一種基於二維混合變換的sar回波信號去噪預處理方法
2023-10-05 20:16:59
專利名稱：一種基於二維混合變換的sar回波信號去噪預處理方法
技術領域：
本發明涉及合成孔徑雷達(SAR)信號處理技術領域，其用於SAR成像系統 中。具體地，本發明涉及SAR成像處理之前的預處理階段，針對SAR原始回 波信號的去噪處理方法。本發明可應用於SAR成像系統的消噪、微弱目標的 檢測以及SAR圖像處理等領域。
背景技術：
由於具有高解析度、高信噪比和全天候等優點，半個多世紀以來，合成 孔徑雷達(SAR)吸引了廣泛的研究興趣，並且已經應用於多個領域，如地形測 繪，地面監測，資源勘探等。特別是在軍事上，合成孔徑雷達在戰場地形測 繪和目標探測方面都具有顯著的能力，因此其發揮著越來越重要的作用。然 而實際中，SAR系統不可避免地會受到來自各種噪聲源的幹擾，如熱噪聲，地 面或海洋的雜波，電磁幹擾等，從而其成像質量和對目標的檢測都會受到嚴 重的影響。
近幾十年來，針對SAR圖像斑點噪聲的問題，已經出現了很多的SAR圖 像處理方法，其中典型的算法如Lee， Kuan， Frost等等。然而，所有這些處 理都可被歸類為後處理方法，這些後處理都是在SAR成像處理之後針對SAR 生成圖像的處理方法，因此其很大程度上受到SAR成像質量的影響。但是在 一些惡劣的情況下，SAR的成像性能將嚴重惡化。例如，由非常遠的目標反射 回來的回波信號將受到存在於空間中的各種噪音和雜波所幹擾，從而變得非 常微弱。此外，對於一些反雷達目標(如隱形飛機)，其回波信號將變得非常 微弱以至於無法被檢測出來。另外，SAR成像系統會受到地面或海洋雜波幹擾、 大氣雲霧遮擋以及電子戰中箔條幹擾和敵方幹擾機的幹擾等等。在這些情況 下，目標信號可能完全淹沒在噪聲中，從而使SAR圖像的信噪比極度下降。由於在SAR圖像生成之後，強噪聲已被混人SAR成像系統而很難被分開，從 而使後處理方法在改善SAR成像質量和目標檢測方面發揮作用變得比較有限。
SAR預處理是在SAR成像處理之前針對SAR原始回波信號的處理方法。與 SAR生成圖像相比，SAR原始回波信號保留了目標回波信號更多的特徵。不同 於不規則的噪聲信號，目標回波信號具有一些獨特的特性可被用來對噪聲進 行分離和消除。特別是當幹擾非常強的時候，預處理的貢獻會更加顯著，其 能夠使SAR系統的信噪比得到明顯的提高。因此，能夠設計出一種有效的去 噪預處理方法，對改善SAR系統性能以及提高後處理的效果都是非常重要的。
SAR回波信號是一種典型的二維空時信號，其可以利用一些二維信號處理 方法進行處理。現有的二維信號處理方法通常採用二維離散傅立葉變換(DFT) 或二維離散小波變換(DWT)來消除噪聲，這些方法並沒有充分考慮到某些信號 可能在兩個方向上具有不同的特性。雖然小波變換(WT)在時頻域具有很好的 局部特性，但由於其較差的頻率解析度而很難去除窄帶幹擾。不同於DWT， DFT 對頻譜特性具有較好的分析能力，它可以用來去除帶外噪聲，但對於寬帶噪 聲的消除不是很有效。由於DFT與DWT具有不同的特點，因此在分析複雜信 號時，在兩個方向只使用一種類型的變換有時是不夠的。經分析，SAR回波信 號中的目標回波信號在時域上是一種帶限信號，其頻帶由SAR系統產生的雷 達信號所確定；但其在空域上是一種寬帶信號，其頻率特性是不確定的。由 於SAR回波信號具有的這種特性，使傳統的二維信號處理方法在提取目標信 號和去除SAR回波信號中的噪聲方面都不是很有效。
發明內容
