中值反差濾波在返回散射電離圖前沿提取中的應(yīng)用

華彩成,馮 靜,李 雪,郭延波

(中國(guó)電波傳播研究所,青島 266107)

工程與應(yīng)用

中值反差濾波在返回散射電離圖前沿提取中的應(yīng)用

華彩成,馮 靜,李 雪,郭延波

(中國(guó)電波傳播研究所,青島 266107)

返回散射電離圖包含著豐富的電離層狀態(tài)信息,能夠?yàn)橐噪婋x層為傳播媒介的高頻應(yīng)用系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)的電離層參數(shù),其中一個(gè)重要的參數(shù)便是最小時(shí)延線,即前沿。本文提出了一種新型的方法用于返回散射電離圖的信息判讀,方法利用中值反差濾波對(duì)返回散射電離圖進(jìn)行過(guò)濾,保留電離層的前沿位置信息,然后利用形態(tài)學(xué)圖像處理中的腐蝕和膨脹運(yùn)算將電離層的前沿描跡提取出來(lái)。此方法避免了傳統(tǒng)算法中繁瑣的同頻干擾抑制和噪聲去除操作,整個(gè)處理過(guò)程更加簡(jiǎn)易明了。結(jié)果顯示,這種方法不但可以提高處理速度,而且還能夠很好地提取出返回散射電離圖前沿的位置,能夠滿足工程應(yīng)用的實(shí)時(shí)性,具有良好的應(yīng)用前景。

返回散射電離圖；中值反差濾波；前沿描跡

0 引 言

短波的遠(yuǎn)距離傳播一般以無(wú)線電波在地面和電離層之間連續(xù)的反射方式進(jìn)行，返回散射探測(cè)利用無(wú)線電波的傳播方式，將無(wú)線電波斜投射到電離層，電波被電離層反射到遠(yuǎn)方地面，由于地面不是均勻的理想反射體，各部分的電特性的不同和地面的崎嶇不平，會(huì)造成電波的散射，散射信號(hào)中有一部分可循原來(lái)的（或其他可能的）路徑返回到發(fā)射點(diǎn)，被放置在那里的接收機(jī)接收，這就是返回散射的探測(cè)原理。相較于垂測(cè)探測(cè)和斜向探測(cè)而言，返回散射探測(cè)具有探測(cè)距離遠(yuǎn)、覆蓋范圍廣的特點(diǎn)。目前返回散射探測(cè)主要有幾下幾點(diǎn)應(yīng)用[1-13]：（1）短波無(wú)線電覆蓋區(qū)域的監(jiān)視；（2）短波電路上的工作條件的監(jiān)視和預(yù)報(bào)；（3）為天波超視距雷達(dá)頻率管理系統(tǒng)提供重要的選頻依據(jù)；（4）利用掃頻返回散射回波圖的前沿線推算電離層的結(jié)構(gòu)。返回散射探測(cè)的上述應(yīng)用，完全依賴(lài)于返回散射電離圖信息的準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)判讀提取。返回散射電離圖前沿的正確提取，對(duì)電離層的結(jié)構(gòu)判斷和最高可用頻率的確定等都有十分重要的影響。尤其在天波超視距雷達(dá)的頻率管理系統(tǒng)中，需要對(duì)電離層的最高可用頻率及信道可用度有實(shí)時(shí)的報(bào)道，因此，準(zhǔn)確的提取返回散射電離圖的前沿信息非常有必要。

返回散射在探測(cè)的過(guò)程中，接收到的信號(hào)主要來(lái)自于大面積的地面和海面的后向散射，途經(jīng)電離層的兩次反射被接收機(jī)接收。由于電波在傳播過(guò)程中，受到來(lái)自外界的污染，因此接收到的信號(hào)中包含了很多信息，如其它短波用戶(hù)的同頻干擾、噪聲污染等，同時(shí)，在傳播過(guò)程中的損耗也會(huì)削弱接收到的信號(hào)能量。發(fā)射機(jī)功率的增加會(huì)帶來(lái)距離旁瓣等一系列問(wèn)題，所以電離層的實(shí)時(shí)信息的實(shí)時(shí)識(shí)別存在一定的困難。國(guó)內(nèi)目前此方面的研究參考文獻(xiàn)較少，程曉梅[14]等進(jìn)行了返回散射電離圖的去噪的工作，但測(cè)量需在高信噪比的保障條件下進(jìn)行，在處理的過(guò)程中對(duì)有效的信號(hào)損失較大；馮靜、李雪[15-17]等提出了一整套返回散射的處理方法，并成功的運(yùn)用到中國(guó)電波傳播研究所的電波環(huán)境系統(tǒng)中，但算法的過(guò)程中要進(jìn)行獨(dú)立的同頻干擾和噪聲的去除。郭延波、楊東升[18-20]等提出了基于小波去噪結(jié)合自適應(yīng)閾值的Canny算子進(jìn)行返回散射電離圖前沿提取的方法，但是計(jì)算過(guò)程較復(fù)雜。

