实时SAR成像系统矩阵转置方法研究与实现

合成孔径雷达（SAR）是一种高分辨率成像雷达,而矩阵转置是实时SAR成像信号处理中一个很重要的操作,矩阵转置的效率高低将直接决定整个SAR成像信号处理系统的性能。对于矩阵转置,可采用行进列出或列进行出、两页式或三页式转置等方法进行处理,但这些方法处理时间较长,转置效率较低。在现有矩阵转置方法的基础上,提出了一种新的矩阵转置方法。在实际硬件平台上利用提出的矩阵转置方法进行了实时SAR成像处理,所得结果的矩阵转置效率为78%,整个SAR成像处理时间为10秒。测试结果表明,该方法对解决矩阵转置问题是行之有效的。     

无数据转置的并行SAR成像的研究和实现

目前比较成熟的SAR成像算法，无论是RD算法还是CS算法都需要有数据矩阵转置的操作，即完成数据从距离向到方位向的重新排序，实现矩阵转置不仅需要有海量的存储空间，而且存储器I／O性能限制也使得完成转置操作需要耗费大量时间，基于DSP系统，分别从算法和数据流的角度阐述两个免除数据转置的方法，并给出它们在DSP系统上的高效的并行实现，实验表明这两个方法是可行且有效的，加快了SAR的成像处理。     

合成孔径雷达成像系统逆存储转置器的DSP设计与实现

逆存储转置器(ICTM)是合成孔径雷达(SAR)实时成像处理系统的一个重要模块。本文设计的ICTM模块以TI的一款高性能定点DSP芯片TMS320C6415为核心处理器,两条大容量SDRAM作为外部存储器,实现输入数据的逆存储转置操作。软件编程采用并行处理方式,提高了代码执行效率。实际运行表明,模块能充分满足成像系统的实时性要求,同时其强大的处理能力也为今后处理更多的数据预留了空间。     

面向图像转置和分块处理的一种高效内存访问策略

图像转置和图像分块处理在目前图像处理过程中是经常用到的两种操作.对于实时图像处理,图像转置和图像分块的效率直接影响到实时性,而图像转置和图像分块的效率和内存访问效率密切相关.而访存效率与计算机体系结构、存储器结构和实际操作策略有直接的关系.根据存储器的读写特性提出一种分段存储的高效内存访问策略,通过理论分析得出合理的分段长度,即图像转置时分段长度的选择与DDR2 SDRAM的型号有关;而图像分块时分段长度的选择则与数据块的大小有关.结合工程实际应用还推导了普适的总线地址与存储器物理地址之间的映射,同时给出了一种硬件实现方式,针对不同的应用,仅需要替换地址映射模块,具有一定的通用性和扩展性.分段存储方法已经在SAR实时成像压缩系统中得到有效的验证.     

《计算机研究与发展》2003年(第40卷)总目次

第一期一种实时自适应滤波的方法和在SAR方位向预处理中的应用邵　洁　陈冰冰　姚　萍　王贞松 (1)………………………实时SAR成像系统中矩阵转置的设计和实现谢应科　张　涛　韩承德 (6 )……………………………………………………机载SAR实时成像系统自聚焦方法研究韩冀中　韩承德　王贞松 (12 )…………………………………………………………无数据转置的并行SAR成像的研究和实现莫志锋　韩冀中　王贞松　韩承德 (19)……………………………………………机载SAR实时成像系统中的数据可视化研究王　　章立生　王宏安　王贞松　韩…     

星载SAR成像处理器中转置存储器的FPGA实现

论述了合成孔径雷达(Synthetic aperture radar，SAR)成像处理器转置存储器(Corner turning memory，CTM)的功能和原理，提出了一种基于FPGA的星载SAR成像处理器CTM设计方案，分析了系统的参数及输入输出接口时序，给出了详细的硬件实现，并进行了功能和时序仿真。方案主要部分由一片XC2V500 FPGA和三片K6F3216T6M SRAM组成，采用三页式结构和输入输出并行处理方法，考虑了星上环境条件对器件的限制，可以实现星上SAR实时成像处理器的CTM系统。实验结果表明该CTM系统可行。     

多计算机上分布式矩阵转置

转角存储是信号处理中一个很重要的操作。本文研究了分布式矩阵的转置问题，介绍了分布式矩阵转置的实现步骤，分析矩阵转置的时间，并给出了处理时间的表达式，矩阵转置的硬件实现有重要的参考价值。     

POS数据在机载干涉SAR运动补偿中的应用

提出了一种利用高精度的定位定向系统(POS)数据,在SAR成像阶段实现机载干涉SAR运动补偿及图像配准的成像处理方法。该方法针对机载干涉SAR系统的双天线雷达数据对的特点,在成像阶段直接利用高精度的POS数据完成干涉SAR图像对的位置误差补偿、干涉相位误差补偿以及自动配准等过程。实际处理结果表明,该方法可以有效地提高机载干涉SAR的图像质量,改善复图像对之间的相干性,非常适用于机载双天线干涉SAR雷达数据的成像处理过程。     

实时SAR成像系统矩阵原位转置的实现

在合成孔径雷达成像处理系统中,矩阵转置已成为影响系统实时性的重要因素.为提高矩阵转置效率,提出一种用于快速矩阵原位转置的方案,基于现场可编程门阵列和同步动态随机存储器(SDRAM)实现该方案.系统测试结果表明,读写平均效率达到SDRAM峰值带宽的64％,验证了该方法可有效提高矩阵转置的总体效率.     

