本發(fā)明涉及一種估計雷達(dá)圖像噪聲功率的新方法。

背景技術(shù)：

雷達(dá)圖像超分辨率重建通常需要使用雷達(dá)成像系統(tǒng)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)（PSF）和平均噪聲功率的先驗知識。雷達(dá)PSF可以利用信號帶寬及雷達(dá)接收機(jī)匹配濾波器中降低副瓣的窗函數(shù)等知識進(jìn)行估計，也可通過記錄強(qiáng)點(diǎn)散射體（如三面角反射器）的散射數(shù)據(jù)進(jìn)行測定。系統(tǒng)噪聲功率通常建模為雷達(dá)接收機(jī)熱噪聲，噪聲的大小取決于接收機(jī)的溫度，所以理論上如果溫度已知，則可計算出噪聲功率。但實(shí)際系統(tǒng)中的噪聲還應(yīng)包含發(fā)射機(jī)/接收機(jī)非線性、氣相干擾以及模型未曾考慮的其它寄生雜散效應(yīng)等非熱噪聲的影響。對于寬帶雷達(dá)，這是尤其需要考慮的情況。

在雷達(dá)圖像超分辨率重建中，如果假定的噪聲太小，則超分辨率重建算法將過擬合數(shù)據(jù)，這將導(dǎo)致估計場景中寄生能量很高但相位相反的交替象素。PSF矩陣的平滑作用傾向于消除此類現(xiàn)象并產(chǎn)生近乎實(shí)測數(shù)據(jù)的圖像，但估計場景將不再是真實(shí)場景的準(zhǔn)確重建。如果假定的噪聲太大，則不管場景包含的是點(diǎn)目標(biāo)、展布式目標(biāo)還是雜波，估計場景都將由非常少的點(diǎn)目標(biāo)構(gòu)成，這是因為實(shí)測數(shù)據(jù)中任何對正確PSF的偏離都被認(rèn)為是噪聲而非目標(biāo)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的。由于我們不知道（或不能測出）非熱噪聲的影響，因此需要根據(jù)實(shí)測圖像數(shù)據(jù)本身估計總體系統(tǒng)噪聲。

假定雷達(dá)目標(biāo)具有高分辨率二維后向散射系數(shù)，當(dāng)從某一角度對目標(biāo)進(jìn)行成像時，將產(chǎn)生一幅特定的實(shí)測圖像。雷達(dá)成像過程可等效為雷達(dá)系統(tǒng)PSF與高分辨率目標(biāo)場景的卷積，在數(shù)學(xué)上可表示為：

這里f為高分辨率目標(biāo)場景；T是反映雷達(dá)成像系統(tǒng)PSF作用的矩陣（即成像算子）；g為低分辨率實(shí)測圖像；n為系統(tǒng)噪聲。

設(shè)潛在場景的一個估計為f_est，則對于每個距離單元，其平均噪聲功率的一種估計為：

這里N是距離單元的數(shù)目。

說明書附圖1為利用上述噪聲功率估計算法，對某多目標(biāo)一維場景噪聲功率（相對于最強(qiáng)目標(biāo)，加入了-30dB的噪聲功率；假定目標(biāo)多普勒頻率已知）進(jìn)行估計所得的結(jié)果與輸入給上述算法的假定噪聲功率的對比曲線（實(shí)線），曲線通過多次運(yùn)行上述噪聲功率估計算法得到，假定噪聲功率在-140～40dB范圍內(nèi)。圖中同時給出了一條一致線（自洽線），在該線上估計噪聲功率等于假定噪聲功率。從說明書附圖1可以看出，當(dāng)假定噪聲功率處于-30dB～-45dB之間時，由算法獲得的噪聲功率與假定噪聲功率近似一致，該噪聲功率區(qū)間包含了-30dB的真實(shí)噪聲功率值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

上述噪聲功率估計算法只能確定圖像真實(shí)噪聲功率的大致范圍，不能確定圖像真實(shí)噪聲功率的具體準(zhǔn)確值。為了克服上述噪聲功率估計算法的不足，本發(fā)明提供了一種新穎的雷達(dá)圖像噪聲功率估計方法，以實(shí)現(xiàn)對雷達(dá)圖像噪聲功率的準(zhǔn)確估計。

本發(fā)明所采用的具體技術(shù)方案即噪聲功率估計方法如下：

假定噪聲的標(biāo)準(zhǔn)偏差是σ_in，我們首先定義一個自洽度參量如下：

其中σ_est為噪聲功率估計值的標(biāo)準(zhǔn)偏差。顯然，。當(dāng)輸入的假定噪聲功率與估計噪聲功率相等時，SC達(dá)到最大值。對一系列輸入噪聲功率進(jìn)行測量，獲得的自洽度曲線如說明書附圖2中的實(shí)線所示?？梢钥闯觯绻米郧⒍茸鳛楣烙嬚鎸?shí)噪聲功率大小的唯一依據(jù)，將存在不確定之處：真實(shí)噪聲功率應(yīng)為-30dB還是-45dB。

