SAR圖像質量評測實驗教學平臺的開發與應用

周 鵬， 孫鑫偉， 宋栩潮

（中國石油大學（華東）海洋與空間信息學院，山東 青島 266580）

0 引言

合成孔徑雷達（Synthetic Aperture Radar，SAR）是一種重要的微波遙感成像雷達，具有全天時、全天候和高分辨率成像的特性，在地形測繪、海洋監測、災害救援等領域有廣泛的應用。SAR 圖像質量評測是評估SAR系統性能的關鍵，是一項具有重要意義的基礎性工作。利用評測結果不僅可以比較SAR 系統性能的優劣，也可以為SAR 系統的設計提供依據，進而不斷改進SAR系統［1］。

然而，SAR圖像評測相關知識具有較強的理論性和實踐性，以教師授課為中心的傳統教學模式難以滿足課程實際需求，大多數學生在學習過程中僅僅停留在理解主要圖像質量參數的字面含義上，無法較好地理解和掌握SAR 圖像質量指標以及整個評估流程和相關評測方法［2-3］。同時，SAR 圖像的信息表達方式與光學圖像有很大差異，使得SAR 圖像的處理、評測和應用比光學圖像困難得多［4］。實際科研應用中，圖像判讀人員都須經過專項訓練，綜合多名圖像判讀人員的評測后才能給出最終判讀結果。并且隨著SAR技術的迅速發展，其分辨率也在不斷提高，傳統的人工判讀已經難以完成龐大的工作量［5-6］。

為了提升雷達信號處理等專業學生的實踐能力，將SAR融入實驗教學課程中，前人已經開展了一些有意義的工作。丁澤剛等［7-9］針對SAR實驗教學進行了SAR成像算法和SAR系統仿真平臺的設計與研究，石書祝［10］設計了利用地基SAR 系統對地物目標進行成像的實驗項目。王志勇［11］對開源軟件輔助下的SAR數據處理等微波遙感類實踐教學進行了改革與探索。從上述的實驗教學平臺研究情況可知，現有的大部分平臺都是針對SAR系統分析、成像算法及數據處理內容而設計的，而圍繞SAR圖像質量評測相關實驗教學平臺的研究幾乎未有涉及。

本文結合本校專業特色和教師的科研任務，設計并實現了一套SAR 圖像質量評測實驗教學平臺。該平臺實現了SAR圖像質量評估的完整流程，不需要利用雷達實物就能完成對雷達圖像質量指標的評測。同時，該平臺注重加深學生對實際SAR圖像質量評測工作機理的理解。學生可以根據需求，通過平臺主界面輸入數據文件、配置文件和雷達的系統參數，顯示出SAR圖像，調用指標評測算法進行計算后輸出SAR圖像指標的評測結果、輸出部分指標評測過程的明細，并生成成像指標評測報告。通過學生分組合作編制實現SAR成像處理的Matlab GUI（Graphics User Interface，圖形操作界面）程序，生成SAR 圖像數據文件和相關配置文件后加載到評測系統中進行評測，能夠讓學生親身參與到從SAR 圖像生成到輸出評測結果的整個流程，使學生得到全方位的鍛煉。

1 評測平臺設計

1.1 系統需求分析

由于本平臺是針對實驗教學所設計的，同時服務于科研任務的需要，所以應充分考慮其準確性、靈活性和便捷性。首先要確保軟件平臺的功能正確、評測過程可靠及評測結果的可信度。其次，應保證平臺具有較強的適應能力，且易于學生實踐操作，以提高在實驗教學環節中的效率［15-16］。另外，在平臺開發過程中應充分考慮其開放性與可擴展性，還應支持學生自主編程對平臺進行二次開發。

1.2 總體設計思路

平臺設計應發揮模擬評估的優勢，全面考慮平臺的功能需求、人機交互的靈活性、系統的可擴展性等?？紤]到Matlab軟件的操作簡便、研發周期短、矩陣運算能力強、交互能力強等優點，平臺采用Matlab 語言進行開發，以GUI 的方式提供用戶操作界面，便于實現良好的人機交互感，充分調動學生的學習熱情。