机载SAR实时成像系统自聚焦方法研究

发展我国自主产权的机载SAR（合成孔径雷达）实时成像系统，对于军事国防、资源探测、灾害预报等领域均具有重要的意义，在SAR成像算法中，自聚焦的好坏是影响图像分辨率的关键因素，但是因为自聚焦算法的复杂性，国内目前尚未有效地解决它在实时环境中的实现问题，从而使得实时成像的质量比较差，提出了一种利用GPS（全球定位系统）数据改善机载SAR实时成像系统自聚焦性能的实现方法，并在自主研制的机载SAR实时成像系统上实现，使该系统的成像分辨率得到明显改善。     

基于FPGA的高速数据转存系统

SAR雷达前端数据采集系统速度与存储系统容量的日益提高,对数据转存系统的性能提出了更高的要求以Xilinx公司Virtex-5系列FPGA为硬件平台,基于PCI—E协议与Aurora协议提出了一种高速数据转存系统解决方案．在Aurora协议基础之上,自定义了一种可靠的帧格式;利用双口RAM对数据进行缓存,以乒乓方式操作,确保了在输入、输出数据传输速率不匹配情况下数据传输的稳定性与可靠性：转存系统与PC通过PCI-E总线进行通信,命令交互采用PIO模式,图像与列表数据传输采用DMA模式．经实际测试,该方案能够满足某型号SAR雷达系统对高速数据转存的要求．     

基于PCI-E总线的高速数据传输卡的设计与实现

介绍了用于改善合成孔径雷达数据回放模块性能的高速数据传输卡的设计与实现;传输卡通过PCI Express总线与主机进行数据交互,配置两组DDR2SDRAM进行乒乓操作实现大容量高速缓存,在输入、输出数据传输率不匹配的情况下保证数据传输稳定、可靠;选用PLX公司的接口芯片PEX8311实现PCI Express总线接口功能,FPGA逻辑实现DDR2SDRAM控制器;测试结果表明,传输板数据传输率不低于100MB/s,工作状态稳定,达到了预期指标,具有一定的实用性和良好的应用前景。     

基于跨接约束的高分辨率SAR 影像与光学影像配准

为了实现高分辨率SAR 影像与光学影像之间自动/半自动配准, 提出了一种新颖、稳健的匹配算法。算法首先利用仿射变换进行SAR 影像和光学影像粗匹配, 简化了整体算法的处理复杂度;然后利用影像边缘稳健性, 使用边缘提取算子分别对SAR 影像和光学影像进行边缘提取, 为后续精匹配做好了数据准备; 最后使用基于边缘纹理跨接约束进行影像之间精匹配, 方法引入了邻域配准约束机制, 很好的解决了经典匹配多峰值效应, 提高了算法稳健性和实用性。以国内机载高分辨率SAR 数据和SPOT 25 PAN 数据为例进行算法验证, 实验结果表明该算法能实现自动/半自动的高分辨率SAR 和光学影像之间的像素级配准。     

基于极化合成的目标分类算法

极化合成是极化SAR图像处理的一种重要方法,它能在成像处理后,利用已获得的Sinclair矩阵重新生成任意极化方式下的雷达接收功率图像,并能通过选取收发天线极化状态相同或正交,分别得到描述目标散射特性的共极化特征图和交叉极化特征图。根据极化合成理论和极化特征图的概念,可以获取目标的最佳极化。将其作为分类器的输入特征量,提出了一种基于极化合成的目标分类算法,并对实测极化SAR数据进行了分类实验。结果表明,该算法对于从极化SAR数据中获取目标的最佳极化,进而对目标进行分类是可行和有效的。     

基于矩阵分解的海洋SAR图像舰船检测

针对海洋原始图像与低秩和稀疏矩阵分解模型数据结构不一致的问题,本文提出一种新的基于矩阵分解的海洋SAR图像舰船检测方法。首先该方法需对结构化相似的海洋SAR图像进行重组;然后根据重组矩阵特性适应性设计一个分解精度更高、分解速度更快的新矩阵分解模型,并利用增广拉格朗日乘子法求解模型,在不依赖任何杂波模型和检测统计量的前提下,实现代表舰船目标的稀疏成分的提取;最后利用形态学处理进行优化,实现海洋SAR图像舰船目标的检测。基于高分三号SAR卫星数据的实验结果表明,相比已有的基于鲁棒主成分分析的舰船检测方法,本文方法在处理复杂海况时,能更快速度地以较好的形状从海杂波中准确提取舰船目标,具有更好的鲁棒性。     

