一種改進的合成孔徑聲吶圖像Lee濾波算法*

金鳳來 鐘何平

(1.海軍裝備部駐天津地區防救軍事代表室 天津 300042)(2.海軍工程大學海軍水聲技術研究所 武漢 430033)

一種改進的合成孔徑聲吶圖像Lee濾波算法*

金鳳來1鐘何平2

(1.海軍裝備部駐天津地區防救軍事代表室 天津 300042)(2.海軍工程大學海軍水聲技術研究所 武漢 430033)

針對合成孔徑聲吶圖像相干斑抑制難的問題,提出了一種改進的Lee濾波相干斑抑制算法。該方法將Lee濾波與中值濾波相結合,能夠在保持圖像邊緣細節的同時有效消除相干斑。最后通過對真實合成孔徑聲吶圖像相干斑抑制試驗驗證了所提方法的有效性。

合成孔徑聲吶; 相干斑抑制; Lee濾波

1 引言

合成孔徑聲吶(Synthetic Aperture Sonar，SAS)是一種新型的高分辨率水下成像聲吶[1～2],其基本原理是利用小尺寸基陣沿空間勻速直線運動來合成大的孔徑基陣,在運動軌跡的順序位置發射并接收回波信號,根據空間位置和相位關系對不同位置的回波信號進行相干疊加處理,進而獲得沿運動方向(方位向)的高分辨率。由于它具有距離向和方位向分辨率恒定的特點,被廣泛應用于水下小目標搜索、航道測繪、水下戰場精細測繪與偵察、海洋湖泊河流地形/地貌測繪等。同合成孔徑雷達一樣,合成孔徑聲吶受自身固有相干斑噪聲影響嚴重[3～4],使得SAS圖像不能有效地反映目標的反射特性,嚴重影響著SAS圖像的質量,使得SAS圖像的自動后續處理變得非常困難[5]。因此,抑制SAS圖像相干斑噪聲有著十分重要的意義。目前常用的SAS圖像濾波算法有多視處理、中值濾波、均值濾波和統計型濾波,每種濾波算法都有各自的優缺點。本文在常用濾波方法的基礎上,將中值濾波與Lee濾波[6]相結合,優化了Lee濾波計算結果,最后通過實驗驗證了所提方法的有效性。

2 相干斑噪聲模型

由于SAS是一種相干體制聲吶,成像結果中不可避免地受著相干斑的影響,通常將相干斑假設為一種非相關的乘性噪聲。SAS圖像通?？梢员硎緸锳=XV,其中A表示合成孔徑聲吶圖像,X表示圖像真實值,V表示相干斑值。相干斑抑制的目的就是消除V對合成孔徑聲吶圖像的影響。

3 中值濾波和Lee濾波

3.1 中值濾波

中值濾波是一種非線性平滑濾波,其基本原理是將圖像中某一點的值采用該點鄰域中的均值代替,消除孤立噪聲對圖像的影響。濾波窗口選定后,然后對濾波窗口內的觀測值進行排序,并將中間位置的值作為輸出結果。濾波窗口通常為3×3，5×5,也可以選擇其它不同形狀,如線狀、圓型和十字形狀。

3.2 Lee濾波

Lee濾波是一種經典自適應性濾波,它以圖像的局部方差和均值為依據,不需建立精確的統計模型,而是基于完全發育的乘性噪聲模型,并假設相干斑噪聲是白噪聲。Lee濾波時,首先選擇一個固定大小的局部處理窗口,然后根據當前窗口內的觀測值來計算當前局部區域內的均值和方差。

4 優化的Lee濾波

圖1 優化Lee濾波算法流程圖

5 試驗結果分析

為了驗證本文所提改進Lee濾波相干斑抑制算法性能,在如下環境下進行了試驗：CPU G840 2.80G(2核)；內存4G；操作系統Windows 7。試驗數據選用一幅合成孔徑聲吶樣機試驗所得成像結果數據,其大小為6500×4364像素,對應的合成孔徑聲吶圖像如圖2(a)所示。從圖2(a)可以看出,原始圖像上相干斑嚴重,嚴重影響圖像的判讀。采用改進Lee濾波算法對原始圖像進行濾波時,濾波窗口大小設置為3×3,直接濾波后的結果如圖2(b)所示,從整體效果圖上可以看出圖像輪廓變得清晰,相干斑有效得到了抑制。為更加清楚比較濾波前后效果,截取原始圖像中局部區域進行比較,濾波前后局部對比圖像分別如圖3(a)和3(b)所示。從濾波后的局部圖像中可以看出,左側區域溝壑更加細致,細節突出。

表1 試驗系統基本參數

圖2 濾波前后全局圖像比較

圖3 濾波前后局部圖像比較

6 結語

本文提出了一種中值濾波與Lee濾波相結合的改進Lee濾波SAS圖像相干斑抑制方法。在進行相干斑抑制時,首先計算當前局部區域內的變差系數,然后根據變差系數來確定當前窗口內的濾波方法,以達到在濾波的同時有效保持紋理細節。最后采用真實的合成孔徑聲吶圖像進行了相干斑抑制試驗,驗證了改進Lee濾波算法的性能。

[1] Hayes M P, Gough P T. Synthetic aperture sonar: a review of current status[J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering,2009,34(3):207-224.

[2] 佟宏偉,鐘何平,唐勁松,吳浩然. 基于GPU的SAS成像算法并行實現研究[J].艦船電子工程,2014,34(3)：134-140.

[3] 李祎,黃勇,黃海寧.合成孔徑聲納干涉相位圖噪聲抑制方法分析[J].聲學技術, 2006,25(5):457-462.

[4] 朱家兵,陶亮,江有名.一種新的高分辨率圖像散斑噪聲抑制算法[J].現代雷達,2005,27(11):54-57.

[5] Yu Y and Acton S. Speckle reducing anisotropic diffusion[J]. IEEE Transactions on Image Processing,2002,11(11):1260-1270.

[6] Lee J S. Speckle suppression and analysis for synthetic aperture radar images[J]. Optical Engineering,1986,25(5):636-642.

An improved Lee Filter Algorithm for Synthetic Aperture Sonar

JIN Fenglai1ZHONG Heping2

(1. Military Representative Office of Navy Equipment Department in Tianjin Area, Tianjin 300042)(2. Naval Institute of Underwater Acoustic Technology, Naval University of Engineering, Wuhan 430033)

An improved Lee filter algorithm is proposed for the image speckle reduction of synthetic aperture sonar. The proposed algorithm combines the advantage of Lee filter and median filter, which can maintain the edge of image and remove the speckle effectively. The feasibility of the proposed method is verified through experiment of real synthetic aperture sonar image speckle reduction.

synthetic aperture sonar, speckle reduction, Lee filter

P237

2016年9月1日,

2016年10月18日

金鳳來,男,碩士,研究方向：水下探測。鐘何平,男,博士,研究方向：合成孔徑聲吶信號處理。

P237

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.03.009