha d v a n t a g e sa d e q u a t e l yu s i n gw h e nt r e a tc o m p l i c a t e dt w o - d i m e n s i o n a ls i g n a l ；2 dr e c u r s i v ef i l t e ri sa p p l i e dt ot h ec o n d i t i o nt h a tt a r g e ts i g n a li nt h ea i r s p a c ea n df r e q u e n c yd o m a i ni sm i x e dw i t hn o i s e ，i tc o u l dr e a l t i m ep r o c e s ss a ri m a g e s t h e s et w ok i n d so fm e t h o d sm a d ea c t i v ec o n t r i b u t i o ni ni m p r o v i n gt h et r a n s l a t a b i l i t yo fs a ri m a g e s k e y w o r d s - s a ri m a g e s ；2 一dh y b r i dt r a n s f o r m ；2 - dr e c u r s i v ef i l t e rc l a s s n 0 ：t n 9 5lt士点基找工作的帮助雷达诞生于二战时期，从雷达诞生之日起，就与国防密不可分，战场上人们希望在雷达屏幕上能到目标的真实图像，而不仅是一个模糊的亮点。五十多年来人类一直在寻找提高分辨率的方法。成像雷达按成像机理分为真实孔径雷达和合成孔径雷达两种。s a r 已经成为微波遥感的重要工具，并广泛应用于各个领域之中，更以其优良的技术特性被大量应用在军事领域。人们发展s a r 技术，不仅是为观测整个场景，更想对其中感兴趣的目标进行探测识别，这就需要提高s a r 的成像分辨力。我国发展s a r 技术比起发达国家来起步较晚，但十分重视其发展。随着s a r 技术的不断发展和完善，它的应用领域也将进一步扩展。s a r 图像中包含大量地面目标信息，充分利用这些信息，无论在民用领域或者在军事领域，都将发挥出巨大作用。综上所述，能够设计出一种有效的去噪处理方法，将其首次应用于s a r 图像领域，并且在实际中进一步提高s a r 系统抑制干扰的能力，对改善s a r 系统性能以及提高目标提取的精度和可靠性都是非常重要的，对自己也是非常有挑战性的尝试。文中既有前人科学研究的成果总结，也有我辛苦钻研的创意发挥，对于我这样一个科学研究道路上的新手，可以籍此文为机会，瞻仰前辈科学家们的伟岸形象，实在算是莫大的荣幸。x目录目录中文摘要i i ia b s t r a c t v i ij 芋i x第l 章绪论l1 1 概述11 1 1 合成孔径雷达的背景和研究目的l1 1 2 合成孔径雷达的研究意义与趋势21 2 国内外技术现状及发展历程41 2 1 国际各国合成孔径雷达的发展历程41 2 2 我国合成孔径雷达的发展历程及现状61 3 本文的研究重点和所作的工作91 3 1 本文研究内容91 3 2 本文各章节内容安排l l第2 章合成孔径雷达系统132 1 合成孔径雷达成像几何模型及原理1 52 2 合成孔径雷达主要成像算法182 3 合成孔径雷达图像相干斑点噪声2 32 3 1 合成孔径雷达图像相干斑点噪声形成机理2 32 3 2 合成孔径雷达图像相干斑点噪声模型一2 42 4 合成孔径雷达图像相干斑噪声抑制2 52 4 1 图像处理方法2 52 4 2 图像质量评估2 7第3 章混合变换应用于合成孔径雷达图像处理3 03 1 混合变换313 1 1 二维d c t - d w t 混合变换的定义3 13 1 2 二维d c t - d w t 混合变换的性质。3 33 1 3 二维d c t - d w t 混合变换部分细节算法3 43 2 混合变换对合成孔径雷达图像后处理的应用3 63 2 1 合成孔径雷达图像整体应用混合变换3 73 2 2 合成孔径雷达图像分块应用混合变换。