根據系統設計目標及需求分析，本實驗平臺主要由5 個模塊組成，分別為系統設置模塊、數據加載模塊、系統參數輸入模塊、圖像顯示模塊和圖像指標計算模塊，如圖1 所示。其中，系統設置模塊的主要作用是使平臺具有靈活的系統配置，便于根據評測時的實際需求對平臺進行預先設置；數據加載模塊作為平臺的輸入接口，用來加載顯示圖像與計算圖像指標所需的各類數據文件、配置文件等；系統參數輸入模塊的作用是供操作人員手工輸入SAR系統的相關參數；圖像顯示模塊用來顯示從SAR 圖像數據文件的圖像矩陣中得到的微波圖像；圖像指標計算模塊作為平臺的核心模塊，其主要作用是根據輸入數據文件中的數據內容、配置文件中的配置信息、手工輸入的系統參數等，調用評測算法進行計算后輸出圖像指標評測結果、輸出部分指標的明細并生成成像指標評測報告。

圖1 實驗教學平臺的組成方框圖

1.3 SAR圖像質量指標評測方法

本平臺在綜合考慮常用的SAR 圖像質量指標的基礎上，進一步完善了常用指標的評測方法，確保能夠對SAR圖像質量指標進行準確、可靠、高效的評估，平臺支持的主要指標及其評測方法如下。

（1）成像分辨率。通過讀取SAR 圖像數據文件中的相關數據確定角反射器的脈沖響應函數，并對其進行指定倍數（可由操作人員設置）的插值運算；從主瓣峰值兩側分別記錄幅度值下降到主瓣峰值0.707 倍以下的第1 個像素，得到兩側邊界間相隔的像素數；再將所得像素數乘以行/列間隔對應的距離值，得到當前角反射器的距離向/方位向分辨率；利用上述方法，將所有角反射器的計算結果求平均后作為最終的指標值進行輸出。

（2）峰值旁瓣比。在計算成像分辨率的基礎上，將主瓣峰值與成像分辨率邊界間相隔的像素數乘以2，得到主瓣邊界；尋找主瓣邊界外最大的旁瓣峰值，并用最大旁瓣峰值除以主瓣峰值得到峰值旁瓣比；利用上述方法，將所有角反射器的計算結果求平均后作為最終的指標值進行輸出。

（3）積分旁瓣比。利用計算峰值旁瓣比的方法得到主瓣邊界后，計算主瓣能量；將主瓣峰值所在位置減/加若干像素（原始間隔像素數*插值倍數，可由操作人員設置），得到旁瓣邊界，并計算旁瓣能量和；用旁瓣能量除以主瓣能量得到積分旁瓣比；利用上述方法，將所有角反射器的計算結果求平均后作為最終的指標值進行輸出。

（4）斜距精度和多普勒精度。通過讀取斜距數據文件及相關配置文件的內容，確定角反射器個數及每個角反射器的斜距/多普勒測量值；根據飛機基準數據文件中的天線實時坐標等信息得到斜距/多普勒真實值；計算所有角反射器斜距/多普勒誤差絕對值的均值、標準差、均方根誤差，作為最終的指標值進行輸出。

（5）成像幅寬。讀取SAR圖像數據文件的相關內容，采用中值分割將灰度圖像轉換為二值化圖像，利用數學形態學中的閉運算填充圖像中的空洞，去掉圖像中的孤立小亮塊，估計出圖像有效區域的長和寬，從而得到當前幀對應的距離、方位成像幅寬；將所有數據幀的結果求平均后作為最終的指標值進行輸出。

（6）成像畸變。讀取SAR圖像數據文件的內容，計算各個角反射器的幾何中心、各對角反射器（某兩個角反射器組成一對）之間的距離；根據角反射器基準數據文件計算各對角反射器之間的真實距離；利用下式計算各對角反射器對應的相對幾何形變量：

其中：Lc（i）為從圖像中獲取的角反射器對距離值；Lt（i）為角反射器對真實距離值；P′為滿足要求的角反射器對數。計算得到各對角反射器的相對幾何形變量后，計算出所有角反射器對形變絕對值的均值、標準差、均方根誤差、最大值，作為最終的指標值進行輸出。

1.4 主要模塊設計

本實驗平臺包括系統設置模塊、數據加載模塊、系統參數輸入模塊、圖像顯示模塊和圖像指標計算模塊，平臺工作流程圖如圖2 所示。模塊具體設計如下。

圖2 平臺工作流程圖

（1）系統設置模塊。為了保證評測過程的靈活性，在進行評測之前，需要在系統設置模塊中根據實際需求對平臺進行設置。系統設置內容主要包括：顯示SAR圖像時所使用的色標、計算分辨率等指標時采用的插值倍數、確定旁瓣邊緣位置的像素數、數據文件的存儲格式是否為高字節存放在高地址等。

