一種提高線陣三維成像合成孔徑雷達解析度的方法
2024-02-06 23:36:15
專利名稱：一種提高線陣三維成像合成孔徑雷達解析度的方法
技術領域：
本發明屬於雷達技術領域，它特別涉及線陣三維成像合成孔徑雷達(LASAR)成像技術領域。
背景技術：
線陣三維成像合成孔徑雷達(LASAR)是將線性陣列天線固定在運動的平臺上，以合成二維平面陣列，並進行三維成像的一種新型合成孔徑雷達系統。線陣三維成像合成孔徑雷達能夠實現目前單天線合成孔徑雷達不能實現的對三維地面進行成像的能力，目前已成為合成孔徑雷達領域的研究熱點。根據本發明人了解以及已發表的文獻，例如J.Klare，A.Brenner，J.Ender，「A New Airborne Radarfor 3D Imaging-Image Formation using the ARTINO Principle-」，EUSAR，Dresden，Germany，2006.BASSEM R.MAHAFZA，MITCH SAJJADI「Three-dimensional SAR imaging using linear array in transverse motion」IEEEtransaction on aerospace and electronic system VOL 32，NO.1 JANUARY 1996，由於受到陣列天線長度的限制，線陣三維成像合成孔徑雷達獲得的圖像的切航跡解析度一般小於沿航跡方向解析度，為了提高線陣三維成像合成孔徑雷達的解析度，必須研究其相應的解析度融合技術。根據本發明人了解，關於線陣三維成像合成孔徑雷達解析度融合方法，目前尚沒有公開發表的技術文獻。
發明內容
為了克服現有線陣三維成像合成孔徑雷達獲得的圖像的切航跡解析度一般小於沿航跡方向解析度的問題，本發明提供了一種提高線陣三維成像合成孔徑雷達解析度的方法，採用本發明的方法能夠得到正交軌跡三維成像合成孔徑雷達融合後的高解析度線陣三維成像合成孔徑雷達圖像。
為了方便描述本發明的內容，首先作以下術語定義 定義1、線陣三維成像合成孔徑雷達(LASAR) 線陣三維成像合成孔徑雷達(LASAR)是將線性陣列天線固定在運動的平臺上，以合成二維平面陣列，並進行三維成像的一種新型合成孔徑雷達系統。詳見文獻R.Giret，H.Jeuland，P.Enert，「A Study of a 3D-SAR Concept for aMillimeter-Wave Imaging Radar onboard an UAV」，European Radar Conference，2004，pp 201-204.。由於受到陣列天線長度的限制，線陣三維成像合成孔徑雷達獲得的圖像的切航跡解析度一般小於沿航跡方向解析度。
定義2、線陣三維成像合成孔徑雷達圖像 線陣三維成像合成孔徑雷達圖像是指對線陣三維成像合成孔徑雷達數據進行成像處理後的得到的數據，其中包含了空間中不同位置處散射係數的分布。詳見文獻J.Klare，A.Brenner，J.Ender，「A New Airborne Radar for 3D Imaging-Image Formation using the ARTINO Principle-」，EUSAR，Dresden，Germany，2006。由線陣三維成像合成孔徑雷達圖像可以得到該圖像的長度和寬度，分別記做P和Q。
定義3、正交軌跡三維成像合成孔徑雷達 正交軌跡三維成像合成孔徑雷達是指兩部線陣三維成像合成孔徑雷達沿相互垂直的運動軌跡飛行，其軌跡方向分別記做x方向和y方向，合成孔徑雷達SAR-A的合成孔徑方向沿x方向，由合成孔徑雷達SAR-A所成的圖像在x方向有較高的解析度，y方向為雷達SAR-A的真實孔徑方向，y方向的解析度較低。合成孔徑雷達SAR-B與之正好相反。其工作原理圖詳見附圖1，正交軌跡三維成像合成孔徑雷達的工作過程詳見文獻J.Klare，A.Brenner，J.Ender，「ANew Airborne Radar for 3D Imaging-Image Formation using the ARTINO Principle-」，EUSAR，Dresden，Germany，2006。
定義4、x(y)方向低解析度線陣三維成像合成孔徑雷達圖像 利用正交軌跡三維成像合成孔徑雷達可得到兩幅線陣三維成像合成孔徑雷達圖像，其中一幅線陣三維成像合成孔徑雷達圖像具有高y方向解析度和低x方向解析度，稱作x方向低解析度線陣三維成像合成孔徑雷達圖像，記做Gx；另外一幅線陣三維成像合成孔徑雷達圖像具有高x方向解析度和低y方向解析度，稱作y方向低解析度線陣三維成像合成孔徑雷達圖像，記做Gy。
