基于紋理識別的航海雷達溢油監(jiān)測系統(tǒng)

索永峰，楊 神化，陳國權

(集美大學航海學院，福建 廈門 361021)

基于紋理識別的航海雷達溢油監(jiān)測系統(tǒng)

索永峰，楊 神化，陳國權

(集美大學航海學院，福建 廈門 361021)

為了實時監(jiān)測海面溢油情況，根據(jù)航海雷達特點，梳理出一條利用航海雷達進行溢油監(jiān)測的技術路線，主要涵蓋系統(tǒng)框架設計、核心油膜提取算法等.其中，系統(tǒng)框架采用DSP處理芯片，對雷達視頻信號進行采樣處理，選用PCI接口便于拓展應用，選取基于紋理識別的方法用于油膜提取.該技術路線理論可為后期深入研究和系統(tǒng)開發(fā)提供理論基礎.

溢油；航海雷達；遙感；實時監(jiān)測；圖像處理

0 引言

近年國內外頻繁的海上溢油事故，給海洋環(huán)境造成嚴重污染，也使海洋溢油監(jiān)測研究成為遙感應用技術的一個研究熱點.而縱觀國內外相關領域研究，更多研究者把重點聚焦于星載SAR在溢油檢測中的應用[1-5]，這種傳統(tǒng)星載和航空SAR只能事后對海上大規(guī)模溢油事故進行有限時間取樣分析，如果將基于X波段的船載航海雷達應用于受控海域溢油檢測，則可在事故發(fā)生初期及時獲取海面溢油數(shù)據(jù)，為海事部門和海洋環(huán)保部門提供應急處理參考，為采取應急反應爭取時間.

航海雷達與合成孔徑雷達溢油監(jiān)測原理相似，都是向海面發(fā)射微波信號，該信號與海面相互作用，由接收器接收后向散射信號經處理后形成圖像[1-2].雷達回波圖像對目標表面粗糙度反應敏感，利用這一特點可進行海上溢油監(jiān)測.溢油事件發(fā)生后，油類物質會迅速擴散，并在海洋表面形成一層油膜，該油膜區(qū)域會形成Bragg波，并且對海面重力毛細波產生阻尼[3-4]，從而抑制雷達信號的后向散射，使得油膜區(qū)域在圖像上顯示為較暗的區(qū)域，而周圍的波浪則形成明暗混雜的背景數(shù)據(jù)[5].

目前基于航海X波段雷達的溢油探測的研究國內鮮有，國外雖已有相關產品，但對其關鍵技術仍未公開，各方面實驗數(shù)據(jù)也表明該項技術仍處于研究階段.航海X波段雷達遙感遙測技術具有實時、穩(wěn)定、便捷、經濟等優(yōu)點，使其在近海、海洋平臺等溢油檢測領域具有巨大的應用前景.本文試圖總結前人經驗，并結合星載SAR溢油檢測方法，探討一套適于航海雷達回波特點的海上溢油監(jiān)測關鍵技術，為隨后相關實驗和產品研發(fā)奠定理論基礎.

1 系統(tǒng)設計框架

基于航海雷達的溢油監(jiān)測系統(tǒng)包括收發(fā)單元、雷達信號處理板和計算機，如圖1所示.系統(tǒng)收發(fā)單元由單臺X波段雷達或多臺X波段雷達組成的雷達鏈構成.雷達回波經接口箱接入中心處理計算機，中心計算機的雷達回波處理單元，因計算量極大，可能造成計算機應用系統(tǒng)不穩(wěn)定，故設計使用硬件級的雷達信號處理板卡來實現(xiàn)雷達模數(shù)轉換和圖像處理功能.本文下述所用雷達回波預處理方法及油膜提取算法功能模塊，均依賴該模塊運行.該硬件雷達信號處理單元可采用高速DSP處理芯片，以PCI插口的方式與計算機主板集成.

2 油膜提取核心算法

海面油膜對海面毛細波、短重力波的阻尼作用使得其在雷達回波圖像上呈低散射區(qū)，據(jù)此可以利用雷達圖像進行油膜檢測.然而雷達自身系統(tǒng)電路、海上環(huán)境和船舶搖擺等因素，造成實際雷達原始回波圖像存在大量干擾噪聲，雖然多張回波圖像平均后，可以提高圖像質量，但仍然不夠清晰.通常增加雷達系統(tǒng)帶寬或采用一系列濾波可以減少噪聲，本系統(tǒng)在此基礎上，為有效分辨出溢油等小物標，擬將回波圖像紋理做為油膜重要特征給予考慮，這樣可有效提高圖像分割效果.

