楊效余， 于 勇， 褚 超， 張 彬

(航天長(zhǎng)征火箭技術(shù)有限公司北京100076)

引 言

雷達(dá)成像不僅分辨率高、穿透性好、抗干擾能力強(qiáng)，而且能夠全天時(shí)全天候工作，可以彌補(bǔ)可見光與紅外成像技術(shù)的不足，具有重要的軍用和民用價(jià)值。

ISAR雷達(dá)能夠獲得非合作運(yùn)動(dòng)目標(biāo)(如飛機(jī)、艦船等)的精細(xì)圖像，是極為重要的一種目標(biāo)探測(cè)手段。ISAR工作模式為雷達(dá)固定不動(dòng)，而目標(biāo)旋轉(zhuǎn)，目標(biāo)方位維成像信息來源于目標(biāo)相對(duì)于雷達(dá)的轉(zhuǎn)動(dòng)。在實(shí)際應(yīng)用中，ISAR除了固定在地面上，也可以裝在飛機(jī)、艦船等運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上，對(duì)空中、海面或地面的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)成像。由于ISAR成像假設(shè)電磁波前為平面波前，要求目標(biāo)尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于目標(biāo)與雷達(dá)之間的距離，因此ISAR通常用于對(duì)遠(yuǎn)距離的非合作運(yùn)動(dòng)目標(biāo)成像。

艦船目標(biāo)的監(jiān)視、檢測(cè)和識(shí)別是海面態(tài)勢(shì)感知的重要內(nèi)容。海面面積廣闊，各類目標(biāo)分布廣，以岸基ISAR雷達(dá)為傳感器的海面目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)，具備搜索、跟蹤、成像等多種工作模式，可以對(duì)海面目標(biāo)進(jìn)行捕獲、跟蹤、高分辨率成像。它具有遠(yuǎn)距離探測(cè)、高分辨率二維成像能力，能在全天時(shí)、全天候條件下工作，能獲取船只目標(biāo)的距離、航速、航向、位置等信息。由于它具有時(shí)效性強(qiáng)、探測(cè)精度高、全天候等優(yōu)點(diǎn)，因而是海面態(tài)勢(shì)感知的重要手段?；贗SAR二維圖像提取的特征量包含了較豐富、直觀的目標(biāo)特征信息，可以從獲取的高質(zhì)量艦船ISAR圖像中提取艦船尺寸、形狀、結(jié)構(gòu)等特征作為艦船識(shí)別的有效特征量。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)ISAR圖像目標(biāo)特征提取與識(shí)別算法［1～7］做了大量研究，提出了基于多特征的船只目標(biāo)識(shí)別方法，但算法模型較為復(fù)雜。本文提出一種復(fù)雜度低且較為實(shí)用的艦船ISAR圖像目標(biāo)特征提取方法。

1 ISAR圖像增強(qiáng)

利用岸基ISAR雷達(dá)探測(cè)海面艦船目標(biāo)，通過雷達(dá)信號(hào)處理［8，9］獲取的實(shí)測(cè)ISAR二維距離-多普勒?qǐng)D像受海況等影響，存在背景噪聲。圖1為實(shí)測(cè)ISAR的歸一化灰度圖像。由圖可見，艦船目標(biāo)并不是一個(gè)連續(xù)的整體，且存在大量背景噪聲。為獲取優(yōu)質(zhì)的目標(biāo)二值圖像，減少背景噪聲，需要對(duì)實(shí)測(cè)ISAR圖像進(jìn)行增強(qiáng)，抑制背景噪聲。這里，我們采用灰度變換進(jìn)行圖像增強(qiáng)，若原始圖像f(i，j)的灰度范圍為［a，b］，變換后圖像g(i，j)的灰度范圍擴(kuò)展到［c，d］，有

其中Mf表示f(i，j)的最大值。

圖1 不同時(shí)刻艦船目標(biāo)ISAR圖像Fig.1 Ship ISAR images at differentmoments

2 圖像分割與特征提取

ISAR圖像的特點(diǎn)是目標(biāo)像素在整個(gè)圖像中只占少量像素，且目標(biāo)像素較暗，因此可以將圖像反色后，采用閾值分割方法把目標(biāo)從背景中提取出來。從分割結(jié)果可以看出，目標(biāo)感興趣區(qū)域會(huì)出現(xiàn)斷續(xù)或空心情況，需要先進(jìn)行像素聚類處理［2］，然后再進(jìn)行特征參數(shù)提取。

