专利名称：一种sar图像点目标评估方法
技术领域：
本发明涉及一种SAR图像点目标评估方法，具体地说，是指一种合成孔径雷达(简称SAR)图像的点目标指标评估的插值方法，属于雷达技术领域。
背景技术：
SAR图像性能指标是衡量合成孔径雷达系统性能的重要依据，也是评价成像处理算法聚焦效果的定量依据。SAR图像性能指标主要包含点目标和面目标指标两类。SAR面目标指标测量通常只需要经过统计分析即可完成，点目标指标的测量过程较之面目标指标测量复杂，需要经过插值处理才能得到准确度较高的指标，因而插值方法对点目标指标的测量结果有较大影响。点目标的指标测量通常是对待评估目标数据分两步频域插值实现，其中第一步插值是二维插值，第二步插值是分别对距离向和方位向剖面数据进行一维插值。现有的频域插值方法直接在频域的高频区域补零，这种方法忽略了SAR点目标时域线性相位的影响，只有在SAR点目标图像没有引入时域线性相位有效，但是对于一般的SAR成像处理器而言，往往会在成像处理过程中引入残留线性相位，从而使得频域直接补零后插值结果出现错误，不能得到正确测量指标。
发明内容
本发明的目的是为了解决简单的SAR点目标频域插值方法带来的插值错误问题，根据点目标的频域能量分布特性，在二维频域插值过程，采用自适应的补零操作，即通过搜索等效高频点，在等效高频区域补零的方式获得正确的二维插值结果，在此基础上提取方位向和距离向剖面数据，并进一步做一维插值处理，根据一维插值后的剖面数据分别计算准确的点目标方位向和距离向指标。
本发明的一种SAR图像点目标评估方法，包括以下几个步骤 步骤一设定二维插值倍数和一维插值倍数两个插值参数，对二维矩阵和一维矩阵进行初始化； 步骤二通过二维傅里叶变换在等效高频区域补零的方法进行二维插值； 步骤三提取距离向一维插值前数据矩阵和方位向一维插值前数据矩阵，并分别进行一维频域插值，得到距离向一维插值结果矩阵和方位向一维插值结果矩阵； 步骤四、根据距离向一维插值结果矩阵和方位向一维插值结果矩阵获取距离向和方位向的分辨率指标。
本发明的优点在于本发明在成像结果存在残留线性相位时，自动根据频域能量分布确定等效高频点位置，并在等效高频区域补零，从而获得正确的插值结果和准确的指标计算结果，提高了测量精度，能够提供准确的点目标评估指标，增大了评估对象的适用范围。
图1为本发明的方法流程图； 图2为本发明步骤二中二维频域矩阵能量等效高频点示意图； 图3为本发明步骤二中二维插值结果矩阵阵赋值示意图； 图4为本发明步骤三中二维插值结果等高线及距离向和方位向剖面示意图； 图5a为实施例数据矩阵D1的功率数据三维图； 图5b为实施例数据矩阵D1的频谱数据三维图； 图5c为实施例中二维插值结果矩阵D_Interp2的等高线图； 图5d为实施例中一维距离向插值结果矩阵D_Interp1_R的功率归一化曲线； 图5e为实施例中一维方位向插值结果矩阵D_Interp1_A的功率归一化曲线； 图6a为实施例中采用简单补零插值方法得到的二维插值结果矩阵D_Interp2的功率等高线图； 图6b为实施例中采用简单补零插值方法得到的一维距离向插值结果矩阵D_Interp1_R的功率归一化曲线； 图6c为实施例中采用简单补零插值方法得到的一维方位向插值结果矩阵D_Interp1_A的功率归一化曲线。