本研究以中國(guó)電波傳播研究所研制的電離層返回散射系統(tǒng)為平臺(tái)，對(duì)采集到的典型狀態(tài)下的返回散射數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，提出一套基于返回散射電離圖的電離層前沿描跡識(shí)別算法。

平臺(tái)采集到的典型的正常狀態(tài)下的返回散射電離圖如圖1所示，采集時(shí)間為2015年03月11日10時(shí)，由圖1所示可以看出，電離圖中包含了主信號(hào)區(qū)域、較強(qiáng)的同頻干擾、分散的背景噪聲等。

1 返回散射前沿能量聚焦

返回散射信號(hào)最重要的特性就是能量幅度的分布與時(shí)延之間的關(guān)系，如圖2所示的固定頻率上的A型圖，它是確定最高可用頻率和判讀前沿線位置的重要依據(jù)。

圖1 典型的正常狀態(tài)下的返回散射電離圖

圖2 返回散射信號(hào)的A型圖

回波前沿陡峭的特性說(shuō)明能量較強(qiáng)，一般認(rèn)為，造成后向散射信號(hào)的這種特性的原因是由于兩種不同的聚焦：電離層的球形聚焦和時(shí)間聚焦。前者又稱(chēng)空間聚焦，類(lèi)似于凹形反射鏡的聚光燈對(duì)光線的聚焦。時(shí)間聚焦現(xiàn)象是返回散射獨(dú)有的特性，它類(lèi)似于前向傳播時(shí)電波在靜區(qū)（或跳距）邊界上的角聚焦，使入射角有明顯的變化時(shí)，射線時(shí)延變化仍很小，因此大角度范圍內(nèi)的功率密度集中在較短的一段時(shí)間內(nèi)。當(dāng)無(wú)線電波從這一段地面發(fā)生散射并沿原路徑返回傳播時(shí)，重復(fù)這種時(shí)間上的“壓縮”現(xiàn)象，造成了返回散射的信號(hào)具有很陡的前沿。

由于返回散射回波信號(hào)具有這種獨(dú)特的聚焦特性，利用這種特性將前沿部分分割出來(lái)。

2 中值反差濾波器

用于圖像處理的濾波窗都有著不同的作用，中值濾波窗可以將一些獨(dú)立的散點(diǎn)去除，均值濾波窗可以填補(bǔ)圖像中的空缺點(diǎn)等。由返回散射電離圖可以看出，在整個(gè)電離圖距離上分布著離散的噪點(diǎn)和干擾信息，然而，這些存在的信息將會(huì)對(duì)電離層的參數(shù)提取工作起到誤導(dǎo)作用。為略去圖1中的噪聲及同頻干擾的影響，以中值濾波窗為基礎(chǔ)，定義中值反差濾波器如下[21-23]：

式中X代表原始圖像數(shù)組，Xsize代表經(jīng)過(guò)濾波器后的數(shù)組，in，out，dc為濾波器的尺寸變量，其定義如下圖所示。

圖3 輸入、輸出和忽略區(qū)（don,t care）的示意圖

由三個(gè)變量的示意圖可以看出，當(dāng)幅度值位于2in和2dc之間時(shí)，才會(huì)被濾波器保留，極大值與極小值均處于2in以?xún)?nèi)或者2dc以外，濾波器將這部分?jǐn)?shù)據(jù)濾除掉。

3 圖像處理

將上述濾波器，用于圖1所示的返回散射電離圖上，在處理過(guò)程中，以返回散射數(shù)據(jù)的群距離為過(guò)濾目標(biāo)，在每個(gè)信道上運(yùn)行濾波器，在運(yùn)行過(guò)程中，設(shè)置尺寸參數(shù)in=15，dc=20，out=30。

由圖4可以看出，經(jīng)過(guò)濾波器處理過(guò)的電離圖中，有一條明顯的梯度線分布在整個(gè)畫(huà)布上，底部的準(zhǔn)垂測(cè)信號(hào)、部分流星余跡都得到保留。由于一些某些信道上的梯度信息較弱，對(duì)整幅電離圖數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理。

圖4 濾波器濾除后的返回散射電離圖

Xnorm代表歸一化后的輸出結(jié)果，i表示信道標(biāo)識(shí)，j表示群距離標(biāo)識(shí)。圖5是對(duì)整幅電離圖做完歸一化后的結(jié)果。

圖5 歸一化后的返回散射電離圖

在歸一化后的電離圖中可以看到，電離層的F層前沿處的梯度有較清晰的展現(xiàn)，在電離圖的下方存在的準(zhǔn)垂測(cè)信號(hào)、直達(dá)波以及流星干擾余跡也保留的較完整，但對(duì)于電離層的前沿描跡提取來(lái)說(shuō)，這些信息的存在時(shí)無(wú)關(guān)緊要的，所以在前沿的提取過(guò)程中可以將這些去掉。

4 前沿描跡提取

以得到的歸一化后的電離圖為基礎(chǔ)，對(duì)前沿描跡進(jìn)行提取，首先將存在的其它類(lèi)型的信號(hào)濾除掉，如準(zhǔn)垂測(cè)信號(hào)、直達(dá)波信號(hào)等。

