МЕТОД СНИЖЕНИЯ СПЕКЛ-ШУМА В РАДИОЛОКАЦИОННЫХ ИЗОБРАЖЕНИЯХ Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

ИНТЕГРАЛЬНЫЕ РАДИОЭЛЕКТРОННЫЕ

УСТРОЙСТВА

УДК 621.391.26

Метод снижения спекл-шума в радиолокационных

изображениях

Е.Г.Широ ООО «Фрискейл Семикондактор»

Г.Э.Широ

Московский государственный институт электронной техники (технический университет)

Предложен метод снижения спекл-шума в радиолокационных изображениях, основанный на выявлении и исключении из изображения за-шумленных пикселов. Исключенные пикселы замещаются усредненными по ближайшим соседним. Исходная разрешающая способность изображения сохраняется.

Ключевые слова: радиолокация, синтезированная апертура антенны, радиолокационное изображение, спекл-шум.

Ограничением высокого разрешения радиолокационных изображений (РЛИ), получаемых с помощью радиолокатора с синтезированной апертурой антенны, является появление в РЛИ спекл-шума в виде блестящих пятен (от английского speckle - пятнышко). Поражение спекл-шумом РЛИ зависит от вида изображаемой поверхности. Наиболее поражены участки водной поверхности при волнении, лесные массивы, здания и сооружения. Известным методом борьбы со спекл-шумом является усреднение изображения по нескольким съемкам, выполненным под разными углами визирования. Неизбежной платой за это усреднение является потеря разрешающей способности РЛИ.

В настоящей работе предлагается метод снижения спекл-шума РЛИ без потери исходного разрешения.

Гипотеза происхождения спекл-шума. Реальные изображения можно представить состоящими из малого или большого числа «блестящих точек», расположенных в пределах элемента разрешения случайным образом. Вторичные излучения этих точек накладываются друг на друга (имеет место их интерференция). Изображения, наилучшие с точки зрения визуального восприятия, получаются, если элементы изображения соответствуют шероховатым поверхностям, т.е. образованы предельно большим числом не слишком ярких «блестящих точек». Такие поверхности характеризуются диффузным отражением (рис.1).

По сравнению с зеркальной поверхностью, шероховатая в каждой своей точке имеет составляющую диаграммы направленности вторичного излучения, ориентированную

© Е.Г.Широ, Г.Э.Широ, 2010

в сторону первичного излучателя, т.е. становится «видимой» ему. Поверхность перестает быть зеркальной, если [ 1 ]

h 1 . — <— sin у, X 16

где h - высота неровностей; у - угол падения первичного сигнала; X - длина волны радиолокатора.

а б в

Рис.1. Зеркальное (а) и диффузное (б) вторичное излучение; в - к оценке

шероховатости поверхности

Элемент изображения многоточечного, или диффузного, типа обусловливает разрешение примерно вдвое худшее, чем одноточечного (рис.2).

Реальные РЛИ часто имеют разрешение гораздо худшее, чем расчетное, даже с учетом фактора многоточечности элемента изображения из-за спекл-шума.

Известным методом борьбы со спекл-шумом является некогерентное усреднение нескольких изображений, полученных под разными углами визирования [2]. При этом разрешающая способность ухудшается - разменивается на подавление спекл-шума.

Пусть при синтезе синтезированная апертура А разбивается на несколько подапер-тур А,А2, А (рис.3). Полученные частичные изображения, определяемые подаперту-рами А1, А2, А3, некогерентно суммируются. Контрастность изображения увеличивается, эффект спекл-шума снижается. Вместо пиксела с высоким разрешением гн, но пораженным спекл-шумом, получаем пиксел с пониженным разрешением гь, но с ослабленным спекл-шумом. Отметим, что один 1-й пиксел с разрешением ть соответствует трем смежным пикселам (г - 1, г, г + 1) с разрешением гя .

а б

Рис.2. Ухудшение разрешения многоточечного элемента (б) по сравнению с одноточечным (а)

Эффективность данного метода подавления спекл-шума в сочетании с приведенным наблюдением о местах появления этого шума, позволяет выдвинуть гипотезу о том, что причиной его появления является временная нестабильность диаграммы направленности вторичного излучения. За время синтеза сигнал-отклик от элемента изображения меняется не только по углу визирования, но и вследствие механических перемещений «блестящих точек» относительно друг друга - волны, ветви деревьев при ветре. Последний фактор приводит к гораздо более существенному ухудшению, чем просто «размывание» изображения. Подапертурный синтез снижает время визирования и эффект временной нестабильности.

