丁柏圓* 鐘金榮 馬聰慧 文貢堅(jiān)

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基于屬性散射中心模型的SAR目標(biāo)重構(gòu)可視化增強(qiáng)方法

丁柏圓鐘金榮 馬聰慧 文貢堅(jiān)

(國(guó)防科技大學(xué)ATR重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 長(zhǎng)沙 410073)

基于屬性散射中心模型對(duì)實(shí)測(cè)SAR數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，利用參數(shù)估計(jì)的結(jié)果對(duì)實(shí)測(cè)SAR目標(biāo)重構(gòu)可視化增強(qiáng)對(duì)于輔助SAR解譯人員進(jìn)行判別具有重要的意義。該文提出了一種新的可視化增強(qiáng)方法，利用成像操作(IFFT)的線性特征，在參數(shù)估計(jì)的基礎(chǔ)上，基于屬性散射中心模型分別對(duì)各個(gè)散射中心自適應(yīng)成像，最后疊加重構(gòu)整幅SAR圖像。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法可以有效提高目標(biāo)重構(gòu)的可視化效果。

屬性散射中心模型；參數(shù)估計(jì)；SAR解譯；自適應(yīng)成像；目標(biāo)重構(gòu)；可視化增強(qiáng)

1 引言

合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar, SAR)在目標(biāo)識(shí)別中發(fā)揮重要的作用，具有全天時(shí)、全天候的巨大優(yōu)勢(shì)。屬性散射中心模型被用于從SAR圖像中提取特征。根據(jù)電磁理論，復(fù)雜目標(biāo)在高頻區(qū)的電磁散射響應(yīng)可以看做為單個(gè)散射中心的散射響應(yīng)之和。屬性散射中心模型較好地描述了目標(biāo)在SAR數(shù)據(jù)上的散射特性，為SAR圖像的解譯提供一種重要的工具。

基于屬性散射中心模型可以對(duì)實(shí)測(cè)SAR圖像進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，在此基礎(chǔ)上可以重構(gòu)SAR圖像以增強(qiáng)目標(biāo)重構(gòu)的可視化效果。傳統(tǒng)的重構(gòu)方法是利用參數(shù)估計(jì)的結(jié)果重構(gòu)頻域數(shù)據(jù)，利用IFFT對(duì)其進(jìn)行成像，達(dá)到重構(gòu)SAR目標(biāo)的目的。在該方法中由于成像過(guò)程中的加窗處理造成圖像分辨率下降導(dǎo)致距離較近的散射中心無(wú)法區(qū)分，若是不加窗則強(qiáng)散射中心的旁瓣會(huì)掩蓋弱散射中心，使得目標(biāo)的弱散射中心不能在重構(gòu)圖像中體現(xiàn)出來(lái)。這些都會(huì)制約SAR目標(biāo)重構(gòu)可視化效果的增強(qiáng)。

為解決上述問(wèn)題，本文提出了一種新的可視化增強(qiáng)方法。在重構(gòu)圖像的過(guò)程中，基于屬性散射中心模型，對(duì)每個(gè)估計(jì)得到的散射中心根據(jù)其屬性參數(shù)分別采取自適應(yīng)的成像方法，最后利用成像過(guò)程的線性特征將多個(gè)散射中心的成像結(jié)果進(jìn)行疊加得到最終的重構(gòu)圖像。此過(guò)程中既可以避免傳統(tǒng)方法加窗處理導(dǎo)致的分辨率下降也可以減弱強(qiáng)散射中心的旁瓣對(duì)弱散射中心的掩蓋。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該算法可以有效提高目標(biāo)重構(gòu)的可視化效果。

2 目標(biāo)的屬性散射中心模型

屬性散射中心模型是Moses Randolph L等基于幾何繞射理論和物理光學(xué)理論提出的描述高頻區(qū)復(fù)雜目標(biāo)散射特性的參數(shù)模型，目標(biāo)的電磁散射響應(yīng)可以認(rèn)為是個(gè)獨(dú)立的散射中心疊加而成，具體形式如下：