3 83 2 3 合成孔径雷达图像应用混合变换提取目标4 03 2 4 与传统图像处理方法在去噪方面的比较4 2北京交通人学硕+ 学位论文3 3 混合变换对合成孔径雷达回波信号进行去噪预处理4 43 3 1 合成孔径雷达目标回波信号模型频带特性4 53 3 2 合成孔径雷达回波信号去噪预处理方法4 73 3 3 合成孔径雷达回波信号去噪预处理应用4 9第4 章合成孔径雷达抗干扰研究5 24 1 合成孔径雷达干扰概述5 24 2 合成孔径雷达抗干扰研究5 54 3 应用混合变换去噪预处理进行抗干扰5 64 3 1 去噪预处理方法抗干扰的实验5 74 3 2 去噪预处理抗干扰方法的快速实现6 04 4 应用二维递归滤波进行抗干扰。6 24 4 1 二维递归滤波方法6 34 4 2 仿真应用及实验结果6 4第5 章结论6 75 1 工作总结6 75 2 工作展望。6 7参考文献6 9作者简历7 3独创性声明7 5学位论文数据集7 7绪论第1 章绪论1 1 概述1 1 1 合成孔径雷达的背景和研究目的遥感技术是近几十年来发展起来的一门集微波、雷达、光学、红外、激光、计算机等科学于一体的综合性学科。遥感技术根据不同物体对电磁波的吸收和反射的不同特性来探测地表物体信息，完成远距离物体识别。遥感技术系统由遥感平台、遥感器、信息接收、信息处理、遥感应用等部分组成，并形成一个源源不断向人们提供各种科学数据和情报的信息网络。其中遥感器和遥感平台属于遥感技术实现的硬件部分，雷达则属于遥感器中的一种。雷达诞生于二战时期，雷达( r a d a r ) 一词即是无线电探测和测距( r a d i od e t e c t i o na n dr a n g i n g ) 的英文缩写的译音，最初是为适应军事侦察和全天候航行发展起来的一种航测系统，这种系统通过固定或旋转的天线不断向某特定方向或全方位发射无线电脉冲来探测目标。从雷达诞生之日起，就与军事国防密不可分，战场上人们希望在雷达屏幕上能看到目标的真实图像，而不仅仅只是一个个模糊的亮点。近年来，由于信息论在雷达信号处理领域中的应用和高速数字处理器件的出现，以及现代信号处理技术的不断发展，推动了高分辨率成像雷达的诞生与发展。这使得人们在雷达屏幕上看到目标清晰的图像成为可能。成像雷达的出现使雷达具有了对运动目标、地面目标进行成像和识别的能力，并且在微波遥感应用方面表现出越来越大的潜力。成像雷达按成像机理分为真实孔径雷达和合成孔径雷达【l 】巾】两种。在早期的雷达成像系统研究时采用的是真实孔径的雷达系统。真实孔径雷达成像系统及其处理设备相对简单，但存在一个难以解决的问题，就是它的方位分辨率受到天线尺寸的限制。所以要用真实孔径雷达系统获得较高分辨率，就需要较长的天线。但是采用的天线长短往往又受制于雷达系统被载平台的大小，不可能为了提高分辨率无休止地增加天线长度。为解决这个问题，随着雷达成像理论、天线设计理论、信号处理、计算机软件和硬件体系的不断完善和发展，提出了合成孔径雷达( s y n t h e t i ca p e r t u r er a d a r ) 的概念。合成孔径雷达( s a r ) 是利用雷达与目标的相对运动把尺寸较小的真实天线孔径用数据处理的方法合成较大的等效天线孑l 径的雷达。s a r 的高分辨率与可见北京交通人学硕+ 学位论文光、红外传感器相比较具有独特的优势和无法替代的作用，被广泛应用，目前在遥感、航天侦察、航空测量、卫星海洋观测、图像匹配制导中发挥着突出的作用。一般情况下，s a r 系统按照雷达载体划分为星载s a r 和机载s a p , 两种：按照处理方式又可分为聚焦s a r 和非聚焦s a r 两种；按照模式划分可以大致分为五种：条带s a r ( s t r i p m a p s a r ) 、聚束式s a r ( s p o t l i g h ts a r ) 、扫描s a r ( s c a ns a r )以及干涉s a r ( 简称i n s a r ) 和逆s a r ( 简称i s a r ) 。其中常用的三种工作方式如图1 1 所示。