申文杰 郅 潔 李 洋 林 赟 蔣 雯 王彥平
(北方工業(yè)大學(xué)信息學(xué)院雷達(dá)監(jiān)測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室,北京 100144)
地基合成孔徑雷達(dá)(Ground-based Synthetic Aperture Radar,GBSAR)是一種新型高精度測(cè)量技術(shù),通過(guò)在有限長(zhǎng)度的軌道上運(yùn)轉(zhuǎn)來(lái)獲取合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar,SAR)數(shù)據(jù),具有非接觸、全天候、設(shè)站靈活等優(yōu)點(diǎn),能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)場(chǎng)景整體形變情況,相較于傳統(tǒng)星載、機(jī)載平臺(tái)更靈活,且造價(jià)更低廉。由于其重復(fù)運(yùn)行精度高,可以進(jìn)行高精度形變監(jiān)測(cè),現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于滑坡監(jiān)測(cè)、橋梁和建筑物監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域[1-3]。
圓周掃描GBSAR 是將機(jī)載圓跡SAR 模式引入地基平臺(tái)的一種新體制GBSAR,通過(guò)天線在豎直平面上旋轉(zhuǎn)形成的二維圓形合成孔徑,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)視場(chǎng)的三維成像[4-6],能夠在地形起伏、有高度的建筑物場(chǎng)景中準(zhǔn)確提取三維信息,在陡峭地形測(cè)繪、城區(qū)測(cè)繪,以及目標(biāo)探測(cè)和識(shí)別等方面受到廣泛關(guān)注。
但是圓周掃描GBSAR 的曲線觀測(cè)幾何導(dǎo)致圖像中存在強(qiáng)旁瓣的問(wèn)題。在三維SAR 數(shù)據(jù)中,強(qiáng)旁瓣具有三維空間分布,擴(kuò)散在整個(gè)數(shù)據(jù)中。因此,在不同的高度,強(qiáng)旁瓣可能會(huì)掩蓋鄰近弱目標(biāo)的主瓣,從而導(dǎo)致目標(biāo)點(diǎn)丟失,無(wú)法實(shí)現(xiàn)精確提取三維SAR圖像中目標(biāo)點(diǎn)云。
目前三維SAR 圖像目標(biāo)點(diǎn)云提取沒(méi)有行之有效的方法?,F(xiàn)階段,二維SAR 圖像目標(biāo)檢測(cè)發(fā)展成熟,雙參數(shù)恒虛警率(Constant False Alarm Rate,CFAR)目標(biāo)檢測(cè)器是一種重要的算法。雙參數(shù)CFAR 具有自適應(yīng)門(mén)限檢測(cè)能力,能夠適應(yīng)背景雜波的變化[7]。林肯實(shí)驗(yàn)室將雙參數(shù) CFAR 檢測(cè)器從一維信號(hào)推廣到二維,由此可以處理SAR 圖像,受到廣泛的關(guān)注[8-10]。因此,利用雙參數(shù)CFAR 完成三維SAR 圖像的目標(biāo)點(diǎn)云提取是一個(gè)行之有效的解決思路。但是受強(qiáng)旁瓣在三維空間分布的影響,雙參數(shù)CFAR 檢測(cè)結(jié)果中存在大量的虛警。在具體應(yīng)用中,該算法需要在三維像的不同高度逐層檢測(cè),受擴(kuò)散的三維強(qiáng)旁瓣的影響,強(qiáng)旁瓣也會(huì)被檢測(cè)出來(lái),無(wú)法準(zhǔn)確提取三維SAR圖像中的目標(biāo)點(diǎn)云。
