雷達圖像壓縮算法研究.pdf

1、合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar，SAR)廣泛用于導(dǎo)彈的制導(dǎo)，彈載SAR在導(dǎo)彈的平飛、大前斜、下壓和末段各階段的成像數(shù)據(jù)量都相當巨大，為了減少信息量，在SAR數(shù)據(jù)的不同應(yīng)用場景可以通過對其圖像降低到相應(yīng)的分辨率之后再進行傳輸和存儲的方法來應(yīng)對數(shù)據(jù)量大的問題。即使如此，在導(dǎo)引頭將SAR數(shù)據(jù)傳輸給飛控計算機或者地面控制中心時，仍需占用大量信道資源。因此進行SAR圖像壓縮算法研究可謂意義重大。
　　本文對適

2、用于彈載雷達圖像的壓縮算法做了深入研究，包括雷達圖像幀內(nèi)壓縮算法和幀間壓縮算法。針對圖像壓縮的每一個階段進行了理論研究和實驗對比，研究出一套局部最優(yōu)算法組合，在此基礎(chǔ)上，完成了對雷達圖像幀內(nèi)、幀間壓縮算法完整程序的編寫，并進行了相應(yīng)的實驗，對本文雷達圖像壓縮算法的研究成果進行了驗證。本文的主要研究內(nèi)容有:
　　(1)通過對SAR成像原理及特征分析，得出SAR圖像存在幀內(nèi)冗余和幀間冗余;通過比較SAR圖像與自然圖像的物理意義與灰度直

3、方圖，得出SAR圖像與自然圖像特點不盡相同。為了對SAR圖像進行有效壓縮，本文根據(jù)其自身特點，通過對基于離散余弦變換（Discrete Cosine Transform，DCT）的壓縮算法和基于小波變換的壓縮算法的兩種壓縮算法優(yōu)點和局限性的研究和對比，最終選取基于小波變換的算法進行雷達圖像的幀內(nèi)壓縮算法研究。在差值編碼(Differential Pulse Code Modulation，DPCM)、條件補充法、條件次取樣法和運動補償法

4、四種壓縮算法中，選取了性能最為強大的運動補償算法進行雷達圖像的幀間壓縮算法研究。本文詳細介紹了圖像壓縮編碼評價標準。針對圖像壓縮編碼參數(shù)的評價，本文選取壓縮比作為本文評價指標;針對圖像保真度標準的評價，本文選取客觀評價中的峰值信噪比(Peak Signal to Noise Ratio，PSNR)作為本文的評價標準;針對圖像壓縮編碼算法時間復(fù)雜度的評價，本文選取算法實驗中的編解碼總時間作為本文的評價標準。圖像壓縮編碼評價指標的選取，為本

5、文研究對象壓縮算法的研究及選取提供了理論依據(jù)。
　　(2)詳細介紹了基于小波變換的雷達圖像幀內(nèi)壓縮算法的實現(xiàn)步驟，之后分別詳細介紹了壓縮模型中三個階段:小波變換、量化、熵編碼。通過對三個階段常用方法的研究和對比，針對小波變換階段，采用提升小波變換實現(xiàn)，并采用Db9/7小波基;針對量化階段，采用性能更優(yōu)的多級樹集合分裂(Set Partitioning in Hierarchical Trees,SPIHT)算法;針對熵編碼算法，采

6、用性能最優(yōu)的算數(shù)編碼算法。最終研究出一套適合本文研究對象的幀內(nèi)圖像壓縮算法組合。
　　(3)詳細介紹了基于運動補償?shù)膸g預(yù)測壓縮算法的實現(xiàn)步驟，并對每一步用到的算法進行了介紹和研究選取。其中運動估計的研究，本文根據(jù)研究對象壓縮算法的實驗環(huán)境以及實現(xiàn)途徑，最終確定基于塊匹配的運動估計算法，其中尋找最佳匹配塊采用絕對誤差和準則、三步搜索算法和半像素估計精度;運動向量預(yù)測采用運動向量時域預(yù)測。最終完成基于運動補償?shù)膸g預(yù)測壓縮算法方案研

7、究。
　　(4)本文在Windows7操作系統(tǒng)的PC機上，通過MATLAB平臺進行實驗。基于小波變換的雷達圖像幀內(nèi)壓縮算法對256*256、512*512、1024*1024的三張雷達圖壓縮，可在保證峰值信噪比分別為28.8388dB、28.3077dB、28.6403dB的情況下，壓縮比分別為25.0616、18.0789、13.6517，算法整體耗時分別為1.8096s、5.6004s、20.9665s。本文基于小波變換且量化

8、算法為SPIHT的算法與量化算法為EZW的算法相比，在峰值信噪比損失均值為2.34％的情況下，壓縮比均值提高了45.10％，時間消耗減少了41.63％。本文的創(chuàng)新之處是把基于小波變換且量化算法為SPIHT的幀內(nèi)壓縮算法同基于運動補償?shù)膸g預(yù)測算法相結(jié)合，既能發(fā)揮基于小波變換和SPIHT量化算法對雷達圖像幀內(nèi)壓縮的優(yōu)越性，又能發(fā)揮類似H.26x系列壓縮標準的基于運動補償?shù)膸g預(yù)測算法對連續(xù)幀圖像幀間壓縮的優(yōu)勢。實驗1采用該算法對本文五幀2

9、56*256的連續(xù)雷達圖像壓縮，可保證在峰值信噪比均值為32.7896dB的情況下，壓縮比達到16.4695，算法整體耗時為11.4817s，同本文基于小波變換的幀內(nèi)壓縮算法相比，在PSNR下降0.6736dB的情況下，壓縮比提高了6.4233，算法耗時減少了3.8907s;同H.265算法相比，在耗時增加了1.135s的情況下，PSNR提高了0.3111dB，壓縮比提高了0.4655。通過對實驗1和實驗2的實驗結(jié)果和實驗雷達圖對比分析