条带式聚束式图1 1s a r 的三种工作方式f i g 1 1t h et h r e ew o r km o d e so f s a r1 1 2 合成孔径雷达的研究意义与趋势s a p , 属于主动式的遥感器，由遥感平台发射电磁波，然后接收辐射和散射回波信号，主要探测地面目标物体的后向散射系数和介电常数。s a r 使用的是微波波段的电磁波，s a r 对接收到的信号的幅值和相位进行处理进而产生图像，是一种具有高分辨率遥感图像的相干系统，而且s a r 图像的空间分辨率与s a r 的平台高度无关。因此s a r 有许多优越性如下：( 1 ) s a p , 具有全天候、全天时的成像特点。可以不受光照、天气、气候的影响2 4 小时不问断的成像。( 2 ) s a r 具有多波段、可变侧视角、多极化的工作方式，在高空或太空都能有效工作，可使用s a r 获得大面积的遥感图像。s a r 的极化方式分为h h 、h v 、v h 、w 四种。( 3 ) 穿透能力强。s a r 不仅可以穿透尘埃、云层、雨区，而且能在一定程度上穿透土壤、植被等。( 4 ) s a r 能产生高分辨率的遥感图像，且与雷达的工作波长、载机的飞行高度、雷达作用的距离无关。s a r 图像的分辨率包含方位向分辨率和距离向分辨率2率，利用脉冲压缩技术获得高的鉴于上述特点，s a r 已成为微波遥感的重要工具，并广泛应用于各领域之中：在地形测绘、地质和矿产资源勘探方面，s a r 可以用来进行大面积的地形测绘，普查地质结构，研究地质分布、岩石分布及矿物分布。在海洋应用方面，s a r 可用来研究大面积海洋特性，研究冰山分布、海洋变迁、海洋污染等。在农业和林业应用方面，s a r 可以用作农作物的鉴别，研究农作物生长状况并估计农业产量，研究田地分界，研究自然植被分布、覆盖、研究森林生长情况，发现森林火灾。s a r 更是以其优良的技术特性被广泛应用在军事领域：战略应用全天候全球战略侦察，全天候海洋军事动态监视，战略导弹终端要点防御的目标识别与拦截，战略导弹多弹头分导自动导引，轨道平台开口的识别与拦截，对战略地下军事设施的探测。战术应用全天候重点战区军事监视，大型坦克群的成像监视，反坦克场的探测。特种应用强杂波背景下的目标识别，低空与超低空目标的探测与跟踪，精密测向与测高，隐藏目标散射特性的静态和动态测量等。纵观国际s a r 的发展，可以看出随着科学技术的不断进步，s a r 的水平和功能都在不断提高。从系统角度而言，自开始的单波段、单极化、固定入射角、单模式逐渐向多波段、多极化、可变入射角、多模式方向发展。近年来，国内外研究s a r 的热点是更新模式的s a r 系统，围绕的两个核心问题是高实时率和高分辨力。由于军事的需求，高实时率一直是广大从事s a r 研究人员的一个努力方向，设计效率更高的成像处理算法，开发专用实时s a r 信号处理机，利用并行处理完成s a r 信号处理都是提高实时率的有效途径。人们发展s a r 技术，不仅是为了观测整个场景，更想对其中感兴趣的目标进行探测和识别，这无疑需要提高s a r 的成像分辨力【6 】。成像分辨力反映在雷达图像中为所能区分的两个目标之间的最小的二维的距离的能力( 空间分辨力) ，信号带宽与合成孔径雷达的距离分辨率成正比。雷达图像的分辨特性在很大程度上决定了它的可懂度或辨识目标的能力，是指从雷达图像中辨识出地物特征( 道路、桥梁、河流、码头及建筑物等) 的概率指数。表1 1 大致表明了探测、识别、辨别和描述各种目标对分辨力和系统的要求。可见为了满足人们各种需要，提高分辨力是s a r 发展的一个重要任务。北京交通人学硕士学位论文表1 1 特殊目标的不同检测精度所需的分辨力( m ) 以及信号带宽( i d l - l z )t a b l e1 1t h er e q u i r e dr e s o l u t i o na n ds i g n a lb a n d w i d t ho fd i f f e r e n td e t e c t i o na c c u r a c y1 2 国内外技术现状及发展历程合成孔径雷达的概念产生于五十年代初，1 9 5 1 年6 月美国古德依尔航空公司( g o o d y e a ra e r o s p a c ec o ) 的威利( c a r lw i l e p ) 提出最早的频率分析方法改善雷达的角分辨力，将其称为多谱勒波束锐化，他们最初的研究目的是提高制导雷达的角分辨力。