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可用的基于MATLAB含GUI的SAR杂波建模.pdf

发布时间：2022-06-01 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.98M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    第ll卷第30期2011年lO月 1671—1815(2011)30一7402—06 科学技术与工程 Science Technology and Engineering VoL 1l No．30 0cL201l @201 1 Sci．Teck Engrg． 基于MATLAB GUI的SAR杂波统计建模 与仿真系统设计 陈媛媛徐佳王庆松 (河海大学地球科学与工程学院，南京210098) 摘要SAR图像杂波统计特性研究对于SAR图像的解译具有十分重要的意义。利用MATLAB GUI工具设计了SAR杂波 统计建模与仿真系统。详细介绍了图形用户界面的制作方法以及软件的设计与实现过程。并利用该系统对机载SAR数据进 行了实验。系统具有图像预处理、杂波统计分析、杂波仿真、相干斑抑制等功能，界面友好、操作方便，且具有可扩展性，可用 于与SAR有关的教学、科研与实验分析。 关键词MATLAB 图形用户界面 合成孔径雷达 杂波统计建模 中图法分类号TN955．1； 文献标志码A 杂波是雷达信号处理的固有环境，在杂波背景 下进行信号处理是雷达的基本任务之一。在SAR 图像中，除了感兴趣的目标回波之外，其余可视为 杂波，包括自然杂波(草地，森林，河流等)和人造杂 波(建筑物，道路等)。SAR图像杂波统计特性研究 对于SAR图像的解译有着重要的理论意义和应用 价值。研究杂波的统计特性，不仅可以对地物的散 射机理有更深层次的理解，而且可以有效地指导 SAR图像相干斑抑制、分类、分割以及目标检测算 法的实现ol J。 MATLAB是Mathworks公司推出的一款功能强 大的数学软件，它将数值分析、矩阵计算、科学数据 可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多 功能集成在一个视窗环境中，为科学研究、工程设 计及众多学科领域提供一种简洁、高效的编程工 具。MATI_AB提供的图形用户界面(GUI)设计工 具，可以将M语言编写的代码与GUI中的控件进行 关联，不仅能减少代码编写的工作量，而且制作出 2011年7月25日收到江苏省博士后基金(0901031c)、中央高校 基金(2009812014)资助 的软件界面友好、操作方便，在图像处理、控制设 计、信号检测、金融建模设计等领域得到了广泛 应用‘扪。 本文从杂波的统计特性出发，利用MATLAB GUI工具设计了SAR杂波统计建模与仿真系统。 该系统具有图像预处理、杂波统计分析、杂波仿真、 相干斑抑制四大功能模块，可对不同杂波场景的数 据进行拟合与仿真，并对SAR图像进行相干斑抑 制，界面友好、操作方便，可以直接在界面上输入和 改变参数，直观地分析各参数的变化对实验结果的 影响，且具有可扩展性，可用于与SAR有关的教学、 科研与实验分析。 1 MATLAB GUI设计工具简介 Matlab除了具有无与伦比的矩阵计算、符号计 算、可视化建模、仿真和实时控制等功能之外，也是一 种简单易用、扩展性强的系统开发平台【2t3]。基于 Maflab的GUI设计不要求设计人员深入掌握面向对 象的编程语言以及精通面向对象的程序设计，只需要 熟悉Madab的基本操作和基本的C语言知识，上手 快，开发周期短，而且设计的界面在功能和外观上都 第一作者简介：陈嫒嫒(1988一)，河南驻马店人，硕士生。研究方 可以与Visual C++等面向对象编程语言相比拟。 向：微波遥感。E．mail：anlianyuanyuan@163．coin。 MATLAB GUI是由窗口、坐标轴、光标、菜单、按 D20110800587ZX00
    30期 陈媛媛，等：基于MATLAB GUI的SAR杂波统计建模与仿真系统设计 7403 钮、文本框等对象构成的一个图形用户界面，是一 个专用于GUI程序设计的向导设计器。用户通过 大模块组成：图像预处理、杂波统计分析、杂波仿 真、相干斑抑制。其中在图像预处理模块，刚户不 一定的方法激活上面的对象，会使计算机产生某种 动作或变化，比如实现计算、绘图等功能”。当用 仅可以进行图像的裁剪、旋转、缩放等基本操作。还 可以通过点击界面上的控件来进入杂波统计分析、 户选择或激活界面相应控件时，通过设置这些交互 相干斑抑制、杂波仿真等子模块；在杂波统计分析 组件的回调函数来完成后台程序。使用者只和前 台界面的控件进行交互，而所有运算、绘图等操作 都在后台运行。