基于體散射和螺旋體散射相干的去方位模糊噪聲海面船只目標(biāo)檢測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于遙感影像的SAR(SyntheticApertureRadar，合成孔徑雷達(dá)）圖像處 理領(lǐng)域，特別涉及一種基于體散射和螺旋體散射相干的去方位模糊噪聲海面船只目標(biāo)檢測(cè) 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 我國(guó)領(lǐng)海廣闊，海洋資源豐富，海面船只目標(biāo)檢測(cè)是海洋監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)之一，對(duì) 監(jiān)視海運(yùn)交通、非法捕魚(yú)、監(jiān)測(cè)船只非法傾倒油污、維護(hù)海洋權(quán)益以及提高海防預(yù)警能力等 方面具有重要意義。
[0003] SAR作為一種工作在微波波段的主動(dòng)式遙感傳感器，相對(duì)于光學(xué)遙感，具有全天時(shí) 全天候的對(duì)地觀測(cè)能力，而且還對(duì)硬目標(biāo)非常敏感。這就使得SAR遙感技術(shù)在海面船只目 標(biāo)檢測(cè)中的應(yīng)用研究得到了各個(gè)海洋大國(guó)的廣泛關(guān)注和學(xué)術(shù)界的日益重視。
[0004] 在SAR成像時(shí)，一般情況下海面的后向散射較弱，因此在影像上通常表現(xiàn)為暗背 景；而海面船只目標(biāo)具有強(qiáng)散射性，在暗背景下往往表現(xiàn)為亮點(diǎn)目標(biāo)。但是，在某些情況下， 由于發(fā)射脈沖的重復(fù)頻率（PulseRepetitionFrequency,PRF)過(guò)低，使得回波信號(hào)的多普 勒頻譜欠采樣，導(dǎo)致SAR影像上存在著方位向模糊噪聲，尤其是短波長(zhǎng)的SAR影像（如X波 段、C波段）。當(dāng)方位向模糊噪聲嚴(yán)重時(shí)，后向散射強(qiáng)度相對(duì)較低的海雜波在雷達(dá)影像上也 通常表現(xiàn)為亮度較大的點(diǎn)（虛假目標(biāo)），往往會(huì)被誤判為船只目標(biāo)，從而導(dǎo)致檢測(cè)錯(cuò)誤，BP 虛警。
[0005] 2006年，Liu等人結(jié)合模擬數(shù)據(jù)和CV-580機(jī)載全極化數(shù)據(jù)研究，發(fā)現(xiàn)方位向模糊 噪聲不滿足互易性，提出利用|HV-VH|算子區(qū)分運(yùn)動(dòng)目標(biāo)和方位向模糊，并將其推廣到海 面船只目標(biāo)檢測(cè)。2013年，Velotto等人使用TerraSAR-X全極化數(shù)據(jù)，基于HV和VH極化 通道間方位向模糊相互共輒的特性，利用極化通道HV和VH的組合，提出了抑制方位向模糊 的方法，并基于廣義K分布CFAR檢測(cè)算法得到了較好的檢測(cè)精度。上述方法的應(yīng)用前提是 存在極化散射矩陣S2(HH/HV/VH/VV)。但是，由于SAR固有的相干成像機(jī)理，獲取的影像上 通常存在較為嚴(yán)重的相干斑噪聲。故在數(shù)據(jù)應(yīng)用處理過(guò)程中，通常要進(jìn)行相干斑噪聲抑制。 這就導(dǎo)致處理結(jié)果中經(jīng)常以全極化SAR數(shù)據(jù)的后向散射矩陣S2的二階統(tǒng)計(jì)量一一協(xié)方差 矩陣C或相干矩陣T等形式存在，而無(wú)法獲得HV和VH影像，進(jìn)而限制了上述區(qū)分方位向模 糊噪聲檢測(cè)方法的進(jìn)一步推廣。2008年，Wang等基于Cloude目標(biāo)分解法，分析了全極化 SAR數(shù)據(jù)船只目標(biāo)及其方位向模糊噪聲、海雜波的極化散射特性，并提出了一種基于極化散 射特征的船只目標(biāo)檢測(cè)方法，即利用第三特征值λ3來(lái)區(qū)分船只目標(biāo)及其方位向模糊噪聲。 但是，該算法未考慮當(dāng)方位向模糊與其周?chē)渌跣〈荒繕?biāo)具有相近的第三特征值λ3 時(shí)同樣會(huì)出現(xiàn)檢測(cè)虛警或目標(biāo)漏檢的情況。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明提供了一種基于體散射和螺旋體散射相干的去方位模糊噪聲海面船只目 標(biāo)檢測(cè)方法。該方法運(yùn)用HV和VH極化通道間方位向模糊噪聲相互共輒的散射特性，基于 二維卷積函數(shù)2D-CF對(duì)體散射和螺旋體散射進(jìn)行相干，不僅避免了由方位向模糊噪聲引起 的檢測(cè)虛警，而且提高了海船對(duì)比度，大幅度減少了弱小船只目標(biāo)的漏檢，進(jìn)而顯著提高了 船只目標(biāo)的檢測(cè)精度。
[0007] 本發(fā)明所述的基于體散射和螺旋體散射相干的去方位模糊噪聲海面船只目標(biāo)檢 測(cè)方法，其特征在于，包括如下步驟：
[0008] 步驟10:對(duì)全極化SAR數(shù)據(jù)進(jìn)行Yamaguchi四分成分解，獲得奇次散射、偶次散 射、體散射和螺旋體散射成分；
[0009] 步驟20 :設(shè)置滑窗大小MXN，基于二維卷積函數(shù)2D-CF(TwoDimensions ConvolutionFunction)對(duì)所述體散射和螺旋體散射成分進(jìn)行相干，獲得所述體散射和螺 旋體散射成分的相干影像；