与此同时，伊罩诺斯大学( u n i v e r s i t y o f i l l i n o i s ) 控制系统实验室的一个研究小组在c w s h e r v i n 的领导下，采用相干机载侧视孔径雷达( s i d e 1 0 0 k i n ga p e r t u r er a d a r ，s l a ) 数据，研究运动目标检测技术。1 9 5 2 年，c w - s h e r v i n 第一次提出采用相位校正的全聚焦阵列概念，另外还提出了运动补偿的概念。正是这些新思想最终推动x 波段相干雷达的研制。s a r 这项技术的发展多年来一直处于高度保密状态。近年来随着掩盖该技术真实发展的神秘面纱逐渐被揭开，s a r 成为世界注目的焦点，s a r 的时代已经来临。1 2 1 国际各国合成孔径雷达的发展历程1 9 7 8 年5 月美国宇航局( n a s a ) 成功地发射了全球第一颗装载了空间合成孔径雷达的人造地球卫星( s e a s a t - a ) ( 如图1 2 ) 。s e a s a t 卫星的高度约8 0 0 公里，工作波段为l 波段，测绘带宽为1 0 0 公里。s e a s a t 卫星具有很大的全球覆盖率，获得了大量过去未曾有过的信息，引起了科学家们的极大重视。标志着星载s a r已成功进入了太空时代。4绪论图1 2 海洋i ! 星s e a s a t - af i g 1 2m a r i n es a t e l l i t es e a s a t - a1 9 9 1 年7 月，欧空局发射了e r s 1 空间合成孔径雷达，其最大的特点在于实现了平台姿态的动态控制。根据e r s 1 的特性，可获得大量的星载s a r 三维成像试验的数据，许多科学家利用e r s 1 的数据进行三维s a r 成像研究，得到了较为满意的结果。1 9 9 4 年1 2 月，加拿大r a d a r s a t 合成孔径雷达发射成功，轨道高度8 0 0 公里，测绘带宽为4 5 5 0 0 公里，分辨率为1 0 - - - 1 0 0 米，工作于c 波段，水平极化。德国宇航局于8 0 年代中期开发机载合成孔径雷达，于1 9 8 8 年和1 9 8 9 年先后研制成功线性极化的c 波段和x 波段的s a r 系统，1 9 9 0 年又扩展到l 波段。前苏联于1 9 8 7 年发射了a l m a z i 空间合成孔径雷达，它是第一部长期运行的空间合成孔径雷达。自1 9 8 1 年前苏联发射了航天飞机成像雷达i 号( s i r a )以来，俄罗斯又相继发射了航天飞机成像雷达2 号( s i r b ) 和3 号( s i r c x s a r ) ，特别是还于2 0 0 0 年2 月开展了为期l l 天的航天飞机雷达地形测图计划( s r t m ) 。此外，2 0 世纪7 0 年代未以来，国际上开展了三维成像理论的研究，最先取得实际应用效果的是s a r 干涉测量。利用普通s a r 在同一区域进行两次或多次条件苛刻的飞行可以得到地面的三维影像，但这种方法的成像率很低。干涉s a r 系统是s a r 系统的一个分支和一种新体制，根据获得s a r 图像的天线位置不同，可分为两种干涉技术：时间干涉可获得方位、距离、速度三维信息；位置干涉可获得地面目标的高度信息，即得到方位、距离、高度三维信息。近年来三维信息的获取又出现了新的途径。北京交通大学硕十学位论文1 2 2 我国合成孔径雷达的发展历程及现状我国十分重视s a r 技术的发展【4 】，2 0 世纪7 0 年代后期，中国科学院电子学研究所开始研制机载s a r 。虽然我国发展s a r 技术比起发达国家来起步较晚，但是经过不懈努力，在国家“六五”计划期间成功研制单通道、单侧视方向x 波段s a r 的基础上，于“七五期间研制成功了多测绘通道、多极化s a r 系统，“九五”期间研制发展了我国第一部l 波段s a r 系统，并在此基础之上开展了研制我国星载s a r 系统的工作。