红外弱小目标检测方法研究
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本科毕业设计论文
题 目 红外弱小目标检测方法研究
_______________________________________
专业名称
学生姓名
指导教师
毕业时间 2014年6月
毕业 任务书
一、题目
红外弱小目标检测算法研究
二、指导思想和目的要求
本题目来源于科研,主要研究红外弱小目标的特点,常用的检测算法,进而实现红外弱小目标的检测。
希望通过该毕业设计,学生能达到:
1.利用已有的专业知识,培养学生解决实际工程问题的能力;
2.锻炼学生的科研工作能力和培养学生团队合作及攻关能力。
三、主要技术指标
1.掌握红外弱小目标的特点;
2.研究常用的红外弱小目标检测算法;
3.实现红外弱小目标的检测。
四、进度和要求
第01周----第02周: 参考翻译英文文献;
第03周----第04周: 学习红外图像及其弱小目标的特点;
第05周----第08周: 研究红外弱小目标的检测算法;
第09周----第14周: 编写红外弱小目标的检测程序;
第15周----第16周: 撰写毕业设计论文,论文答辩。
五、主要参考书及参考资料
1. 武斌. 红外弱小目标检测技术研究. 西安电子科技大学博士学位论文.
2. 史凌峰. 红外弱小目标检测方法研究. 西安电子科技大学硕士学位论文.
3. 杨丽萍. 空中红外弱小目标检测方法研究. 西北工业大学硕士学位论文.
4. 吴巍. 图像中目标特征的检测与识别. 华中科技大学博士论文。
5. 郑成勇. 小波分析在红外目标检测中的应用. 华中科技大学硕士论文。
6. 蔡智富. 基于自适应背景估计的复杂红外背景抑制技术. 哈尔滨程大学硕士论文。
学生 指导教师 系主任
设计
论文
摘要
红外弱小目标检测技术在当今的军事领域和民用领域都有很广阔的应用前景,是红外图像处理领域中一项历史悠久且又充满活力的研究课题。
在军事领域中,红外自寻制导,搜索跟踪和预警等技术在现代战争中占有非常重要的地位,红外弱小目标检测技术就是红外成像制导中的关键技术之一。
实际的武器系统对于雷达的要求越来越高,如何充分发挥雷达技术的优势,提高目标的检测能力,尽早获取来袭目标的相关信息对于提高武器系统的性能具有重要的意义,利用红外探测和跟踪系统进行防御是一个重要方向,而红外弱小目标检测便是被动红外探测系统的关键技术。
在民用方面,红外弱小目标检测研究依然是世界重点研究项目。
卫星大气红外云图分析、空间遥感、粒子碰撞、红外医疗图像病理分析、飞机拍摄地面红外图像地质分析、城市红外污染分析、森林防火和海面人员搜救等领域中,有效的红外目标检测技术可以帮助人们迅速提取有价值的信息,从而指导人们的生产和生活。
因此,对其检测具有很强的学术和工程应用价值。
本文重点研究了红外弱小目标的检测方法。
首先,综述了红外弱小目标检测技术的国内外研究状况,学习红外成像机理及特点。
了解了分析红外图像的热点和难点。
其次,针对目前的红外弱小目标检测方法,选择了三种红外弱小目标检测方法进行深入研究,分别是高通滤波检测法、中值滤波检测法和自适应门限法。
最后,根据三种检测方法自行设计程序,利用Matalb进行仿真。
仿真结果表明,本文研究的红外弱小目标检测方法能很好的突出目标,有利于弱小目标的检测,为将来更进一步的研究做出扎实基础。
关键词:弱小目标目标图像检测方法
Abstract
Infrared small target detection technology in today's military field and civilian field application is very extensive, it is an infrared image processing field has a long history and vibrant research subject.
Guidance in the field of military, infrared self-optimizing, search tracking and warning technology occupies very important position in the modern war,infrared weak small targets detection technology is one of key techniques in infrared imaging guidance. Actual weapon system is more and more high to the requirement of radar, how to give full play to the advantage of radar technology, improve the detection ability of targets, obtain information about incoming target as soon as possible to improve the performance of weapon system is of great importance to the use of infrared detection and tracking system for defense is an important direction, and the infrared weak small targets detection is the key technology of passive infrared detection system.
