高分辨率SAR衛(wèi)星圖像艦船目標(biāo)識(shí)別可用性分析 ①

孫明珠, 賈 麗, 吳 翎

(1.中國(guó)人民解放軍91977部隊(duì)，102202；2.中國(guó)人民解放軍91422部隊(duì)，265200)

0 引 言

在開展艦船目標(biāo)成像偵察過程中，光學(xué)成像偵察和SAR成像偵察是主要的偵察方式。其中，光學(xué)圖像一般細(xì)節(jié)內(nèi)容較為豐富，SAR圖像則具有不受光線和天氣影響的特點(diǎn)，與光學(xué)衛(wèi)星互為補(bǔ)充。長(zhǎng)期以來，受空間分辨率影響，SAR衛(wèi)星遙感圖像一般只用于艦船目標(biāo)的檢測(cè)，相關(guān)的識(shí)別技術(shù)尚不成熟。但成像分辨率有所提升，其圖像包含艦船目標(biāo)細(xì)節(jié)則越來越明顯，對(duì)艦船目標(biāo)的幾何結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)呈現(xiàn)的越來越多，為開展基于幾何特征的艦船目標(biāo)的識(shí)別研究奠定了基礎(chǔ)，并且，相對(duì)與光學(xué)成像，SAR具有全天時(shí)全天候成像的特征，這大大提高了SAR圖像艦船目標(biāo)識(shí)別的應(yīng)用能力。首先對(duì)星載SAR系統(tǒng)進(jìn)行了研究，分析了SAR圖像對(duì)艦船目標(biāo)識(shí)別的要求，總結(jié)了SAR遙感圖像中艦船目標(biāo)識(shí)別的發(fā)展現(xiàn)狀；然后采用了不同高分辨率SAR圖像，基于輪廓形狀和長(zhǎng)度兩個(gè)較為直觀的幾何特征，研究了SAR圖像艦船目標(biāo)識(shí)別的能力；最后對(duì)研究結(jié)果進(jìn)行了總結(jié)。

1 SAR衛(wèi)星圖像艦船目標(biāo)識(shí)別需求分析

對(duì)重點(diǎn)區(qū)域的艦船目標(biāo)的偵察監(jiān)視是各國(guó)開展軍事偵察的主要任務(wù)之一。為形成有效的偵察情報(bào)，要求能夠識(shí)別艦船類型、型號(hào)。目前我國(guó)天基系統(tǒng)已具備對(duì)大型目標(biāo)的常態(tài)化偵察能力，基本能夠滿足日常戰(zhàn)備和預(yù)警需求。相比大型目標(biāo)，作戰(zhàn)對(duì)象國(guó)家的中小型艦船對(duì)我執(zhí)行海上作戰(zhàn)任務(wù)所構(gòu)成的威脅更加廣泛和常態(tài)化：一是美海軍近年頻繁派遣海洋監(jiān)視船等特種作業(yè)船只抵近我當(dāng)面海域，對(duì)我方面行動(dòng)進(jìn)行情報(bào)偵察，對(duì)我當(dāng)面海域及沿海海洋環(huán)境進(jìn)行探測(cè)；二是敵方的特種作業(yè)船、驅(qū)逐艦、護(hù)衛(wèi)艦、導(dǎo)彈艇等中小型水面艦艇數(shù)量眾多，是我潛艇有效突破防線，對(duì)敵航母編隊(duì)進(jìn)行打擊以及執(zhí)行戰(zhàn)略任務(wù)的主要屏障；三是在對(duì)南海國(guó)家作戰(zhàn)中，越南、菲律賓、馬來西亞等國(guó)護(hù)衛(wèi)艦、導(dǎo)彈艇等噸位較小，現(xiàn)有的成像偵察衛(wèi)星的識(shí)別能力明顯不足。

依托高分資源，對(duì)我當(dāng)面海域出現(xiàn)的特種作業(yè)船、驅(qū)逐艦、護(hù)衛(wèi)艦、導(dǎo)彈艇等中小型目標(biāo)進(jìn)行跟蹤、分析、確認(rèn)是當(dāng)前面臨的緊迫任務(wù)。光學(xué)成像衛(wèi)星分辨率較高、圖像清晰、易于判讀，但在夜間和惡劣氣象條件下無法使用，衛(wèi)星偵察過頂時(shí)間主要集中在某個(gè)固定的時(shí)段，獲得重要區(qū)域的目標(biāo)圖像非常有限；而SAR衛(wèi)星能夠進(jìn)行全天時(shí)全天候成像偵察，受成像時(shí)間和氣候條件影響非常小，大大彌補(bǔ)了光學(xué)成像偵察衛(wèi)星獲取重點(diǎn)區(qū)域重點(diǎn)偵察目標(biāo)圖像的不足。