針對(duì)上述問(wèn)題,本文提出一種基于掩膜投影和雙參數(shù)CFAR 的圓周掃描GBSAR 三維點(diǎn)云提取方法。該方法首先利用雙參數(shù)CFAR 獲得三視圖掩膜,三視圖掩膜進(jìn)行投影得到三維掩膜,三維掩膜再與三維像取交集,利用掩膜從數(shù)據(jù)的三個(gè)維度分別對(duì)強(qiáng)旁瓣進(jìn)行抑制,大大減少三維圖像中強(qiáng)旁瓣的三維空間分布對(duì)目標(biāo)檢測(cè)結(jié)果的影響。然后,再對(duì)取交集提取的潛在目標(biāo)區(qū)域應(yīng)用第二次雙參數(shù)CFAR 實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云提取,在潛在目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè),避免了不同高度的強(qiáng)旁瓣使鄰近弱目標(biāo)被掩蓋而導(dǎo)致丟失目標(biāo)點(diǎn)、檢測(cè)出強(qiáng)旁瓣,在一定程度上提高了目標(biāo)檢測(cè)精度?;诒疚姆椒ǖ膬?yōu)勢(shì),可以更加準(zhǔn)確的提取出三維建筑物點(diǎn)云。具體步驟如下,首先提取三維SAR 圖像最大值投影的三視圖,避免目標(biāo)點(diǎn)丟失,在三視圖上進(jìn)行第一次雙參數(shù)CFAR 檢測(cè),完成初級(jí)檢測(cè)獲取三視圖掩膜。然后利用三視圖掩膜投影,通過(guò)SAR 三維像取交集去掉空間位置旁瓣,得到潛在目標(biāo)區(qū)域數(shù)據(jù)。最后進(jìn)行第二次雙參數(shù)CFAR 算法,對(duì)潛在目標(biāo)區(qū)進(jìn)行全局雙參數(shù)CFAR檢測(cè),實(shí)現(xiàn)三維點(diǎn)云提取。
本文其余部分安排如下:第2 部分介紹雙參數(shù)CFAR 目標(biāo)檢測(cè)算法。第3 部分介紹基于掩膜投影和雙參數(shù)CFAR 的目標(biāo)檢測(cè)算法。第4 部分為實(shí)際數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn),采用北方工業(yè)大學(xué)自研的圓周掃描GBSAR 獲取的三維數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),采用目標(biāo)光學(xué)圖和激光雷達(dá)數(shù)據(jù)作為真值進(jìn)行算法驗(yàn)證,并與經(jīng)典的雙參數(shù)CFAR 逐層檢測(cè)算法對(duì)比點(diǎn)云提取結(jié)果。最后一部分為結(jié)論。
雙參數(shù)CFAR 算法采用了基于高斯背景假設(shè)的空心滑窗雙參數(shù)CFAR檢測(cè)器,其實(shí)質(zhì)是利用滑窗內(nèi)提取像素的均值來(lái)估計(jì)相應(yīng)模型的雜波功率[11]。假設(shè)雜波背景服從高斯分布,則其概率密度函數(shù)為:
其中σ為標(biāo)準(zhǔn)差,μ為該分布均值,分布函數(shù)為:
其正態(tài)分布標(biāo)準(zhǔn)概率密度函數(shù)為:
則虛警概率Pfa可推公式:
該算法中目標(biāo)檢測(cè)是將圖像中的每個(gè)像素點(diǎn)與檢測(cè)閾值Ic進(jìn)行比較,當(dāng)像素點(diǎn)值Xi≥Ic時(shí),判定為目標(biāo)點(diǎn);當(dāng)Xi<Ic時(shí),判定為雜波點(diǎn)。SAR 圖像目標(biāo)和背景的概率分布圖如圖1 所示,目標(biāo)幅度x的統(tǒng)計(jì)分布為p(x);噪聲、背景幅度x的統(tǒng)計(jì)分布為q(x);Ic是需要確定的閾值。
圖1 目標(biāo)和背景的概率分布圖Fig.1 Probability distribution of target and background