1 9 7 7 年中国科学院合成孔径雷达系统( c a s s a r ) 的研制工作正式启动，到1 9 9 4 年9 月，机载s a r 实时成像处理器的验收鉴定，标志着c a s s a r 又迈上了一个新台阶。该实时成像处理器已成功地用于1 9 9 4 年夏季中国南方的洪水监测。在国家8 6 3 高技术计划信息获取与处理技术主题支持下，中国科学院电子学研究所成功研制了我国第一部l 波段s a r 雷达系统，也是我国继x 波段机载s a r研制成功之后，为配合星载s a r 研究及其运行后的使用而自主开发研制的另一套实用机载成像雷达系统。这些成果不仅为我国提供了实用的雷达对地观测技术，也为我国星载s a r 的削崮豕仃罗u l t jo至本世纪，各国s a r 技术发展突飞猛进，下表( 表1 2 ) 用简明直观的数据把世界各国的s a r 技术发展状况作了一个清晰的展示。表1 2 各国主要合成孔径雷达卫星参数简表t a b l e1 2m a i ns a rs a t e l l i t ep a r a m e t e r ss u m m a r yo fc o u n t r i e s美国卫星名称s e a s a t - as i r o as i r - bs i r - c x - s a rl a c r o s s e 系列发射时间1 9 7 8 年1 9 8 11 9 8 41 9 9 41 9 8 8 “2 0 0 5天线极化h hh hh hh h 、，、，h v h双极化j = 作频段llll c xl xp r f h z1 4 6 3 “1 6 4 01 4 6 4 “1 8 2 41 4 6 4 ”1 8 2 41 3 9 5 ”1 7 3 6不详空间分辨距离向：2 5距离：4 0距离向：距离向：2 5 1 3标准模式：1 0率m方位r 句：2 5方位i h ：4 01 7 “5 8方位i 向：3 0宽扫模式：3 0( 4 视)( 6 视)方位向：2 5( 4 视)精扫模式：0 31 4 视)天线类型微带天线c o r p o r a t ec o r p o r a t e微带大型抛物面f e e df e e d裂缝波导天线6绪论表1 2 各国主要合成孔径雷达卫星参数简表( 续)美国天线尺寸1 0 7 4 x 2 1 69 4 0 x 2 1 61 0 7 0 2 1 61 2 0 0 x 3 71 4 6 0 x 3 6 6峰值功率说明1 01 01 04 4 1 2 1 4 1 0 0酋颗星载s a r 证实s a r 具有多视角上作多极化多频高分辨多极穿透地表成段多视角工化多频段，4像能力作星分布在两个轨道上欧空局意人利德国卫星名称e r s 垅e n v i s a tc o s m o r e r r a s a r - xs a r l u p e发射时间天线极化_ t 作频段p r f h z空间分辨率m天线类型天线尺寸峰值功率说明1 9 9 1 、1 9 9 52 0 0 2s k y m e d2 0 0 62 0 0 72 0 0 6v vh h v 、h 、hh h wh h v v h v v h 不详ccxxx1 6 4 0 “1 7 2 01 6 5 0 “2 1 0 03 0 0 03 0 0 0 “6 5 0 0不详距离向：2 6 3l o ( 单视)最小分辨率1最小分辨率1 e x p - ，万口 r 一，z。2 。通过变量置换，可以将一维信号s ( f ) 转换为二维形式。令：t = 后霉+ f ；t k = 尼z( 2 7 ) p ( 纠( 2 1 1 )( 2 1 2 )尺c x ，= r 一害l 之( 毒 + 三1 厶( 专 2lc 2 - 3 ，式中，厶表示多普勒中心频率 多普勒质心) ，厶表示多普勒调频率( 多普勒斜率) 。需要特别指出的是，见对于某个点目标时可以看成是一个常量，但是对于分布目标，面目标，兄就是一个变量，对于不同斜距上的点，兄有不同的值。