基於極化合成孔徑雷達圖像的超分辨方法

2023-11-03 01:31:42 1

專利名稱：基於極化合成孔徑雷達圖像的超分辨方法
技術領域：
本發明涉及雷達圖像處理的方法，具體涉及一種極化合成孔徑雷達圖像處 理的方法。
背景技術：
極化合成孔徑雷達是建立在傳統合成孔徑雷達體制上的新型雷達，它利用 不同極化通道提供同一場景的極化特性，可以區分物體的細緻結構、目標指向 以及物質組成等參數，這些信息在軍事和民用領域都具有無法估量的作用。極化目標分解是極化雷達圖像處理最基本的方法，極化目標分解的主要目 的是把極化散射矩陣和相干矩陣或協方差矩陣分解成代表不同散射類型的若 幹項之和，並且每一項對應一定的物理意義。極化目標分解理論的突出優點就 是它們大都具有明確的物理解釋。但實際應用中，受信號帶寬和天線尺寸的限制，極化合成孔徑雷達圖像的 解析度不能和光學遙感圖像相比較。通常在一幅極化圖像當中，每一個分辨單 元包含了幾種不同的散射機理。如果知道這些散射機理在一個分辨單元內是如 何分布的，那麼圖像的細節信息就可以被增強，這也就意味著圖像的解析度得 到了提高。傳統的極化合成孔徑雷達圖像的超分辨處理方法可以提高圖像的分 辨率。然而，在處理過程中，原始圖像當中所包含的相位信息和極化信息會被丟失。發明內容本發明為了解決傳統的極化合成孔徑雷達圖像超分辨算法不能保留相位 信息和散射體的全極化散射特性的不足，而提出的基於極化合成孔徑雷達圖像 的超分辨方法。基於極化合成孔徑雷達圖像的超分辨方法，所述方法由以下步驟實現； 步驟一根據數據格式讀入全極化合成孔徑雷達圖像數據； 步驟二對讀取的全極化合成孔徑雷達圖像數據進行預處理，並利用極化 目標分解方法得到不同散射成分；步驟三對各個散射成分的原始低解析度圖像的每個像素平均分成2x2的子像素，構成初始的高分辨圖像；
步驟四在高分辨圖像中確定處理窗口，利用極化空間相關性獲得各個子
像素在處理窗口內的比重，進而得到各個散射成分的第n次獲得的超分辨圖
步驟五當所述11=1時，則計算得到該超分辨圖像與初始的高分辨圖像的 均方根誤差；當所述11>1時，則計算得到該超分辨圖像與上一次得到的超分辨 圖像的均方根誤差；
步驟六判斷n是否達到最大迭代次數"m^或均方根誤差是否小於設定的
精度s，當滿足前述任意一個條件，則該超分辨圖像是最終超分辨圖像；否則， 在所述超分辨圖像基礎上，返回執行步驟四，並令11=11+1; 所述n為自然數，且初始值為1。
本發明是用於極化合成孔徑雷達圖像的超分辨方法，它全面考慮了地物的 極化散射特性和極化空間相關性，不但能夠提高圖像的解析度，而且能夠完全 保留圖像的極化散射特性和相位信息，為後續的圖像分類和圖像解譯和分類提 供更準確的信息。


圖1是本發明方法的流程圖；圖2是全極化合成孔徑雷達圖像的極化目標 分解圖像；圖3是原始低解析度圖像的示意圖；圖4是高解析度圖像的示意圖； 圖5為本發明方法得到的超分辨極化目標分解圖像。
具體實施例方式
具體實施方式
一結合圖1說明本實施方式，本實施方式所述方法由以 下步驟實現；
步驟一根據數據格式讀入全極化合成孔徑雷達圖像數據；
步驟二對讀取的全極化合成孔徑雷達圖像數據進行預處理，並利用極化 目標分解方法得到不同散射成分；
步驟三對各個散射成分的原始低解析度圖像的每個像素平均分成2x2 的子像素，構成初始的高分辨圖像；
步驟四在高分辨圖像中確定處理窗口，利用極化空間相關性獲得各個子 像素在處理窗口內的比重，進而得到各個散射成分的第n次獲得的超分辨圖步驟五當所述11=1時，則計算得到該超分辨圖像與初始的高分辨圖像的 均方根誤差；當所述11>1時，則計算得到該超分辨圖像與上一次得到的超分辨 圖像的均方根誤差；步驟六判斷n是否達到最大迭代次數 ^或均方根誤差是否小於設定的 精度S，當滿足前述任意一個條件，則該超分辨圖像是最終超分辨圖像；否則， 在所述超分辨圖像基礎上，返回執行步驟四，並令11=11+1;所述n為自然數，且初始值為1。