虛警概率是指在檢測(cè)目標(biāo)過(guò)程中由于噪聲的干擾使得將沒(méi)有發(fā)生的事件錯(cuò)誤地判決為發(fā)生的概率[12],雷達(dá)信號(hào)檢測(cè)常采用奈曼-皮爾遜(Neyman-Pearson,NP)準(zhǔn)則,統(tǒng)計(jì)假設(shè)檢驗(yàn)將充分的統(tǒng)計(jì)量與自適應(yīng)門(mén)限進(jìn)行比較[13],NP準(zhǔn)則的目的在于保證虛警概率一定的情況下,使檢測(cè)性能達(dá)到最優(yōu)。理論上,虛警的劃分需要綜合背景與目標(biāo)的分布。實(shí)際中,目標(biāo)單元數(shù)通常少于背景單元,故檢測(cè)可采用次優(yōu)方案,即判斷待檢測(cè)信號(hào)是否為背景即可。
雙參數(shù)CFAR流程圖如圖2所示。
圖2 雙參數(shù)CFAR算法流程圖Fig.2 Flow chart of Two-parameter CFAR algorithm
(1)依據(jù)待檢測(cè)圖像的尺寸大小,確定檢測(cè)窗口的尺寸大小。經(jīng)典的空心檢測(cè)滑窗如圖3 所示。其中包括目標(biāo)區(qū),保護(hù)區(qū)和背景區(qū)。
圖3 空心檢測(cè)滑窗Fig.3 Hollow detection sliding window
(2)根據(jù)滑窗選取的目標(biāo)區(qū)周?chē)m量的像素點(diǎn)值計(jì)算均值和方差。
(3)根據(jù)給定的虛警概率,以及所求均值和方差,計(jì)算閾值Ic。
(4)將滑窗在圖像上逐點(diǎn)滑動(dòng),執(zhí)行閾值計(jì)算,通過(guò)比較來(lái)判別滑窗的中心像素是否為目標(biāo)點(diǎn)。
圓周掃描GBSAR通常應(yīng)用于大場(chǎng)景成像,由于其三維成像數(shù)據(jù)量龐大,場(chǎng)景復(fù)雜存在強(qiáng)旁瓣的問(wèn)題,經(jīng)典的雙參數(shù)CFAR 逐層檢測(cè)算法無(wú)法應(yīng)用于三維SAR 圖像中。因此本文在經(jīng)典的雙參數(shù)CFAR算法的基礎(chǔ)上,提出一種基于掩膜投影和雙參數(shù)CFAR 的圓周掃描GBSAR 三維點(diǎn)云提取方法,圖4為算法流程圖。
首先,在提取的三視圖上應(yīng)用第一次雙參數(shù)CFAR進(jìn)行檢測(cè),得到三視圖掩膜,然后利用三視圖掩膜投影,通過(guò)SAR三維像取交集獲取潛在目標(biāo)區(qū)域數(shù)據(jù)。然后,進(jìn)行第二次雙參數(shù)CFAR算法,在潛在目標(biāo)區(qū)域數(shù)據(jù)應(yīng)用全局雙參數(shù)CFAR檢測(cè)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云提取。
與經(jīng)典的雙參數(shù)CFAR 逐層檢測(cè)算法相比,該方法可以直接應(yīng)用于三維SAR 圖像目標(biāo)檢測(cè),并在強(qiáng)旁瓣的情況下有效提取出點(diǎn)云。
首先提取SAR 三維圖像中三個(gè)維度最大值投影的三視圖,投影示意圖如圖5。三視圖取各個(gè)維度的最大值投影是為了使每個(gè)維度盡可能地保留全部目標(biāo)點(diǎn),避免由于目標(biāo)點(diǎn)丟失導(dǎo)致后續(xù)目標(biāo)點(diǎn)云提取存在誤差等問(wèn)題。
圖5 三視圖投影示意圖Fig.5 Three-view projection diagram
三維數(shù)據(jù)S(x,y,z),求投影左視圖SL=max(S,x0),其中x0是X軸的方向向量;求投影主視圖SF=max(S,y0),其中y0是Y軸的方向向量;求投影俯視圖ST=max(S,z0),其中z0是Z軸的方向向量。如式(7)所示。