具体实施例方式 下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明是一种SAR图像点目标评估方法，流程如图1所示，包括以下几个步骤 步骤一设定二维插值倍数和一维插值倍数两个插值参数，对二维矩阵和一维矩阵进行初始化； 具体为 i待评估SAR图像数据为含有待评估点目标的二维局部区域复数数据矩阵D1，维数为N×N，设定插值倍数包括二维插值倍数N2、一维插值倍数N1，所述的N≥8，N2≥16，N1≥32； ii根据待评估SAR图像数据维数和插值倍数进行二维插值结果矩阵、距离向一维插值前数据矩阵、方位向一维插值前数据矩阵、距离向一维插值结果矩阵和方位向一维插值结果矩阵初始化； 所述的二维插值结果矩阵为D_Interp2，矩阵维数为N·N2×N·N2；距离向一维插值前数据矩阵为D_R，矩阵维数为N·N2×1；方位向一维插值前数据矩阵为D_A，矩阵维数为N·N2×1；距离向一维插值结果矩阵为D_Interp1_R，矩阵维数为N·N2·N1×1；方位向一维插值结果矩阵为D_Interp1_A，矩阵维数为N·N2·N1×1；上述矩阵的矩阵元素初值均为0； 步骤二通过二维傅里叶变换在等效高频区域补零的方法进行二维插值； 将数据矩阵D1进行原位二维傅里叶变换，得到二维频域结果，将结果复制到数据矩阵D1，根据式(2)～(5)搜索数据矩阵D1的等效高频点p1，过p1点作水平和距离分界线，把数据矩阵D1分成4个子阵，将二维插值结果矩阵D_Interp2的四个边角矩阵分别用数据矩阵D1的4个子阵赋值，将二维插值结果矩阵D_Interp2作原位二维逆傅里叶变换得到二维插值结果，将结果复制到二维插值结果矩阵D_Interp2，具体为 (a)对数据矩阵D1进行原位二维傅里叶变换，得到二维频域结果，将结果复制到矩阵D1，实现对数据矩阵D1的更新； (b)获取更新后的数据矩阵D1的能量和S 其中D1(i，j)表示数据矩阵D1的第i行，第j列的元素值。
(c)对数据矩阵D1的等效高频点p1进行二维搜索，设等效高频点p1的空间坐标为(i0，j0)，则 当
时，设i0初值为N，i0依次减1，最后得到满足式(2)的i0； 当
时，设i0初值为2，i0依次加1，最后得到满足式(3)的i0； 当
时，设j0初值为N，j0依次减1，最后得到满足式(4)的j0； 当
时，设j0初值为2，j0依次加1，最后得到满足式(5)的j0； (d)根据(i0，j0)将数据矩阵D1分成四个子块矩阵并分别定义为S1，S2，S3，S4，如图2所示，其中四个子块矩阵交界区域为等效高频区，四个子块矩阵满足式(6) (e)将数据矩阵D1的四个子块矩阵S1，S2，S3，S4依次赋给二维插值结果矩阵D_Interp2的四个顶点矩阵，满足式(7)，如图3所示，同时为保证插值前后点目标的幅度不发生变化，在幅度上乘以二维插值倍数的平方 (f)将二维插值结果矩阵D_Interp2进行原位二维逆傅里叶变换，得到二维插值结果，将结果再复制到二维插值结果矩阵D_Interp2中，实现对二维插值结果矩阵D_Interp2的更新。
步骤三、提取距离向一维插值结果矩阵和方位向一维插值结果矩阵，并分别进行一维频域插值，得到距离向一维插值结果矩阵和方位向一维插值结果矩阵； 搜索二维插值结果矩阵D_Interp2的功率最大值坐标，提取距离向一维插值前数据矩阵D_R和方位向一维插值前数据矩阵D_A，分别对距离向一维插值前数据矩阵D_R和方位向一维插值前数据矩阵D_A进行一维傅里叶插值，得到距离向一维插值结果矩阵D_Interp1_R和方位向一维插值结果矩阵D_Interp1_A，具体为 ①搜索二维插值结果矩阵D_Interp2的功率峰值位置对应的坐标(ip，jp)，设定(ip，jp)初值为(1，1)，ip、jp依次加1，最后得到满足式(8)的坐标(ip，jp)，此时的(ip，jp)即为功率最大值坐标； ②在二维插值结果矩阵D_Interp2中选择第ip行数据作为距离向一维插值前数据矩阵D_R，如图4中的水平直线所示，即 