终端用户不需要去追究这些复杂 过程的实现方法就可以简单、快捷地使用这个界 面，了解实验原理和观察实验结果。可以说，GUI系 统对于多个需要显示的图形变化以及图形比较，提 供了很好的平台，可以让我们很直观的看到所关心 的图形对象及其变化。 模块，可以选择不同的拟合模型进行概率密度函数 与累积分布函数的拟合，进而分析各模型的拟合优 劣程度；在杂波仿真模块可以选择不同模拟方法及 统计模型对杂波序列进行仿真；在相干斑抑制模 块，可以在界面输入和改变窗口的大小，并选择不 同的滤波器对图像进行相干斑抑制，同时对处理效 果进行定量分析。 在系统的设计中，界面设计采用自顶向下的方 法，通过一个主界面和其他的子界面关联，先设计 主界面，再设计各个子界面，以上介绍的系统四大 功能均有相应的子界面。界面设计完成后仅为静 态界面，要想具备实际的功能，还必须借助于函数 调用，在实现过程中回调函数的编写采用自底向上 的方法。 摹J Matlab GUI的SAR杂波统汁 图1 GUI的开发环境GUIDE GUIDE的调用有两种方法”o：一是在MATLAB 主菜单中点击File菜单的New子菜单，选择GUI选 项，或是在MATLAB的命令窗口中输入“guide”命 令，即可打开GUIDE Quick Start窗口，只需要点击 Creat New GUI，就可以打开一个可编辑的新窗口， 图2系统主界面 如图1所示。GUI的设计也有两种方法：既可以用 鼠标在GUIDE窗口添加控件进行设计，也可以完全 编写MATLAB程序完成。前者不仅直观形象，而且 简单易操作，本文系统设计就采用这种方法。 2系统图形用户界面制作与实现 2．2界面设计 在主界面中，建立“文件”、“图像预处理”“杂波 统计分析”等6个菜单项，通过点击菜单项去调用 一个新的子界面，主界面如图2所示。例如可以点 击“文件”菜单，然后点击“读取数据”，选择“机载 SAR影像”进入机载SAR影像读取界面。 2．1 系统功能与总体设计 SAR杂波统计建模与仿真系统主要有以下四 D20110800587ZX00
    7404 科学技术与工程 11卷 aJ图像预处理界面 (b)杂渡统计分析界面 (c)相干斑抑甜界面 (d)杂被仿真界面 图3系统子界面 系统的四个主要子界面如图3所示，下面以杂 波统计分析界面为例具体说明设计步骤： (1)在图形窗口中布置各种控件。该界面设计 了2个坐标轴(Axes)控件，分别用来显示概率密度 函数与累积分布函数的拟合曲线；设计了1个弹出 式菜单控件(Pop．up Menu)，提供了Normal分布、 Rayleigh分布、Weibull分布、Lognormal分布、Gamma 分布、K分布共6种统计分布模型，可以根据需要选 择不同的拟合模型；设计了5个文本框控件(Edit Text)，用来显示对图像均匀度以及拟合精度的估 计；此外，还设计了9个按钮控件(PIlsh Button)，用 于实现“计算”、“保存”等操作，6个静态文本框 D20110800587ZX00
    30期 陈嫒媛，等：基于MATLAB GUI的SAR杂波统计建模与仿真系统设计 (Static Text)，用以显示注释和说明。 axes(handles axesl)； (2)精确调整界面的位置和尺寸，以及随窗口 同比例缩放等功能。建立一级菜单项，在其下设置 子菜单，并确定其属性。 (3)用位置调整器(Align Objects)调整控件的 位置、调整控件的大小。 (4)用属性编辑器(Property Inspector)编辑界 面和各控件的标志(Tag)和属性。 2．3回调函数的编写 运行设计好的界面，使用GUIDE创建的GUI界 面保存为一个堍资源文件，同时自动生成一个M 文件。该M文件包含了GUI初始化代码，通过在M 文件中修改和添加回调函数代码，才能从主界面读 取参数，控件的功能也是通过执行回调函数实现 的。在编辑好的控件上右击，在弹出的菜单中选择 View Callbacks下的Callback就可以进入该控件的 回调函数中。 下面以杂波统计分析界面中的直方图与概率 密度函数拟合为例编写代码。界面上的控件的Tag 属性都使用默认值。调用MATAB自带的函数hist 和plot绘制图像的直方图，并用nomLtlt、rayltlt等函 数以及自行编写的函数对统计模型进行参数估计。 代码如下： global W％声明为全局变量，实现不同控件及不同界面之间数 据的传递 global Y z=double(y(6nd(Y>0)))； [h，w]=hist(z，max(z))； axes(handles．axesl)； axis on plot(W，h／sum(h)．：，；％绘制图像的直方圈 title(HDF')； hold Oil guidata(hObject．handles) tlgtm(bandl龆．