(1)開(kāi)始進(jìn)行第一次雙參數(shù)CFAR 算法,在三視圖上應(yīng)用雙參數(shù)CFAR 進(jìn)行檢測(cè),獲取三視圖掩膜,如式(8)所示。分別為左視圖掩膜ML(y,z),主視圖掩膜MF(x,z)和俯視圖掩膜MT(x,y)。
(2)利用三視圖掩膜投影,再與SAR 三維像取交集,以去除背景及旁瓣,并篩選出潛在目標(biāo)區(qū)域,示意圖如圖6所示。
圖6 三視圖掩膜投影示意圖Fig.6 Three-view mask projection diagram
三視圖掩膜投影獲取三維掩膜I(x,y,z),如式(9)所示。
三維掩膜I(x,y,z)再與三維數(shù)據(jù)S(x,y,z)取交集,從而得到潛在目標(biāo)區(qū)域數(shù)據(jù)f(x,y,z),如式(10)所示。
(1)進(jìn)行第二次雙參數(shù)CFAR 算法,對(duì)三維掩膜提取的潛在目標(biāo)區(qū)域數(shù)據(jù)f(x,y,z)進(jìn)行全局雙參數(shù)CFAR 檢測(cè)。把提取的三維數(shù)據(jù)f(x,y,z)轉(zhuǎn)成行向量A。根據(jù)行向量A中的數(shù)據(jù)求取均值和方差,再根據(jù)所求均值和方差以及恒定的虛警概率計(jì)算檢測(cè)閾值Ic,遍歷潛在目標(biāo)區(qū)域數(shù)據(jù)f(x,y,z),判別滑窗的中心像素Xi是否為目標(biāo)點(diǎn),檢測(cè)出更為精準(zhǔn)的目標(biāo)點(diǎn),判別公式如式(11)。
(2)最后導(dǎo)出SAR圖像最終的三維目標(biāo)點(diǎn)云。
本文所用數(shù)據(jù)集為北方工業(yè)大學(xué)自研的圓周掃描GBSAR采集獲取的三維成像數(shù)據(jù),系統(tǒng)如圖7(a)。照射主目標(biāo)為北方工業(yè)大學(xué)博遠(yuǎn)樓,次目標(biāo)為操場(chǎng)圍欄,雷達(dá)與目標(biāo)的相對(duì)幾何視角,見(jiàn)圖7(b)。雷達(dá)安裝在一個(gè)可旋轉(zhuǎn)的支架上,這樣雷達(dá)波束方向可以由軟件控制,每次掃描時(shí)可以沿垂直面軌道進(jìn)行360度照射成像,且每次掃描時(shí)間小于1分鐘。
圖7 圓周掃描GBSAR示意圖Fig.7 Schematic diagram of circular scanning GBSAR
圓周掃描GBSAR系統(tǒng)參數(shù)如表1。
表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)Tab.1 Experimental parameters
4.2.1 三視圖提取結(jié)果
提取SAR 數(shù)據(jù)中三個(gè)維度的最大值投影,三視圖如圖8。分別為(a)主視圖,(b)俯視圖和(c)左視圖,三視圖以灰度圖顯示,三視圖中顏色越淺,表明該像素點(diǎn)值越接近目標(biāo)值。圖9為提取三視圖中的俯視圖與博遠(yuǎn)樓光學(xué)俯視圖的對(duì)比結(jié)果,可以看出博遠(yuǎn)樓以及操場(chǎng)圍欄的位置信息相匹配。驗(yàn)證了最大值三視圖投影的可行性。
圖8 三視圖Fig.8 Three-view diagram
圖9 俯視圖與博遠(yuǎn)樓光學(xué)俯視圖對(duì)比Fig.9 The comparison between the front view and the optical vertical view of Boyuan Building
4.2.2 第一次雙參數(shù)CFAR步驟結(jié)果
在三視圖上進(jìn)行雙參數(shù)CFAR 檢測(cè),得到三視圖掩膜,如圖10,分別為(a)主視圖掩膜,(b)俯視圖掩膜,(c)左視圖掩膜。利用三視圖掩膜投影獲取三維掩膜,通過(guò)與SAR 三維像取交集,從而得到潛在目標(biāo)區(qū)域數(shù)據(jù),三維掩膜點(diǎn)云圖像如圖11。