3 方法原理

基于屬性散射中心模型的SAR圖像重構(gòu)對(duì)于SAR圖像的可視化增強(qiáng)具有重要的意義。該方法從原始SAR回波數(shù)據(jù)出發(fā)，通過(guò)對(duì)SAR數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，得到各個(gè)散射中心的參數(shù)。利用估計(jì)的參數(shù)重構(gòu)SAR圖像。在重構(gòu)SAR圖像的過(guò)程中，采用的方法不同，其效果也不盡相同。為了達(dá)到較好的可視化效果本文提出了一種新的可視化方法。

3.1 屬性散射中心參數(shù)估計(jì)

針對(duì)屬性散射中心模型的參數(shù)估計(jì)問(wèn)題，研究人員提出了多種參數(shù)估計(jì)的方法。本文簡(jiǎn)要介紹了經(jīng)典的最大似然方法。

SAR觀測(cè)數(shù)據(jù)是雷達(dá)在特定俯仰角下的觀測(cè)數(shù)據(jù)，散射中心的參數(shù)估計(jì)問(wèn)題可以寫(xiě)成如下形式(表示散射中心的3維電磁散射模型的2維投影參數(shù))：

則參數(shù)的極大似然參數(shù)估計(jì)為：

在高頻區(qū)獲得的SAR圖像數(shù)據(jù)中，散射中心是一個(gè)個(gè)獨(dú)立的響應(yīng)區(qū)域，我們可以利用散射中心的獨(dú)立性對(duì)估計(jì)問(wèn)題做一個(gè)簡(jiǎn)化。

對(duì)于得到的SAR圖像首先要分割出包含散射中心響應(yīng)的圖像區(qū)域；然后估計(jì)該散射中心的電磁散射模型參數(shù)；接著消除已提取的散射中心區(qū)域，并分割出下一個(gè)散射中心區(qū)域。如圖1所示。

此方法涉及五大問(wèn)題：(1)圖像分割(Image segmentation)，即分離出獨(dú)立的散射中心的響應(yīng)區(qū)域；(2)模型定階(Model order selection)，要分割出多少個(gè)散射中心算法結(jié)束；(3)結(jié)構(gòu)選擇(Model structure selection)，屬性散射中心模型分為局部式和分布式散射中心，對(duì)于分割出的散射中心需要確定其類(lèi)型；(4)參數(shù)初值求解(Parameters initialization)，用數(shù)值優(yōu)化算法求解模型參數(shù)，需要提供參數(shù)的初值；(5)參數(shù)優(yōu)化(Parameters optimization)，根據(jù)參數(shù)初值對(duì)目標(biāo)代價(jià)函數(shù)進(jìn)行數(shù)值迭代，以得到更精確的參數(shù)值。

3.2 目標(biāo)重構(gòu)及可視化

3.2.1 基于單個(gè)散射中心自適應(yīng)成像的SAR目標(biāo)重構(gòu) 對(duì)原始SAR數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)估計(jì)進(jìn)而可以重構(gòu)SAR圖像達(dá)到目標(biāo)重構(gòu)可視化增強(qiáng)的效果。本節(jié)中介紹了傳統(tǒng)的重構(gòu)方法和本文中提出重構(gòu)方法的原理。

傳統(tǒng)的重構(gòu)方法首先根據(jù)目標(biāo)單個(gè)散射中心的回波數(shù)據(jù)重構(gòu)整體的回波數(shù)據(jù)：