具體實施方式
二本實施方式與具體實施方式
一不同點在於步驟二中極 化目標分解方法採用Pauli分解方法；Pauli分解是最為經典的相干目標分解方 法，在互易的情況下，將散射矩陣分解為奇次散射、偶次散射和與水平方向有 45度傾角的偶次散射，，m，Wz，M>其中參數"=^，，參數"=，l，參數7=7^&。其它步驟與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
三結合圖2~圖5說明本實施方式，本實施方式與具體實 施方式一不同點在於步驟四利用相鄰像素很強的極化空間相關性，來獲得各個 子像素在處理窗口內的比重，並得到超分辨圖像。圖3是原始的低解析度圖像，經過超分辨處理，每一個低解析度像素(如 4)被分成四個高解析度子像素(如^，A，4，4)，可以得到圖4所示的高分 辨率圖像。取子像素^和它的3x3鄰域，如圖4中的粗實線方框所示，來定義子像 素^的空間相關係數為formula see original document page 5(2)同理可以定義子像素42,4和44的空間相關係數:formula see original document page 5(3)formula see original document page 6
(5)
+ |a54-"63| +|a54-a81| +|a54-a82| +|a54-or91| 及5,，/ = 1,2,3,4反映了子像素人和它的3x3鄰域內的子像素的相關性，A,的值越 小，說明子像素人和它周圍的子像素越接近，相關性越強。令
formula see original document page 6 (6)
它反映了當低解析度像素4被分成四個高解析度子像素A,4,4,4時，四個 子像素和它周圍的子像素之間的接近程度，A的值越小，說明這種子像素的分 解方法使得子像素和它周圍的子像素越接近，相關性越強，就越合理。而要求
解的四個子像素又有下面的關係
a51+a52+a53+a54 =a5 (7) 所以要進行的超分辨處理實際上就是求解在滿足式(7)的限制條件下，使及5達 到極小值時"5,,/ = 1，2,3,4的值。可以利用拉格朗日乘數法求解這樣的條件極值。 令
formula see original document page 6 (8)
理論上，對上式求關於"5,,/ = 1,2,3,4的偏導數再加上式(7)的限制條件，可以解 出"5,，/ = 1,2，3，4和;1的值。而實際上，複變函數
/(z) = |z|2 (9) 除在(0，0)點可導外，在其他點處均不可導，所以式(9)的條件極值不能直接求 解出來。我們注意到
/(z)=卜|2 =卜+ "f = x2 + / = /(;c,力 (10) 是關於x，y的二元函數，且處處可導。而式(7)的限制條件可以寫成
formula see original document page 6
上式中的i 和/分別表示取實部和虛部。所以要求解的條件極值問題可以轉化 成在滿足式(ll)的限制條件下，求^的極小值。其中^是以』和 ，/ = 1,2,3,4 為自變量的實函數。利用拉格朗日乘數法，令