2.1 迭代圖像分割與像素聚類

2.1.1 圖像分割

對(duì)ISAR圖像的背景能量進(jìn)行分析可以看出，背景能量類似瑞利分布，而且目標(biāo)強(qiáng)度在背景之上。對(duì)于閾值分割方法，閾值的選取決定了分割效果。對(duì)于ISAR圖像，可以采用單閾值分割方法，也可以采用多閾值迭代分割方法，其中多閾值迭代分割方法會(huì)獲得更好的分割效果。先統(tǒng)計(jì)整個(gè)圖像的灰度均值μ和標(biāo)準(zhǔn)差σ，取分割閾值TH=μ+kσ，k=4，3，2，1，0，-1，-2，-3，-4，再進(jìn)行圖像分割，得到二值化圖像。由于目標(biāo)灰度值高于背景灰度值，因此分割閾值從大到小取值，首次分割閾值取μ+4σ。

2.1.2 像素聚類

圖像分割得到的二值圖像，可能存在許多孤立點(diǎn)或像素?cái)?shù)量很少的亮區(qū)域，導(dǎo)致目標(biāo)區(qū)域可能會(huì)出現(xiàn)斷裂和空心等現(xiàn)象，需要進(jìn)行像素聚類處理。

①濾除孤立像素點(diǎn)或像素?cái)?shù)量很少的區(qū)域

遍歷圖像，利用圖像8鄰域關(guān)系，對(duì)感興趣區(qū)域內(nèi)每個(gè)像素進(jìn)行8鄰域關(guān)系判斷，若該像素的8鄰域目標(biāo)像素個(gè)數(shù)大于閾值，則保留該像素;否則，去除該像素。

②標(biāo)記感興趣區(qū)域，濾除面積較小的感興趣區(qū)域

對(duì)于艦船目標(biāo)，在高分辨率ISAR成像情況下，其目標(biāo)像素個(gè)數(shù)可達(dá)到幾千個(gè)左右，而不是一個(gè)、幾個(gè)或幾十個(gè)像素組成的點(diǎn)目標(biāo)。依據(jù)這個(gè)特點(diǎn)，對(duì)二值圖像進(jìn)行標(biāo)記，去除面積較小的感興趣區(qū)域。

③處理目標(biāo)的斷裂和空心區(qū)域

在濾除了圖像的孤立點(diǎn)和像素?cái)?shù)量少的亮區(qū)域后，可能存在目標(biāo)的斷裂或空心等現(xiàn)象，采用矩形結(jié)構(gòu)元素形態(tài)學(xué)閉操作，可以使整個(gè)包含目標(biāo)的區(qū)域連接成一個(gè)整體。

2.1.3 迭代圖像分割條件判定

受海況散射等原因影響，在ISAR圖像中艦船目標(biāo)有可能會(huì)分成船頭、船尾兩個(gè)部分。在首次圖像分割(分割閾值μ+4σ)與像素聚類后，需要判定迭代分割條件，此時(shí)計(jì)算像素聚類處理后圖像中面積最大和面積第三大兩個(gè)感興趣區(qū)域間最小距離。若該距離小于預(yù)設(shè)閾值，并且最大感興趣區(qū)域面積與第三大感興趣區(qū)域面積之比小于預(yù)設(shè)閾值，取分割閾值TH=μ+kσ進(jìn)行圖像分割，第二次分割閾值取μ+3σ，接下來每次分割閾值取k減1，重復(fù)圖像分割和像素聚類處理;否則，結(jié)束圖像分割處理。

圖2為ISAR圖像分割與像素聚類中間處理結(jié)果，其中圖2(a)為雷達(dá)實(shí)測(cè)得到的歸一化ISAR反色圖像;圖2(b)為取閾值TH=μ+3σ對(duì)圖2(a)分割的結(jié)果;圖2(c)為尺寸濾波后結(jié)果圖像，已去除了分割圖像中孤立像素點(diǎn)、像素?cái)?shù)量很少的區(qū)域和面積較小感興趣區(qū)域;圖2(d)為像素聚類后結(jié)果圖像，已采用矩形結(jié)構(gòu)元素形態(tài)學(xué)閉操作，對(duì)艦船目標(biāo)存在的斷裂和空心區(qū)域進(jìn)行處理。

圖2 ISAR圖像分割與像素聚類Fig.2 Image segmentation and pixel clustering of ISAR image

2.2 特征參數(shù)提取

ISAR圖像艦船目標(biāo)特征主要包括艦船長(zhǎng)度、輪廓、上部構(gòu)造、主桅高度等，圖3為艦船目標(biāo)特征提取示意圖，圖中L表示艦船長(zhǎng)度，Δf表示主桅高度。