定義5、一維離散小波分解與重構 對於一維信號fj+1(n)，其快速正交小波變換關係如下 快速正交小波分解 其中，*表示卷積，n表示離散信號點。h(2n)和g(2n)表示對高分辨逼近信號進行低通h(n)(高通g(n))濾波後進行1/2採樣。g(n)為h(n)對應的高通濾波器。
快速正交小波重建
上述公式的證明詳見文獻Stephane Mallat，「A Wavelet Tour of Signalprocessing」，[c]2nd ed.Chap.VII，Academic press Elsevier Pte Ltd，2003。快速正交小波變換可以用系統框圖的形式參見附圖2。
定義6、二維離散小波分解與重構 一幅圖像fj+1(n1，n2)可以通過一下公式進行離散小波分解 其中，*表示卷積。n1，n2分別表示二維圖像的橫維和縱維像素點。h(n)是低通濾波器，g(n)是對應的高通濾波器。h(2n1)，h(2n2)分別表示對圖像橫維和縱維低通濾波後下採樣，g(2n1)，g(2n2)分別表示對圖像橫維和縱維高通濾波後下採樣。分解後
是原圖的低頻係數矩陣，
和
分別是水平，垂直和對角線方向的高頻係數矩陣。
利用上述係數小波重構的方法為
其中
離散小波分解與重構的流程見附圖3。離散小波分解與重構的方法詳見StephaneMallat，「A Wavelet Tour of Signal processing」，[c]2nd ed.Chap.VII，Academic pressElsevier Pte Ltd，2003，pp.221-314 定義7，Meyer小波 Meyer小波是由低通濾波器
構建而成。具體構建方法詳見StephaneMallat，「A Wavelet Tour of Signal processing」，[c] 2nd ed.Chap.VII，Academic pressElsevier Pte Ltd，2003，
的表達式如下 本發明提供了一種提高線陣三維成像合成孔徑雷達解析度的方法，它包括以下幾個步驟 步驟1、獲得低分辨合成孔徑雷達圖像 利用正交軌跡三維成像合成孔徑雷達得到x方向低解析度線陣三維成像合成孔徑雷達圖像Gx和y方向低解析度線陣三維成像合成孔徑雷達圖像Gy； 步驟2、對低解析度圖像的高解析度維進行離散小波分解 採用Meyer小波，利用一維小波分解公式
首先對y方向低解析度線陣三維成像合成孔徑雷達圖像Gy進行x方向一維離散小波分解，得到低頻係數矩陣
和水平方向高頻係數矩陣
然後對x方向低解析度線陣三維成像合成孔徑雷達圖像Gx進行y方向一維離散小波分解，得到低頻係數矩陣
和垂直方向高頻係數矩陣
其中，n1、n2分別表示二維圖像的橫維和縱維像素素點；n1、n2的取值範圍取決於二維圖像的大小； 步驟3、利用步驟2中得到的小波係數進行離散小波差值補零 利用低頻係數矩陣
水平方向高頻係數矩陣
和垂直方向高頻係數矩陣
按照公式
計算得到低頻係數矩陣
對應的係數矩陣
水平方向高頻係數矩陣
對應的係數矩陣
垂直方向高頻係數矩陣
對應的係數矩陣
步驟4、小波重構得到融合圖像 利用步驟3中得到低頻係數矩陣
對應的係數矩陣
水平方向高頻係數矩陣
對應的係數矩陣
垂直方向高頻係數矩陣
對應的係數矩陣
通過二維小波重構公式
計算得到解析度融合後的高解析度線陣三維成像合成孔徑雷達圖像
其中*表示卷積，n1，n2分別表示橫維和縱維方向的像素點，h(n1)，g(n1)表示橫維方向的低通和高通濾波，h(n2)，g(n2)表示縱維方向的低通和高通濾波。
經過上述操作，即可得到正交軌跡三維成像合成孔徑雷達融合後的高解析度線陣三維成像合成孔徑雷達圖像。
本發明的創新點在於針對線陣三維成像合成孔徑雷達獲得的圖像的切航跡解析度較低的問題，採用兩部運動軌跡正交的線陣三維成像合成孔徑雷達對同一區域進行成像，然後採用離散小波變換技術，將得到的兩幅圖像進行融合，從而得到高解析度的線陣三維成像合成孔徑雷達圖像。本發明解決了線陣三維成像合成孔徑雷達獲得的圖像的切航跡解析度較低的問題。
本發明的優點在於利用較短的陣列天線實現了線陣三維成像合成孔徑雷達高解析度成像。本發明可以應用於合成孔徑雷達成像，地球遙感等領域。
圖1為正交軌跡三維成像合成孔徑雷達工作原理圖 其中合成孔徑雷達SAR-A和合成孔徑雷達SAR-B分別表示正交運動的兩部線陣三維成像合成孔徑雷達；合成孔徑雷達SAR-A和合成孔徑雷達SAR-B分別沿x和y方向運動。