鑑於SAR回波信號中的目標回波信號在時域上是一種帶限信號，其頻帶 由SAR系統產生的雷達信號所確定；但其在空域上是一種寬帶信號，其頻率 特性是不確定的，傳統的二維信號處理方法在提取目標信號和去除SAR回波 信號中的噪聲方面都不是很有效，本發明提出了一種基於二維混合變換(DFT-DWT)的SAR回波信號去噪預處理方法。
本發明的目的在於提高SAR系統的抗幹擾能力，改善SAR系統的成像 質量，也為後續的SAR圖像處理以及目標的檢測與識別等後處理工作提供較 高質量的去噪圖像。
本發明的方法是在SAR系統進行成像處理之前首先對原始回波信號進 行一種去噪預處理，使噪聲和幹擾信號在混入SAR成像系統之前進行一次濾 除，同時不損傷原有的目標信號。
本發明對SAR回波信號的去噪處理採用二維混合變換(DFT-DWT)方 法。二維混合變換是分析與處理複雜二維信號的一種新的處理算法，可以根 據信號在水平方向和垂直方向的不同噪聲分布，採用不同的變換與反變換。 本發明在信號兩個方向上結合使用離散傅立葉變換和離散小波變換，在混合 變換域對SAR回波信號進行處理。本發明將兩種變換靈活應用於SAR回波 信號的不同方向上，解決了傳統二維變換無法對SAR回波信號不同方向上具 有不同特性的複雜噪聲處理的問題。
本發明採用二維混合變換(DFT-DWT)的有以下定義。
對於一個二維A^xA^的陣列信號^^,"》,其二維混合變換(DFT-DWT)的 實現步驟為
(1) 針對一,"2)沿第一個變量",方向做一維離散傅立葉變換
formula see original document page 6
其中^ =eXp(—^)， S(l"2)是"方向上的頻譜。
(2) 針對S", )沿第二個變量 方向做一層分解的一維離散小波變換，得到
原信號,,"2)的二維混合變換，記為[^,A]，其形式如下formula see original document page 6I叫,"2) 2 ("2)= Si^"""2,;:v""2) (2b)
其中^J"》和^^(""分別是正交的尺度方程和小波方程，m為分解的層 數，^和Ih分別為S",A)小波分解的低頻和高頻部分。 另外，其相應的逆二維混合變換的實現步驟如下
(1) 針對[A,j^]沿 方向進行一維逆離散小波變換，其形式如下
, "2 ) = , & ("2 ) + ^'X〃 ^ , & ,1)^，、 ("2 ) (3 )
(2) 針對S","2)沿"，方向做一維逆離散傅立葉變換，重建出原信號s(",，"2)
w「1w2-1 w廠1w廠1
,"2)=i ",*2("2+x 1;，*2,"^("2,c (4)
本發明中SAR預處理的去噪原理SAR原始回波信號^,")為二維空時 信號。不同於由幹擾和噪聲產生的信號，目標的回波信號在時域t方向上是一 種帶限信號，其頻帶由雷達信號的頻帶所確定；但其在空域u方向上是寬帶 信號，其頻率特性是不確定的。此外，由於通常情況下目標的反射表面在空 間中有很大的連續性，因此目標回波信號的時域頻譜在空域方向上會有很大 的相關性。
本發明考慮到目標回波信號的這些特性，採用二維混合變換(DFT-DWT) 能夠使回波信號中空時兩方向上的噪聲得到很好的分離和去除在時域方向 上，對回波信號進行一維傅立葉變換，可將目標信號分離到時域頻譜的通帶 內，從而可以有效地去除時域方向上的帶外噪聲；由於目標信號的時域頻譜 在空域方向上有較大的連續性，因此對時域頻譜的空域方向進行一維小波變 換後，目標信號將主要集中在低頻部分，從而去除掉小波變換後的高頻部分 後，便可有效地去除掉空域方向上的噪聲。
本發明提供的SAR回波信號去噪預處理方法的具體實現步驟如下
步驟1:獲取SAR系統接收到的含噪聲的二維空時回波信號^,w)，對其