D_R[j]＝D_Interp2[ip，j]，j∈[1，N·N2] (9) ③对距离向一维插值前数据矩阵D_R进行一维傅里叶插值处理，得到维数为N·N2·N1的距离向一维插值结果矩阵D_Interp1_R； ④在二维插值结果矩阵D_Interp2中选择第jp列作为方位向一维插值前数据矩阵D_A，如图4中的垂直直线所示，即 D_A[i]＝D_Interp2[i，jp]，i∈[1，N·N2] (10) ⑤对方位向一维插值前数据矩阵D_A进行一维傅里叶插值处理，得到维数为N·N2·N1的方位向一维插值结果矩阵D_Interp1_A。
步骤四、根据距离向一维插值结果矩阵和方位向一维插值结果矩阵获取距离向和方位向的分辨率指标； 对距离向一维插值结果矩阵和方位向一维插值结果矩阵作归一化处理，然后分别搜索归一化处理后结果的能量最大值位置和两侧半功率位置，利用式(11)和(12)获取距离向和方位向分辨率，具体为 (1)对距离向一维插值结果矩阵D_Interp1_R进行归一化对数变换，逐点搜索功率最大值对应的点，下标为Rp；从Rp向左搜索，记录第一次功率值小于-3.0dB的点，下标为Rl；再从Rp向右搜索，记录第一次功率值小于-3.0dB的点下标为Rr； (2)根据步骤(1)中得到的下标Rr和Rl，通过式(11)得到距离向分辨率δr，单位为距离分辨单元 (3)对方位向一维插值结果矩阵D_Interp1_A进行归一化对数变换，逐点搜索功率最大值对应的点，下标为Ap；从Ap向左搜索，记录第一次功率值小于-3.0dB的点，下标为Al；再从Ap向右搜索，记录第一次功率值小于-3.0dB的点，下标为Ar； (4)根据步骤(3)得到的下标Ar和Al，通过式(12)得到方位向分辨率δa，单位为方位分辨单元 获得的距离向分辨率和方位向分辨率为点目标评估的定量结果。
实施例 针对一个二维冲激响应函数为F(m，n)的理想点目标进行评估。
其中sinc函数定义为
N＝32，
δa′＝1.5，δr′＝1.8，fa＝0.6，fr＝0.3。上述函数中的指数项exp{j·2πfr·(n-0.5N)}和exp{j·2πfa·(m-0.5N)}表明理想点目标在距离向和方位向均存在含残留线性相位。已知F(16，16)＝1，20lg F(16，16±0.443δr′)＝20lg 0.707＝-3.0dB，则距离分辨率理论值为δr＝0.886·δr′＝1.5948个距离分辨单元，同理20lg F(16±0.443δa′，16)＝20lg 0.707＝-3.0dB，方位分辨率理论值为δa＝0.886·δa′＝1.3290个方位分辨单元。
应用本发明的评估方法具体为 步骤一设定二维插值倍数和一维插值倍数两个插值参数，对二维矩阵和一维矩阵进行初始化，具体为 i将F(m，n)的离散采样值作为含有待评估点目标的二维局部区域复数数据D1，维数为32×32，即D[i，j]＝F(i，j)，其中i，j∈[1，2，…，32]，其幅度的三维显示如图5a所示；二维插值倍数N2＝16、一维插值倍数N1＝32； ii根据待评估SAR图像数据维数和插值倍数进行二维插值结果矩阵、一维插值前矩阵和一维插值后矩阵初始化，设二维插值结果矩阵为D_Interp2，矩阵维数为512×512；距离向一维插值前数据矩阵为D_R，矩阵维数为512×1；方位向一维插值前数据矩阵为D_A，矩阵维数为512×1；距离向一维插值结果矩阵为D_Interp1_R，矩阵维数为16384×1；方位向一维插值结果矩阵为D_Interp1_A，矩阵维数为16384×1；上述矩阵的矩阵元素初值均为0。
