基于方位向模糊區(qū)位置去除虛假船的檢測(cè)方法

徐凌云，房紅兵

（南京理工大學(xué)江蘇南京210094）

基于方位向模糊區(qū)位置去除虛假船的檢測(cè)方法

徐凌云，房紅兵

（南京理工大學(xué)江蘇南京210094）

模糊性是合成孔徑雷達(dá)重要參數(shù)之一。在進(jìn)行港口或是海面艦船檢測(cè)時(shí)，當(dāng)模糊區(qū)域能量過(guò)高會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生虛假目標(biāo)。雷達(dá)照射到強(qiáng)散射物體時(shí)會(huì)產(chǎn)生虛假影像，嚴(yán)重影響對(duì)圖像的判讀，進(jìn)而影響艦船目標(biāo)檢測(cè)的準(zhǔn)確性?；谔岣吲灤瑱z測(cè)準(zhǔn)確性的目的，本文先從模糊性來(lái)源入手，通過(guò)分析計(jì)算方位向模糊值，并且結(jié)合虛假影像的特點(diǎn)提出了分塊區(qū)域下通過(guò)方位向模糊區(qū)位置，鑒別虛假目標(biāo)，最后通過(guò)實(shí)際數(shù)據(jù)分析驗(yàn)證了該方法的有效性，提高艦船檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

合成孔徑雷達(dá)（SAR）；方位向模糊度；模糊區(qū)；艦船檢測(cè)

方位向模糊性[1-3]作為星載合成孔徑雷達(dá)（synthetic aperture radar，SAR）固有的一種特性，對(duì)于目標(biāo)檢測(cè)與識(shí)別會(huì)照成干擾，在艦船檢測(cè)時(shí)當(dāng)模糊嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)虛假目標(biāo)，對(duì)目標(biāo)艦船檢測(cè)造成嚴(yán)重干擾。

現(xiàn)今在國(guó)內(nèi)外研究SAR方位模糊抑制大多從信號(hào)角度出發(fā)，如:理想濾波器抑制[4]，自適應(yīng)方位模糊抑制[5]，三濾波器方位模糊抑制[6]等。上述方法針對(duì)點(diǎn)目標(biāo)會(huì)有比較好的效果，但是大多計(jì)算量偏大。本文提出了一種的處理方法:從計(jì)算分塊區(qū)域[7]模糊區(qū)位置的角度，來(lái)進(jìn)行艦船目標(biāo)分析檢測(cè)，通過(guò)判斷模糊位置來(lái)是否存在，抑制模糊，降低圖像模糊程度，進(jìn)而提高檢測(cè)準(zhǔn)確度。

1 方位向模糊來(lái)源以及計(jì)算方法

多普勒頻譜的欠采樣[8]是導(dǎo)致方位向模糊的主要原因。由于雷達(dá)的脈沖重復(fù)采樣的工作機(jī)制而且天線總是存在旁瓣的，導(dǎo)致方位向模糊度成為一種無(wú)法消除的系統(tǒng)干擾。雖然在處理成像區(qū)回波信號(hào)的主瓣區(qū)域內(nèi)的信號(hào)，但是無(wú)論如何設(shè)計(jì)優(yōu)化天線，天線總是存在旁瓣的。脈沖采樣時(shí)，前一個(gè)或是后一個(gè)周期信號(hào)的旁瓣信號(hào)延伸疊加到方位向主瓣信號(hào)中來(lái)，使得主瓣信號(hào)被周期性的混跌，從而造成了方位向模糊。

在條帶模式下，天線指向不發(fā)生變化，在整個(gè)照射過(guò)程中，所有具有相同斜距，不同方位位置的目標(biāo)，其經(jīng)歷的天線方向圖過(guò)程是一致的，都是先經(jīng)歷方向圖旁瓣再經(jīng)歷主瓣再離開(kāi)主瓣進(jìn)入旁瓣。整個(gè)成像過(guò)程成像區(qū)域I與雷達(dá)的運(yùn)動(dòng)可以等效成成像區(qū)域與天線方向圖之間的運(yùn)動(dòng)。一般情況會(huì)假設(shè)目標(biāo)的后向散射系數(shù)在整個(gè)天線方向圖中不發(fā)生變化[9]。