对于面散射目标，雷达的回波信号是目标仃( ，x ) 产生的回波的叠加，所以回波信号用二维形式可表示为：s ( r ，z ) = 盯( ，- ，功 h ( r ，z ) = a ( r ，石) o 吃( 厂，x ) p ，以( ，)( 2 - 1 4 )由此可见，从信号处理的角度，合成孔径雷达对目标的观测过程等效于一个二维卷积的过程。成像处理：合成孔径雷达的成像处理过程则可以等效为一个重建地面目标散射系数的二维反卷积过程，通过匹配滤波器来实现：a ( r ，工) = s ( r ，x ) o 一1 ( ，x ) = c r ( r ，工) 圆j l i ( 厂，x ) o 一( ，j )( 2 1 5 )我们同样可将成像处理的反卷积运算等效为级联的两级系统：a ( r ，功= c r ( r ，x ) 圆h ( r ，石) 0h - i ( ，x )= a ( r ，石) o 吃( ，工) pj i i ，( ，| ) o 吃- 1 ( ，x ) o h r _ 1 ( ，)= 盯( ，工) 圆 吃( ，x ) p 吃- 1 ( 厂，x ) 圆 绋( r ) 。以一( 厂) ( 2 1 6 )完成上述s a r 成像处理最直接的方法是利用傅立叶变换来完成反卷积运算，但是由于要进行二维傅立叶变换运算，计算量较大，所以为了减少运算量，通常都尽可能将其转换为一维反卷积运算。当点目标相应函数在距离向和方位向不可分时，则可以先进行一定的转换，使之在距离向和方位向可分，式( 2 1 6 ) 中的1 7北京交通人学硕士学位论文h r ( 厂) 圆以一( r ) 为距离压缩，h oc r ，x ) h o 。1 ( ，x ) 为方位向压缩。这样就可以通过两个一维反卷积运算完成对目标的成像。这种成像过程虽然增加了完成距离向和方位向可分的运算，但是只要方法合适，和完成二维反卷积运算相比，计算量同样可以大大减少。由此，我们可以得到合成孔径雷达的基本成像模型，如图2 4 所示。图2 4 合成孔径雷达基本成像模型f i g 2 4t h eb a s i cs y n t h e t i ca p e r t u r er a d a ri m a g i n gm o d e l2 2 合成孔径雷达主要成像算法经过上面的介绍，我们对s a r 的成像原理有了一个概括的了解，从中可以看到s a r 成像的核心就是对回波信号的处理方法，即成像算法【1 3 】，【1 9 卜 2 3 】。随着s a r 成像技术的不断改进发展，s a r 成像算法已由最初的距离多普勒( r a n g e d o p p l e r ) 算法、二次距离压缩算法( s e c o n dr a n g ec o m p r e s s ) 发展到了波数域算法( w k 算法) 、c h i r ps c a l i n g 算法( c s 算法) 。距离多普勒( r d ) 算法【2 0 】是一种比较早而且广泛使用的雷达成像算法。由于它的信号处理主要是在距离多普勒域完成距离和方位解耦校正，故而得其名。该算法物理概念很直观，它是通过对二维滤波器的近似，将s a r 成像中的距离和方位的二维处理分离为两个级联的一维处理。r d 算法经历了几个阶段：基本r d算法，经典r d 算法，改进的r d 算法。基本r - d 算法是最简单的r d 算法。它用两个级联的相关处理即可完成s a r 成像过程。它是适合于可以忽略方位和距离耦合的情况，具体的说，它适合于低分辨、窄波束、正侧视的情况。经典r d 算法也是用两个级联的相关来完成s a r 成像的处理过程，与基本r d 算法的不同之处在于它考虑了方位和距离的耦合，具体地说，它是在距离方合成孔径雷达系统距离走动和d o p p l e r 的一次相位校正，在距离方位离弯曲的校j 下。该算法适合于较高分辨率、正侧视改进r d 算法在近似计算中忽略距离和方位的高阶耦合相位。它对于正侧视和小斜视小场景的情况还是试用的，但是随着成像斜视角的增大，场景宽度的增大，就必须考虑高阶的耦合相位对成像的影响，特别是二次距离压缩项( s r c ) 。波数域算法是按照波动方程推导出来的，能够达到最佳聚焦的精确成像算法，其聚焦质量不随空间变换。