確定估計場景數(shù)據(jù)是否過擬合的一種方法是比較估計場景與實(shí)測圖像的功率大小。當(dāng)數(shù)據(jù)被過擬合時，估計場景中將寄生能量很大但相位相反的交替像素，這些像素通常具有比實(shí)測數(shù)據(jù)更大的幅值。這里我們定義一個無寄生測度（SF）參量進(jìn)行度量：當(dāng)估計場景功率小于實(shí)測圖像功率時，SF等于1，否則SF等于實(shí)測圖像功率與估計場景功率的比值，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

顯然，該值處于0~1之間。對所有像素的SF求平均即得整個場景的SF：

當(dāng)SF接近1時，數(shù)據(jù)不會過擬合，估計場景中將不會寄生能量很大但相位相反的交替像素。SF與輸入給算法的假定噪聲功率的比較曲線如說明書附圖2中的點(diǎn)劃線所示。當(dāng)假定的噪聲功率很大時，SF等于1；隨著假定噪聲功率的減小，當(dāng)減小到剛好低于實(shí)際噪聲功率-30dB時，SF迅速下降到0.1；對于所有低于該值的假定噪聲功率，SF基本保持為0.1不變。這說明SF值對導(dǎo)致估計場景寄生交替像素的低假定噪聲否決效果好。

本發(fā)明定義一種聯(lián)合參量對噪聲功率進(jìn)行估計，這種聯(lián)合參量定義為上述自洽度與無寄生測度兩個參量的乘積：

聯(lián)合參量曲線如說明書附圖2中的虛線所示，從該曲線可以看出，在真實(shí)噪聲功率-30dB處具有一明確的峰值。利用這種噪聲功率估計方法，對具有不同目標(biāo)數(shù)目和不同實(shí)際噪聲功率的圖像的噪聲功率進(jìn)行估計，發(fā)現(xiàn)噪聲功率估計結(jié)果與實(shí)際噪聲功率均基本一致，誤差很小，通常在幾個dB之內(nèi)。

現(xiàn)有技術(shù)將雷達(dá)成像系統(tǒng)噪聲功率建模為雷達(dá)接收機(jī)熱噪聲，根據(jù)接收機(jī)的溫度人工確定圖像噪聲功率的大小，但實(shí)際雷達(dá)成像系統(tǒng)特別是寬帶雷達(dá)成像系統(tǒng)中的噪聲還應(yīng)包含發(fā)射機(jī)/接收機(jī)非線性、氣相干擾以及其它寄生雜散效應(yīng)等非熱噪聲的影響。因此，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：（1）利用本文方法對雷達(dá)圖像噪聲功率進(jìn)行估計，同時考慮了熱噪聲和非熱噪聲，估計結(jié)果更全面準(zhǔn)確；（2）本文方法實(shí)現(xiàn)了對雷達(dá)圖像噪聲功率的自動估計，無需人工根據(jù)雷達(dá)接收機(jī)溫度進(jìn)行計算確定；（3）利用本文方法求得的噪聲功率，能得到更好的超分辨率重建圖像。

附圖說明

圖1為估計噪聲功率與假定噪聲功率對比曲線；圖2為噪聲功率估計的優(yōu)化圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、工作流程、使用方法達(dá)成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合說明書附圖2對本發(fā)明進(jìn)一步說明。

本發(fā)明所提出的噪聲功率估計方法的實(shí)現(xiàn)步驟如下：

（1）首先定義一個自洽度參量如下：

其中σ_in為假定噪聲的標(biāo)準(zhǔn)偏差，σ_est為噪聲功率估計值的標(biāo)準(zhǔn)偏差，。當(dāng)輸入的假定噪聲功率與估計噪聲功率相等時，SC達(dá)到最大值。對一系列輸入噪聲功率進(jìn)行測量，獲得的自洽度曲線如說明書附圖2中的實(shí)線所示。可以看出，利用自洽度作為估計真實(shí)噪聲功率大小的唯一依據(jù)，將存在不確定之處：真實(shí)噪聲功率應(yīng)為-30dB還是-45dB；

（2）然后定義一個無寄生測度（SF）參量：當(dāng)估計場景功率小于實(shí)測圖像功率時，SF等于1，否則SF等于實(shí)測圖像功率與估計場景功率的比值，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

顯然，該值處于0~1之間。對所有像素的SF求平均即得整個場景的SF：

SF與輸入給算法的假定噪聲功率的關(guān)系曲線如說明書附圖2中的點(diǎn)劃線所示。當(dāng)假定的噪聲功率很大時，SF等于1；隨著假定噪聲功率的減小，當(dāng)減小到剛好低于實(shí)際噪聲功率-30dB時，SF迅速下降到0.1；對于所有低于該值的假定噪聲功率，SF基本保持為0.1不變。這說明SF值對導(dǎo)致估計場景寄生交替像素的低假定噪聲否決效果好。

（3）最后定義一種聯(lián)合參量（自洽度與無寄生測度的乘積）對噪聲功率進(jìn)行估計：

聯(lián)合參量曲線如說明書附圖2中的虛線所示，從該曲線可以看出，在真實(shí)噪聲功率-30dB處具有一明確的峰值。從而成功實(shí)現(xiàn)了對圖像真實(shí)噪聲功率的估計。

以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。