一种基于NSST域三维块匹配的SAR图像相干斑抑制方法

摘要

本发明涉及一种基于NSST域三维块匹配的SAR图像相干斑抑制方法，属于雷达信号处理技术领域。该方法基于BM3D去噪框架，使用灰度理论进行相似性度量，在NSST域对相干斑进行两次去噪滤除，具体包括：灰度相似块匹配，NSST域相干斑滤除和聚集；在第二次去噪时，利用原图像和基础估计结果进行联合维纳滤波输出最终的相干斑抑制SAR图像。本发明同时利用了SAR图像的自相关性和稀疏性，不仅利用灰度相似块匹配方法增加相似块匹配的鲁棒性，并且在最优稀疏性的NSST域进行相干斑滤除，能够在去除相干斑的同时尽量保留图像的边缘纹理信息。

说明书

技术领域

本发明属于雷达信号处理技术领域，涉及一种基于NSST域三维块匹配的SAR图像相干斑抑制方法。

背景技术

星载合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)作为一种全天时全天候的高分辨率成像传感器，可对地进行实时观测。高分辨率、较短的观测周期及较强的时效性等强大有点都是使得SAR系统被军民广泛应用的原因。但它有一个不可避免的原理性缺点，由于SAR固有的相干成像系统，雷达回波信号中带有噪声，使物体在图像的像素上呈现颗粒状，在SAR图像上表现为一些灰度强弱不等的斑点，称为相干斑噪声。相干斑噪声的存在使得图像信噪比降低，为SAR图像分割、舰船检测、鉴别及分类带来很大的困难，因此需要对相干斑抑制进行研究。根据相干斑抑制发生的时间，相干斑抑制方法可被分为成像前的多视处理方法和成像后的滤波类方法。多视处理技术相对来说比较单一，而滤波类技术有空域滤波、变换域滤波、非局部均值滤波方法及其他方法。其中空域滤波是一种静态的局部滤波方法，因此容易引起块效应，不利于细节边缘处的相干斑抑制。变换域滤波能够利用到图像的稀疏性，是一种非常优秀的相干斑抑制方法。非局部均值滤波是在空域滤波上发展而来，能够利用到图像的自相似性，是一种非常有前景的方法，但仍有一定程度的缺陷。公开号为CN111783583A的专利申请“基于非局部均值方法的SAR图像相干斑抑制方法”，仅利用到了图像的自相似性，没有利用到图像的稀疏性。近年来有学者将变换域滤波和非局部均值滤波进行结合，提出了三维块匹配(Block Matching and 3D，BM3D)滤波，不仅利用到了图像的自相似性，还利用到了图像的稀疏性，因此在自然图像中效果很好。公开号为CN109919870A的专利申请“一种基于BM3D的SAR图像相干斑抑制方法”，用对数变换将相干斑进行同态BM3D滤波，但在一定程度上会产生失真。

本方法将BM3D引入SAR图像相干斑抑制中，利用数学等价变形将相干斑噪声转化为加性噪声。在相似块匹配中使用灰度理论进行相似块度量，具有很好的鲁棒性，另外将相似块组变换到最优稀疏性的非采样剪切波变换(Non-Subsampled Shearlet Transform，NSST)域进行实际的相干斑滤除。本方法能够在有效抑制相干斑的同时保证图像的细节边缘。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于NSST域三维块匹配的SAR图像相干斑抑制方法，解决现有SAR图像相干斑抑制方法不能在抑制相干斑的同时很好地保持边缘纹理的问题。该方法将BM3D引入SAR图像相干斑抑制中，利用数学等价变形将相干斑噪声转化为加性噪声；在相似块匹配中使用灰度理论进行相似块度量，具有很好的鲁棒性，另外将相似块组变换到最优稀疏性的非采样剪切波变换(Non-Subsampled Shearlet Transform，NSST)域进行实际的相干斑滤除；使得本方法能够在有效抑制相干斑的同时保证图像的细节边缘。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于NSST域三维块匹配的SAR图像相干斑抑制方法，基于BM3D去噪框架，使用灰度理论进行相似性度量，在NSST域对相干斑进行两次去噪滤除，具体包括：灰度相似块匹配，NSST域相干斑滤除和聚集；在第二次去噪时，利用原图像和基础估计结果进行联合维纳滤波输出最终的相干斑抑制SAR图像。

进一步，该方法具体包括以下步骤：

S1：输入待处理的SAR图像，设置搜索框和块大小；

S2：计算搜索框内所有图像块与参考块的相似度；

S3：选择最相似的前Q-1个图像块，与参考块组成相似块组；

S4：对相似块组使用NSST变换获得多尺度多方向的NSST系数，使用硬阈值滤波得到相应的收缩系数；

S5：对处理后的收缩系数进行NSST逆变换，并根据步骤S2中的相似度计算得到相对干净的去噪参考块；

S6：遍历完整幅SAR图像后将所有去噪图像块按照位置进行聚集输出基础估计SAR图像；

S7：对基础估计获得的SAR图像重复步骤S2得到相似块组；此时有两个相似块组，一个来自基础估计SAR图像，另一个来自原SAR图像，但位置由基础估计SAR图像相似块组的位置所决定；