In terms of civil, infrared weak small targets detection research remains the world's key research projects. Atmospheric infrared satellite cloud image analysis, space remote sensing, particle collision, infrared medical pathology image analysis, infrared image plane shooting ground geological analysis, analysis of ir pollution in cities, forest fire prevention and the surface of the search and rescue, in areas such as effective infrared target detection technology can help people to extract valuable information quickly, so as to guide people's production and life. Therefore, the detection has great academic and engineering application value.
This paper mainly studies the infrared weak small targets detection method. First, this paper reviews the progress of infrared weak small targets detection technology research status at home and abroad, learning mechanism and characteristics of the infrared imaging. To understand the hot and difficult in analysis of infrared images. Secondly, aiming at the infrared weak small targets detection method, choose three kinds of infrared weak small targets
detection method in-depth research, respectively is high-pass filtering method, the median filtering method and adaptive threshold method. Finally, according to the designed program, three detection methods with the Matalb simulation. Simulation results show that the infrared weak small targets detection method in this paper can be a very good highlight goals, is advantageous to the weak target detection, make a solid foundation to further study in the future.
KEYWORDS: Weak small targets Target image The detection method.
目录
第1章绪论 (6)
1.1 课题背景、意义 (6)
1.1.1 红外弱小目标检测中的有关概念 (7)
1.2 国内外研究进展 (8)
1.2.1 国外研究进展 (8)
1.2.2 国内研究进展 (10)
1.3 各章简介 (11)
第2章红外图像分析 (12)
2.1红外成像机理及其特点 (12)
2.1.1红外弱小目标 (12)
2.1.2红外背景 (13)
2.1.3红外成像机理与红外热像仪 (14)
2.2红外图像特征分析 (16)
2.2.1噪声分析 (16)
2.2.2背景分析 (17)
2.2.3目标分析 (17)
2.3本章小结 (19)
第3章红外弱小目标图像检测方法 (20)
3.1 高通滤波 (20)
3.1.1理想高通滤波器 (20)
3.1.2巴特沃斯高通滤波器 (21)
