魏鉅杰，張繼賢，黃國(guó)滿，趙　爭(zhēng)

(中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院，北京 100830)

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一種基于全極化SAR數(shù)據(jù)廣義多子視相干的海面船只目標(biāo)檢測(cè)方法

魏鉅杰，張繼賢，黃國(guó)滿，趙爭(zhēng)

(中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院，北京 100830)

傳統(tǒng)基于子視相干的檢測(cè)算法，如2L-IHP(Two Looks Internal Hermitian Product)和Pol-IHP(Polarimetric Internal Hermitian Product)等，通常利用兩個(gè)子視影像進(jìn)行相干來(lái)檢測(cè)海面弱小船只目標(biāo).但受子視影像個(gè)數(shù)的限制，無(wú)法大幅度地提高船海對(duì)比度，進(jìn)而影響了檢測(cè)精度.針對(duì)該問(wèn)題，本文提出了一種基于全極化SAR的廣義多子視相干檢測(cè)算法，首先利用子視分解方法對(duì)全極化SAR數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到多個(gè)子視全極化影像；接著，基于廣義相似性參數(shù)(Generalized Similarity Parameter，GSP)定義這些子視影像間的相關(guān)矩陣和相干算子來(lái)計(jì)算相干圖；然后，利用恒虛警率(Constant False Alarm Rate，CFAR)檢測(cè)方法結(jié)合統(tǒng)計(jì)的相干圖累積分布函數(shù)進(jìn)行船只目標(biāo)檢測(cè).通過(guò)實(shí)驗(yàn)，表明利用本文算法船海對(duì)比度隨著子視影像個(gè)數(shù)的增加而得到大幅提高，從而減少了弱小船只目標(biāo)的漏檢，顯著提高了船只目標(biāo)檢測(cè)精度.

全極化SAR；多子視相干；廣義相似性；恒虛警率；船只目標(biāo)檢測(cè)

1　引言

船海對(duì)比度是直接影響合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar，SAR)影像海面船只目標(biāo)檢測(cè)精度的關(guān)鍵因素之一.尤其是弱小船只目標(biāo)，其后向散射強(qiáng)度較弱，很容易產(chǎn)生漏檢.Arnaud首次引入雷達(dá)干涉測(cè)量的思想，利用前后子視影像的相干系數(shù)來(lái)檢測(cè)弱小船只[1].之后，Iehara等采用二維相關(guān)函數(shù)(Two Dimensions Cross Correlation Function，2D-CCF)計(jì)算兩子視影像間的相干性來(lái)檢測(cè)海面船只目標(biāo)[2].Souyris和Henry等考慮到相干系數(shù)忽略了幅度信息，提出了兩子視厄爾米特內(nèi)積(Two Looks Internal Hermitian Product，2L-IHP)的船只目標(biāo)檢測(cè)算法，并引入極化干涉相干最優(yōu)提出了Pol-IHP船只檢測(cè)算法，將該方法推廣到全極化SAR數(shù)據(jù)[3,4].極化干涉相干最優(yōu)實(shí)際上是通過(guò)選擇最優(yōu)極化狀態(tài)組合使得觀測(cè)目標(biāo)產(chǎn)生最高的相干性[5,6].所以，利用兩個(gè)子視全極化數(shù)據(jù)進(jìn)行極化干涉最優(yōu)相干，不僅使得船只目標(biāo)產(chǎn)生最優(yōu)相干，而且同樣也使得海雜波獲得最優(yōu)相干.這就在一定程度上抑制了船海對(duì)比度的增幅；另外，上述算法都只能處理兩個(gè)子視影像.因此，本文針對(duì)全極化SAR數(shù)據(jù)，推導(dǎo)出一種廣義多子視相干算子ρGIC，突破子視個(gè)數(shù)的限制，更大程度增強(qiáng)船海對(duì)比度，以便提高船只目標(biāo)檢測(cè)精度.