圖10 三視圖掩膜Fig.10 Three-view masks
圖11 三維掩膜點(diǎn)云圖像Fig.11 3D mask point cloud image
在進(jìn)行雙參數(shù)CFAR 目標(biāo)檢測(cè)時(shí),有兩個(gè)因素直接影響目標(biāo)檢測(cè)結(jié)果,一個(gè)是檢測(cè)滑窗尺寸,一個(gè)是設(shè)定的虛警率。滑窗選取與圖像的分辨率和需要檢測(cè)的物體尺寸有關(guān),窗口太小導(dǎo)致目標(biāo)信息統(tǒng)計(jì)不充分產(chǎn)生漏警,窗口太大導(dǎo)致計(jì)算量增大,本論文采用尺寸為201×401×401 的SAR 三維圖像,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)人工調(diào)參設(shè)置為保護(hù)區(qū)外邊長(zhǎng)為50×50,保護(hù)區(qū)內(nèi)邊長(zhǎng)尺寸為30×30,檢測(cè)單元為1 個(gè)像素;虛警概率的選取直接影響計(jì)算閾值大小,閾值太大會(huì)導(dǎo)致目標(biāo)被當(dāng)成背景產(chǎn)生漏警,閾值太小又會(huì)導(dǎo)致把背景當(dāng)目標(biāo),增加虛警,針對(duì)本文選取的SAR三維圖像,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)人工調(diào)參選取虛警概率為0.1。
4.2.3 第二次雙參數(shù)CFAR步驟結(jié)果
進(jìn)行第二次雙參數(shù)CFAR 算法,對(duì)掩膜提取的數(shù)據(jù)進(jìn)行全局雙參數(shù)CFAR 檢測(cè),篩選出更精確的目標(biāo)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)SAR 圖像最終的三維目標(biāo)點(diǎn)云提取,如圖12。圖13 是博遠(yuǎn)樓門(mén)廊結(jié)構(gòu)的雷達(dá)點(diǎn)云提取與光學(xué)、激光雷達(dá)對(duì)比圖,其中(a)博遠(yuǎn)樓門(mén)廊結(jié)構(gòu)的雷達(dá)點(diǎn)云提取,(b)為博遠(yuǎn)樓光學(xué)圖,(c)為激光雷達(dá)點(diǎn)云圖。三幅圖像中紅框?qū)?yīng)的都是主目標(biāo)博遠(yuǎn)樓門(mén)廊結(jié)構(gòu)所在位置,經(jīng)對(duì)比,博遠(yuǎn)樓門(mén)廊結(jié)構(gòu)的雷達(dá)點(diǎn)云提取圖像、博遠(yuǎn)樓光學(xué)圖和激光雷達(dá)點(diǎn)云圖像中博遠(yuǎn)樓門(mén)廊兩條線狀結(jié)構(gòu),長(zhǎng)度與高度信息相匹配,因此基于掩膜投影和雙參數(shù)CFAR 檢測(cè)算法可以有效的提取出三維SAR圖像的點(diǎn)云。
圖12 三維目標(biāo)點(diǎn)云圖像Fig.12 3D target point cloud image
圖13 博遠(yuǎn)樓門(mén)廊結(jié)構(gòu)的雷達(dá)點(diǎn)云提取與光學(xué)、激光雷達(dá)對(duì)比圖Fig.13 Radar point cloud extraction and optical and laser radar comparison map of Boyuan Building porch structure