2.2.1 中心線特征參數(shù)提取

Hough變換可以用來檢測(cè)圖像中的線段［1］。本文將Hough變換對(duì)線段的檢測(cè)擴(kuò)展至對(duì)線段組的檢測(cè)，得到與艦船主體相吻合的線段組的位置、寬度和方向，該方向上長(zhǎng)度最大位置即為中心線位置。中心線將艦船分成兩個(gè)部分，即上部構(gòu)造和船體(包含甲板)。

2.2.2 船長(zhǎng)度和主桅高度特征參數(shù)提取

利用外接矩形提取船長(zhǎng)度和主桅高度特征參數(shù)，這里外接矩形的一條邊需與中心線方向平行，而該邊的長(zhǎng)度即為船長(zhǎng)度，外接矩形的另一條邊與中心線相交，該邊在中心線桅桿一側(cè)的邊長(zhǎng)Δf即為主桅高度。

圖3 特征參數(shù)提取示意圖Fig.3 Schematic diagram of featureparameter extraction

3 仿真結(jié)果與分析

在岸基ISAR雷達(dá)觀測(cè)試驗(yàn)中，通過雷達(dá)信號(hào)處理得到艦船目標(biāo)ISAR實(shí)測(cè)圖像數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行圖像增強(qiáng)、圖像分割、像素聚類等預(yù)處理后，獲得船只目標(biāo)感興趣區(qū)域。利用Hough變換檢測(cè)出船只目標(biāo)的中心線，對(duì)船只目標(biāo)感興趣區(qū)域運(yùn)用外接矩形操作提取船長(zhǎng)度和主桅高度等特征參數(shù)。圖4為ISAR圖像數(shù)據(jù)特征參數(shù)提取的中間過程圖像。從圖中可以看出，ISAR原始?xì)w一化圖像經(jīng)過圖像增強(qiáng)后，增加了目標(biāo)與背景的對(duì)比度，更有利于圖像分割。圖像分割后發(fā)現(xiàn)存在非目標(biāo)區(qū)域，需要進(jìn)行濾波和像素聚類處理，最后獲得有利于特征參數(shù)提取的目標(biāo)感興趣區(qū)域，進(jìn)而得到目標(biāo)特征參數(shù)。

圖4 ISAR圖像特征參數(shù)提取Fig.4 Feature parameter extraction of ISAR image

圖4(a)為合作艦船目標(biāo)光學(xué)圖像;圖4(b)為岸基ISAR雷達(dá)觀測(cè)圖4(a)艦船目標(biāo)的實(shí)測(cè)圖像數(shù)據(jù);圖4(c)為對(duì)圖4(b)進(jìn)行灰度變換圖像增強(qiáng)后的結(jié)果圖像;圖4(d)為取閾值TH=μ+4σ對(duì)圖4(c)作第一次閾值分割的結(jié)果圖像;圖4(e)為對(duì)圖4(d)進(jìn)行像素聚類處理后的結(jié)果圖像，它去除了圖4(d)中像素?cái)?shù)量少的區(qū)域和目標(biāo)中存在的斷裂及空心，作迭代分割條件判定，減小分割閾值，繼續(xù)分割圖像;圖4(f)為取閾值TH=μ對(duì)圖4(c)作第五次閾值分割后的結(jié)果圖像;圖4(g)為對(duì)圖4(f)進(jìn)行像素聚類處理后的結(jié)果圖像，它去除了圖4(f)中像素?cái)?shù)量少的區(qū)域和目標(biāo)中存在的斷裂及空心，作迭代分割條件判定，終止圖像分割;圖4(h)為艦船目標(biāo)特征參數(shù)提取圖像。

預(yù)先測(cè)量得到合作艦船目標(biāo)的真實(shí)長(zhǎng)度lrel為110m，主桅真實(shí)高度frel為28.5m。經(jīng)過ISAR圖像提取得到的艦船長(zhǎng)度lmes為116.2m，主桅高度fmes為30.1m，與真實(shí)值誤差較小，驗(yàn)證了本文方法的有效性。

4 結(jié)束語

針對(duì)ISAR船只目標(biāo)圖像特征參數(shù)提取問題，本文對(duì)獲取的實(shí)測(cè)圖像數(shù)據(jù)作線性灰度變換實(shí)現(xiàn)圖像增強(qiáng)，對(duì)增強(qiáng)后的圖像進(jìn)行迭代圖像分割與像素聚類處理，獲得目標(biāo)感興趣區(qū)域，最后通過特征參數(shù)提取獲取目標(biāo)特征參數(shù)。仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了算法的有效性。

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