圖2為一維信號小波分解與重構的流程圖。其中(a)為分解圖，(b)為重構圖。其中，「↓2」，表示1/2採樣「↑2」表示在奇數位補零.h表示低通濾波器，g表示高通濾波器。ai+1表示被分解的一維信號，ai表示分解後產生的低頻係數，di表示分解後產生的高頻係數。
圖3為二維圖像小波分解與重構的流程圖。其中(a)為分解圖，(b)為重構圖。其中，「↓2」表示1/2採樣，「↑2」表示在奇數位補零.。h表示低通濾波器，g表示高通濾波器。ai+1表示被分解的二維圖像，ai表示分解後產生的低頻係數矩陣，d1i表示分解後產生的水平高頻係數矩陣，d2i表示分解後產生的垂直高頻係數矩陣，d3i表示分解後產生的對角線方向高頻係數矩陣。
圖4為具體實施方式
中採用的線陣三維成像合成孔徑雷達原始圖像 圖中黑色矩形1、2、3、4分別表示四個可以互相區分的散射點。
圖5為具體實施方式
中採用的x方向低分辨線陣三維成像合成孔徑雷達圖像 圖中黑色矩形5、6分別表示由於x方向解析度較低導致的x方向圖像的模糊。
圖6為具體實施方式
中採用的y方向低分辨線陣三維成像合成孔徑雷達圖像 圖中黑色矩形7、8分別表示由於y方向解析度較低導致的y方向圖像的模糊。
圖7是採用本發明提供方法得到的圖像3和圖像4融合後線陣三維成像合成孔徑雷達圖像 矩形9、10、11、12分別表示採用本發明後得到的四個可以相互區分的散射點。從圖4、5、6、7可以看出，本發明提出的線陣三維成像合成孔徑雷達解析度融合方法可以提高線陣三維成像合成孔徑雷達圖像的解析度。
圖8是本發明的流程框圖
具體實施例方式 本發明主要採用仿真實驗的方法進行驗證，所有步驟、結論都在MATLAB7.0上驗證正確。具體實施步驟如下 步驟1、對低解析度圖像的高解析度維進行離散小波分解 用Meyer小波基，對x方向低解析度線陣三維成像合成孔徑雷達圖像Gx進行y方向一維離散小波分解，得到低頻係數矩陣
和水平方向高頻係數對
對y方向低解析度線陣三維成像合成孔徑雷達圖像Gy進行x方向一維離散小波分解，得到低頻係數矩陣
和垂直方向高頻係數對
步驟2、小波重構得到融合圖像 用步驟1中得到係數矩陣
進行離散小波重構，得到融合後的圖像
通過本發明具體實施方式
可以看出，本發明所提供線陣三維成像合成孔徑雷達解析度融合方法能夠將兩幅圖像進行融合，從而得到高解析度的線陣三維成像合成孔徑雷達圖像。
權利要求
1、一種基於離散小波變換的線陣三維成像合成孔徑雷達解析度融合方法，其特徵是它包括以下步驟
步驟1、獲得低分辨合成孔徑雷達圖像
利用正交軌跡三維成像合成孔徑雷達得到x方向低解析度線陣三維成像合成孔徑雷達圖像Gx和y方向低解析度線陣三維成像合成孔徑雷達圖像Gy；
步驟2、對低解析度圖像的高解析度維進行離散小波分解
採用Meyer小波，利用一維小波分解公式
首先對y方向低解析度線陣三維成像合成孔徑雷達圖像Gy進行x方向一維離散小波分解，得到低頻係數矩陣
和水平方向高頻係數矩陣
然後對x方向低解析度線陣三維成像合成孔徑雷達圖像Gx進行y方向一維離散小波分解，得到低頻係數矩陣
和垂直方向高頻係數矩陣
其中，n1、n2分別表示二維圖像的橫維和縱維像素素點；n1、n2的取值範圍取決於二維圖像的大小；
步驟3、利用步驟2中得到的小波係數進行離散小波差值補零
利用低頻係數矩陣
水平方向高頻係數矩陣
和垂直方向高頻係數矩陣
按照公式
計算得到低頻係數矩陣
對應的係數矩陣
水平方向高頻係數矩陣
對應的係數矩陣
垂直方向高頻係數矩陣
對應的係數矩陣
步驟4、小波重構得到融合圖像
利用步驟3中得到低頻係數矩陣
對應的係數矩陣
水平方向高頻係數矩陣
對應的係數矩陣
垂直方向高頻係數矩陣
對應的係數矩陣
通過二維小波重構公式
計算得到解析度融合後的高解析度線陣三維成像合成孔徑雷達圖像
其中*表示卷積，n1，n2分別表示橫維和縱維方向的像素點，h(n1)，g(n1)表示橫維方向的低通和高通濾波，h(n2)，g(n2)表示縱維方向的低通和高通濾波。
全文摘要
本發明提供了一種線陣三維成像合成孔徑雷達解析度融合方法，它是通過採用兩部運動軌跡正交的線陣三維成像合成孔徑雷達對同一區域進行成像，然後採用離散小波變換技術，將得到的兩幅圖像進行融合，從而得到高解析度的線陣三維成像合成孔徑雷達圖像。本發明的優點在於利用較短的陣列天線實現了線陣三維成像合成孔徑雷達高解析度成像，解決了線陣三維成像合成孔徑雷達獲得的圖像的切航跡解析度較低的問題。本發明可以廣泛用於合成孔徑雷達成像、地球遙感、地質測繪等領域。
文檔編號G01S13/00GK101666879SQ20081004597
公開日2010年3月10日 申請日期2008年9月3日 優先權日2008年9月3日
發明者張曉玲, 齊文元, 君 師 申請人:電子科技大學