時域t方向進行抽樣，得到二維陣列回波信號，根據奈奎斯特定理，對於頻帶為we[A-w。,^+w。]的SAR雷達信號(A為載頻，w。為單邊帶寬)，抽樣頻率^ 應大於2 。。將回波信號<w1;n2)解調到基帶，解調過程為 ^(",，"2)^K,"2).exp(^M^)，其中 (",，"2)為得到的基帶二維陣列回波信號。
步驟2:將^(",， )作為預處理的輸入信號進行去噪處理，其具體處理步驟 如下
(a) 對^","》進行二維混合變換，變換後的結果為[X,，ZJ，其具體變換過 程參照上述(l)、 (2)式。
(b) 對回波信號的二維混合變換[X,，X^進行係數操作去掉[J^,A]帶外及 高頻係數部分，其具體操作如下式所示
X, (^2,1) = 0 A:一 - 7V，,A^，
w、. w、
;^(^2,1) = o
(5)
(c)對經係數操作後的[^,;^]進行逆二維混合變換，參照(3)、 (4)式，重建
出去噪處理後的回波信號&(w,， )。
步驟3:對去噪預處理後的輸出信號^^,^)進行SAR成像處理，重建出 SAR圖像。
根據本發明的一個方面，提供一種基於二維混合變換的SAR回波信號去 噪預處理方法，包括如下步驟
(1) 獲取SAR目標回波信號；
(2) 對SAR目標回波信號進行時域採樣；
(3) 對時域採樣獲得的結果進行時域解調，得到SAR基帶回波信號
(4) 對所述SAR基帶回波信號^化, )進行二維混合變換，得到SAR目 標回波信號的二維混合變換[^,XJ ;
(5) 對SAR目標回波信號的二維混合變換[X,，XJ進行係數 作，去除 其帶外及高頻係數部分，得到係數操作後的結果[^,XJ,;(6) 對經係數操作後的結果[A,;^L進行逆二維混合變換，得到去噪後
的回波信號&(A,"》；
(7) 將去噪後的回波信號&化,w》作為SAR成像處理系統的輸入信號， 利用SAR重建算法生成SAR圖像。
根據本發明的一個方面，上述步驟(4)中的二維混合變換包括以下步驟: (4-1)沿SAR基帶回波信號^(",， )的時域方向進行一維離散傅立葉變 換，得到SAR目標回波信號的時域頻譜&^, )，
其中『c(-y^)， &化,"2)為基帶回波信號的時域"1方向上的頻譜，
JV i
中包含的目標信號的基帶頻帶範圍為A
化 W
(4-2)沿空域方向對所述時域頻譜&", 2)進行一維小波變換，其小波 分解過程如下
化,& ，1) = J] &化,"2 )A 、 ("2 )=乞(","2 A,、 ("2 )
W2-l W，-lWj—1
A (A:,, &=(、' "2) W2 ("2) = 2 1>* (",, "2W2 ("2)
其中^^( )和L^( )分別為正交的尺度方程和小波方程，m為分解的層數， 由上述公式得到二維混合變換後的結果，Xw ]，其中& ", ^ ,1)和XH ,yt2,1) 分別為& , )沿空域"2方向小波分解後的低頻和高頻部分。
根據本發明的一個方面，上述步驟(6)中的逆二維混合變換包括以下歩
驟
(6-1)對[^^,;^L沿^方向進行一維逆離散小波變換，去掉高頻部分
U&,^,1)，其形式如下
9formula see original document page 10("2)
(6-2)對^^，"2)沿^方向做一維逆離散傅立葉變換，重建出去噪後的
回波信號^(^,"2)，其形式如下
為了進一歩說明本發明的原理及特性，以下結合附圖和具體實施方式
對
本發明進行詳細說明。
圖l是根據本發明一個具體實施方式
的流程圖。
圖2是無噪聲的SAR重建圖像。
圖3是不含噪聲的目標回波經二維混合變換後的結果。
圖4是含噪聲的回波信號經二維混合變換後的結果。
圖5是含噪聲的回波信號的二維混合變換經係數操作後的結果。