axesl)； val=got(handles popupmenM，～'ahte3； switch val casel [f，8]_nom击t(z)；％参数估计 yl=normpdf(W．f，s)； D20110800587ZX00 plot(w．y1．t一’；％画出高斯分布的拟合曲线 hold帆 c曲e 2 [p，t]：rayltlt(z,0 05)； y2=,4ylpdf(W，P)； 舡曙(handles axesl)； plot(w，y2，t一，； hold on ease 3 case4 cm 5 case 6 3实验与分析 为验证系统的适用性，选取来自美国DARPA／ AFRL MSTAR项目组提供的公共数据集中编号为 HB06163的SAR杂波图像进行了实验。MSTAR数 据集由x波段、HH极化方式、0．3 Ill×0．3 nl高分 辨率聚柬式SAR采集而得，包括目标切片数据和杂 波数据”J。DARPA／AFRL MSTAR项目组在网上公 开提供的MSTAR数据集中的背景杂波图像数据都 是在15。俯视角下得到的。它的背景杂波图像地物 比较简单，容易提取单一的场景数据。 图4图像预处理
    7406 科学技术与工程 1卷 运行系统后，首先在主界面中点击“文件”菜 单，并点击“读取数据”，选择“机载SAR影像”将 SAR影像载人系统。然后点击“图像预处理”菜单， 在子界面中给定裁剪范围，截取单一的杂波以便进 行统计拟合。如图4所示，在x,y方向分别输人100 到300的范围。 图6相干斑抑制 点击界面中的拟合按钮，可进入杂波统计分析 界面，选择不同的统计模型运行后如图5所示。由 文本框1中的数值可以知道：实验图像的峰度为 0．467 28。偏度为0．853 37，标准差／均值为 0．551 73。说明了图像是不太均匀的。通过拟合优 度检验中的两个文本框可以看到这六种拟合模型 的临界值和检验统计量。通过对比发现：K分布和 Gamma分布模型拟合较好，Weibull分布模型次之， D20110800587ZX00 高斯分布模型拟合效果最差。说明对于高精度的 SAR影像的杂波拟合，高斯模型已不再适用。 在主界面选择“相干斑抑制”菜单，或在图像预 处理界面中点击“相干斑抑制”按钮，则进人图像滤 波界面。在本实验中选择Gamma滤波，在文框中设 置滤波窗口大小为5，运行结果如图6所示。 保存计算出的原始图像与滤波后图像的均值、方 差、等效视数、边缘保持指数以及PM值，可对相干斑抑 制效果进行分析。进一步选挥不同的窗口大小以及不 同的滤波器，可以比较其对滤波效果的影响。 4结论 尽管目前的主流软件编程语言仍为VC、VB等 高级编程语言，但MATLAB将复杂的数值分析、矩 阵运算、信号处理、图形功能和系统仿真融为一体， 其在数字信号分析、系统识别、时序分析与建模、神 经网络、动态仿真等方面有着广泛的应用。本文利 用MATLAB GUI工具设计了SAIl杂波统计建模与 仿真系统，详细介绍了图形用户界面的制作方法以 及软件的设计与实现过程，并利用该系统对机载 SAIl数据进行了实验。通过实验可以看出，MAT- LAB GUI设计使用方法简单，开发效率高，便于演示 及交互操作，有利于分析和比较在不同参数条件下 的SAIl杂波拟合和仿真结臬，把抽象的问题进行简 明直观的动态展示。为优化及完善系统，下一步将 增加新的统计分布模型及仿真方法，设计密码登陆 界面，并对背景、按钮等进行优化。 参考文献 1高贵．SAR图像目标ROI自动获取技术研究．长沙：国防科技 大学博士学位论文，2007 2陈矗光精通MATLAB GUI设计．北京：电子工业出版杜．2008 3王华乔基于MATLAB GUI的自动控制原理仿真软件设计．计 量与测试技术．2011；38(2)：12一14 4黄昆，赵刚，郭小强基于CdUI的系统辨识软件设计科学 技术与工程，2011；11(13)：3082—3傩5 5孙祥，黄晓鸣．基于MATLAB的集成化图像处理系统科学技 术与工程．2007；7(20)：5386--5388 6关键，周伟，王捷，等SAll．幅度图像统计模型及其参数 估计海军航空工程学院学报，2005；20(5)：501--504
    30期 陈媛嫒，等：基于MATLAB GUI的SAR杂波统计建模与仿真系统设计 Design of SAR Clutter Statistical Modeling and Simulation System Based on MATLAB GUI CHEN Yuan—yuan，XU Jia，WANG Qin-song (School of Earth Sciences and Engineering Hohai University，Nanjing 210098，P．R．China) [Abstract]The study of SAR clutter statistical characteristics is very important for SAR image interpretation．