2　算法原理

多子視相干的前提是要對(duì)全極化SAR數(shù)據(jù)進(jìn)行多子視分解[7～9].在此基礎(chǔ)上，再計(jì)算各個(gè)子視全極化數(shù)據(jù)間的相關(guān)性.子視分解作為SAR成像的逆過(guò)程，子視影像通常是利用SAR回波信號(hào)的多普勒頻譜，將其分割為一系列子頻譜計(jì)算得到.

2.1廣義多子視相干

本節(jié)利用兩個(gè)散射體間的相似性參數(shù)和廣義相似性參數(shù)，定義了多子視全極化數(shù)據(jù)間的相關(guān)矩陣，并提出了廣義多子視相干算子ρGIC.

2.1.1相似性參數(shù)和廣義相似性參數(shù)

為了確定兩個(gè)散射體之間的相似性，Yang等[10]定義了兩個(gè)極化散射矩陣S1和S2的相似性參數(shù)r，即

(1)

(2)

2009年，An等利用兩個(gè)極化相干矩陣T1和T2的相關(guān)系數(shù)定義了廣義相似性參數(shù)(Generalized Similarity Parameter，GSP)[11]，將相似性參數(shù)推廣到多視極化SAR數(shù)據(jù)，即

(3)

對(duì)于單視極化SAR，相似性參數(shù)與廣義相似性參數(shù)是等價(jià)的.另外，相似性參數(shù)與GSP的取值范圍都為[0，1]；當(dāng)r(S1,S2)=1或rg(T1,T2)=1時(shí)，表明兩個(gè)散射體具有相同的后向散射特性；當(dāng)r(S1,S2)=0或rg(T1,T2)=0時(shí)，表明二者的后向散射特性完全不同.

2.1.2相關(guān)矩陣

Leducq等[12]基于矩陣熵[13]提出了N個(gè)子視單極化復(fù)數(shù)影像間的相關(guān)矩陣Rs，即

(4)

式中，s1，s2，…，sN分別為各子視的復(fù)數(shù)影像；上標(biāo)*表示復(fù)數(shù)共軛.相關(guān)矩陣Rs的行列式|Rs|可以用來(lái)衡量N個(gè)子視影像間的相關(guān)程度.當(dāng)各子視影像數(shù)據(jù)相等時(shí)，則相關(guān)矩陣Rs的所有元素都為1，那么|Rs|=0；當(dāng)各子視影像數(shù)據(jù)都完全不等時(shí)，則相關(guān)矩陣Rs為單位矩陣，那么|Rs|=1；因此，|Rs|的取值范圍為[0～1].所以，相關(guān)矩陣的行列式|Rs|越小，則各子視影像間的相關(guān)性越高，反之越低.

同樣地，本文引入相似性參數(shù)和GSP，定義了N個(gè)子視全極化數(shù)據(jù)之間的相關(guān)矩陣：

(5)

式中，k1，k2，…，kN分別為各子視全極化數(shù)據(jù)的Pauli目標(biāo)散射矢量.根據(jù)GSP的性質(zhì)，當(dāng)各子視影像的后向散射特性相同時(shí)，rg(T1,T2)=rg(T1,T3)=…=rg(T1,TN)=1，即相關(guān)矩陣的各個(gè)元素都為1，那么|Rg|= 0；當(dāng)各子視影像的后向散射特性各不相同時(shí)，則rg(T1,T2)=rg(T1,T3)=…=rg(T1,TN)=0，那么相關(guān)矩陣為單位陣，|Rg|=1.因此，與|Rs|類似，相關(guān)矩陣Rg行列式值|Rg|的取值范圍也為[0～1].行列式值|Rg|越小，則各子視影像間的相關(guān)程度越高，反之就越低.