圖6是不同噪信比下的回波信號進行根據本發明一個具體實施方式
的去
噪預處理後的比較圖。
具體實施例方式
下面結合附圖詳細描述本發明的具體實施方式
。
星載或機載的SAR成像系統工作時以勻速飛行，並以相同的時間間隔向 地面發射雷達信號，同時接收SAR回波信號。SAR成像系統發射的雷達信號 具有特定的波形、載頻、頻帶寬度等雷達信號參數，SAR成像系統利用這些 參數對回波信號進行抽樣、解調以及成像處理。實際中，SAR成像系統會受 到來自各噪聲源的強幹擾，這些幹擾噪聲信號與目標回波信號一起由SAR系 統接收並進行成像處理，從而對SAR圖像的重建質量造成嚴重影響。
圖1是根據本發明一個具體實施方式
的流程圖。根據本發明提出的方法， 對實際的SAR成像系統進行了仿真，仿真中模擬SAR系統受到強幹擾的情 況，在回波信號中添加了一定噪信比的高斯白噪聲。利用本發明中的SAR去噪預處理方法，對SAR回波信號進行了去噪處理。
參照實現流程圖1，本發明提出的去噪預處理的具體實施過程如下
第1步，獲取目標回波信號^,")，其中f為時域方向，"為空域方向； 第2歩，在目標回波信號中加入高斯白噪聲w(^);
第3步，獲得含噪聲的SAR回波信號，其模型為= +；
第4步，根據雷達信號的頻譜範圍 ](其基帶頻帶為
weHy。,w。]，化為雷達信號的載頻)，對SAR回波信號^(,，")的時域方向進行 採樣，根據奈奎斯特定理設置其採樣頻率w^2叫，得到A^W的二維陣列回 波信號^(巧,^)(其中iVi和A^分別為^^^)在方向和空域 上的長度)；
第5步，根據雷達信號的載頻％ ，對SAR回波信號&", )的時域方向進 行解調，得到SAR基帶回波信號W^ )
即
&("i,"2) = &("i,"2) exp(-乂^"0 其中 , 2)為時域解調後的基帶信號；
第6步，對SAR基帶回波信號W",，^)進行二維混合變換
(1)沿時域"i方向對^(",，"2)做一維離散傅立葉變換(DFT)，即
|,=0
t中^ exp(-y與)，&","2)為回波的時域"1方向上的頻譜。根據雷達
信號的基帶頻譜範圍紅[—。為]可知，&"^2)中包含的目標信號的基帶頻帶
範圍為^
€
化 0,
(2)沿空域"2方向對時域頻譜&(^ )做一層分解的一維離散小波變換 (DWT)，其小波分解過程如下& (A:, , & ,1) = " ， "2 ，, & ("2 ) = J l> (", ， "2 ,W"A K,*2 ("2 )
其中^^("》和^^( )分別為正交的尺度方程和小波方程，m為分解的層數。
由上式可以得到二維混合變換後的結果[A,A]，其中z,ni)和A",/U)分
別為&(^ )沿空域A方向小波分解後的低頻和高頻部分。
第7步，對SAR回波信號經二維混合變換後的結果[^,^]進行係數操作: 將[A,^J的帶外部分係數設為0，並且將高頻分量Xw的所有係數設為0。其 具體操作可由下式表示
係數操作後的結果記為[^,;^L 。
第8步，對上述係數操作後的結果[X,，XJd進行逆二維混合變換 (1)對[X,，XHV沿^方向進行一維逆離散小波變換(IDWT)，由於去掉了高 頻部分J^"，&,1)，其形式如下
(2)對&(^^)沿^方向做一維逆離散傅立葉變換(IDFT)，重建出去噪後的 回波信號&^,m》，其形式如下
第9步，將去噪後的回波信號~( "2)作為SAR成像處理的輸入信號，利 用SAR成像處理算法(如現有技術中的RD算法、CS算法、波數域成像算法 等)對^( ,,"2)進行成像處理；
& , "2) = ￡ Z, , &("2 )
r 一W^第10步，獲得去噪後的SAR重建圖像。