步骤二通过二维傅里叶变换在等效高频区域补零的方法进行二维插值； 具体为 (a)对数据矩阵D1进行原位二维傅里叶变换，得到二维频域结果，将结果复制到矩阵D1，实现对数据矩阵D1的更新，其幅度的三维显示如图5b所示； (b)获取更新后的数据矩阵D1的能量和SS＝2706.786； (c)对数据矩阵D1的等效高频点p1进行二维搜索，得到(i0，j0)＝(5，28)，具体为 因为
所以i0初值设为2，i0依次加1直至i0＝5满足式(3)，即 因为
所以j0初值设为32，依次减1直至j0＝28满足式(4)，即满足 (d)根据(i0，j0)＝(5，28)将数据矩阵D1分成四个子块矩阵S1，S2，S3，S4，具体为 (e)将数据矩阵D1的四个子块矩阵S1，S2，S3，S4依次赋给二维插值结果矩阵D_Interp2的四个顶点矩阵，其他元素均为初始值(等于零)，即 (f)将二维插值结果矩阵D_Interp2进行原位二维逆傅里叶变换，得到二维插值结果，将结果再复制到矩阵D_Interp2，实现对二维插值结果矩阵D_Interp2的更新。
步骤三、提取距离向一维插值前数据矩阵和方位向一维插值前数据矩阵，并分别进行一维频域插值，得到距离向一维插值结果矩阵和方位向一维插值结果矩阵； 具体为 ①搜索二维插值结果矩阵D_Interp2的功率峰值位置对应的坐标(ip，jp)＝(241，241)，即 ②在二维插值结果矩阵D_Interp2中选择第241行数据作为距离向一维插值前数据矩阵D_R，即 D_R[j]＝D_Interp2[241，j]，j∈[1，512] (19) ③对距离向一维插值前数据矩阵D_R进行一维傅里叶插值处理，得到维数为16384的距离向一维插值结果矩阵D_Interp1_R，如图5d所示； ④在二维插值结果矩阵D_Interp2中选择第241列作为方位向一维插值前数据矩阵D_A，即 D_A[i]＝D_Interp2[i，241](20) ⑤对方位向一维插值前数据矩阵D_A进行一维傅里叶插值处理，得到维数为16384的插值后方位向一维插值结果矩阵D_Interp1_A，如图5e所示。
步骤四、根据距离向一维插值结果矩阵和方位向一维插值结果矩阵获取距离向和方位向的分辨率指标； 具体为 (1)对距离向一维插值结果矩阵D_Interp1_R进行归一化对数变换，逐点搜索归一化对数变换后功率最大值对应的点，下标记为Rp＝7682；从Rp向左搜索，记录第一次功率值小于-3.0dB的点，下标为Rl＝7341；再从Rp向右搜索，记录第一次功率值小于-3.0dB的点，下标为Rr＝8022，如图5d所示； (2)根据步骤(1)得到的下标Rr和Rl，通过式(11)得到距离向分辨率δr，单位为距离分辨单元 (3)对方位向一维插值结果矩阵D_Interp1_A进行归一化对数变换，逐点搜索归一化对数变换后最大值对应的点，下标记为Ap＝7681；从Ap向左搜索，记录第一次功率值小于-3.0dB的点，下标为Al＝7273；再从Ap向右搜索，记录第一次功率值小于-3.0dB的点，下标为Ar＝8089，如图5e所示； (4)根据步骤(3)得到的下标Ar和Al，通过式(12)得到方位向分辨率，单位为方位分辨单元 得到距离向分辨率实际测量值为1.3320个距离分辨单元，理论值为1.3290个距离分辨单元，测量相对误差为0.225％；方位向分辨率实际测量值为1.5957个方位分辨单元，则理论值为1.5948个方位分辨单元，则测量相对误差为0.056％。本发明方法得到的结果误差小于5％，误差非常�。芄缓芎玫穆愎こ逃τ眯枰�。