S8：在NSST域对两个相似块组进行联合维纳滤波并NSST逆变换得到收缩系数；

S9：按位置聚集得到最终估计SAR图像；

S10：移到下一个参考窗，重复步骤S2-S9，直至遍历完整个SAR图像。

进一步，步骤S1中，输入待处理的SAR图像，设置搜索框大小为N×N，图像块大小为M×M；

进一步，步骤S2中，相似度计算公式为：

B

B

其中，B

进一步，步骤S2中，B

其中，Δ

进一步，步骤S4中，参考块在NSST域相干斑抑制过程为：

1)进行NSST变换得到各尺度各方向上的非下采样剪切波系数；

2)对变换系数进行硬阈值滤波得到收缩的NSST系数；

3)NSST反变换；

4)按照相似度作为权重得到相干斑抑制基础估计的参考块。

进一步，步骤S8中，参考块在NSST域相干斑抑制过程为：

1)进行NSST变换得到各尺度各方向上的非下采样剪切波系数；

2)对变换系数进行联合维纳滤波得到收缩的NSST系数；

3)NSST反变换；

4)按照相似度作为权重得到相干斑抑制最终估计的参考块。

本发明的有益效果在于：本发明同时利用了SAR图像的自相关性和稀疏性，不仅利用灰度相似块匹配方法增加相似块匹配的鲁棒性，并且在最优稀疏性的NSST域进行相干斑滤除，能够在去除相干斑的同时尽量保留图像的边缘纹理信息。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明基于NSST域三维块匹配的SAR图像相干斑抑制方法系统框图；

图2为本发明与其他各种相干斑抑制方法对真实SAR图像的处理效果对比图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

请参阅图1～图2，本发明优选了一种基于NSST域三维块匹配的SAR图像相干斑抑制方法，如图1所示，同时利用SAR图像的自相似性和稀疏性，在抑制相干斑的同时保持地物目标的细节信息。该方法具体步骤为：

步骤一：输入待处理的SAR图像，设置搜索框大小为N×N，块大小为M×M；

步骤二：计算搜索框内所有块与参考块的相似度；

首先需要计算它们的关联系数，计算公式为：

其中，Δ

相似度计算公式如下：

其中，B

步骤三：选择最相似的前Q-1个图像块，与参考块组成相似块组；

步骤四：对相似块组使用NSST变换获得多尺度多方向的NSST系数，使用硬阈值滤波得到相应的收缩系数；

1)进行NSST变换得到各尺度各方向上的非下采样剪切波系数；

2)对变换系数进行硬阈值滤波得到收缩的NSST系数；

3)NSST反变换；

4)按照相似度作为权重得到相干斑抑制基础估计的参考块。

步骤五：对处理后的变换系数进行NSST反变换并根据步骤S2中的相似权重计算得到相对干净的去噪参考块；

步骤六：遍历完整幅SAR图像后将所有去噪图像块按照位置进行聚集输出基础估计SAR图像。

步骤七：对基础估计获得的SAR图像重复步骤二得到相似块组。此时有两个相似块组，一个来自基础估计SAR图像，另一个来自原SAR图像，但位置由基础估计SAR图像相似块组的位置所决定；

步骤八：在NSST域对两个相似块组进行联合维纳滤波并NSST反变换得到收缩系数；

1)进行NSST变换得到各尺度各方向上的非下采样剪切波系数；

2)对变换系数进行联合维纳滤波得到收缩的NSST系数；

3)NSST反变换；

4)按照相似度作为权重得到相干斑抑制最终估计的参考块。

步骤九：按位置聚集得到最终估计SAR图像。

通过以下仿真实验对本发明效果作进一步验证说明。

步骤十：移到下一个参考窗，重复步骤二～九，直至遍历完整个SAR图像。

对比验证实验：

实验中用到的图片为Kilauea(512×512)，如图2(a)，将本发明方法与经典的增强Lee滤波和去噪效果良好的SAR-BM3D进行对比。从图2可以看出，使用增强Lee滤波的效果最差，它使得图像产生过度的模糊，且没有很好地抑制相干斑，如图2(b)；而SAR-BM3D较好地抑制了相干斑噪声，但同样对图像产生了过多的平滑，没有很好地保持图像的细节边缘，如图2(c)；而使用本发明方法(如图2(d))处理后的图像避免了上述缺点，较好地保持了图像边缘并抑制了相干斑。

综上所述，仿真实验验证了本发明的有效性。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。