Данная гипотеза подтверждается моделированием. На рис.4,а приведен результат синтеза изображения «блестящей точки» с диаграммой направленности вторичного излучения, однородной в пределах угла азимутального визирования а. Достигнуто максимальное азимутальное разрешение при данной апертуре. Рис.4,6 соответствует стационарной, но неоднородной диаграмме направленности: амплитуда отраженного сигнала остается постоянной в пределах всего угла визирования а, а фаза принимает два значения, различающиеся на 180° (для первой и второй половин угла визирования). Изображение несколько «размыто» по сравнению с рис.4,а. На рис.4,в изображение искажено вследствие нестационарной диаграммы направленности вторичного излучения: амплитуда отраженного сигнала постоянна на угле а, фаза изменяется многократно. Это изображение можно считать пораженным спекл-шумом вследствие нестационарной диаграммы направленности. Изображение на рис.4,г получено при произвольно меняющемся по амплитуде и фазе отраженном сигнале.

В работе [3] снижение спекл-шума достигается пофрагментной фильтрацией изображения. При этом результат оказывается лучше, чем при фильтрации изображения целиком. Однако избежать потери исходного разрешения не удается.

Снижение спекл-шума методом «обратного синтеза». Метод заключается в выявлении и исключении из результирующего изображения элементов-пикселов, пораженных спекл-шумом. Значения удаленных элементов вычисляются по соседним «не-заспеклованным» пикселам с помощью двумерного КИХ-фильтра ФНЧ. Полученные в результате данной процедуры изображения оказываются менее «заспеклованными», чем исходные, но при этом не теряют исходного расчетного разрешения гн (рис.5).

Выявление зашумленности пикселов осуществляется сопоставлением результатов их синтеза процедурами прямого синтеза, реализованного в виде свертки отраженного сигнала с опорной функцией, и предлагаемого обратного синтеза.

На этапе прямого синтеза для каждого /-го пиксела вычисляются значения комплексной яркости с высоким расрешением Н1 и низким разрешением , которые получаются в результате синтеза соответственно по всей апертуре А и ее части А2 (см. рис.3). На этапе обратного синтеза значение комплексной яркости с низким разре-

тЬаск

шением Ц получается в результате комплексного усреднения по трем смежным пикселам:

ЦаСк = 1 ( Н,+ Н, + Н; +1 ).

Результаты моделирования и анализ тестовых РЛИ показывают, что если пиксел не

т ~ тЬаск г

поражен спекл-шумом, то значения Ц = Ц близки, в противном случае - существенно различаются.

В основу предлагаемого метода снижения спекл-шума положена процедура вычисления коэффициентов К-^еск1е(поражения /-го пиксела спекл-шумом) как отнормиро-ванной разности прямого и обратного значений яркости пиксела:

L jback ~Li

Hi,

Затем из РЛИ, полученного с максимальным разрешением, исключаются пикселы, для

ту speckle ^ ту г

которых Kf > K ievei, т.е. значение выше порога, подбираемого экспериментально.

Применение предлагаемого метода позволяет улучшить качество РЛИ. На рис.5 показано существенное снижение зашумленности водной поверхности, в то время как контуры берегов не размыты, что подтверждает сохранение исходного разрешения РЛИ.

Таким образом, предложеный метод снижения спекл-шума в РЛИ основан на выявлении и исключении из изображения пикселов, пораженных этим шумом. Значения яркости удаленных пикселов вычисляются усреднением по соседним пикселам. Выявление «заспеклованных» пикселов реализуется процедурой сравнения значений

j jback f \

комплексной яркости пикселов Li, Li , полученных прямым (комплексная свертка) и обратным (комплексное усреднение) вычислениями. Эффективность метода проверена моделированием применительно к тестовым РЛИ.

Литература

1. Теоретические основы радиолокации / Под ред. ЯД.Ширмана. - М.: Советское радио, 1970. -560 с.

2. Mac-Farlane N., Thomas M.H.B. Speckle reduction alhorithms and their application to SAR Images. Proc. 10-th Annual Int. Conf. on Satllite Remote Sensing, 1984. - P. 289-299.

3. Брянцев А.А. Комбинированная фильтрация изображений, полученных с помощью радаров с синтезированной апертурой // Вестник РГРТУ. - 2007. - Вып. 21. - С. 16-19.

Статья поступила 4 февраля 2010 г.

Широ Евгений Георгиевич - кандидат технических наук, начальник отдела ООО «Фрискейл Семикондактор». Область научных интересов: цифровая обработка сигналов в радиолокации, системы автоматизированного проектирования.

Широ Георгий Эдуардович - доктор технических наук, профессор кафедры вычислительной техники МИЭТ. Область научных интересов: цифровая обработка сигналов, системы автоматизированного проектирования. E-mail: shiro@olvs.miee.ru

Информация для читателей журнала «Известия высших учебных заведений. Электроника»

Вы можете оформить подписку на 2011 г. в редакции с любого номера. Стоимость одного номера — 700 руб. (с учетом всех налогов и почтовых расходов).

Адрес редакции: 124498, Москва, Зеленоград, проезд 4806, д. 5, МИЭТ, комн. 7232. Тел./факс: 8-499-734-62-05. E-mail: magazine@miee.ru http ://www. miet.ru/ structure/s/894/e/12152/191