其中

圖1本文采用的參數(shù)估計(jì)流程圖

Fig.1 Flowchart of parameter estimation

由于IFFT操作的線性特性，整個(gè)SAR圖像的重構(gòu)可以等效為單個(gè)散射中心的單獨(dú)成像并進(jìn)行疊加的結(jié)果，即：

與傳統(tǒng)重構(gòu)方法不同的是，在利用單個(gè)散射中心成像疊加的過(guò)程中，可以利用參數(shù)估計(jì)的先驗(yàn)信息，對(duì)單個(gè)散射中心采取自適應(yīng)的成像策略。如式(7)所示，對(duì)于每個(gè)散射中心的重構(gòu)回波可以根據(jù)估計(jì)得到的該散射中心屬性參數(shù)(強(qiáng)度、位置)采用最優(yōu)的加窗方式。由于已知了單個(gè)散射中心的位置信息，本實(shí)驗(yàn)中采取圖像域加矩形窗(對(duì)應(yīng)于頻域的Sinc窗)的方法保留主瓣，截除其旁瓣。相比于傳統(tǒng)的重構(gòu)方法，這種分離單個(gè)散射中心并且自適應(yīng)成像的方法復(fù)雜度低并且可以很好地去除旁瓣、保持圖像的分辨率，從而可以有效避免強(qiáng)散射中心對(duì)于弱散射中心的掩蓋以及相鄰散射中心難以區(qū)分的問(wèn)題，達(dá)到目標(biāo)重構(gòu)的可視化增強(qiáng)。兩種重構(gòu)方法如圖2所示。

3.2.2 單個(gè)散射中心成像的門(mén)限選取 在使用圖像域的矩形窗去除旁瓣保持主瓣的過(guò)程中，門(mén)限的選取對(duì)于最終的可視化效果具有非常大的影響。過(guò)大的門(mén)限可能會(huì)導(dǎo)致展布式散射中心的退化，過(guò)小的門(mén)限可能導(dǎo)致臨近散射中心無(wú)法得到有效區(qū)分。

(1) 對(duì)于局部式散射中心。局部式散射中心在圖像上表現(xiàn)為距離向和方位向上的單一位置，對(duì)于理想點(diǎn)散射中心而言，其表現(xiàn)為2維Sinc函數(shù)。因此可根據(jù)Sinc函數(shù)的3 dB主瓣寬度選取門(mén)限。

圖2 兩種重構(gòu)方法

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本節(jié)中采用兩個(gè)臨近點(diǎn)目標(biāo)以及較為復(fù)雜的坦克目標(biāo)的電磁計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。仿真參數(shù)為：中心頻率=9.0×10Hz，帶寬1.0×10Hz，成像孔徑，成像點(diǎn)數(shù)。

4.1 鄰近點(diǎn)散射目標(biāo)試驗(yàn)

為測(cè)試提出的可視化增強(qiáng)方法對(duì)分辨能力的提升將鄰近點(diǎn)散射中心的參數(shù)設(shè)定如表1所示。

表1 點(diǎn)散射中心參數(shù)設(shè)定

參數(shù)估計(jì)的結(jié)果如表2所示。

表2 點(diǎn)散射中心參數(shù)估計(jì)結(jié)果

基于參數(shù)估計(jì)結(jié)果重構(gòu)點(diǎn)目標(biāo)如圖3(為便于觀察截取了以點(diǎn)散射中心為中心的部分圖像區(qū)域)。

為測(cè)試提出的可視化方法對(duì)強(qiáng)旁瓣掩蓋弱散射中心的改善，鄰近點(diǎn)散射中心的參數(shù)設(shè)定如表3所示。

表3 點(diǎn)散射中心參數(shù)設(shè)定

參數(shù)估計(jì)的結(jié)果如表4所示。

表4 點(diǎn)散射中心參數(shù)估計(jì)結(jié)果

基于參數(shù)估計(jì)結(jié)果重構(gòu)點(diǎn)目標(biāo)如圖4(為便于觀察截取了以點(diǎn)散射中心為中心的部分圖像區(qū)域)。

鄰近點(diǎn)散射中心實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)比傳統(tǒng)的目標(biāo)重構(gòu)方法，本文采用目標(biāo)重構(gòu)可視化增強(qiáng)方法可以有效區(qū)分鄰近的散射中心并且可以避免強(qiáng)散射中心的旁瓣對(duì)于弱散射中心的掩蓋，達(dá)到點(diǎn)目標(biāo)重構(gòu)可視化效果的增強(qiáng)。

4.2 坦克目標(biāo)實(shí)驗(yàn)

