《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于BM4D的即插即用層析SAR成像
電子技術(shù)應(yīng)用
王琨1，2，3，張冰塵1，2
1.中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院；2.空間信息處理與應(yīng)用系統(tǒng)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室； 3.中國科學(xué)院大學(xué) 電子電氣與通信工程學(xué)院
摘要： 層析合成孔徑雷達(dá)是一種先進(jìn)的三維遙感技術(shù)，通過引入先驗(yàn)?zāi)Ｐ湍軌蛱岣叱上褓|(zhì)量?，F(xiàn)有方法通過顯式正則化算子約束重構(gòu)過程，但其難以兼容非解析先驗(yàn)?zāi)Ｐ汀⒖焖俚湛s閾值算法（FISTA）與即插即用（PnP）框架相結(jié)合，在迭代過程中插入基于四維塊匹配濾波（BM4D）的非解析插件，無需構(gòu)建顯式正則化算子即可將其用于層析成像特征增強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)表明，所提框架具有快速收斂的優(yōu)勢，通過該框架引入的BM4D先驗(yàn)在針對具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)特征的目標(biāo)成像時(shí)表現(xiàn)出優(yōu)秀的性能，為非解析先驗(yàn)在層析成像中的應(yīng)用提供了通用化解決方案。
中圖分類號：TN957.52 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.256511
中文引用格式： 王琨，張冰塵. 基于BM4D的即插即用層析SAR成像[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用，2025，51(10)：117-122.
英文引用格式： Wang Kun，Zhang Bingchen. Plug-and-Play tomographic SAR imaging based on BM4D[J]. Application of Electronic Technique，2025，51(10)：117-122.
Plug-and-Play tomographic SAR imaging based on BM4D
Wang Kun1，2，3，Zhang Bingchen1，2
1.Aerospace Information Research Institute， Chinese Academy of Sciences；2.Key Laboratory of Technology in Geo-spatial Information Processing and Application System；3.School of Electronic， Electrical and Communication Engineering， University of Chinese Academy of Sciences
Abstract： Tomographic Synthetic Aperture Radar (TomoSAR) is an advanced 3D remote sensing technology capable of enhancing imaging quality through the incorporation of prior models. Existing methods typically use explicit regularization constraints in the reconstruction process. However, non-analytic priors face challenges in TomoSAR imaging. This paper combines Fast Iterative Shrinkage-Thresholding Algorithm (FISTA) with Plug-and-Play (PnP) framework, embedding a BM4D-based non-analytic prior during iterations. Our proposed method enables feature enhancement in TomoSAR imaging without designing explicit regularization operators. Experimental results show that the proposed framework offers fast convergence. The BM4D prior introduced via this framework achieves excellent performance in TomoSAR imaging of targets with complex structure features. Our proposed framework provides a universal solution for the application of non-analytic prior models in tomographic imaging.
Key words : tomographic synthetic aperture radar；plug-and-play；block-matching 4D filtering （BM4D）；feature enhancement；fast iterative shrinkage-thresholding algorithm

引言

合成孔徑雷達(dá)（Synthetic Aperture Radar, SAR）[1]是一種先進(jìn)的地球遙感技術(shù)，具有全天時(shí)、全天候的觀測能力。層析合成孔徑雷達(dá)（Tomographic SAR, TomoSAR）[2-3]技術(shù)利用多基線觀測系統(tǒng)獲取多幅二維SAR復(fù)圖像，在高程方向上進(jìn)行孔徑合成以獲取目標(biāo)的高程信息。層析SAR技術(shù)通過重構(gòu)方位-距離分辨單元內(nèi)的散射系數(shù)獲取目標(biāo)高程信息，該過程可以表示為前向模型與先驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膬?yōu)化求解。其中，前向模型基于層析成像的物理機(jī)制構(gòu)建，表示為噪聲影響下的線性系統(tǒng)，常采用最小二乘準(zhǔn)則建立數(shù)據(jù)保真項(xiàng)。先驗(yàn)?zāi)Ｐ屯ㄟ^引入目標(biāo)的特征約束，構(gòu)造正則化懲罰項(xiàng)以提高重構(gòu)質(zhì)量。

近年來，根據(jù)成像目標(biāo)特征構(gòu)建的先驗(yàn)?zāi)Ｐ陀辛ν苿恿藢游龀上?a class="innerlink" href="http://ihrv.cn/tags/特征增強(qiáng)" target="_blank">特征增強(qiáng)算法的發(fā)展。基于壓縮感知（Compressive Sensing, CS）理論的成像方法從目標(biāo)的稀疏性出發(fā)，實(shí)現(xiàn)了城市區(qū)域目標(biāo)的超分辨重構(gòu)和高質(zhì)量成像[4]。針對具有空間連續(xù)性特征的建筑物，全變分（Total Variation, TV）正則化能夠有效消除重構(gòu)點(diǎn)云中的噪聲，同時(shí)填補(bǔ)平滑表面缺失的結(jié)構(gòu)[5]。由于TV先驗(yàn)缺乏對完整三維空間結(jié)構(gòu)特征的建模能力，基于形態(tài)學(xué)正則化的成像方法通過計(jì)算散射體在三維鄰域內(nèi)的形態(tài)學(xué)特征，保留目標(biāo)在三維空間中的完整結(jié)構(gòu)信息[6]。除此之外，研究者通過線段檢測與結(jié)構(gòu)先驗(yàn)優(yōu)化建筑立面重建效率[7]，通過平面與線性幾何語義約束的融合提升三維成像的精度[8]，構(gòu)建Z型幾何模型實(shí)現(xiàn)高聚集度建筑點(diǎn)云重構(gòu)[9]。這些研究為提高三維成像質(zhì)量提供了多種思路。

隨著數(shù)據(jù)驅(qū)動的非解析先驗(yàn)?zāi)Ｐ偷陌l(fā)展，目前缺乏兼容該類先驗(yàn)的通用層析重構(gòu)框架。針對該問題，本文引入即插即用（Plug-and-Play, PnP）[10]思想，以實(shí)現(xiàn)非解析先驗(yàn)在層析成像中的嵌入。PnP的核心思想為解耦前向模型與先驗(yàn)?zāi)Ｐ偷那蠼膺^程，通過采用PnP先驗(yàn)替代近端算子，建立具有模塊化結(jié)構(gòu)的通用性框架。PnP框架基于交替方向乘子法[10]、迭代收縮閾值法（Iterative Shrinkage-Thresholding Algorithm, ISTA）[11]等算法建立，其廣泛應(yīng)用于計(jì)算成像[12]、磁共振成像[13]及雷達(dá)成像[14-15]等多個(gè)領(lǐng)域。

基于上述背景，本文提出了一種通用化層析SAR成像框架，該框架能夠兼容非解析先驗(yàn)?zāi)Ｐ?。本文建立了基?a class="innerlink" href="http://ihrv.cn/tags/快速迭代收縮閾值算法" target="_blank">快速迭代收縮閾值算法（Fast ISTA, FISTA）和PnP先驗(yàn)的層析SAR重構(gòu)框架，該框架具有較快的收斂速度，通過該框架引入的四維塊匹配濾波（Block-Matching and 4D filtering, BM4D）[16-17]先驗(yàn)?zāi)軌虮Ａ裟繕?biāo)復(fù)雜結(jié)構(gòu)特征。


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作者信息：

王琨1，2，3，張冰塵1，2

（1.中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院，北京 100094；

2.空間信息處理與應(yīng)用系統(tǒng)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094；

3.中國科學(xué)院大學(xué) 電子電氣與通信工程學(xué)院，北京 100049）


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