3.1.3指数高通滤波器 (21)
3.2 中值滤波 (21)
3.3 自适应门限 (22)
3.3.1自适应门限设定 (22)
3.3.2自适应滤波器 (23)
3.4 本章小结 (24)
第4章仿真与讨论 (25)
4.1高通滤波器 (25)
4.2中值滤波器 (32)
4.3自适应门限 (34)
4.4仿真总结 (37)
第五章全文总结 (38)
参考文献 (39)
致谢 (41)
毕业设计小结 (42)
第1章绪论
1.1 课题背景、意义
(1)背景状况:
利用红外成像实现自动目标检测、识别与跟踪是现代军事武器装备的主要技术发展方向。
近年来,在一些局部战争中,红外成像技术显示出巨大的威力,其应用主要在于机载成像搜索跟踪系统以及武器制导等方面。
国际光学工程学会(SPIE)每年按例举行“弱小目标信号与数据处理”会议,各国都在着力研究一种运算量小、性能高、便于硬件实施的检测算法。
国外军事强国目前正在加大对“红外被动预警探测系统”技术的投资,美国早在20世纪50年代起就已经将红外弱小目标检测技术作为“国家安全防御体系”的一个重要课题,我国也必须加大对红外弱小目标的研究力度,刻不容缓。
我国在“九五”、“十五”国防计划中,将“高性能红外探测器件研制和相关信号处理”列为解决“红外预警探测系统”以及“红外精确制导武器”中急需解决的关键研究项目。
国内的华中科技大学、北京环境技术研究所等高等院校也已经展开研究“红外被动预警探测系统”。
(2)选题意义:
在现代战争中,雷达作用重要,是迄今为止最为有效的远程电子探测设备,它根据目标对雷达电磁波的散射能量来判定目标的存在并确定目标的空间位置。
雷达也存在一些难以克服的弱点,面临着日益严重的对抗威胁,为了壮大国防力量,雷达越来越成为各国国防力量发展的重点。
雷达的核心技术是被动红外探测系统,红外目标的检测与跟踪技术是被动红外探测系统的关键技术,而红外弱小目标检测问题又是其核心技术之一。
因此,红外弱小目标检测技术的研究尤为重要。
从20世纪60年代开始,被动红外探测跟踪技术就己经开始应用于武器的精确制导,开始时是点源探测,直到70年代中期以后,随着高性能红外元件的工程应用及高性能检测算法的出现,该技术开始大量应用于武器的精确制导红外成像制导与电视、雷达和激光等制导方式相比具有许多显著的优点,体现在其以被动方式工作,灵敏度高、空间分辨率高、动态范围大、抗干扰能力强以及能昼夜工作等方面,因此成为世界各国军事应用中重点研究和发展的精确制导项目之一。
除了军事应用领域之外,红外弱小目标检测技术在民用领域也得到了广泛的应用。
例如,在卫星大气红外云图分析、空间遥感、红外医疗图像病理分析、粒子碰撞、飞机拍摄地面红外图像地质分析、城市红外污染分析和海面人员搜救等领域中,有效的红外目标检测技术可以帮助人们迅速地提取感兴趣的目标区域,从而在人们的生产和生活提供必要地指导。
1.1.1 红外弱小目标检测中的有关概念
弱和小指的是目标属性的两个方面,所谓弱是指目标的强度,反映到图像上就是指目标的灰度,所谓小是指目标的尺寸,反映到图像上就是指目标所占的像素数。
目前军用的红外成像系统的空间分辨率大致为0.1mrad ,作用距离一般可达到10公里左右,如果目标为来袭的导弹或飞机,可以假设其迎头方向几何尺寸在1米至5米之间,这样目标对于成像系统来说大小为0.lmrad 至0.5mrad 之间。
上述目标就在1个像素至5个像素之间,据此,可以认为所涉及的弱小目标是指在图像上大小在1x1个像素至6x6个像素之间的目标。
另外,红外弱小目标可以认为是几何尺寸小到几乎没有形状信息的目标,从红外成像的一般概念出发,认为一般要对目标的形状进行识别需要6条线以上,所以6x6以下的目标可以认为基本没有形状信息[2]。
由于我们所研究的目标基本上位于红外成像系统的极限作用距离上,所以其信号强度较弱,表现在两方面,即对比度和信噪比。
(1)对比度:在图形图像学中对比度描述的是目标与周围背景之间灰度或亮度的差异,对比度的定义较多,下面列出常用的三种对比度:
1T B T B G G C G G -+= 2T B B G G C G -= 3max min
T B G G C G G -=- (1-1) (1-2) (1-3)
其中,T G 代表目标的灰度,B G 代表背景的灰度,max G 为图像的最高灰度值,min G 为图像的最低灰度值。
(1)和(2)中的1C 和2C 常被称为相对对比度,而式(3)中的3C 被称为绝对对比度。
(2)信噪比:目标强度与噪声强度之间的比值,对于图像中的目标检测问题,信噪比可以用下式定义: T B
G G SNR σ-= (1-4)
其中,σ为背景的方差均值,T G 、B G 与上式代表意义相同[24]。