但需要在频域进行高精度( s t o l tm a p p i n g ) 插值运算，因而使运算量大幅度提高。c s 算法是在波数域算法的基础上提出的，也是一种高精度的成像算法，而且整个处理过程没有插值运算，适合并行处理。在信号变换到二维波数域之前利用c h i r ps c a l i n g 操作，完成所有距离单元的距离徙动校正，从而避免了插值运算。合成孔径雷达的信号处理过程实际上是一个二维的逆相关过程，目的是要得到目标区域后向散射系数的二维分布。信号处理通常分解成两个相关处理，即距离向的相关处理和方位向的相关处理。距离向的相关处理比较简单，因为是匹配函数已知。而方位上的相关处理则较复杂，由于距离上的抖动，是一个二维的相关处理，不同的成像算法的区别主要在于方位压缩处理上的区别。下面我们具体介绍一下条带式s a r 的成像算法。条带式s a r 距离多普勒成像算法：条带s a r 成像的对象是与雷达飞行方向平行的条带( 通常是地面) ，在采集雷达数据期间，雷达天线的指向固定不变，天线波束扫过的区域与运动平台运动轨迹始终保持平行。条带s a r 适合机载和星载s a r 对地观测的一般需求，是s a r 系统中应用最广泛的一种模式。条带s a r 按照雷达波束指向与运动平台的运动方向的夹角又可分为正侧视s a r ( 雷达波束指向与雷达平台运动方向垂直) ，斜视s a r ( 雷达波束指向与雷达平台运动方向有一定夹角) 。在条带式s a r 成像的处理过程中雷达波束与载机的运动方向成固定的夹角，基本的几何关系如图2 5 所示。图中参数定义如下：忍：雷达天线方位波束角；：雷达天线斜视角；缈：雷达天线下视角；h ：载机飞行高度；v ：载机速度；：点目标p 和载机的最近斜距；r ( t ) ：点目标p 和载机的距离历程；1 9北京交通人学硕士学位论文图2 5 条带式s a r 的几何模型f i g 2 5t h eg e o m e t r i cm o d e lo fs t f i p m a ps a g在条带式s a r 成像【l9 】的过程中，雷达运动平台以速度1 ，作匀速直线运动，同时以固定的重复频率发射和接收信号，随着运动平台向前移动雷达波束则在地面形成一个带状照射区域，这便是条带式s a r 的成像区域。r d 算法的基本思想是把二维移变滤波器分解为两个一维处理的级联，先对每合成孔径雷达系统丧日坏距富匿缩绪是直目标距离主肴 翥是t”“。1 f：日。k：8 0。肿啡删灿扩，l| 一一一( l图2 6 点1 1 标距离压缩波形f i g 2 6t h ew a v eo fp o i n tt a r g e tr a n g ec o m p r e s s i o n不同方位分布许多目标，它们的距离徙动互相重叠，在时域无法对它们进行统一的校正；二是实际回波在两个方向上都是离散采样过的，徙动轨迹并不准确分布在采样点上。前者的解决办法是把s ( f ，t ；r ) 沿横向时间t f f 傅立叶变换，进入r - d 域利用近似和驻留相位原理。此时，同一距离不同方位的点目标具有相同的轨迹，所以在r d 域中，同一距离不同方位目标的距离徙动可以一起得到校正( 如图2 7 所示) 。对于距离徙动不在采样点上的问题可以用插值来解决。| ：= = = = ! j 口= = = ：= ：= l；i8ii：j _ _ - - - - _ _ - - - - 一田= = = 二二= ：口= = = j：= i = 二= = ：= 二二i p p i 弋d a ? 3：。沿第一条频谱线沿第二条频谱线沿第三条频谱线沿第四条频谱线频谱搬移后的总频谱线图2 7 距离弯曲频率校正示意图f i g 2 7r a n g eb e n d i n gf r e q u e n c yc o r r e c t i o ns c h e m a t i cp r o g r a m经过距离徙动校正，在r d 域中，所有位置上的目标的徙动轨迹都平行于多普勒频率轴彳。此时有s ：c f ，r ；r ，= r e c r c k - ) s i n c 万足z j f 一考 o x p l 一万丢庀：1 , x p 一4 j 7 r ，) c 2 一9 ，2 1北京交通大学硕十学位论文然后进行横向处理，最后再做横向i f f t 。