（2）數據加載模塊。數據加載模塊要求用戶加載計算成像指標與顯示圖像所需的數據文件和配置文件，包括SAR圖像數據文件、SAR 斜距數據文件、SAR多普勒數據文件、角反射器位置基準數據文件、飛機基準數據文件、幾何形變配置文件、信噪比配置文件、圖像中的角反射器位置數據文件、標校參數文件等。其中，每個數據文件和配置文件都有對應的格式要求，輸入的文件必須符合相應的格式要求。

（3）系統參數輸入模塊。系統參數輸入模塊用于供操作人員輸入被評測系統的相關參數。由于不同雷達系統的參數可能不同，故采用手工輸入的方式進行設置。輸入相關參數主要包括角反射器后向散射系數（Radar Cross Section，RCS）、噪聲系數、大氣衰減系數和歸一化等效噪聲系數等。

（4）圖像顯示模塊。圖像顯示模塊主要用于顯示從SAR圖像數據文件的圖像矩陣中得到的微波圖像以及該微波圖像對應的幅寬圖。由于SAR 數據文件可能包含多幀數據，所以該模塊允許操作人員指定顯示的幀號，從而為用戶提供更好的交互感。

（5）圖像指標計算模塊。當所需的數據文件、配置文件和SAR系統參數全部輸入完畢，且圖像顯示正確時，可進入圖像指標的計算環節。根據輸入數據文件中的數據內容、配置文件中的配置信息、手工輸入的系統參數等，調用評測算法進行計算后輸出圖像指標評測結果。為了使評測結果更加具體，除了計算指標的最終輸出結果外，該模塊還可輸出各角反射器的脈沖響應函數圖、成像畸變明細誤差和距離多普勒精度明細誤差表等。最終，操作人員可選擇將指標結果輸出到Excel表格中生成評測報告。

2 評測平臺的實現

平臺基于Matlab 環境開發，實現了系統設置、數據加載、系統參數輸入、圖像顯示和圖像指標計算5 個軟件模塊。

平臺的主操作界面如圖3 所示。通過該界面，可以完成加載數據文件和配置文件、輸入相關參數、顯示成像結果、計算成像指標、生成評測報告等操作。

圖3 平臺的主操作界面

2.1 系統設置模塊

如圖4 所示，該模塊主要實現顯示圖像所用色標、計算分辨率時使用的插值倍數、確定旁瓣邊緣位置的原始像素數、數據文件的存儲格式是否為高字節存放在高地址等的設置。在進行SAR 圖像指標評測之前可根據實際評測需求在系統設置模塊對平臺進行設置，為操作人員提供靈活、個性化的評測方案。

圖4 系統設置模塊的界面

2.2 數據加載模塊

如圖5 所示，該模塊實現了SAR數據文件及配置文件的加載功能，加載成功后會顯示文件路徑。同時，在平臺主界面可查看數據文件和配置文件的加載狀態（見圖3），包括“未加載”“加載不全”和“成功加載”，便于用戶更加直觀地了解當前數據文件的加載狀態，提升用戶使用平臺的交互感和便捷性。

圖5 數據加載模塊的界面

2.3 系統參數輸入模塊

如圖6 所示，該模塊主要實現待評測系統相關參數的輸入。另外，為了使用戶更加直觀的了解當前相關參數的輸入狀態，平臺主界面中設置了單獨的狀態顯示區，輸入參數的輸入狀態包括“未輸入”“輸入不全”和“成功輸入”（見圖3）。

圖6 系統參數輸入模塊的界面

2.4 圖像顯示模塊

如圖7 所示，該模塊主要實現顯示SAR成像結果和當前幀幅寬圖的功能。由于SAR 數據文件可能包含多幀數據，所以該模塊還可實現不同幀之間圖像的切換功能。學生可以通過該模塊直接觀察到評測圖像，有利于學生對SAR 圖像產生更加清晰的認識與理解。

有的大學生發現他們在課堂上所學的專業知識不足以應對實踐過程中出現的問題。書本知識相對陳舊，學生很難將書本知識快速且有效地運用到實踐工作當中。這會導致大學生對社會實踐興趣的下降，不利于社會實踐的順利開展。