综上所述,可以认为,红外弱小目标是指在红外图像中对比度和信噪比较低像素尺寸较小的目标。
一般情况下认为对比度小于15%,信噪比小于4,像素尺寸小于6x6的目标为弱小目标。
1.2 国内外研究进展
1.2.1 国外研究进展
红外弱小目标检测技术是红外探测系统的关键技术之一,是红外探测领域的研究热点,国外开展了卓有成效的研究工作,主要研究机构如美国的NASA 、南加利福尼亚大学应用数学中心、空军实验室、海军实验室等。
在一些知名国际刊物上,经常会发表一些关于红外弱小目标检测算法的最新研究成果,国际光学工程学会自1959年开始,每年都会举办一次国际会议,专门就小目标(特别是红外弱小目标)相关处理方法的软!硬件实现问题展开讨论,一些有效的研究思路和处理方法被陆续提出。
红外探测起源于人们对响尾蛇的研究,响尾蛇的眼睛对可见光几乎失去作用,然而它却能敏捷地捕捉田鼠及其他小动物,人们研究发现,这种捕捉能力归结于响尾蛇的热感受器——“热眼”。
二十世纪四十年代末期,人们研制出一种响尾蛇空对空导弹,其原理与响尾蛇相似,利用硫化铅作红外敏感元件,接收喷气式飞机机尾喷管发出的红外辐射流,引导导弹从飞机尾部进行攻击。
从此开始,便有了红外探测技术在军事上的应用。
许多发达国家在红外探测技术上的研究可分为三个阶段:
第一阶段为20世纪60年代前,美国和西方一些国家开始着手于机载红外告警接收机的研制。
受当时技术条件的限制,红外探测设备作用距离短,虚警率高,难以满足实战要求,未能装备部队。
第二阶段为20世纪60年代至70年代中期,这一阶段的红外探测系统主要由美国、瑞典、加拿大及以色列等国研制,从前端接收单元到视频处理终端,都产生了飞跃性的变化,由此诞生了赫赫有名的B-52、F-11轰炸机,F-巧鹰式战斗机及直升机等使用的
AN/ALR-21、AN/ALR-23、AN/AAR-34以及AN/AAR-38等优秀红外系统。
第三阶段为20世纪70年代后期至90年代,长线列、超长线列红外焦平面器件以及面阵焦平面器件在这一阶段得到了飞速的发展,使红外探测系统具有全方位、全俯仰的警戒能力,可完成对大批目标的搜索、跟踪和定位。
具有代表性的产品有法国的VAMPIR、VAMPIR-ML、SPIRAL红外系统,美国和加拿大联合研制的AN/SAR-8系统,美国独立研制的凝视型AN/AAR-43和扫描型AN/AAR-44系统,以色列的SPIRI、AS系统,荷兰的单、双波段IRSCAN系统和意大利的SIR-3系统等[1~2]。
从20世纪70年代起,世界各国开始红外成像制导技术研究,它是由弹头上的红外导引头,利用目标辐射的红外信息,实现对目标的捕获、跟踪导引导弹或弹药命中目标的一种被动寻的制导技术,空对空,地对空红外制导导弹是其在现代实战中的主要运用。
随着红外器件技术的发展,红外成像制导技术迅速发展起来,目前已发展到第三代。
第一代红外成像制导是采用单点红外探测器或线列红外探测器,利用光机扫描结构实现二维成像,其典型代表是美国休斯公司研制成功的发射前锁定目标的AGM-65D幼畜反坦克导弹和AGM-65F反舰导弹以及发射后锁定目标的AGM-84E斯拉姆导弹。
第二代红外成像制导是电子自扫描凝视红外焦平面成像制导,于20世纪80年代在美国和西欧同时开始研制由于无需光机扫描成像,系统结构紧凑,且灵敏度、精度和可靠性大大提高,促进了红外成像制导小型战术导弹的发展。
凝视红外焦平面阵列器件在美国和日本发展很快,其中3-SLm中波段器件已发展到512x512元,锑化锢光伏器件已达256x256元,长波8-12Lm光伏啼锡汞/硅CCD混合焦平面探测器已达128x128元,而且焦平面探测器正在向着高密集度、多光谱、多响应度、高探测率、高工作温度方向发展。
这类导弹的典型代表有美国的海尔法导弹、AIM-gX空空导弹、AAWS-M反坦克导弹以及德、英、法三国联合研制的远程崔格特导弹等。
第三代红外成像制导是将凝视红外焦平面(FPA)探测技术与模式识别相结合,形成自主式的智能导引系统,具有很强的抗红外干扰能力、自动捕获目标能力和复杂情况下的自动决策能力,这类制导系统的导引头正在开发研制和试验之中,是目前红外成像制导发展的方向[3]。
1.2.2 国内研究进展
国内对红外弱小目标检测技术的研究相对较晚。
尽管如此,近十几年来,国内在红外弱小目标检测技术方面取得了长足的进展,国内一些期刊,如电子学报、光学学报、光子学报以及红外与毫米波学报等刊物上也出现了大量的有关红外弱小目标检测方面的最新研究成果。
随着军事需求的不断增长,在“九五”和“十五”,国防预先研究计划中将高性能红外探测器件研制和相关的信号处理技术列为解决红外预警和探测系统以及红外精确制导武器中急需解决的关键技术。