2.1 雷達數(shù)字信號處理

實時的數(shù)據(jù)采集是雷達信號數(shù)字處理必不可少的前提，特別對雷達微弱信號的檢測，良好且不失真的數(shù)據(jù)采集是處理的關鍵．為了解決雷達信號數(shù)據(jù)量大、實時性強等問題，需采用獨立設計的雷達信號處理卡，對采集到的原始雷達信號進行模數(shù)轉換，然后用專用數(shù)字信號處理芯片與大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷Y合進行信號處理.此外，利用高性能DSP芯片和IPCI接口芯片，可有效提高雷達信號處理板卡的通用性和擴展能力，為溢油監(jiān)測系統(tǒng)能夠支持更多品牌的收發(fā)單元提供硬件保證.該雷達信號處理板卡采用一款具有高速浮點運算能力的TI 6000 系列的芯片TMS320C6713PYP200，最高運算速度達到1350 MIPS，同時使用XILINX 公司的20 萬門FPGA XC2S200PQ208，以及CYPRESS 公司的CY7C68013 USB2.0 協(xié)議芯片，為DSP系統(tǒng)搭建起高速數(shù)據(jù)通路，采用了模數(shù)轉換芯片AD9240，該轉換芯片具有極高的采樣頻率和轉換速率，轉換速率達到10 MHz，可以滿足雷達視頻采集的要求.

雷達的數(shù)字信號處理過程如圖2所示.數(shù)字信號處理模塊以DSP作為核心處理器，DSP外接PROM和SRAM，其中，EEPROM存放程序代碼用于DSP的bootloader，SRAM為數(shù)據(jù)空間的擴展用于存儲多次回波數(shù)據(jù).首先，雷達上單元發(fā)出的視頻信號，經過高速AD采樣后送入FIFO緩存，然后雷達根據(jù)處理情況讀取FIFO中的采樣數(shù)據(jù).而雷達上單元發(fā)出的方位信號、船首信號、觸發(fā)信號等經過FPGA邏輯轉換以后接DSP的外部中斷，DSP根據(jù)中斷作相應的數(shù)據(jù)處理.FPGA作為DSP的輔助器，協(xié)助DSP控制其外設器件.另外，在數(shù)字信號處理模塊測試板上設置了串口模塊用于調試和測試.

圖2 雷達數(shù)字信號處理流程圖

2.2 坐標轉換

初步處理后的數(shù)字雷達視頻圖像是以極坐標方式存在的，通過極坐標系和屏幕直角坐標系轉換方程，處理數(shù)字化的雷達視頻圖像，使雷達視頻圖像從極坐標轉換到笛卡爾坐標，便于進一步與電子海圖疊加，顯示和岸壁剔除.極坐標系和屏幕直角坐標系的對應關系如圖3所示.

2.3 濾波處理

雷達成像過程中產生并隨機分布的或明或暗的斑點與小物標回波交織在一起，破壞了回波原始邊緣和紋理特征，增加了計算機對雷達回波圖像的處理難度.除了雷達內部硬件系統(tǒng)造成的噪聲之外，更為嚴重的噪聲來自于海面上的海浪回波，如果天氣情況不好，還會受到雨雪影響，因此有必要在對溢油進行分析識別之前對雷達圖像進行濾波處理.

常用的除噪濾波算法有Lee濾波，改進的Lee濾波，F(xiàn)rost濾波，Kuan濾波，Gamma Map濾波等.文獻[7]對均值濾波、中值濾波、局部濾波、Lee濾波、Lee-Sigma濾波、Frost濾波和Gamma-map濾波進行了試驗比較，試驗表明Lee濾波和Gamma-map濾波效果最好.Nasser的研究表明，在航海雷達回波濾波處理中，Gamma濾波具有最好的邊緣保持特性，并且適合于各種海況[6].本文擬選擇Gamma濾波用于濾波處理.

