極化合成孔徑雷達相干斑抑制的極化白化濾波器

1基于全極化的遙感遙感技術(shù)相干點是相對于開孔（sar）圖像的階乘噪聲。它會造成圖像模糊,并給目標分類、檢測等處理帶來困難。多視平均是一種常用的相干斑抑制方法,但在抑制相干斑的同時,也會導(dǎo)致圖像空間分辨率降低。極化SAR的出現(xiàn)使得遙感數(shù)據(jù)由單極化擴展到全極化,更全面地包含了目標的電磁散射信息。利用全極化數(shù)據(jù)抑制相干斑已成為一個可行的發(fā)展方向。1987年,Zebker等人本文在研究PWF的基礎(chǔ)上,提出了多通道極化白化濾波器法(Multi-ChannelPolarimetricWhiteningFilter,MCPWF)。該方法從極化測量矢量的協(xié)方差矩陣出發(fā),在保持PWF最少相干斑圖像輸出的同時,利用白化矩陣得到了3個極化通道經(jīng)白化濾波后的輸出圖像。Pi-SAR實測數(shù)據(jù)的實驗結(jié)果驗證了本文所得到的3個通道的輸出圖像較原始圖像有更少的相干斑。2復(fù)高斯極化矢量在滿足互易定理的情況下,極化SAR測量矢量可表示為式中HH式中C=E{YY式中g(shù)為服從Gamma分布的紋理變量,用來表征地表的輻射特征,與場景的起伏有關(guān),X為獨立的復(fù)高斯極化矢量,用來表征相干斑,g和X是獨立的。PWF的核心思想是通過復(fù)極化測量矢量Y的各分量之間的最優(yōu)組合來構(gòu)造一幅相干斑最少的圖像,衡量相干斑強弱的指標是圖像標準差與均值之比:式中y為功率圖像。該指標的值越大說明相干斑越強。給定極化測量矢量Y,構(gòu)造輸出圖像形式如下:式中,加權(quán)矩陣A為非負定Hermite對稱陣以保證輸出圖像強度不出現(xiàn)負值。這樣,相干斑抑制問題就轉(zhuǎn)化為求最優(yōu)加權(quán)矩陣A式中tr(?)表示矩陣的跡,λ式中式中等號成立的條件為λ由上述推導(dǎo)可知,最優(yōu)加權(quán)矩陣AA忽略倍乘因子g,可得式中3復(fù)加權(quán)后改變的圖像由式(12)可以看出,PWF將輸入的3個通道的數(shù)據(jù)進行復(fù)加權(quán)后只得到了一個通道的圖像。為了在分類、檢測及識別等圖像的后續(xù)處理中仍然能夠利用3個通道的極化數(shù)據(jù),有必要在相干斑抑制時保留極化通道數(shù)目,而不僅僅是輸出一幅圖像。3.1極化測量矢量的其他形式設(shè)極化SAR的測量矢量Y設(shè)C根據(jù)式(11)和式(13)可得:式中Y其中下三角矩陣G于是YY交換式(1)中元素的順序,可得到極化測量矢量的另外兩種形式:利用類似推導(dǎo)可得:式中由于極化測量矢量中元素位置的交換并不帶來更多的信息,因此Y3.2多見為求得多視時VV極化白化后的結(jié)果,令C式中Y式中易知,式(25)中對角線上的元素C4基于amcp向的自適應(yīng)方法在PWF和MCPWF處理的過程中,都需要估計協(xié)方差矩陣中的元素。估值可以采用非自適應(yīng)和自適應(yīng)兩種方法,其中非自適應(yīng)方法在整個圖像區(qū)域內(nèi)計算協(xié)方差矩陣,自適應(yīng)方法則在滑動矩形窗內(nèi)提取協(xié)方差矩陣。一般將利用非自適應(yīng)方法估值的極化白化濾波器簡稱為PWF,將對應(yīng)的自適應(yīng)方法簡稱為APWF(AdaptivePolarimetricWhiteningFilter)。類似地,本文將非自適應(yīng)估值的多通道極化白化濾波器簡稱為MCPWF,而將對應(yīng)的自適應(yīng)方法簡稱為AMCPWF(AdaptiveMulti-ChannelPolarimetricWhiteningFilter)。實驗中使用的是日本Pi-SAR全極化4視數(shù)據(jù),從圖像中截取400×400像素的場景。對于自適應(yīng)方法,為避免因窗口過小而導(dǎo)致參數(shù)估計不準確,滑動窗口大小取為31×31像素。選取圖像左半部分較暗的均勻場景計算參數(shù)sm以評估相干斑抑制效果。表1給出了文獻[6]的方法和本文方法對各個極化通道的相干斑抑制效果比較?？梢钥闯?在非自適應(yīng)情況下,文獻[6]的方法只對VV通道的相干斑有抑制作用,而HH和HV通道的相干斑沒有得到任何抑制;在自適應(yīng)情況下,由于采用滑動窗對協(xié)方差矩陣進行估值,任一通道圖像不同像素對應(yīng)的白化矩陣G表2給出了PWF和MCPWF對總功率圖像的相干斑抑制效果比較?？梢钥闯?在非自適應(yīng)情況下,考慮了相同極化和交叉極化相關(guān)性的PWF比未考慮相關(guān)性的PWF的相干斑抑制效果要好一些;對自適應(yīng)情況,相同極化與交叉極化的相關(guān)性并不會顯著影響PWF的相干斑抑制性能。如前所述,MCPWF的總功率圖像與相同極化與交叉極化相關(guān)時PWF的結(jié)果相同,因此這兩種方法對輸出總功率圖像的相干斑抑制作用是相同的。圖1給出了3個極化通道的原始圖像以及對應(yīng)的經(jīng)MCPWF和AMCPWF處理后的結(jié)果。從圖1中可以看出,經(jīng)MCPWF處理后,3個通道的輸出圖像在視覺上顯得更為清晰,圖中右邊的細節(jié)部分更加清楚。利用窗口大小為31×31的AMCPWF處理后,圖中的邊緣信息更加突出,而細節(jié)部分有一定的損失,這也是自適應(yīng)方法的一個缺點5mcpql抑制效果本文在研究PWF的基礎(chǔ)上,提出了多通道極化白化濾波器(MCPWF),該方法克服了PWF的輸出只有一個通道的缺點,在保持PWF最少相干斑輸出圖像的同時,利用白化矩陣得到了