基于NVIDIA GPU 的机载SAR 实时成像处理算法CUDA 设计与实现

合成孔径雷达(SAR)成像处理的运算量较大,在基于中央处理器(Central Processing Unit, CPU)的工作站或服务器上一般需要耗费较长的时间,无法满足实时性要求。借助于通用并行计算架构(CUDA)编程架构,该文提出一种基于图形处理器(GPU)的SAR 成像处理算法实现方案。该方案解决了GPU 显存不足以容纳一景SAR 数据时数据处理环节与内存/显存间数据传输环节的并行化问题,并能够支持多GPU 设备的并行处理,充分利用了GPU设备的计算资源。在NVIDIA K20C 和INTEL E5645 上的测试表明,与传统基于GPU 的SAR 成像处理算法相比,该方案能够达到数十倍的速度提升,显著降低了处理设备的功耗,提高了处理设备的便携性,能够达到每秒约36兆采样点的实时处理速度。      

基于压缩感知的图像压缩抗干扰重构算法

针对传统图像变换压缩方法压缩的图像经无线信道传输时受高斯随机干扰导致重要变换系数失真出现重构图像局部内容缺失的现象,本文根据压缩感知(CS)信号分量具有同等重要性的特性,理论分析了去除失真CS信号分量以抵御干扰的可行性,提出一种基于CS的图像压缩抗干扰重构算法。算法首先假定已知受高斯随机干扰的比特所对应的CS信号分量的位置,然后根据这些位置确定新的CS信号和重构矩阵,再进行阈值迭代重构。仿真结果表明,本文算法在低误码率(BER)下得到精确重构的图像,在高BER下得到图像内容无缺失仅全局质量小幅下降的重构图像。因此,基于CS的图像压缩抗干扰重构算法能够较好地克服变换压缩方法以及阈值迭代重构算法抗干扰能力低的不足,从而为图像无线传输抗高斯随机干扰问题提供一种可行的解决方案。     

基于压缩感知的连续场景稀疏阵列SAR三维成像

该文提出一种基于压缩感知的连续场景稀疏阵列SAR 3维成像方法。利用多孔径观测结构,使SAR复图像在频域和变换域具备稀疏性,将压缩感知(CS)方法引入频域和变换域的信号处理过程中,实现高分辨率3维成像,获得与满阵成像结果相同的成像质量。该文方法适用于随机稀疏阵列,可减少对高程向阵型的设计约束,为孔径综合处理后无法获得满阵条件下实现对地成像提供了可能。仿真试验验证了该文方法的有效性。     

一种改进的机载前斜视SAR二次距离压缩成像算法

该文基于斜视距离模型,直接推导了适用于大斜视合成孔径雷达(SAR)成像的二次距离压缩(SRC)算法,在此基础上提出了一种改进的机载前斜视SAR的SRC成像算法。通过补偿距离频率的三次相位项,有效改善了大斜视SAR成像距离压缩旁瓣非对称畸变的问题,通过补偿波束前视引入的平动相位项,解决了图像位置在方位向发生偏移的问题。给出了实现步骤和算法流程,对比了不同斜视角情况下算法改进前后的成像效果。仿真表明,该算法能有效改善大斜视SAR的成像质量,适合于大斜视机载SAR成像。     

复杂轨迹合成孔径雷达后向投影算法图像流GPU成像

相对于基于傅里叶变换的频域成像算法,后向投影( BP)算法因采用时域逐点相干积累,更适合于复杂轨迹合成孔径雷达( SAR)高精度成像。但BP算法计算量巨大,限制了其应用于SAR大场景大数据量快速成像。图形处理器( GPU)具有强大浮点运算和并行处理能力,为大场景BP算法快速成像实现提供了途径。结合GPU并行处理,提出了一种基于图像流的复杂运动SAR大场景BP快速成像处理方法。该方法借助BP算法中图像像素点相互独立处理的特性,采用图像像素点并行及图像流程处理,设计了孔径与图像缓存调度方案,提高SAR大场景大数据BP算法成像效率。仿真和机载实测数据结果验证了方法的有效性,在有限GPU显存条件下实现了8192×8192大场景快速成像,并且成像加速比相对于传统CPU单线程处理可达300倍以上。     

基于光滑0范数压缩感知的多光谱图像去马赛克算法

提出了一种基于压缩感知(CS)的多光谱滤波阵列(MSFA)的多光谱图像去马赛克算法(DMA)。 首先,通过将MSFA采样得 到马赛克图像的过程等效为CS理论中的感知矩阵采样的过程,并充分利用多光谱图 像的空间和谱间 相关性,通过在三维空间傅里叶基上对多光谱图像进行稀疏表示;然后由随机MSFA模式和CS 理论构造的测量矩阵对多光谱图像进行观测投影,最后采用CS重构算法求解0范 数下的最优化问 题,从而得到多光谱图像的稀疏表示系数。给出对算法性能的评估数据和Matlab仿真 图片。实验结果证明,本文算法的峰值信噪比(PSNR)值高于克罗内克CS(KCS)和组稀疏(GS)两种算法,且有效地减少了上述两种算法中出现的模糊现 象,改善了图像的视觉效果。     

