一種改進(jìn)的合成孔徑聲吶圖像Lee濾波算法*

金鳳來(lái) 鐘何平

(1.海軍裝備部駐天津地區(qū)防救軍事代表室 天津 300042)(2.海軍工程大學(xué)海軍水聲技術(shù)研究所 武漢 430033)

一種改進(jìn)的合成孔徑聲吶圖像Lee濾波算法*

金鳳來(lái)1鐘何平2

(1.海軍裝備部駐天津地區(qū)防救軍事代表室 天津 300042)(2.海軍工程大學(xué)海軍水聲技術(shù)研究所 武漢 430033)

針對(duì)合成孔徑聲吶圖像相干斑抑制難的問(wèn)題,提出了一種改進(jìn)的Lee濾波相干斑抑制算法。該方法將Lee濾波與中值濾波相結(jié)合,能夠在保持圖像邊緣細(xì)節(jié)的同時(shí)有效消除相干斑。最后通過(guò)對(duì)真實(shí)合成孔徑聲吶圖像相干斑抑制試驗(yàn)驗(yàn)證了所提方法的有效性。

合成孔徑聲吶; 相干斑抑制; Lee濾波

1 引言

合成孔徑聲吶(Synthetic Aperture Sonar，SAS)是一種新型的高分辨率水下成像聲吶[1～2],其基本原理是利用小尺寸基陣沿空間勻速直線運(yùn)動(dòng)來(lái)合成大的孔徑基陣,在運(yùn)動(dòng)軌跡的順序位置發(fā)射并接收回波信號(hào),根據(jù)空間位置和相位關(guān)系對(duì)不同位置的回波信號(hào)進(jìn)行相干疊加處理,進(jìn)而獲得沿運(yùn)動(dòng)方向(方位向)的高分辨率。由于它具有距離向和方位向分辨率恒定的特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于水下小目標(biāo)搜索、航道測(cè)繪、水下戰(zhàn)場(chǎng)精細(xì)測(cè)繪與偵察、海洋湖泊河流地形/地貌測(cè)繪等。同合成孔徑雷達(dá)一樣,合成孔徑聲吶受自身固有相干斑噪聲影響嚴(yán)重[3～4],使得SAS圖像不能有效地反映目標(biāo)的反射特性,嚴(yán)重影響著SAS圖像的質(zhì)量,使得SAS圖像的自動(dòng)后續(xù)處理變得非常困難[5]。因此,抑制SAS圖像相干斑噪聲有著十分重要的意義。目前常用的SAS圖像濾波算法有多視處理、中值濾波、均值濾波和統(tǒng)計(jì)型濾波,每種濾波算法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。本文在常用濾波方法的基礎(chǔ)上,將中值濾波與Lee濾波[6]相結(jié)合,優(yōu)化了Lee濾波計(jì)算結(jié)果,最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提方法的有效性。

2 相干斑噪聲模型

由于SAS是一種相干體制聲吶,成像結(jié)果中不可避免地受著相干斑的影響,通常將相干斑假設(shè)為一種非相關(guān)的乘性噪聲。SAS圖像通?？梢员硎緸锳=XV,其中A表示合成孔徑聲吶圖像,X表示圖像真實(shí)值,V表示相干斑值。相干斑抑制的目的就是消除V對(duì)合成孔徑聲吶圖像的影響。

3 中值濾波和Lee濾波

3.1 中值濾波

中值濾波是一種非線性平滑濾波,其基本原理是將圖像中某一點(diǎn)的值采用該點(diǎn)鄰域中的均值代替,消除孤立噪聲對(duì)圖像的影響。濾波窗口選定后,然后對(duì)濾波窗口內(nèi)的觀測(cè)值進(jìn)行排序,并將中間位置的值作為輸出結(jié)果。濾波窗口通常為3×3，5×5,也可以選擇其它不同形狀,如線狀、圓型和十字形狀。

3.2 Lee濾波

Lee濾波是一種經(jīng)典自適應(yīng)性濾波,它以圖像的局部方差和均值為依據(jù),不需建立精確的統(tǒng)計(jì)模型,而是基于完全發(fā)育的乘性噪聲模型,并假設(shè)相干斑噪聲是白噪聲。Lee濾波時(shí),首先選擇一個(gè)固定大小的局部處理窗口,然后根據(jù)當(dāng)前窗口內(nèi)的觀測(cè)值來(lái)計(jì)算當(dāng)前局部區(qū)域內(nèi)的均值和方差。

4 優(yōu)化的Lee濾波

圖1 優(yōu)化Lee濾波算法流程圖

5 試驗(yàn)結(jié)果分析

為了驗(yàn)證本文所提改進(jìn)Lee濾波相干斑抑制算法性能,在如下環(huán)境下進(jìn)行了試驗(yàn)：CPU G840 2.80G(2核)；內(nèi)存4G；操作系統(tǒng)Windows 7。試驗(yàn)數(shù)據(jù)選用一幅合成孔徑聲吶樣機(jī)試驗(yàn)所得成像結(jié)果數(shù)據(jù),其大小為6500×4364像素,對(duì)應(yīng)的合成孔徑聲吶圖像如圖2(a)所示。從圖2(a)可以看出,原始圖像上相干斑嚴(yán)重,嚴(yán)重影響圖像的判讀。采用改進(jìn)Lee濾波算法對(duì)原始圖像進(jìn)行濾波時(shí),濾波窗口大小設(shè)置為3×3,直接濾波后的結(jié)果如圖2(b)所示,從整體效果圖上可以看出圖像輪廓變得清晰,相干斑有效得到了抑制。為更加清楚比較濾波前后效果,截取原始圖像中局部區(qū)域進(jìn)行比較,濾波前后局部對(duì)比圖像分別如圖3(a)和3(b)所示。從濾波后的局部圖像中可以看出,左側(cè)區(qū)域溝壑更加細(xì)致,細(xì)節(jié)突出。

表1 試驗(yàn)系統(tǒng)基本參數(shù)

圖2 濾波前后全局圖像比較

圖3 濾波前后局部圖像比較

6 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種中值濾波與Lee濾波相結(jié)合的改進(jìn)Lee濾波SAS圖像相干斑抑制方法。在進(jìn)行相干斑抑制時(shí),首先計(jì)算當(dāng)前局部區(qū)域內(nèi)的變差系數(shù),然后根據(jù)變差系數(shù)來(lái)確定當(dāng)前窗口內(nèi)的濾波方法,以達(dá)到在濾波的同時(shí)有效保持紋理細(xì)節(jié)。最后采用真實(shí)的合成孔徑聲吶圖像進(jìn)行了相干斑抑制試驗(yàn),驗(yàn)證了改進(jìn)Lee濾波算法的性能。

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An improved Lee Filter Algorithm for Synthetic Aperture Sonar

JIN Fenglai1ZHONG Heping2

(1. Military Representative Office of Navy Equipment Department in Tianjin Area, Tianjin 300042)(2. Naval Institute of Underwater Acoustic Technology, Naval University of Engineering, Wuhan 430033)

An improved Lee filter algorithm is proposed for the image speckle reduction of synthetic aperture sonar. The proposed algorithm combines the advantage of Lee filter and median filter, which can maintain the edge of image and remove the speckle effectively. The feasibility of the proposed method is verified through experiment of real synthetic aperture sonar image speckle reduction.

synthetic aperture sonar, speckle reduction, Lee filter

P237

2016年9月1日,

2016年10月18日

金鳳來(lái),男,碩士,研究方向：水下探測(cè)。鐘何平,男,博士,研究方向：合成孔徑聲吶信號(hào)處理。

P237

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.03.009