2.1.3廣義多子視相干算子

對(duì)于兩個(gè)子視全極化數(shù)據(jù)的Pauli目標(biāo)散射矢量k1和k2，可定義二者的相關(guān)系數(shù)|ρpol|2為

(6)

根據(jù)多子視全極化SAR相關(guān)矩陣式(5)，式(6)可轉(zhuǎn)化為：

(7)

那么，將式(7)推廣到N個(gè)子視全極化數(shù)據(jù)，廣義多子視相關(guān)系數(shù)ρGIC定義為：

(8)

2.2基于廣義多子視相干的海面船只檢測(cè)算法

利用廣義多子視相干算子ρGIC可計(jì)算獲得船海對(duì)比度增強(qiáng)的相干影像.接著，利用相干影像計(jì)算全局檢測(cè)閾值ε；然后，判斷當(dāng)相干影像中的像素值大于檢測(cè)閾值ε時(shí)，則判定為船只目標(biāo)；否則，為背景海雜波.全局檢測(cè)閾值ε的計(jì)算方法類似于恒虛警率(Constant False Alarm Rate，CFAR)檢測(cè)法[14,15]，即

(9)

式中，ε為檢測(cè)閾值；Pfa表示恒虛警率；f(·)表示相干影像ρGIC的統(tǒng)計(jì)分布函數(shù)，F(xiàn)(·)表示相應(yīng)的累積分布函數(shù).假定相干影像共有M個(gè)像素{x1,x2,…,xM}，且各像素按升序排列(即x1≤x2≤…≤xM)，那么，某像素xk的累積分布函數(shù)F(xk)，k=1，2，…，M，可根據(jù)式(10)進(jìn)行估算，

(10)

式中，Num(·)表示統(tǒng)計(jì)元素個(gè)數(shù).利用計(jì)算得到的累積分布函數(shù)曲線，并結(jié)合預(yù)設(shè)的恒虛警率Pfa，可確定檢測(cè)閾值ε.

3　實(shí)驗(yàn)分析

3.1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)介紹

為了驗(yàn)證本文算法的檢測(cè)性能，本節(jié)選擇覆蓋日本玉野市Kojimawan海灣的L波段AIRSAR全極化數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn).首先，根據(jù)彩色RGB合成原理，通過(guò)目視判讀解譯，將同時(shí)位于C波段和L波段影像上相同位置的白色亮點(diǎn)目標(biāo)S1、S2、…、S21(共有21個(gè))人工判定為船只目標(biāo)(如圖1所示)，并作為后續(xù)算法的驗(yàn)證參考數(shù)據(jù).

3.2廣義多字視相干算子對(duì)船海對(duì)比度增幅的影響

為了便于驗(yàn)證廣義多子視相干算子ρGIC對(duì)增強(qiáng)船只對(duì)比度的有效性，本節(jié)以船只目標(biāo)S6、S7為例，分別計(jì)算2個(gè)子視相干(2L-ρGIC和Pol-IHP)、5個(gè)子視相干(5L-ρGIC)和9個(gè)子視相干(9L-ρGIC)，其結(jié)果如圖2所示，相應(yīng)的船海對(duì)比度增幅情況見表1.

表1　多子視相干后船海對(duì)比度的增幅情況(單位：dB)

為了便于直觀比較，圖2中各3D示意圖的縱軸(Z軸)都限定在同一范圍(-63.5～54.5)之間.結(jié)合表1和圖2可知，同為兩個(gè)子視相干時(shí)，2L-ρGIC和Pol-IHP相干結(jié)果船海對(duì)比度增幅情況相當(dāng).但隨著子視個(gè)數(shù)的增加，廣義多子視相干在不斷抑制海雜波散射強(qiáng)度的同時(shí)，也相應(yīng)提高了船只目標(biāo)的散射強(qiáng)度，使得船海對(duì)比度隨之不斷增大.這就證明了本文算法能夠突破子視個(gè)數(shù)的限制，更大程度地提高船海對(duì)比度.

3.3算法檢測(cè)性能的驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文算法的檢測(cè)性能，本節(jié)選擇Pol-IHP算法和5子視相干5L-ρGIC算法進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，其檢測(cè)結(jié)果如圖3所示，并采用檢測(cè)概率Pd和品質(zhì)因數(shù)FoM(Figure of Merit)[7,15]進(jìn)行了定量比較，其統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2.