2 星載SAR圖像艦船目標(biāo)識(shí)別的發(fā)展現(xiàn)狀

SAR圖像艦船目標(biāo)識(shí)別一般可分為三個(gè)層次識(shí)別度，即艦船的型號(hào)與類型，以及軍民屬性[1]。其中，軍民屬性的識(shí)別為最初級(jí)的識(shí)別程度，指識(shí)別出軍艦和民用船只；艦船類型識(shí)別是相對(duì)軍民屬性識(shí)別高級(jí)別層次的識(shí)別程度，指能將目標(biāo)分類為航空母艦、補(bǔ)給艦、驅(qū)逐艦、貨輪、油輪等；而型號(hào)識(shí)別是更高級(jí)的識(shí)別程度，是指能夠識(shí)別艦船的型號(hào)。由SAR遙感圖像艦船的目標(biāo)識(shí)別說明，其圖像分辨率直接影響了艦船目標(biāo)的識(shí)別程度，分辨率越高，圖像中包含的艦船目標(biāo)的細(xì)節(jié)信息越多，就能夠達(dá)到更高級(jí)別的識(shí)別程度。

2.1 基于幾何特征的分類

周長(zhǎng)、面積、長(zhǎng)度、長(zhǎng)寬比以及形狀等幾何特征是用于描述艦船目標(biāo)幾何特征的常用參數(shù)[2]，在SAR圖像艦船目標(biāo)識(shí)別研究中，艦船目標(biāo)的幾何特征是易于提取而又能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)重點(diǎn)艦船目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別甚至實(shí)現(xiàn)型號(hào)識(shí)別的分類依據(jù)，因此，基于幾何結(jié)構(gòu)特征的SAR圖像艦船目標(biāo)識(shí)別的到了廣泛的研究和應(yīng)用。但是，由于SAR成像與光學(xué)成像機(jī)理不同，當(dāng)SAR成像分辨率較低時(shí)，艦船目標(biāo)在SAR圖像上表現(xiàn)出一系列稀疏散射中心，由于成像角度等成像條件的不同，最終艦船目標(biāo)在SAR圖像上所呈現(xiàn)的幾何結(jié)構(gòu)也會(huì)存在差異，嚴(yán)重增加基于幾何結(jié)構(gòu)特點(diǎn)艦船目標(biāo)識(shí)別難度，降低SAR圖像艦船目標(biāo)識(shí)別率、穩(wěn)定性。

2.2 基于紋理特征的分類

紋理特征是指標(biāo)準(zhǔn)差、分形維數(shù)、加權(quán)填充比等圖像特征。基于紋理特征的SAR圖像艦船目標(biāo)識(shí)別方法研究中，常用的特征提取方法簡(jiǎn)單易操作，但屬于SAR圖像整體的統(tǒng)計(jì)信息，不夠精確，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)艦船目標(biāo)類型的分類識(shí)別。

2.3 基于電磁散射特征的分類

SAR圖像的本質(zhì)實(shí)際上就是目標(biāo)的電磁散射特性的體現(xiàn)，隨著目標(biāo)電磁散射理論研究的深入，艦船目標(biāo)的電磁散射特性被廣泛的剖析[3]。基于電磁散射特性的SAR圖像艦船目標(biāo)識(shí)別研究得到了廣泛的開展，但是基于電磁散射特征的艦船目標(biāo)識(shí)別時(shí)，特征提取相對(duì)困難，并且，SAR成像的分辨率直接影響了艦船目標(biāo)細(xì)節(jié)特征在圖像上所呈現(xiàn)的效果，對(duì)特征提取結(jié)果影響較大。

2.4 變換的特征分析

SAR圖像是一種高維矢量，包含了大量的信息。因此，通常將小波變換應(yīng)用于SAR圖像，將圖像空間映射到相應(yīng)的變換空間，從而減小空間維數(shù)和處理的信息量。在基于變換特征的SAR圖像艦船目標(biāo)識(shí)別特征提取過程中，只對(duì)SAR圖像本身進(jìn)行變換處理和特征提取，不考慮目標(biāo)的先驗(yàn)知識(shí)和相關(guān)信息，而只采用純數(shù)據(jù)處理技術(shù)對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分析處理過程不具有明顯的物理意義。