為了方便地測(cè)度方位模糊，通常把在方位向處理器帶寬內(nèi)，模糊噪聲能量與回波信號(hào)能量之比稱為方位模糊度[10]。其表達(dá)式為:

Bp:方位向帶寬，一般會(huì)選取3 db點(diǎn)，工程上計(jì)算一般會(huì)選取方位向方向圖-6 db處帶寬，留取一定余量后選擇-8db左右。k:方位模糊序號(hào)，一般選取-20～20，天線方向圖遠(yuǎn)區(qū)旁瓣總是較小，模糊能量主要集中在+1模糊區(qū)。G:雙程方位向天線方向圖，標(biāo)準(zhǔn)的天線方向圖表達(dá)式[11]為:

其中La方位向天線尺寸，λ波長(zhǎng)，φ方位角，

fd:為方位向多普勒頻率；

r?:SAR與地面目標(biāo)之間的相對(duì)距離矢量，v?:相對(duì)速度矢量。

在整個(gè)雷達(dá)照射成像過(guò)程中，某一區(qū)域的方位向模糊度一般是max（AASR），將該區(qū)域內(nèi)最大AASR設(shè)為該區(qū)域的方位向模糊度。條帶模式下，因SAR天線的波束指向不發(fā)生改變，成像區(qū)域內(nèi)的各個(gè)點(diǎn)目標(biāo)所經(jīng)歷的過(guò)程是一致的，并且具有相同的斜距，所以其AASR是相同的。

2 基于分塊區(qū)域模糊區(qū)位置計(jì)算

上面闡述了方位向模糊計(jì)算的方法，主信號(hào)區(qū)與模糊區(qū)存在一定的距離偏移，對(duì)于點(diǎn)目標(biāo)而言，因模糊能量主要在±1模糊區(qū)，同樣的分塊大區(qū)域的目標(biāo)區(qū)域同樣是能量集中在±1模糊區(qū)內(nèi)，下面主要分析計(jì)算方位向和距離向模糊區(qū)與目標(biāo)主信號(hào)區(qū)的距離。以及在實(shí)際場(chǎng)景中的應(yīng)用分析。

方位向模糊區(qū)與目標(biāo)觀測(cè)區(qū)具有相同的斜距，其中多普勒中心頻率的差距也由脈沖重復(fù)頻率決定，可以根據(jù)已知的多普勒參數(shù)[12]以及其與的衛(wèi)星參數(shù)，求得±1模糊區(qū)與目標(biāo)觀測(cè)區(qū)的地面位置關(guān)系[13]。

Xa:目標(biāo)與模糊區(qū)之間的方位向距離；N:間隔的像素；ρa(bǔ):方位向分辨率；prf:脈沖重復(fù)頻率；fr:多普勒調(diào)頻率；p0，p1，p2，p3:各階調(diào)頻系數(shù)；rx0:目標(biāo)的斜距；rref:參考斜距。

文中提出了一種基于模糊區(qū)位置計(jì)算的提高艦船檢測(cè)精度的處理方法，主要思想:先計(jì)算SAR圖像的方位向模糊值，如果方位向模糊值嚴(yán)重，那么很可能存在虛假目標(biāo)。然后SAR原始圖像先進(jìn)行區(qū)域分塊艦船目標(biāo)檢測(cè)，標(biāo)記艦船目標(biāo)，計(jì)算區(qū)域目標(biāo)內(nèi)對(duì)于可能模糊船存在的位置，然后根據(jù)模糊區(qū)位置內(nèi)平均能量分布以及艦船特征[14-16]（大小，形狀，船朝向等）判斷該處的艦船是否為虛假目標(biāo)，如若是虛假目標(biāo)則去除虛假艦船，處理完畢以后再與原始圖像進(jìn)行效果比較。具體流程如圖1所示。