formula see original document page 6 (12) 對上式求關於"^和A,， / = 1，2，3,4的偏導數，再加上式(ll)的限制條件，可以解出A， A，"礎和"5,,， z、l,2,3，4的值分別為formula see original document page 7上式中的^ = 1，2,3,4為"5,的3><3鄰域內除去"51,"52, 53，"54時，其餘5個子像素 之和。再令"a = + z. = 1， 2,3， 4 (14)即是每一個子像素的值。圖2和圖5為未採用本方法和採用本方法的效果比較 圖。其它步驟與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
四本實施方式與具體實施方式
一不同點在於步驟四、步 驟五和步驟六為迭代運算。步驟四中的分析及公式推導都是在高解析度圖像上進行的，得到的結果是 一幅極化空間相關性提高的高解析度圖像，步驟五和步驟六進行判斷，再以得 到的結果為基礎進行相同的處理，這樣就形成了迭代的過程。如果/""是初始的高分辨圖像或上一次迭代得到高解析度圖像，而/"是這 一次迭代得到的結果，則兩幅圖像的均方根誤差為-^J丄，;《12 ""，2,…,"鵬 (15)式(15)中的M和iV分別是圖像的行數和列數。當e小於預先設定的某一常 數s時，迭代結束。如果迭代收斂，但不能達到我們預先設定的精度s時，迭 代過程將一直持續下去不會結束，為了解決這一問題，設置最大迭代次數w^， 當迭代次數達到w^時，迭代過程結束。隨著迭代次數的增加，均方根誤差總體來說是下降的，說明整個迭代過程 是收斂的，本文提出的極化空間相關性超分辨算法是有效的；當下降到一定程 度以後就基本趨於穩定，這就說明該算法在提高極化空間相干性能力方面是有 限的，同時告訴我們合理的選取s和w^可以有效的減少程序運行時間，提高 程序運行效率。其它步驟與具體實施方式
一相同。
權利要求
1、基於極化合成孔徑雷達圖像的超分辨方法，其特徵在於所述方法由以下步驟實現；步驟一根據數據格式讀入全極化合成孔徑雷達圖像數據；步驟二對讀取的全極化合成孔徑雷達圖像數據進行預處理，並利用極化目標分解方法得到不同散射成分；步驟三對各個散射成分的原始低解析度圖像的每個像素平均分成2×2的子像素，構成初始的高分辨圖像；步驟四在高分辨圖像中確定處理窗口，利用極化空間相關性獲得各個子像素在處理窗口內的比重，進而得到各個散射成分的第n次獲得的超分辨圖像；步驟五當所述n＝1時，則計算得到該超分辨圖像與初始的高分辨圖像的均方根誤差；當所述n＞1時，則計算得到該超分辨圖像與上一次得到的超分辨圖像的均方根誤差；步驟六判斷n是否達到最大迭代次數nmax或均方根誤差是否小於設定的精度ε，當滿足前述任意一個條件，則該超分辨圖像是最終超分辨圖像；否則，在所述超分辨圖像基礎上，返回執行步驟四，並令n＝n+1；所述n為自然數，且初始值為1。
2、 根據權利要求1所述的基於極化合成孔徑雷達圖像的超分辨方法，其 特徵在於步驟四、步驟五和步驟六為迭代運算。
全文摘要
基於極化合成孔徑雷達圖像的超分辨方法，它涉及雷達圖像處理領域。它為解決傳統的極化合成孔徑雷達圖像超分辨算法不能保留相位信息和散射體的全極化散射特性的不足而提出的。本方法由以下步驟實現；1.讀入雷達圖像數據；2.預處理，得到不同散射成分；3.構成初始的高分辨圖像；4.得各個散射成分的第n次獲得的超分辨圖像；5.均方根誤差計算；6.判斷是否滿足迭代終止條件，如不滿足，返回執行步驟四，否則獲得最終圖像。它不但能提高圖像的解析度，還能完全保留圖像的極化散射特性和相位信息。
文檔編號G01S13/00GK101408621SQ20081020957
公開日2009年4月15日 申請日期2008年11月28日 優先權日2008年11月28日
發明者曄 張, 張臘梅, 張鈞萍, 蔡紅軍, 斌 鄒 申請人:哈爾濱工業大學