[0010] 步驟30 :統(tǒng)計(jì)所述相干影像的累積分布函數(shù)；
[0011] 步驟40:設(shè)定恒虛警率Pfa，結(jié)合相干影像的累積分布函數(shù)，計(jì)算檢測(cè)閾值ε;
[0012] 步驟50 :遍歷相干影像，判斷相干影像的各像素值是否大于檢測(cè)閾值ε，輸出檢 測(cè)結(jié)果的二值圖；若像素值大于ε，則為船只目標(biāo)，該像素在二值圖中賦值為1 ;若像素值 不大于ε，則為海雜波，該像素在二值圖中賦值為0。
[0013] 優(yōu)選的是，步驟10中獲得的螺旋體散射功率fhlx和體散射功率fTOl:
[0016] 上式中，I·I表示取絕對(duì)值；Im( ·)表示取復(fù)數(shù)的虛部；上標(biāo)*表示復(fù)數(shù)共輒；SHH、 SHV、SVH和Svv分別為全極化雷達(dá)測(cè)得的HH、HV、VH和VV極化通道復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)。
[0017] 優(yōu)選的是，在步驟20中，設(shè)置滑窗大小MXN，基于二維卷積函數(shù)2D-CF計(jì)算體散射 和螺旋體散射成分的二維卷積；所述的二維卷積函數(shù)2D-CF(TwoDimensionsConvolution Function)定義為
[0019] 式中，x、y分別為二維卷積結(jié)果的行列號(hào)，0彡x〈2M-l，0彡y〈2N-l;f，g分別表示 體散射和螺旋體散射的強(qiáng)度影像；⑧表示二維卷積操作符；
[0020] 并且，基于體散射和螺旋體散射成分的二維卷積計(jì)算二者的相干影像R。：
[0022] 優(yōu)選的是，在步驟30中，統(tǒng)計(jì)所述相干影像的累積分布函數(shù)具體包括：假定相干 影像共有Μ個(gè)像素{Xl，x2,L，xM}，且各像素按升序排列（即Xl<X2彡L彡XM)，那么，某像素 知的累積分布函數(shù)F(xk)，k= 1，2, "·，Μ，可根據(jù)公式三進(jìn)行計(jì)算：
[0024] 式中，Num( ·)表示統(tǒng)計(jì)元素個(gè)數(shù)。
[0025] 優(yōu)選的是，在步驟40中，利用設(shè)定的恒虛警率Pfa并結(jié)合相干影像的累積分布函數(shù) F(·)，采用公式四計(jì)算檢測(cè)閾值ε:
[0027] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所述的方法運(yùn)用HV和VH極化通道間方位向模糊相互共 輒的散射特性，基于二維卷積函數(shù)2D-CF對(duì)體散射和螺旋體散射進(jìn)行相干，不僅避免了由 方位向模糊噪聲引起的檢測(cè)虛警，而且提高了海船對(duì)比度，大幅度減少了弱小船只目標(biāo)的 漏檢，進(jìn)而顯著提高了船只目標(biāo)的檢測(cè)精度。
【附圖說(shuō)明】
[0028] 為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例中所需要使用的附 圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域 普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0029] 圖1是本發(fā)明所述的基于體散射和螺旋體散射相干的去方位模糊噪聲海面船只 目標(biāo)檢測(cè)方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述。
[0031] 圖1為本發(fā)明所述的基于體散射和螺旋體散射相干的去方位模糊噪聲海面船只 目標(biāo)檢測(cè)方法的流程圖。本發(fā)明的基于體散射和螺旋體散射相干的去方位模糊噪聲海面船 只目標(biāo)檢測(cè)方法，利用Yamaguchi分解法對(duì)全極化SAR數(shù)據(jù)進(jìn)行極化目標(biāo)分解，獲得奇次散 射、偶次散射、體散射和螺旋體散射成分；運(yùn)用HV和VH極化通道間的方位向模糊相互共輒 的散射特性，利用二維卷積函數(shù)2D-CF對(duì)體散射和螺旋體散射成分進(jìn)行相干；并利用CFAR 的檢測(cè)原理進(jìn)行海面船只目標(biāo)檢測(cè)。該方法不僅避免了由方位向模糊噪聲引起的檢測(cè)虛 警；而且基于2D-CF提高了海船對(duì)比度，大幅度減少了弱小船只目標(biāo)的漏檢，顯著提高了船 只目標(biāo)的檢測(cè)精度。
[0032] 具體來(lái)說(shuō)，本方法包括以下步驟：
[0033] 步驟10:采用公式一對(duì)全極化SAR數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣C或相干矩陣T進(jìn)行 Yamaguchi四分成分解，獲得奇次散射（surfacescattering)、偶次散射（double-bounce scattering)、體散射（volumescattering)和螺旋體散射（helixscattering)成分：
[0034] C-fsurfCsurf+fdblCdbl+fvolCvol+fhlxChlx
[0035] 或 公式一
[0036] T=fsurfTsurf+fdblTdbl+