基于调频率捷变的抗移频干扰SAR成像方法

随着合成孔径雷达(SAR)图像的分辨率提高,基于高分辨率SAR图像的舰船检测成为海洋遥感应用中的一个重要课题。针对高分辨率SAR图像,为获取精确的、完整的舰船目标信息而提出一种基于改进的相干散射点(CS)提取的舰船检测方法。该方法的核心是利用SAR图像复数据的确定目标特性,提取出CS,该方法不仅利用了图像复数据的幅度信息,同时利用了相位信息。首先对于原始高分辨率SAR图像复数据进行距离向子视处理,获取子视图像像素的相关系数;然后,由于SAR图像分辨率较高,为获取完整的舰船目标信息,引入局部图像平均相关系数处理;最后设定相关系数阈值,从海域中提取出舰船目标,完成舰船检测。仿真实验结果验证了该检测方法的有效性。     

基于无监督域适应的仿真辅助SAR目标分类方法及模型可解释性分析

卷积神经网络(CNN)在光学图像分类领域中得到广泛应用,然而,合成孔径雷达(SAR)图像样本标注难度大、成本高,难以获取满足CNN训练所需的样本数量.随着SAR仿真技术的发展,生成大量带标签的仿真SAR图像并不困难.然而仿真SAR图像样本与真实样本间难免存在差异,往往难以直接支撑实际样本的分类任务.为此,该文提出了一种...     

一种基于动态解码的SAR原始数据饱和校正方法

由于星载SAR原始回波数据的量化动态范围通常较小,故实际运行中,原始数据饱和的情况时有发生,成为影响图像质量的重要因素之一。该文针对星载SAR常用的均匀量化和分块自适应量化(BAQ)压缩两种方式,分别提出了基于动态解码的饱和校正方法,有效减小了图像的饱和功率损失,提高了SAR图像辐射精度,并改善了图像信噪比。仿真结果验证了该文方法的有效性。     

基于频域稀疏压缩感知的星载SAR稀疏重航过3维成像

星载合成孔径雷达(SAR)稀疏重航过3维成像技术通过交轨向的多次飞行观测,获得观测场景的第3维分辨。该文给出了单颗卫星SAR稀疏重航过轨道分布,为有效缩短重访时间,同时给出了编队双星SAR轨道分布,对应的交轨向等效孔径长度为20 km。提出了一种基于干涉处理和频域压缩感知(CS)的稀疏3维成像方法,利用稀疏重航过中的部分回波形成参考3维复图像,对待重建SAR 3维图像信号进行干涉处理,使信号在频域具备稀疏性。在大轨道分布范围下,建立频域距离向-交轨向线性测量矩阵,利用CS理论联合求解稀疏表征下的图像频谱,避免交轨向和距离向的回波信号耦合。将求解所得频谱逆变换至空间域,可得到观测场景的3维图像重建结果。仿真结果表明,该文方法在稀疏采样率74.4%条件下,仍可获得与满采样成像性能相当的结果,验证了干涉处理频域稀疏方法在星载SAR 3维成像中的有效性。     

用聚束SAR对慢速运动目标进行轨迹跟踪和参数估计的方法

针对聚束式合成孔径雷达(SAR)动目标检测的问题,把回波信号进行连续重叠地时域分组,每组信号可以看成是来自一个时域子孔径, 然后在每个子孔径内分别成像。地面固定目标在每幅图像上的成像情况是相同的, 通过彼此相减就可以消去,达到了抑制杂波的目的,而运动目标由于每个时刻的位置都在变化,在每幅图像上的位置是不同的, 从而在相减后剩余下运动目标的图像,把这些图像拼接起来就再现了运动目标的运动轨迹,根据运动轨迹就可以对其运动参数进行估计。该文给出了这个方法的原理推导和具体的检测过程。仿真结果证明了该方法的有效性。     

基于STFT和WT的SAR干扰抑制算法

窄带干扰(NBI)和宽带干扰(WBI)作为合成孔径雷达（SAR）中最为常见的两种干扰形式,它们的存在将会大幅度地降低SAR图像的质量.本文在对NBI和WBI的时频聚集性分析的基础上,提出一种联合短时傅里叶变换和小波变换的NBI和WBI抑制方法.该方法首先把SAR回波数据变换到短时傅里叶谱域再把短时傅里叶谱域数据变换到小...     

基于高分三号SAR数据的城市建筑高分辨率高维成像

传统合成孔径雷达(SAR)只能获取方位-距离二维图像,无法准确反映目标的三维散射结构信息.层析合成孔径雷达(TomoSAR)是一种多基线干涉测量模式,它将合成孔径原理扩展至高程向,除了可对目标进行二维成像之外,还可以准确恢复目标的高度向散射信息,真正实现三维成像.差分层析合成孔径雷达(D-TomoSAR)将合成孔径原理...     