在相同數(shù)據(jù)集與參數(shù)的情況下,分別用經(jīng)典的雙參數(shù)CFAR 逐層檢測(cè)算法和基于掩膜投影和雙參數(shù)CFAR的檢測(cè)算法在三維SAR數(shù)據(jù)上進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)。三維點(diǎn)云視角圖對(duì)比結(jié)果如圖14,(a)為經(jīng)典的雙參數(shù)CFAR 逐層檢測(cè)算法檢測(cè)后提取的點(diǎn)云,(b)為基于掩膜投影和雙參數(shù)CFAR 的檢測(cè)算法提取的點(diǎn)云??梢悦黠@看出基于掩膜投影和雙參數(shù)CFAR 的算法檢測(cè)后的點(diǎn)云中目標(biāo)區(qū)域基本完全保留,且圖像中旁瓣更少,目標(biāo)更加清晰。
圖14 三維目標(biāo)點(diǎn)云視角圖對(duì)比結(jié)果Fig.14 Comparison of 3D target point cloud view results
三維目標(biāo)點(diǎn)云三視圖投影對(duì)比如圖15,上面三幅圖為經(jīng)典的雙參數(shù)CFAR 逐層檢測(cè)算法檢測(cè)提取點(diǎn)云的三視圖投影,下面三幅圖為基于掩膜投影和雙參數(shù)CFAR 的算法檢測(cè)提取點(diǎn)云的三視圖投影。從左到右分別為左視圖,主視圖和俯視圖,分別用紅框區(qū)分主目標(biāo)區(qū),藍(lán)色框區(qū)分次目標(biāo)。主目標(biāo)區(qū)為北方工業(yè)大學(xué)博遠(yuǎn)樓門(mén)廊結(jié)構(gòu),次目標(biāo)為操場(chǎng)圍欄。經(jīng)過(guò)雙參數(shù)CFAR 逐層檢測(cè)算法和基于掩膜投影和雙參數(shù)CFAR 的算法的檢測(cè)結(jié)果對(duì)比,明顯看出用經(jīng)典的雙參數(shù)CFAR 逐層檢測(cè)算法檢測(cè)出結(jié)果包含大量的虛警,無(wú)法準(zhǔn)確從現(xiàn)有檢測(cè)結(jié)果中區(qū)分目標(biāo)區(qū)域。而基于掩膜投影和雙參數(shù)CFAR 的算法檢測(cè)出的目標(biāo)相較于經(jīng)典的雙參數(shù)CFAR 逐層檢測(cè)算法檢測(cè)出的目標(biāo)輪廓更加清晰,虛警大大減少??梢?jiàn)基于掩膜投影和雙參數(shù)CFAR 的算法在復(fù)雜背景的SAR 三維圖像目標(biāo)檢測(cè)中可得到較好的檢測(cè)結(jié)果,可實(shí)現(xiàn)三維成像點(diǎn)云的精確提取。
圖15 三維目標(biāo)點(diǎn)云三視圖投影對(duì)比結(jié)果Fig.15 Comparison of 3D target point cloud three view projection results
在復(fù)雜場(chǎng)景的SAR 三維圖像中提取目標(biāo)點(diǎn)云時(shí),由于圓周掃描GBSAR的圓周曲線觀測(cè)幾何使圖像存在強(qiáng)旁瓣問(wèn)題,導(dǎo)致目標(biāo)點(diǎn)丟失,虛警增加,無(wú)法直接判斷出圖像中的目標(biāo)與背景,無(wú)法提取清晰的三維目標(biāo)點(diǎn)云。針對(duì)這一問(wèn)題本文提出了一種基于掩膜投影和雙參數(shù)CFAR 的圓周掃描GBSAR三維點(diǎn)云提取方法,并且通過(guò)北方工業(yè)大學(xué)自研的圓周掃描GBSAR 獲取的三維數(shù)據(jù)對(duì)該算法進(jìn)行了處理分析,并采用目標(biāo)光學(xué)圖和激光雷達(dá)數(shù)據(jù)作為真值進(jìn)行算法驗(yàn)證。最后和經(jīng)典的雙參數(shù)CFAR 逐層檢測(cè)算法進(jìn)行了方法對(duì)比分析。結(jié)果表明,該方法相比于傳統(tǒng)方法可以更準(zhǔn)確的提取出目標(biāo)點(diǎn)云信息。后續(xù)工作包括進(jìn)一步改進(jìn)算法結(jié)構(gòu),通過(guò)引入聚類算法進(jìn)一步降低旁瓣的影響。