在根據本發明的一個具體實施方式
中，採用了現有的SAR成像仿真程序 (具體參見Soumekh M. Synthetic Aperture Radar Signal Processing with MATLAB Algorithms [M]. New York, USA, John Wiley, 1999)，生成了具有5架 飛機目標的SAR目標回波信號^v )，實驗中設置雷達信號的頻帶為 e[500//Z，1500/K]，時域方向的採樣頻率R設置為2000HZ，生成的目標回波 信號^V )為iV,xA^:850x564的二維陣列信號。利用SAR波數域成像算法對 其進行成像處理，重建後的SAR圖像如圖2所示。
在沒有加入噪聲的情況下，將SAR目標回波信號^^, )解調為基帶信號 A( )，並對此二維信號&(w,， )進行二維混合變換，圖3是此不含噪聲的 SAR目標回波信號二維混合變換後的[J^,X^幅度3D圖，圖中垂直軸代表 [A,XJ的幅度值，橫軸為A方向，縱軸為^方向。其中，沿A方向的時域頻 譜通帶範圍為&e [213,638];沿&方向上，前半部分(*2 e (1,282))為一層小波分解 後的低頻部分X,，後半部分^2 e(283，564))為高頻部分Xw 。
如圖3所示，目標回波信號經二維混合變換後幾乎全部被分離到低頻部 分^中的通帶內。由此可見，根據本發明的方法，去除SAR目標回波信號經 二維混合變換後的帶外和高頻部分的方法是可靠的，其既能夠有效地去除二 維信號兩個方向上的噪聲，又能使SAR目標回波信號不受損傷。
仿真實驗中，模擬SAR成像系統受到強幹擾的情況，在目標回波信號 ^","》中添加高斯白噪聲^7P"2)，則含噪聲的回波信號的噪信比 (Noise-to-Signal-Ratio， NSR)的具體計算方式由下式給出
w、 i;s"("""2)
羅=，=^^-
屍")^ 、W「1W2-1 W,-1W2-1
其中，P(w) = j;S"("p"2)為所有噪聲信號的功率；~) = S J^(",，"2)為A^x^2
的SAR基帶回波信號^ ^中包含的所有目標回波信號的功率。
對於SAR回波信號的二維混合變換的係數操作的過程可參照圖4和圖 5(圖4和圖5各坐標的含義及表現的內容同圖3):圖4為含噪聲的SAR回波 信號^化,"》的二維混合變換結果[A,XJ，其中混入的高斯白噪聲的噪信比為 A^ = 500。圖5為[X,，XJ經係數操作後的結果[;^,XHL，經係數操作後只保 留了 [X,，XJ的低頻分量X,.中通帶內的係數部分。
為了檢驗本發明提出的去噪預處理的效果，對4組SAR圖像的成像效果 進行了比較，其中每組圖像分別為對一定噪信比下的回波信號不進行和進行 去噪預處理後的SAR重建圖像。如圖6所示，4組圖像為噪信比依次為 NSR=200，500，800， 1000時的SAR重建圖像，其中每組左面的圖像為未經去 噪的SAR重建圖像，右面是相應的經去噪預處理後的SAR重建圖像。
通過圖6的比較可以看出，經本發明提出的去噪預處理後，SAR重建後 的圖像質量得到明顯改善，圖像中的目標也變得較為清晰。特別是當噪信比 NSR超過800後，噪聲圖像中的目標幾乎全部消失，但經過去噪預處理後其 能夠在重建圖像中重新顯現出來。由此可以看出，本發明提出的去噪預處理 方法在抑制強幹擾和提高SAR圖像信噪比等方面具有良好效果。
雖然以上描述了本發明的具體實施方式
，但是本領域的技術人員應當理 解，這些具體實施方式
僅是舉例說明，本領域的技術人員在不脫離本發明的 原理和實質的情況下，可以對上述方法和系統的細節進行各種省略、替換和