PR-based SAR reconstruction algorithm for phase noise mitigation based on the hidden convexity

The performance of synthetic aperture radar (SAR) reconstruction is significantly deteriorated by the random phase noises arising from the atmospheric turbulence or frequency jitter of the transmit signal. Recently, the emerging phase retrieval (PR) technique is gradually extended to the SAR reconstruction problem via the phase-corrupted data attributing to its alluring potential for phase noise mitigation. In this paper, a novel PR-based SAR reconstruction algorithm for phase noise mitigation is proposed by jointing alternating direction method of multipliers (ADMM) and Kolmogorov spectral factorization (KoSF). Owing to the exploiting of the hidden convexity of PR-based SAR reconstruction problem and the structure advantage of the quadratic magnitude measurement, the proposed algorithm acquires better robustness for the complex-valued Gaussian white noises and the random phase noises than the existing PR-based SAR reconstruction algorithms. In the experiments, the synthetic scene data and the moving and stationary target recognition Sandia laboratories implementation of cylinders (MSTAR SLICY) target data are provided to verify the validity of the proposed algorithm.     

一种用于组合导航的SAR图像快速匹配算法

提出了基于合成孔径雷达(SAR)图像匹配技术的惯性导航系统(INS)/SAR组合导航方法。首先将计算机视觉领域的快速鲁棒性特征(SURF)算子用于对SAR图像的局部特征描述,然后对兴趣点建立快速索引,并用阈值为0.6的最近邻法则进行快速的初匹配,最后使用随机抽样一致(RSC)进一步去除错误的匹配点对。实验中,用2组真实的SAR数据对算法进行仿真并与尺度不变特征变换(SIFT)算子进行比较,结果显示,两者的鲁棒性相差很小,但在匹配时间上本文算法明显优于SIFT算子,本文算法更适用于组合导航的SAR图像匹配。     

基于去调频宽带LFM信号的二次距离压缩算法及其实时实现

该文在基于匹配滤波的二次距离压缩算法(SRC)基础上,通过对去调频的线性调频(LFM)信号的时、频域关系的分析,给出基于去调频LFM信号的SRC算法,与距离多普勒算法(RD)和普通LFM信号SRC算法对比,分析该算法的运算量,说明该算法适合于去调频体制SAR实时成像处理。对于去调频SAR数据采用该算法压缩得到清晰的图像,同时对比斜视下SRC与RD成像的结果。验证了在高分辨率实时成像时SRC算法优于RD算法。     

Three-dimensional surface reconstruction from multistatic SAR images

This paper discusses reconstruction of three-dimensional surfaces from multiple bistatic synthetic aperture radar (SAR) images. Techniques for surface reconstruction from multiple monostatic SAR images already exist, including interferometric processing and stereo SAR. We generalize these methods to obtain algorithms for bistatic interferometric SAR and bistatic stereo SAR. We also propose a framework for predicting the performance of our multistatic stereo SAR algorithm, and, from this framework, we suggest a metric for use in planning strategic deployment of multistatic assets.     

Watermarking with refined perceptual masking tuned for synthetic aperture radar images

A watermarking scheme designed for remote sensing images needs to meet the same demand of both invisibility as for ordinary digital images.Due to specific perceptual characteristics of Synthetic Aperture Radar （SAR） images,the watermarking algorithms with consideration of Human Vision System （HVS） modeling from optical images give poor performance when applied on SAR images.This paper examines a variety of factors affecting the noise sensitivity,and further proposes a refined pixel-wise masking approach for watermarking on SAR images.The proposed approach is applied on logarithmic transformed SAR images,and has increased the acceptable watermark embedding strength by about 6 dB to 10 dB while achieving the same levels of watermarked image visual quality.Experimental results show that this approach enhanced the perceptual invisibility of watermarking based on wavelet decomposition.     

MIMO雷达近场成像校准与互耦合补偿方法

毫米波频段的合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar, SAR）因拥有良好的方位向分辨率而受到广泛关注,同时在发射端和接收端采用多根天线多输入多输出（Multiple?Input Multiple?Output, MIMO）的方式可以极大提高信道容量。然而MIMO?SAR图像重建计算较为复杂,且多个通道间幅相不一致和相互耦合容易导致图像出现伪影,严重影响成图质量。基于此,本文对引入非均匀快速傅里叶变换（Nonuniform Fast Fourier Transform, NUFFT）简化的距离迁移算法（Range Migration Algorithm, RMA）成像算法进行了研究;在分析扫描架运动抖动对相位影响的基础上,探究了通过照射金属反射面的MIMO阵列校准方法,实现了192个通道的同时校准;并搭建了毫米波SAR系统实验平台,对伪影消除、成像分辨率等开展了验证实验。实验结果实现了图像重构,成像分辨率达到了2 mm,完成200 mm×200 mm孔径扫描时间缩短至120 s。