2.4 紋理識別

紋理分析識別的方法歸結起來主要有兩大類，一是統(tǒng)計分析方法，二是結構分析方法.前者從圖像屬性的統(tǒng)計分析出發(fā)，后者著力于找出紋理單元，然后從結構組成上探索紋理的規(guī)律，或者直接去探求紋理構成的結構規(guī)律.從歷史發(fā)展與當前的進展看，統(tǒng)計方法仍然占據(jù)主導地位.統(tǒng)計分析方法主要有灰度共生矩陣法、分形分維法和馬爾可夫隨機場法等，其中共生矩陣法被廣泛應用，它不僅考慮像元灰度值，而且考慮像元灰度值的分布空間關系.此外，為量化矩陣的相似性，便于計算機對圖像紋理進行紋理分析，Haralick等人由灰度共生矩陣提出了14種特征，Nasser等人對這些特征變量做了主成份分析[6]，他們通過對三起溢油事故航海雷達回波原始數(shù)據(jù)的分析，得知，能量、熵、對比度三個特征向量在三起事故中所占影響比例分別達到98.57%，97.13%，96.88%.本系統(tǒng)考慮運行實時性要求，也選取這三個特征向量，它們已經包含絕大多數(shù)紋理特征信息，能夠滿足系統(tǒng)精度要求.

利用灰度共生矩陣進行雷達回波圖像紋理分析，需要根據(jù)雷達實際條件及回波質量，確定回波圖像中溢油的紋理共生矩陣特征向量參數(shù)，包括計算紋理的方向、步長、窗口大小，以及通過主成分分析等方法確定合適的溢油檢測紋理特征向量.

直接使用航海雷達圖像進行共生矩陣方向性的研究很少，通過SAR影像所得出的結論也有一定的參考價值，?，摰热藢Σ煌瑪?shù)據(jù)源的多幅SAR影像數(shù)據(jù)進行了0°，45°，90°和135° 4個方向上的實驗[7]，通過實驗表明：均值、方差、均勻性、熵、二階距、相關性所表現(xiàn)出方向特性不明顯，筆者建議考慮效率的時候不考慮以上6個特征變量的方向性.對比度、相異性紋理值有些跳躍，沒有明確規(guī)律，但是每個方向特征值都有明顯差異，可以達到區(qū)分效果，因此也可以不考慮這兩個向量的方向性.航海雷達圖像的紋理分割，也暫不考慮方向性影響.

為了盡可能發(fā)現(xiàn)小的物標，步長一般取1.而對于步長及窗口的確定，目前沒有發(fā)現(xiàn)專門研究數(shù)據(jù)，但文獻[7]對SAR圖像的共生矩陣法紋理提取的實驗中發(fā)現(xiàn)：均值、方差、協(xié)同性三種特征向量隨著窗口的增大略有增加，對比度、相異性、一階距略有減小，熵、相關性則明顯增大，各參數(shù)表現(xiàn)出不同的規(guī)律性，筆者根據(jù)圖像分割最后效果，建議采用7×7的窗口，系統(tǒng)實際應用中將設置成系統(tǒng)設置，并允許用戶根據(jù)經驗和海況進行調控.

2.5 海圖疊加顯示

雷達回波圖像分析結果經坐標轉換后，可疊加到墨卡托投影的電子海圖上，利用GDI(Graphic Device Interface，圖形設備接口)進行電子海圖繪制，為提高繪制效率，避免圖像閃爍，必須采用雙緩存機制.雷達圖像與電子海圖疊加顯示時，需遵循IHO(International Hydrographic Organization，國際航道組織)S-52標準[11]，按照各層優(yōu)先級順序顯示圖像.首先將圖像繪制到緩存區(qū)內，等所有層全部繪制完畢后，再調用BitBlt或StretchBlt一次性發(fā)送到顯卡中.電子海圖與雷達圖像疊加算法過程描述如下：

1)在緩存中繪制電子海圖矢量圖

IHO S-52中對電子海圖的繪制有明確的標準和建議配色方案，通過查詢表(Look-up table)的方式提供給開發(fā)人員，查詢表包括物標編碼、屬性、符號化描述、顯示優(yōu)先級、雷達覆蓋(OVERRADAR)、IMO(International Maritime Organization，國際海事組織)顯示分類和可選分組.顯示優(yōu)先級從0～9，優(yōu)先級高的要后繪制(后繪制會疊加在更頂層，先繪制的會被疊加覆蓋)，編程實現(xiàn)時繪制物標列表要按照優(yōu)先級進行排序，然后依次繪制.

2)獲取雷達圖像并疊加繪制.