根據(jù)此類(lèi)型的信號(hào)的分布特性，由距離信息將波形信息去除，并利用門(mén)限閾值法過(guò)濾電離圖，圖6為濾除完直達(dá)波和準(zhǔn)垂測(cè)信號(hào)并經(jīng)過(guò)門(mén)限閾值過(guò)濾的返回散射電離圖。

圖6 預(yù)處理后的返回散射電離圖

由圖示看出，經(jīng)過(guò)門(mén)限閾值的過(guò)濾后的電離圖圖6（b）有一條明顯的描跡存在。得到圖6（b）所示的電離圖后，利用形態(tài)學(xué)圖像處理中的開(kāi)操作處理方式，對(duì)電離圖進(jìn)行膨脹、腐蝕[24]處理，并在處理后的圖像上進(jìn)行前沿描跡數(shù)據(jù)的提取，下圖是提取的前沿參數(shù)，畫(huà)在圖6（b）上。

由圖7所示可以看出。初步提取的前沿?cái)?shù)據(jù)中存在一些零值點(diǎn)，以數(shù)組中的非零數(shù)值為基數(shù)，對(duì)初步提取到的數(shù)據(jù)進(jìn)行二項(xiàng)式擬合，將擬合后的前沿線描跡畫(huà)在返回散射原始電離圖上，如圖8所示。

由圖8所示可以看出，擬合后的前沿描跡是一條連續(xù)、平滑的曲線，在距離上隨著頻率單調(diào)遞增的，且可以很好的將電離層的信號(hào)區(qū)域和不可探測(cè)區(qū)域分割開(kāi)，完全符合電離層分布特性。

圖7 初步提取的前沿?cái)?shù)據(jù)在處理后的電離圖上的分布示意圖

圖8 擬合后的返回散射電離圖的前沿描跡分布

5 結(jié) 語(yǔ)

電離層的實(shí)時(shí)參數(shù)特性一般情況下都是以實(shí)時(shí)的電離圖來(lái)進(jìn)行提取或者預(yù)報(bào)，由于電離層的時(shí)變性和不穩(wěn)定性，給電離圖的處理帶來(lái)了一定的困難。本文提出的新型的濾波器可以很好的應(yīng)用在以返回散射電離圖為基礎(chǔ)的電離層參數(shù)提取上，濾波器利用電離層的前沿能量聚焦特性，對(duì)電離圖進(jìn)行過(guò)濾處理，可以得到一條明顯的電離層前沿描跡的位置分布，并且利用形態(tài)學(xué)圖像處理的膨脹和腐蝕方法將描跡提取出來(lái)。結(jié)果顯示，提取出的前沿描跡可以很好的符合電離層的分布形態(tài)。

由于受到季節(jié)、地點(diǎn)等因素的影響，電離層的變化較大，會(huì)導(dǎo)致返回散射測(cè)量在能量、距離或者其他的特征參量上的變化，在返回散射電離圖上會(huì)呈現(xiàn)出不同類(lèi)型的回波特性，后續(xù)工作會(huì)針對(duì)于電離圖的多樣性研究分析，提高算法的圖像處理質(zhì)量。

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華彩成(1987—),男,山東鄆城人,碩士,主要研究方向?yàn)殡姶挪▊鞑ゼ半婋x層相關(guān)的圖像處理工作；

E-mail：hua.caicheng@163.com

馮 靜(1981—),女,山東人,碩士,主要研究方向?yàn)殡婋x層物理及電磁波傳播等相關(guān)工作；

李 雪(1981—),男,黑龍江人,博士,主要研究方向?yàn)殡婋x層回波信號(hào)處理,雷達(dá)信號(hào)處理等；

郭延波(1981—),男,河南孟州人,碩士,主要研究方向?yàn)楹ｋs波模擬及電離層相關(guān)圖像處理工作。

App lication of M edian-contrast Filtering on Extracting the Leading Edge from an Backscatter Ionogram

HUA Cai-cheng，F(xiàn)ENG Jing，LIXue，GUO Yan-bo
（Institute of Radiowave Propagation，Qingdao 266107，China）

The ionosphere plays an important role in high-frequency radio application systems.Backscatter ionograms contain useful information of the ionosphere and the leading edgeson them are important parameters.A new technique is proposed to extractuseful parameters from backscatter ionograms.The algorithm is based on themedian-contrast filter.Firstly，the filter is utilized to process the ionogram to obtain a clearer leading edge.Then，the leading edge is extracted by the erosion and dilation operations in binarymathematicalmorphology.This algorithm circumvents the process of reducing the radio frequency interferences and random noises and appears concise.The results show that this algorithm is effective to obtainthe leading edge from an backscatter ionogram.

backscatter ionogram；median-contrast filter；leading edge

TN011.2

A

1673-5692（2015）04-401-05

10.3969/j.issn.1673-5692.2015.04.013

2015-04-11

2015-07-14

國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目（61302006），國(guó)防技術(shù)基礎(chǔ)項(xiàng)目（JSJC2013210C054），國(guó)防技術(shù)基礎(chǔ)項(xiàng)目（H3120023D003，國(guó)防技術(shù)基礎(chǔ)項(xiàng)目（JSHS2014210A002）