这样，我们就实现了对目标的处理。如图2 8 所示。图2 8 距离多1 孚勒算法基本流程图f i g 2 8t h eb a s i cf l o wc h a r to fr - da l g o r i t h m介绍了s a r 系统成像原理后，我们获得s a r 图像，进入到对s a r 图像的处理部分。而合成孔径雷达系统成像之后的图像显示中包含斑点噪声。这和一般数字图像处理中所遇到的噪声有本质的区别。数字图像中的椒盐噪声和高斯噪声等噪声是在对图片进行采样、量化、压缩、传输和解码等一系列数字化过程以及照片本身的保存过程中的退化所引起的，是直接作用到图像上的。而s a r 中的斑点噪声是雷达回波信号中产生的，是包括s a r 系统在内的所有基于相干原理成像系统所固有的一种噪声。着图图2 9 从s a n d i a 国家实验室网站下载的被相干斑影响的s a g 图像f i g 2 9s a gi m a g ea f f e c t e db ys p e c k l en o i s ed o w n l o a df r o ms a n d i an a t i o n a ll a b o r a t o r i e sw 曲s i t e2 3 1 合成孔径雷达图像相干斑点噪声形成机理对于s a r 系统来说，分辨单元总是比发射信号的波长大的多，对分布目标而言每个分辨单元都可以看作由许多尺寸与波长相近的散射体组成的，每个散射子回波的相位与它们距传感器的距离及散射物质的特性有关，s a r 接收到的信号正是这些散射子回波的矢量和，因此导致接收信号的强度并不完全由地物目标的后向散射系数决定，而是围绕着后向散射系数的值有很大的随机起伏，称之为衰落。可见s a r 发射的电磁波经地表随机分布的散射体散射，导致经过不同的散射体的回波行程不同( 如图2 1 0 所示) ，使具有均匀后向散射系数的区域在s a r 图像中却并不具有均匀的灰度。正如前面所说，相干斑点噪声是s a r 所固有的噪声。相干斑点噪声是以类似颗粒的形式来影响s a r 的图像质量，相干斑点噪声的出现严重的影响了s a r 图像辐射分辨率，因而影响了人们观察和区分图像的细节，因此进行斑点噪声的抑制处理是后续s a r 图像处理和分析的先决条件。北京交通人学硕士学位论文雷达系统图2 1 0 雷达系统、散射体和雷达波的关系f i g 2 10t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nr a d a rs y s t e m ，s c a t t e ra n dr a d a rw a v e2 3 2 合成孔径雷达图像相干斑点噪声模型通过对s a r 图像的统计，u l a b y 于1 9 8 6 年对于s a r 图像完全发育的斑点噪声建立了乘性噪声模型，这个模型成为人们研究s a r 图像的基础。完全发育的相干斑点噪声的概念【2 4 】，【2 5 1 是由g o o d m a n 于1 9 7 6 年提出的，斑点，这须同时满l o p e s 于( 2 2 0 )r 分布的布于相干随机过程r 和f 之间是互完全发育的区域，对于相如果上述条件不成立，即当有一个或多个大散射体存在，其散射特性的贡献能支配回波特性，这时相干斑点噪声是不完全发育的。表现在图像上，为布满建筑物的区域，存在边缘的区域或是纹理区域等。此时相干斑点噪声将采用u l a b y于1 9 8 6 年建立的纳卡加密莱斯( n a k a g a m i r i c e ) 分布：i ( x ，j ，) = “t ( x ，y ) f ( x ，y )( 2 2 1 )式中，“是图像强度均值；r ( x ，y ) 表示在( 石，y ) 处的图像的纹理函数值。它是一个随机变量，通过它的变化，可以描述地面场景的随机起伏情况，并且在任意点处，有r ( x ，y ) 0 ，且满足尸= e ( f ) = l 。此外，随机过程r 和f 之间相互独立。2 4 合成