圖1 分塊區(qū)域模糊區(qū)的艦船檢測(cè)流程圖

3 實(shí)驗(yàn)分析

本次實(shí)驗(yàn)采用新加波港口的TerraSAR數(shù)據(jù)作為分析驗(yàn)證。其各個(gè)參數(shù)如表1所示。

表1 新加坡港口TerraSAR條帶模式數(shù)據(jù)相關(guān)參數(shù)

為了驗(yàn)證本文提出的基于方位向模糊區(qū)的艦船檢測(cè)算法的有效性，本次分析截取了SAR圖像中一部分作為海域進(jìn)行試。雷達(dá)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)成像以后，將該模型中的艦船目標(biāo)標(biāo)記為Q0,Q1,Q2…通過(guò)式（1）計(jì)算該圖像的方位向模糊AASR為-14.145 db，而一般方位向模糊度會(huì)優(yōu)于-20 db，該SAR圖像方位向模糊比較嚴(yán)重，可以初步判斷該圖像中很可能存在模糊像。

圖2 艦船初步監(jiān)測(cè)到的艦船目標(biāo)

圖2標(biāo)的艦船目標(biāo)如果用傳統(tǒng)的艦船檢測(cè)方法來(lái)檢測(cè)，像Q1，Q3，Q5，Q7這些疑似艦船目標(biāo)就會(huì)直接被當(dāng)成艦船目標(biāo)，很大程度影響艦船目標(biāo)檢測(cè)的準(zhǔn)確性。根據(jù)本文提出的方法:根據(jù)方位向模糊區(qū)來(lái)檢測(cè)艦船的，首先會(huì)將圖像中監(jiān)測(cè)到的所有的艦船目標(biāo)標(biāo)記為Q0，Q1，Q2…，其次將各艦船目標(biāo)方位向+1模糊區(qū)計(jì)算出來(lái)，標(biāo)為Q0_，Q0+，Q1_，Q1+，Q2_，Q2+…。再將檢測(cè)出的+1模糊區(qū)標(biāo)記目標(biāo)與圖中艦船目標(biāo)先進(jìn)行位置重合度對(duì)比，如果位置重合再進(jìn)行艦船特征對(duì)比，根據(jù)各個(gè)參考參數(shù)如艦船距離向位置重合度，艦船大小，艦船首向，能量分布，判斷區(qū)域內(nèi)的那些艦船目標(biāo)為模糊船，判斷完畢以后消除模糊船。

圖3艦船目標(biāo)Q0，Q2，Q4，Q6的位置，根據(jù)之前提出的分塊大區(qū)域求模糊區(qū)位置的方法，計(jì)算得到各個(gè)艦船目標(biāo)的模糊區(qū)位置。艦船目標(biāo)與其方位向模糊區(qū)在同一景圖像中且具有相同的距離向位置關(guān)系，根據(jù)區(qū)域方位向模糊區(qū)計(jì)算方法，求得Q0，Q2，Q4，Q6艦船目標(biāo)的+1模糊區(qū)方位向位置相差約1552*6.6，分別用標(biāo)記為 Q0_，Q0+，Q2_，Q2+，Q4+，Q4_，Q6_，Q6+因圖像大小限制部分大小，中只存在Q0_，Q2_，Q4_，Q6_。 不 難 發(fā) 現(xiàn) Q0_，Q2_，Q4_，Q6_，位置基本Q1，Q3，Q5，Q7重合。

該圖像的AASR=-14.145 db＜-20 db，初步判斷該圖像方位向模糊嚴(yán)重，從圖中就可以明顯看出，不少艦船目標(biāo)存在著疑似模糊像。

圖4為各艦船目標(biāo)切片，接著我們通過(guò)對(duì)比，其中艦船目標(biāo)Q0與Q1，Q2與Q3，Q4與Q5，Q6與Q7外形輪廓特征相似并且在坐標(biāo)位置上都存在一定的距離關(guān)系，可以初步判斷為模糊船。

圖3 艦船目標(biāo)模糊區(qū)位置

圖4 各艦船目標(biāo)