3 高分辨率SAR圖像的艦船目標(biāo)識(shí)別能力

通常情況下，光學(xué)圖像較SAR圖像更接近人眼視覺效果，在重點(diǎn)目標(biāo)的識(shí)別和判讀中，往往更受青睞，且光學(xué)圖像中豐富的目標(biāo)細(xì)節(jié)信息更容易被捕獲，使得光學(xué)圖像成為艦船目標(biāo)識(shí)別的主要手段，而SAR圖像更多的是用于重點(diǎn)區(qū)域目標(biāo)的初步檢測(cè)。從我們以往所開展試驗(yàn)獲取的數(shù)據(jù)來看，中等分辨率SAR圖像(1.5m分辨率)一般還無法對(duì)發(fā)現(xiàn)的艦船目標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確的判讀識(shí)別；但隨著SAR成像分辨率的提高，艦船目標(biāo)的細(xì)節(jié)信息被記錄，且隨著SAR圖像艦船目標(biāo)識(shí)別研究的深入開展，識(shí)別技術(shù)性能的提高，高分辨率SAR(0.4m分辨率)圖像已具備一定的目標(biāo)識(shí)別能力，如圖1所示。

圖1 不同空間分辨率SAR遙感圖像對(duì)比

3.1 依據(jù)輪廓形狀判別的可行性

不同類型艦船的外形幾何形狀是不同的，通過幾何形狀可以對(duì)艦船目標(biāo)進(jìn)行有效的分類，對(duì)于特殊的形狀，可以進(jìn)行識(shí)別和確認(rèn)。艦船目標(biāo)典型的幾何形狀特征如表1所示。

表1 艦船典型幾何形狀圖表

通過對(duì)大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)的觀察分析，高分辨率SAR圖像已可以清晰分辨船體輪廓，艙面建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度分布等特征，以及粗略判斷船上結(jié)構(gòu)屬性，基本具備艦船類型判斷能力。從0.4m分辨率圖像來看，較為理想的情況下，可以對(duì)艦船艙面進(jìn)行描述，例如圖中南北向停泊的補(bǔ)給艦。

3.2 依據(jù)尺寸判別的可行性

艦船目標(biāo)的尺寸和長(zhǎng)寬比是進(jìn)行艦船目標(biāo)分類識(shí)別的重要特征之一，采用0.8m,分辨率SAR圖像進(jìn)行艦船目標(biāo)量算的試驗(yàn)，結(jié)果如圖2所示。

圖2 利用高分辨率SAR衛(wèi)星圖像量算示意圖

基于某X型艦和某Y型艦的0.8m分辨率SAR衛(wèi)星影像觀測(cè)數(shù)據(jù)，利用ENVI軟件進(jìn)行空間尺寸量算試驗(yàn)。量算結(jié)果如表2。

表2 目標(biāo)尺寸量算結(jié)果

由試驗(yàn)圖像數(shù)據(jù)可見，利用分辨率優(yōu)于0.8m的星載SAR遙感圖像，可較準(zhǔn)確量算艦船尺寸(誤差優(yōu)于0.9%)，可基于已有的艦船目標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)艦船目標(biāo)屬性如軍民屬性、類型乃至型號(hào)的識(shí)別。

4 結(jié) 語(yǔ)

分析比較了基于星載SAR遙感圖像不同特征的艦船目標(biāo)識(shí)別的優(yōu)缺點(diǎn)，然后采用不同分辨率的星載SAR遙感圖像，對(duì)典型的艦船目標(biāo)進(jìn)行了基于目標(biāo)幾何特征的目標(biāo)分類能力初步分析：優(yōu)于0.8m分辨率的SAR遙感圖像中包含了較多的艦船目標(biāo)的幾何結(jié)構(gòu)信息，通過處理可較為準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)艦船目標(biāo)的長(zhǎng)寬量算，而優(yōu)于0.4m分辨率的SAR遙感圖像實(shí)現(xiàn)了更詳細(xì)的艦船目標(biāo)幾何信息的記錄，通過處理可分辨或描述艦船艙面建筑。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：高分辨率SAR衛(wèi)星遙感圖像中較為詳細(xì)的記錄了艦船目標(biāo)的幾何結(jié)構(gòu)信息，具有艦船目標(biāo)識(shí)別的應(yīng)用能力。因此，后續(xù)可開展相關(guān)識(shí)別算法研究，并構(gòu)建完善識(shí)別特征庫(kù)，為進(jìn)一步開展艦船目標(biāo)識(shí)別判讀的應(yīng)用提供依據(jù)。