A SAR clutter statistical modeling and simulation system is designed by using MATLAB GUI t001．The method of de- signing the graphical user interface and implementation procedure of the s西a弛is introduced in detail．And an ex— periment is carried out on this system by using airborne SAR image．The system试tIl friendly interfaces has easy operation，strong expansibility and perfect function including data preprocessing，clutter statistical analysis，clutter simulation and speckle filtering．It can be used in teaching，scientific research and experimental analysis which are related to SAR． [Key words] MATLAB Graphical User Interface(GUI) SAR clutter statistical modeling (上接第7396页) 2赵静，喻晓红，黄波，等．物联网的结构体系与发展．通信技 系统．现代电子技术，2010；01：204—206 术。2010；09：106一108 6杨婷，汪小曷．基于ZigBee无线传感网络的自动滴灌系统设 3王晓亮，宓奇，彭苏勉，等．物联网在我国铁路运输领域的应用 计．节水灌溉，2010；2：lO—16 与发展探讨．铁道通信信号，2010；03：47--49 7李红。刘蕴红，董策舟．基于Zi#lee技术的节水灌溉系统设计． 4赵静，王岩，杨淼，等．物联网在农业病虫灾害中的应用． 现代电子技术，2010；12：20r7—210 通信技术，2010；11：49—-5l 8江挺，胡培金，赵燕东．基于ZigB”无线传感器网络的灌溉控 5高军，丰光银，黄彩梅．基于无线传感器网络的节水灌溉控制 制系统设计．节水灌溉，201 1；2：58—6l The Research of Modern Agricultural Water-saving Irrigation Based on the Internet of Things WANG Lian—sheng，XIA Dong-yan，WANG Yuan，SONG Shu-jian (I-IainanUniversity SanyaCollege，Sanya572022，P．R．China) [Abstract] With the trend of global climate changing and extreme weather increasing，drought disaster is in— creasing and seriously affects the agricultural production．In order to effectively reducing the impact of drought on China's economy，according to the basic principles and architecture of internet of things(IOA)，modern agricultural water-saving irrigation network system is introduced based on IOA，studied with emphasis on data—aware and con- trolling terminal，data transmission and data processing layer of the architecture and the corresponding software ar- chitecture，proposed energy management strategies and some problems of the system which needed noting． [Key words] network structure internet of things water·saving irrigation D20110800587ZX00
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