坦克目標(biāo)由包括二面角、三面角、頂帽等典型部件組成，這些部件的后向散射共同構(gòu)成坦克目標(biāo)的后向散射場(chǎng)。本節(jié)利用坦克目標(biāo)(如圖5)可以很好地檢驗(yàn)所提出的可視化方法對(duì)于復(fù)雜目標(biāo)重構(gòu)效果的改善。采用俯仰角方位角下的電磁計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)估計(jì)得到的15個(gè)散射中心參數(shù)(見(jiàn)表5)重構(gòu)坦克圖像。

由于坦克目標(biāo)中存在多個(gè)散射中心且各個(gè)散射中心之間存在多種位置關(guān)系，因此在對(duì)各個(gè)散射中心成像過(guò)程中矩形窗門(mén)限的選取尤為重要，本文中采取調(diào)整門(mén)限尋優(yōu)的方法力圖達(dá)到較好的重構(gòu)效果如圖6所示。

Fig. 3 The resolution test of two point scattering centers with same intensity

圖5 坦克目標(biāo)CAD模型

坦克目標(biāo)重構(gòu)實(shí)驗(yàn)中，采用本文提出的可視化重構(gòu)方法，通過(guò)調(diào)整門(mén)限可知選取3 dB門(mén)限可以達(dá)到較好的重構(gòu)效果。門(mén)限較小會(huì)導(dǎo)致部分臨近散射中心無(wú)法區(qū)分，門(mén)限較大則會(huì)導(dǎo)致展布式散射中心長(zhǎng)度變小。

坦克目標(biāo)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相比傳統(tǒng)的目標(biāo)重構(gòu)方法，本文采用的目標(biāo)重構(gòu)可視化增強(qiáng)方法通過(guò)選取合適的門(mén)限可以有效區(qū)分相鄰的散射中心并且可以體現(xiàn)出弱散射中心從而較好地重構(gòu)坦克目標(biāo)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法可以運(yùn)用于復(fù)雜目標(biāo)重構(gòu)的可視化增強(qiáng)。

5 結(jié)論

本文針對(duì)傳統(tǒng)的SAR目標(biāo)重構(gòu)方法中存在的分辨率下降以及強(qiáng)散射中心旁瓣掩蓋弱散射中心的缺點(diǎn)，利用了成像過(guò)程的線性特征和參數(shù)估計(jì)的結(jié)果對(duì)每個(gè)散射中心自適應(yīng)成像實(shí)現(xiàn)了保持主瓣截除旁瓣的目的從而達(dá)到了SAR目標(biāo)重構(gòu)可視化效果的增強(qiáng)。采用簡(jiǎn)單點(diǎn)散射實(shí)驗(yàn)以及復(fù)雜坦克目標(biāo)的仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證算法的可行性和優(yōu)越性。

表5 坦克目標(biāo)的參數(shù)估計(jì)結(jié)果

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SAR Target Reconstruction Visualization Enhancement Based onAttributed Scattering Center Model

Ding Bo-yuan Zhong Jin-rong Ma Cong-hui Wen Gong-jian

(ATR Key Laboratory, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China)

It has important meaning for Synthetic Aperture Radar (SAR) interpretation to estimate parameters from measured SAR data and visualize the SAR imagery. For the linearity of IFFT, single scattering center can be individually imaged adaptively to form an overall image. Thus, the side effects of side lobes and windowing can be decreased and the quality of the SAR imagery can be improved. The efficiency of the method is confirmed by the test based on the simulated data.

Attributed scattering model; Parameter estimation; SAR interpretation; Adaptive imaging;Target reconstruction; Visualization enhancement

TP753

A

2095-283X(2013)04-0499-08

10.3724/SP.J.1300.2013.13071

2013-07-29收到，2013-10-22改回；2013-11-08網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版

國(guó)家部委基金資助課題

丁柏圓 867525501@qq.com

丁柏圓(1990-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)樽詣?dòng)目標(biāo)識(shí)別。

鐘金榮(1985-)，男，博士研究生，研究方向?yàn)樽詣?dòng)目標(biāo)識(shí)別。

馬聰慧(1987-)，女，博士研究生，研究方向?yàn)樽詣?dòng)目標(biāo)識(shí)別。

文貢堅(jiān)(1972-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榫_制導(dǎo)與自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別。