针对本实施案例的待评估数据和插值参数，采用简单补零方法得到的二维插值结果矩阵D_Interp2的功率等高线图(如图6a所示)，结果产生较多的零乱的虚假目标，进一步可得到的一维距离向插值结果矩阵D_Interp1_R的功率归一化曲线(如图6b所示)和一维方位向插值结果矩阵D_Interp1_A的功率归一化曲线(如图6c所示)，从上述等高线图和功率归一化图中可以定性的看出插值后点目标不够光滑，定量的计算可得距离向分辨率为0.8066个距离分辨单元，测量相对误差为39.31％；方位向实际测量为0.8066方位分辨单元，测量相对误差为49.42％，因而简单补零插值得到的评估结果不能真实反映点目标的指标。
本发明主要针对SAR点目标存在残留线性相位时，直接二维频域补零插值会造成错误的插值结果的问题，根据点目标的频域能量分布特性，在二维插值过程，采用自适应的补零操作，即通过搜索等效高频点，在等效高频区域补零的方式获得正确的二维插值结果，在此基础上提取距离向和方位向剖面数据，通过一维插值和搜索完成点目标指标评估，结合具体的实施案例详细描述了本发明的实施过程，测量结果表明本发明是一种精度高的SAR点目标指标评估方法，能够提供准确的点目标评估指标。
权利要求
1.一种SAR图像点目标评估方法，其特征在于，包括以下几个步骤
步骤一设定二维插值倍数和一维插值倍数两个插值参数，对二维矩阵和一维矩阵进行初始化；
具体为
i待评估SAR图像数据为含有待评估点目标的二维局部区域复数数据矩阵D1，维数为N×N，设定插值倍数包括二维插值倍数N2、一维插值倍数N1；
ii根据待评估SAR图像数据维数和插值倍数进行二维插值结果矩阵、距离向一维插值前数据矩阵、方位向一维插值前数据矩阵、距离向一维插值结果矩阵和方位向一维插值结果矩阵初始化；
所述的二维插值结果矩阵为D_Interp2，矩阵维数为N·N2×N·N2；距离向一维插值前数据矩阵为D_R，矩阵维数为N·N2×1；方位向一维插值前数据矩阵为D_A，矩阵维数为N·N2×1；距离向一维插值结果矩阵为D_Interp1_R，矩阵维数为N·N2·N1×1；方位向一维插值结果矩阵为D_Interp1_A，矩阵维数为N·N2·N1×1；上述矩阵的矩阵元素初值均为0；
步骤二通过二维傅里叶变换在等效高频区域补零的方法进行二维插值；
具体为
(a)对数据矩阵D1进行原位二维傅里叶变换，得到二维频域结果，将结果复制到矩阵D1，实现对数据矩阵D1的更新；
(b)获取更新后的数据矩阵D1的能量和S
其中D1(i，j)表示数据矩阵D1的第i行，第j列的元素值；
(c)对数据矩阵D1的等效高频点p1进行二维搜索，设等效高频点p1的空间坐标为(i0，j0)，则
当
时，设i0初值为N，i0依次减1，最后得到满足式(2)的i0；
当
时，设i0初值为2，i0依次加1，最后得到满足式(3)的i0；
当
时，设j0初值为N，j0依次减1，最后得到满足式(4)的j0；
当
时，设j0初值为2，j0依次加1，最后得到满足式(5)的j0；
(d)根据(i0，j0)将数据矩阵D1分成四个子块矩阵并分别定义为S1，S2，S3，S4，其中四个子块矩阵交界区域为等效高频区，四个子块矩阵满足式(6)
(e)将数据矩阵D1的四个子块矩阵S1，S2，S3，S4依次赋给二维插值结果矩阵D_Interp2的四个顶点矩阵，并在幅度上乘以二维插值倍数的平方，即满足式(7)