SAR图像多时相组合滤波方法

提出一种SAR图像多时相组合滤波方法,利用同区域多幅时间序列SAR图像构建最优线性组合,得到权矩阵,通过处理使多幅图像在信息互补过程中达到抑制斑噪的目的。利用3幅不同时相真实SAR图像进行滤波实验分析,并与经典SAR图像滤波方法比较,结果表明,该方法能够保持空间细节信息,且去除斑点噪声效果良好,可以同时应用于同一区域多幅SAR图像的滤波处理。     

非负矩阵分解在遥感图像融合中的应用

非负矩阵分解（Non-negative Matrix Factorization,NMF）算法是在矩阵中所有元素均为非负数的条件下的一种矩阵分解方法,这为矩阵分解提供了一种新的思路。非负矩阵分解方法在图像处理领域具有十分重要的应用意义。介绍了非负矩阵分解的基本思想,讨论了非负矩阵分解用于图像融合的可能性,并实现了基于非负矩阵分解的遥感SAR图像与SPOT图像的融合,NMF能通过观测图像数据找到图像的基矩阵,发现图像的特征,从而最终获得融合图像。不仅对基于NMF的融合方法进行了实验,而且对基于NMF的融合方法和基于小波的融合方法作了对比,并从主观和客观上来评价了这两种融合图像的质量。实验结果表明基于NMF的融合图像与原始的SAR图和基于小波的融合图像相比,能提供更多的信息,更适合作为实时定位的基准图。     

基于CPLD的图像采集存储模块的设计

基于嵌入式系统中对图像实时采集的需要,提出了一种利用复杂可编程逻辑器件CPLD来设计DSP图像压缩系统中数据采集存储模块的方案,重点讨论了CPLD在数据采集过程中的工作流程和控制方法。全文详细分析了CPLD输入输出信号的逻辑控制时序关系,分别就模拟I2C总线、数据采集的逻辑功能设计、CPLD逻辑功能仿真验证等进行了详细介绍。     

结合边缘和区域的活动轮廓模型SAR图像目标轮廓提取

目的 目标轮廓表征了目标形状,可用于目标方位角估计、自动目标识别等,因此提取合成孔径雷达（SAR）图像中的目标轮廓受到了人们的广泛关注。受SAR图像乘性噪声的影响,传统的目标轮廓提取方法应用在SAR图像时失效。针对这一问题,提出一种将基于边缘的活动轮廓模型和基于区域的活动轮廓模型相结合的活动轮廓模型。方法 以真实SAR图像为基础,分析了向量场卷积（VFC）活动轮廓模型以及区域竞争（RC）活动轮廓模型各自的特点和优势,发现这两个模型存在一定的互补性,因此将这两个模型进行了结合,得到了一种新的SAR图像目标轮廓提取方法。结果 基于真实SAR图像的实验结果表明,本文方法能较好地应对SAR图像信噪比较低、目标边缘模糊等特点,能准确地获得SAR图像目标轮廓。结论 本文方法可用于执行实际的SAR图像轮廓提取任务,为后续的SAR图像自动识别和特征级图像融合等任务提供了较为优良的输入信息。     

Coastline extraction from SAR images using spatial fuzzy clustering and the active contour method

Coastline extraction from synthetic aperture radar (SAR) data is difficult because of the presence of speckle noise and strong signal returns from the wind-roughened and wave-modulated sea surface. High resolution and weather change independent of SAR data lead to better monitoring of coastal sea. Therefore, SAR coastline extraction has taken up much interest. The active contour method is an efficient algorithm for the edge detection task; however, applying this method to high-resolution images is time-consuming. The current article presents an efficient approach to extracting coastlines from high-resolution SAR images. First, fuzzy clustering with spatial constraints is applied to the input SAR image. This clustering method is robust for noise and shows good performance with noisy images. Next, binarization is carried out using Otsu’s method on the fuzzification results. Third, morphological filters are used on the binary image to eliminate spurious segments after binarization. To extract the coastline, an active contour level set method is used on the initial contours and is applied to the input SAR image to refine the segmentation. Because the proposed approach is based on an active contour model, it does not require preprocessing for SAR speckle reduction. Another advantage of the proposed method is the ability to extract the coastline at full resolution of the input SAR image without degrading the resolution. The proposed approach does not require manual initialization for the level set method and the proposed initialization speeds up the level set evolution. Experimental results on low- and high-resolution SAR images showed good performance for coastline extraction. A criterion based on neighbourhood pixels for the coastline is proposed for the quantitative expression of the accuracy of the method.