圖7 圖像顯示模塊的界面

2.5 圖像指標計算模塊

圖像指標計算模塊作為平臺的核心模塊，其根據輸入數據文件中的數據、配置文件中的配置信息、手工輸入的系統參數等，調用評測算法進行計算后輸出圖像指標評測結果、輸出部分指標的明細，并生成成像指標評測報告。如圖8（a）所示，為圖像指標計算模塊主要輸出界面。另外，該模塊還實現了輸出部分指標明細的功能，如圖8（b）、（c）、（d）所示，分別為角反射器的點擴散響應函數（Point Spread Function，PSF）圖、距離多普勒精度明細誤差和成像畸變明細誤差。

圖8 圖像指標計算模塊的界面

3 評測平臺的實驗教學應用

3.1 實驗教學設計

在實驗教學環節中，要求學生以小組為單位進行實驗。由教師提供四組參數，分別為兩組點目標和兩組面目標的參數。每個小組在點目標和面目標參數中分別挑選一組進行實驗，確保實驗教學的多樣性。具體實驗要求如下：

（1）編寫Matlab GUI程序，該程序用于實現SAR成像處理算法的功能，生成評測平臺所需的SAR圖像數據文件及配置文件。

（2）每個小組將選擇的兩組SAR 參數分別輸入到設計的GUI界面中，生成對應的SAR數據文件及配置文件，確保各文件能夠在評測軟件中加載成功，實現與評測軟件的銜接。

（3）評測平臺的圖像顯示模塊應能顯示對應的點目標或面目標圖像。

（4）評測平臺的圖像指標計算模塊應能輸出合理的指標參數，且能生成指標評測報告。

（5）按照實驗指導書規定內容，撰寫實驗報告，開展現場演示答辯，對小組實驗成果進行考評。

3.2 實驗效果

結合“雷達技術與微波遙感”“雷達信號處理”課程的實際教學，要求學生以小組為單位開發Matlab GUI程序生成SAR圖像數據文件和相關配置文件，然后將所生成的SAR 圖像數據文件和配置文件加載到評測平臺進行指標評測并輸出指標評測報告，實驗結束后以小組為單位合作撰寫實驗報告。

圖9 為某組學生的優秀作品展示。其中，圖9（a）為學生編制的SAR 圖像數據文件生成界面，圖9（b）為學生編制的配置文件生成界面。通過子圖9（a）的界面，學生可以通過輸入相關參數，調用自己所編制的成像處理程序，在界面上顯示SAR 圖像結果，同時輸出SAR圖像數據文件。通過圖9（b）的界面，學生可以生成所需的配置文件。

圖9 學生優秀作品展示

學生生成了所需的SAR 圖像數據文件和配置文件后，加載到評測平臺中進行SAR圖像指標評測并輸出評測報告。教師可以根據評測報告中的SAR 圖像指標值評判學生編制的成像處理程序的質量，從而便于為學生評分。另外，為了更加全面的考察教學改革效果，在課程結束后組織班級學生進行了教學效果調查問卷活動。調查結果如表1 所示（1 分表示很不滿意，5 分表示很滿意），調查內容包括學習興趣、加深理論內容的理解、自主學習能力、實驗操作能力、幫助程度，參與調查問卷人數45 人。調查表明，學生的整體滿意度較高，尤其是對加深理論知識的理解、自主學習能力以及幫助程度方面，給予5 分的占比均達到90%以上。

表1 教學效果調查問卷統計表

4 結語

為了提高學生編制雷達成像處理算法程序的能力、使學生掌握SAR 圖像的產生和指標評測流程，結合教師科研任務的需要，研發了一套SAR圖像質量評測實驗教學平臺。該平臺由系統設置、數據加載、系統參數輸入、圖像顯示和圖像指標計算共5 個軟件模塊組成。在“雷達技術與微波遙感”“雷達信號處理”課程的實際教學中對所研發的評測平臺進行了應用，要求學生進行分組，小組成員分工協作編制實現雷達成像處理功能的Matlab GUI程序、將程序輸出的SAR圖像數據文件和配置文件加載到評測平臺進行評測并輸出評測報告、撰寫實驗報告。通過上述實踐，學生提高了SAR成像處理程序編制能力和圖形操作界面程序編制能力，熟悉了SAR圖像從產生到輸出指標評測結果的完整流程，鍛煉了團隊協作能力。評測平臺輸出的評測報告也為教師評判學生編制程序的質量提供了量化依據。未來，將繼續擴充所研發的SAR圖像質量評測實驗教學平臺的功能，支持學生選定定標場地、布設角反射器等方面的訓練。