通過雷達板卡圖像緩存獲得的雷達回波數(shù)據(jù)，包括掃描線方位信號、量程信息、像素信息等.雷達圖像繪制前，從IHO-S52標準顏色表中找到對應的顏色信息，還原雷達回波圖像的顏色，再經過像素點極坐標轉換，取得與電子海圖地理坐標、顯示模式和比例尺相適應的屏幕坐標.雷達回波繪制時，要考慮與電子海圖物標繪制的先后問題.IHO S-52查詢表的雷達覆蓋字段決定了雷達回波物標繪制的先后關系.雷達覆蓋字段的可選值有“O”、“S”和空值.O即OVERRADAR，表示物標覆蓋雷達回波圖像；S即SUPPRESSED，表示回波圖像覆蓋物標；若該字段為空，默認為物標覆蓋雷達回波圖像.

3)按照當前主流雷達每掃描一圈4096線的要求，在2.4 s內顯示4096根掃描線，即每隔0.586 ms繪制一根掃描線，按標準與電子海圖物標在顯示緩存中繪制完成后，再一次性拷貝到屏幕上，實現(xiàn)雷達圖像與電子海圖的流暢疊加顯示.

3 結論與后續(xù)研究

本文綜合SAR研究，采用基于能量、熵和對比度的紋理識別方法用于油膜提取，提出了一種基于航海雷達的實時海洋溢油監(jiān)測系統(tǒng)架構.該系統(tǒng)架構所選方法在圖像質量較好情況下可以滿足應用需要.但海上海況復雜多變，干擾因素很多，實際使用X波段雷達進行溢油實時監(jiān)測，還必須做一些針對性算法優(yōu)化，特別應該針對海浪情況進行優(yōu)化，如可根據(jù)海浪的傳感器進行修正，也可根據(jù)當?shù)馗劭趯嶋H情況建立當?shù)仫L場、流場數(shù)學模型，綜合考慮這些修正因素，可更好地解決海浪干擾的噪聲問題.后續(xù)作者將著重從以下幾個方面出發(fā)，深入對航海雷達在溢油檢測領域進行深入的研究：

1)利用航海雷達回波數(shù)據(jù)，驗證灰度共生矩陣窗口選擇；

2)設計實驗，驗證不同種類溢油灰度共生矩陣的方向性特性；

3)考慮使用自適應算法使系統(tǒng)自動選擇合適的計算窗口和步長.

總之，利用航海X波段雷達對船舶溢油進行實時監(jiān)測有其先天性優(yōu)勢，但目前國內外的產品或研究都僅停留在可行階段，而對其靈敏度、準確率卻不敢強調.這主要是因為上述的各種干擾因素的影響，對這些影響的針對性優(yōu)化處理還有待深入研究.本文僅是作者對該課題研究的初探，大量實驗證明了海洋溢油存在明顯的混沌特性，后續(xù)作者將從混沌理論角度對海洋溢油回波特點進行研究.

[1]魏錸,胡卓瑋.SAR影像海洋表面溢油檢測方法與實現(xiàn)[J]，遙感技術與應用，2013,28(1):34-42.

[2]薛浩潔.SAR圖像海洋表面油膜檢測方法研究[D].北京：中國科學院電子學研究所,2004.

[3]薛浩潔,種勁松.SAR圖像海洋表面油膜檢測方法[J].遙感技術與應用,2004,19(4):290-294.

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[11]IHO.IHO ecdis presentation library users’ manual[s].Monaco:The International Hydrographic Bureau,1997.

(責任編輯 陳 敏 英文審校 周云龍)

Marine Radar Oil Spillage Surveillance System Based on the Texture Identification

SUO Yong-feng，YANG Shen-hua，CHEN Guo-quan

(Navigation Insitute，Jimei University，Xiamen 361021，China)

s:This article presents a technical route for real-time oil spillage detection system by using the marine radar.The whole system includes framework,core oil slick extracting algorithm and so on.The radar video signal is sampled and processed by the DSP and the PCI interface is used for expansion.The oil slick extracting algorithm is based on the texture identification.This method is theoretically feasible which may support the theory research basis for further research and system developments.

oil spill；marine radar；remote sensing；real-time monitoring；image processing

2013-06-20

[修回日期]2013-12-26 [基金項目]國家自然科學基金資助項目(51109090)；福建省科技計劃重點項目(2012H0030)；廈門市科技計劃高校創(chuàng)新項目(3502Z20123019)；福建省高等學校新世紀優(yōu)秀人才支持計劃資助(JA12181)；集美大學科研基金(ZQ2014002)

索永峰(1981—)，男，講師，博士，從事航海信息化系統(tǒng)研究.

1007-7405(2014)02-0113-05

TP 274.2

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