改變。例如，合併上述方法步驟，從而按照實質相同的方法執行實質相同的 功能以實現實質相同的結果則屬於本發明的範圍。因此，本發明的範圍僅由 所附權利要求書限定。
權利要求
1、一種基於二維混合變換的SAR回波信號去噪預處理方法，其特徵在於，包括如下步驟(1)獲取SAR目標回波信號；(2)對SAR目標回波信號進行時域採樣；(3)對時域採樣獲得的結果進行時域解調，得到SAR二維基帶回波信號sb(n1，n2)；(4)對所述SAR二維基帶陣列回波信號sb(n1，n2)進行二維混合變換，得到SAR目標回波信號的二維混合變換[XL，XH]；(5)對SAR目標回波信號的二維混合變換[XL，XH]進行係數操作，去除其帶外及高頻係數部分，得到係數操作後的結果[XL，XH]d；(6)對經係數操作後的結果[XL，XH]d進行逆二維混合變換，得到去噪後的回波信號sd(n1，n2)；(7)將去噪後的回波信號sd(n1，n2)作為SAR成像處理系統的輸入信號，利用SAR重建算法生成SAR圖像。
2、根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，上述步驟(4)中所述二 維混合變換包括以下步驟(4-1)沿SAR 二維基帶回波信號^K, )的時域方向進行一維離散傅立葉變換，得到SAR目標回波信號的時域頻譜&^,"2)，formula see original document page 2實中^=eXp(-y|)， A(^"2)為回波的時域^方向上的頻譜，&","2)中包含的目標信號的基帶頻帶範圍為^化，(4-2)沿空域方向對所述時域頻譜&"， )進行一維小波變換，其小波 分解過程如下formula see original document page 3其中^2("2)和1,,42("2)分別為正交的尺度方程和小波方程，m為分解的層數， 得到二維混合變換後的結果[A, Z J ，其中X,化,& ,1)和X ", yt2,1)分別為 ^"，^)沿空域 方向小波分解後的低頻和高頻部分。
3、根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，上述步驟(6)中所述逆 二維混合變換包括以下步驟(6-1)對[1/,,^/],沿^方向進行一維逆離散小波變換，去掉高頻部分 Zh(&,^,1)，其形式如下formula see original document page 3(6-2)對^","2)沿4方向做一維逆離散傅立葉變換，重建出去噪後的回波信號&0V )，其形式如下formula see original document page 3
全文摘要
一種基於二維混合變換(DFT-DWT)的SAR回波信號去噪預處理方法，此方法是在SAR成像處理之前針對原始回波信號進行的一種預處理，其目的是在噪聲混入SAR成像系統之前對回波信號進行去噪處理，從而提高SAR成像系統的信噪比，改善SAR圖像的成像質量。步驟為(1)獲取SAR原始回波信號，經抽樣及解調處理得到用於預處理的二維基帶陣列回波信號；(2)對此回波信號進行二維混合變換(DFT-DWT)；(3)去除回波信號經二維混合變換後的帶外和高頻係數部分；(4)對經過係數操作後的信號做逆二維混合變換；(5)將經以上預處理後的回波信號作為SAR成像處理系統的輸入信號，生成SAR圖像。適用於SAR成像系統中的預處理階段，其在抑制強幹擾、檢測微弱目標和提高SAR成像質量等方面都有較好的效果。
文檔編號G01S7/02GK101639530SQ20091008334
公開日2010年2月3日 申請日期2009年5月4日 優先權日2009年5月4日
發明者張穎康, 揚 肖 申請人:北京交通大學