接著對(duì)各艦船目標(biāo)進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)算法后進(jìn)行目標(biāo)特征提取，如圖5。特征提取包括輪廓提取，艦船朝向，艦船大小等。

從圖5可以看出實(shí)際艦船目標(biāo)與虛假艦船在能量分布上還是有很大差異的，實(shí)際艦船能量集中，虛假艦船能量較弱，但是實(shí)際艦船與虛假艦船在艦船中存在二面角的等強(qiáng)散射點(diǎn)處還是有一定相似度。表2為該區(qū)域內(nèi)艦船目標(biāo)檢測(cè)出的各特征參數(shù)結(jié)果的比較。

圖5 各艦船目標(biāo)特征提取

根據(jù)表2可得其中艦船目標(biāo)Q0的模糊區(qū)Q0+中心的坐標(biāo)位置[759，16309]，與艦船目標(biāo)Q1中心位置[760，16275]基本重合。并且Q0艦船特征（艦船首向，艦船大?。┖蚎1非常相近。同時(shí)分析其艦船能量與場(chǎng)景平均能量，因?yàn)槭悄：?，其包含的能量相?duì)與原始像會(huì)低一個(gè)數(shù)量級(jí)，可以判斷Q1為Q0的虛假目標(biāo)。同樣的Q2與Q3，Q4與Q5，Q6與Q7也存在著這樣的關(guān)系，可以將那些模糊船判斷為模糊船。

通過(guò)方位向模糊區(qū)來(lái)檢測(cè)艦船的算法計(jì)算，處理掉模糊船后的圖像，從處理結(jié)果上，確檢測(cè)4個(gè)Q0，Q2，Q4，Q6，正確檢測(cè)率100%。該區(qū)域中單單通過(guò)CFAR，檢測(cè)8個(gè)目標(biāo)，正確檢測(cè)4個(gè)Q0，Q2，Q4，Q6，虛警值 4 個(gè) Q1，Q3，Q5，Q7，正確檢測(cè)率只有50%。并且該方法處理時(shí)間較短只有3 s，圖像中模糊干擾已經(jīng)大部分去除，且真正的艦船目標(biāo)沒(méi)有改變，很大程度提高了艦船檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

表2 艦船目標(biāo)特性參數(shù)

4 結(jié)論

模糊度問(wèn)題是影響艦船檢測(cè)中一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題。本文先從合成孔徑雷達(dá)方位向模糊的來(lái)源以及計(jì)算出發(fā)，提出了基于計(jì)算方位向模糊區(qū)，再結(jié)合艦船特征去除模糊像提高艦船檢測(cè)準(zhǔn)確度的方法，最后去除了虛假目標(biāo)。本次實(shí)驗(yàn)在低分辨率且方位向模糊較嚴(yán)重的SAR圖像中，效果較好，大大增強(qiáng)了目標(biāo)檢測(cè)的準(zhǔn)確性。如要驗(yàn)證該方法的適用性，還需要經(jīng)過(guò)不同分辨率不同場(chǎng)景大量數(shù)據(jù)測(cè)試。

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The way of detection of false ships based on azimuth ambiguities

XU Ling-yun，F(xiàn)ANG Hong-bing
（Nanjing Universityof Science and Technology，Nanjing210094，China）

The ambiguity is one of the important parameters of synthetic aperture radar.when Port or sea ships detected，the fuzzy region energy is too high will result in a false target。The radar radiation will produce a false image to the strong scattering object，a serious impact on the interpretation of the image，thereby affecting the ship target detection accuracy.This paper begins with the source of ambiguity by calculating the azimuth ambiguity.and combined the characteristics of a false image presented by a large area under the block azimuth distance to the twilight zone location，identification of false targets.Finally，analysis the actual data and improve ship detection accuracy.

Synthetic Aperture Radar（SAR）；azimuth ambiguity；fuzzy zone；ship detection

TN959.1

A

1674-6236（2017）23-0073-04

2016-09-26稿件編號(hào)：201609229

徐凌云（1991—），男，浙江金華人，碩士。研究方向：信號(hào)與信息處理、圖像處理。