表2　各算法檢測(cè)精度對(duì)比

圖3中，橢圓形虛框?yàn)闄z測(cè)虛警、矩形虛框?yàn)槁z目標(biāo)，黑色矩形框標(biāo)識(shí)正確檢測(cè)目標(biāo).對(duì)比分析圖3和表2，Pol-IHP檢測(cè)結(jié)果中同時(shí)存在著虛警(22個(gè))和漏檢(2個(gè)).而5L-ρGIC的檢測(cè)結(jié)果，實(shí)測(cè)的21個(gè)船只目標(biāo)全部被檢測(cè)出來(lái)，漏檢數(shù)為0，極大程度地減少了弱小船只目標(biāo)的漏檢，檢測(cè)概率為100%；而且也大大降低了檢測(cè)虛警，提高了品質(zhì)因數(shù).由此可見，本文算法的檢測(cè)精度優(yōu)于Pol-IHP.

4　結(jié)論

本文針對(duì)弱小船只目標(biāo)容易產(chǎn)生漏檢的問(wèn)題，利用全極化SAR數(shù)據(jù)，推導(dǎo)出一種廣義多子視相干算子ρGIC，突破了以往2個(gè)子視相干算法中子視個(gè)數(shù)的限制，更大程度地提高了船海對(duì)比度，并將其應(yīng)用于海面船只目標(biāo)檢測(cè).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文算法優(yōu)于Pol-IHP檢測(cè)算法.但檢測(cè)結(jié)果中仍存在著某些虛警，這主要是因某些海雜波的后向散射特性存在著明顯異常引起的.這也將是我們今后工作進(jìn)一步研究的重點(diǎn).另外，下一步也將利用其他傳感器(機(jī)載SAR/星載SAR)在不同成像模式、不同觀測(cè)角度、不同波段、不同海況等條件下獲得的全極化數(shù)據(jù)，結(jié)合地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析本文算法的優(yōu)劣.

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魏鉅杰男，博士，1983年10月生于福建平潭.主要從事合成孔徑雷達(dá)影像的幾何處理與地物解譯識(shí)別等方面的研究.

E-mail:weijujie0417@gmail.com

張繼賢男，1965年5月出生于陜西商洛.現(xiàn)任中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院院長(zhǎng)、研究員，博士生導(dǎo)師.主要研究方向?yàn)閿z影測(cè)量與遙感、地理信息系統(tǒng)、資源與環(huán)境遙感監(jiān)測(cè).

E-mail:zhangjx@casm.ac.cn

A New Ship Detection Method Based on Generalized Multi-sublooks Correlation Using POLSAR Data

WEI Ju-jie,ZHANG Ji-xian,HUANG Guo-man,ZHAO Zheng

(ChineseAcademyofSurveying&Mapping,Beijing100830,China)

The traditional ship detection algorithms,such as 2L-IHP (Two Looks Internal Hermitian Product), Pol-IHP (Polarimetric Internal Hermitian Product),etc,usually utilized two sub-look images cross-correlation to decrease omitted detection for small ships.However,because they were constrained by the number of sub-look images,the previous methods could not increase ship-sea contrast to much extent,which affected the ship detection accuracy.Therefore,this paper proposes a detection algorithm based on generalized multi-sublooks correlation using polarimetric SAR (POLSAR) data.Firstly,the sub-look decomposition method is applied for POLSAR data to get multi-sublook POLSAR images.Then the correlation matrix and the coherence operator based on the generalized similarity parameter (GSP) are defined to calculate the coherence image of the multi-sublook images.Finally,the constant false alarm rate (CFAR) detection method is utilized for ship detection by the calculated cumulative distribution function (CDF) of the coherence image.The experiments prove that ship-sea contrast can be increased with the number of sublook images by the propose method,which reduces the undetected probability of the ships and also improve the ship detection accuracy significantly.

polarimetric SAR;multi-sublooks correlation;generalized similarity;constant false alarm rate;ship detection

2015-01-09;修回日期:2015-03-02；責(zé)任編輯：覃懷銀

測(cè)繪地理信息公益性行業(yè)科研專項(xiàng)項(xiàng)目(No.201412002);中國(guó)博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.2016M591219)

TP75

A

0372-2112 (2016)06-1516-05