(f)将二维插值结果矩阵D_Interp2进行原位二维逆傅里叶变换，得到二维插值结果，将结果再复制到二维插值结果矩阵D_Interp2中，实现对二维插值结果矩阵D_Interp2的更新；
步骤三提取距离向一维插值前数据矩阵和方位向一维插值前数据矩阵，并分别进行一维频域插值，得到距离向一维插值结果矩阵和方位向一维插值结果矩阵；
具体为
①搜索二维插值结果矩阵D_Interp2的功率峰值位置对应的坐标(ip，jp)，设定(ip，jp)初值为(1，1)，ip、jp依次加1，最后得到满足式(8)的坐标(jp，jp)，此时的(jp，jp)即为功率最大值坐标；
②在二维插值结果矩阵D_Interp2中选择第ip行数据作为距离向一维插值前数据矩阵D_R，即
D_R[j]＝D_Interp2[ip，j]，j∈[1，N·N2](9)
③对距离向一维插值前数据矩阵D_R进行一维傅里叶插值处理，得到维数为N·N2·N1的距离向一维插值结果矩阵D_Interp1_R；
④在二维插值结果矩阵D_Interp2中选择第jp列作为方位向一维插值前数据矩阵D_A，即
D_A[i]＝D_Interp2[i，jp]，i∈[1，N·N2] (10)
⑤对方位向一维插值前数据矩阵D_A进行一维傅里叶插值处理，得到维数为N·N2·N1的方位向一维插值结果矩阵D_Interp1_A；
步骤四、根据距离向一维插值结果矩阵和方位向一维插值结果矩阵获取距离向和方位向的分辨率指标；
具体为
(1)对距离向一维插值结果矩阵D_Interp1_R进行归一化对数变换，逐点搜索功率最大值对应的点，下标为Rp；从Rp向左搜索，记录第一次功率值小于-3.0dB的点，下标为Rl；再从Rp向右搜索，记录第一次功率值小于-3.0dB的点下标为Rr；
(2)根据步骤(1)中得到的下标Rr和Rl，通过式(11)得到距离向分辨率δr，单位为距离分辨单元
(3)对方位向一维插值结果矩阵D_Interp1_A进行归一化对数变换，逐点搜索功率最大值对应的点，下标为Ap；从Ap向左搜索，记录第一次功率值小于-3.0dB的点，下标为Al；再从Ap向右搜索，记录第一次功率值小于-3.0dB的点，下标为Ar；
(4)根据步骤(3)得到的下标Ar和Al，通过式(12)得到方位向分辨率δa，单位为方位分辨单元
获得的距离向分辨率和方位向分辨率为点目标评估的定量结果。
2.根据权利要求1所述的一种SAR图像点目标评估方法，其特征在于，步骤一中所述的N≥8，二维插值倍数N2≥16，一维插值倍数N1≥32。
全文摘要
本发明公开了一种SAR图像点目标评估方法，包括以下几个步骤，步骤一、设定二维插值倍数和一维插值倍数两个插值参数，对二维矩阵和一维矩阵进行初始化；步骤二、通过二维傅里叶变换在等效高频区域补零的方法进行二维插值；步骤三、提取距离向和方位向剖面结果，并分别进行一维频域插值，得到距离向和方位向一维插值结果；步骤四、根据距离向和方位向一维插值结果获取距离向和方位向的分辨率指标；本发明在成像结果存在残留线性相位时，自动根据频域能量分布确定等效高频点位置，并在等效高频区域补零，从而获得正确的插值结果和准确的指标结果，提高了测量精度，能够提供准确的点目标评估指标，增大了评估对象的适用范围。
文档编号G01S7/40GK101825700SQ20101015366
公开日2010年9月8日 申请日期2010年4月20日 优先权日2010年4月20日
发明者孙兵, 陈杰, 李威 申请人:北京航空航天大学
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