开展相关研究的单位有西安电子科技大学、华中科技大学、上海交通大学!国防科技大学等高校以及中国船舶工业总公司717所、中电集团第27研究所、兵器工业集团第205研究所等研究机构。
目前我国对红外成像系统的研究主要集中在下面几个方面:焦平面探测器阵列的研究、图像信号处理器硬件系统的研究、各种检测、识别和跟踪算法和软件的研究。
随着探测器水平和图像信号处理器处理能力的提高,各种复杂的算法得以在系统中实时运行近年来针对复杂背景和各种干扰条件下的检测和识别的新算法不断涌现,更加智能化的状态判决和跟踪处理算法也得以应用,尤其是有关红外弱小目标检测技术也得到迅速发展。
雷达使用的现代作战指挥系统实时、主动、全天候地探测和获取信息、收集各种军事情报的重要手段,是各类作战平台武器系统实现精确打击的必要手段和不可缺少的组成部分。
但是,在现代战争环境中,雷达也存在一些难以克服的弱点,面临着日益严重的对抗威胁,其中包括:低空和超低空突防、综合性电子干扰、目标电磁隐身和反辐射导弹等四大威胁,这迫使雷达发展相应的“四抗”技术。
目前我国的雷达主要是C ³I系统为主,同样面临着上述威胁。
因此,依据我国国情寻求新的防空手段已成为迫切需要解决的问题。
无源或被动探测跟踪技术是解决这些问题的很有希望的途径,其中利用红外探测和跟踪系统进行防御是一个重要方向。
由于红外探测装置可以采用被动式工作,因此具有较强的抗低空和超低空突防、抗反辐射导弹、抗电磁干扰和反隐身的能力,而且探测精度高,目前精确度已经达到 0.5mrad。
但主要不足是作用距离短,通过提高目标检测方法的性能,达到提高红外作用距离短的缺陷。
红外目标的检测与跟踪技术是被动红外探测系统的关键技术,而红外弱小目标检测问题又是其核心技术之一。
研究红外弱小目标检测方法通过检测方法的改进,达到弥补被动红外探测系统的作用距离短的缺陷。
完成这项研究工作,对我国防御体系的技术提高有
理论参考意义[1]。
1.3 各章简介
第一章阐述了本文的研究的背景及其意义,概述了红外弱小目标检测的研究现状。
第二章分析了红外图像的产生机理和特性,包括红外图像中噪声、背景及目标的特征。
第三章开始学习三种红外图像小目标检测方法,分别是高通滤波、中值滤波和自适应滤波,并在高通滤波的基础上又学习了巴特沃斯高通滤波器和指数高通滤波器。
第四章对三种现今常用的弱小目标处理方法进行了编程和仿真,并对结果进行比较,由结果得出不同的滤波器的不同滤波效果和特点。
第2章红外图像分析
2.1红外成像机理及其特点
2.1.1红外弱小目标
利用红外传感器获取的运动的弱小目标,其温度一般都较高,红外辐射强度比其周围的自然背景辐射强度大,在红外图像中多呈高灰度分布。
而且与其周围的背景也没有相关性,在红外图像中多为孤立的亮斑。
同时由于目标表面的温度均匀,其所成的像灰度的变化也不会很大,故在图像中也可将目标简化为具有恒定灰度值的点目标源。
如图:
图2-1 红外弱小目标示意图
红外弱小目标具有以下的特性:
(1)在红外图像上仅仅占据一个或几个像素,弱小目标的全部信息都集中在图像平面的一个点上,包括点的位置和灰度。
而没有目标的形状、大小和纹理等特征,缺乏目标的结构信息;
(2)图像信噪比低,目标点极易被噪声淹没,同噪声难以区分,因此单帧图像较难实现对这类目标的可靠检测。
(3)红外弱小目标在灰度图像上是一些灰度奇异点,处于图像的高频部分,而在红外图像中,红外背景与高频部分是不相关的。
2.1.2红外背景
红外背景是指图像中的非目标区域,多为云层、海浪、天空、地面等,在图像中主要是大面积缓慢变化的低频部分,对于自然背景中的云层和海浪等,由于在形成时受到物理规律的制约,它们在空间上往往呈大面积的连续分布,在红外辐射的强度上也呈渐变过渡状态,从而使得它们的红外图像灰度空间分布上具有较大的相关性。
同时,由于场景和传感器内热分布的不均匀性,图像的局部灰度均值不一定是均匀的,往往会存在一些起伏,景物的红外辐射因大气吸收和散射而造成的能量衰减具有随机性,故红外系统所接受到的景物辐射能量也具有随机性,因此,背景图像是一个非平稳的二维随机过程。
另外,背景也包含了部分空间频率域中的高频分量,它们主要分布在背景中同质区的边缘。
一般来说,自然场景的背景图像灰度的概率密度分布是正态的。
图2-2 基于天空背景的红外弱小目标图
图2-3 基于自然背景的红外弱小目标图
红外背景具有以下的特性:
(1)背景往往是大面积平缓变化的场景,在物理状态下是大面积的连续分布状态;
(2)背景多呈渐变过渡状态,图像灰度在空间分布上具有较大的相关性;
(3)背景又是一个非平稳过程,图像往往会存在着一些起伏,可以通过一些预处理来消除;
(4)背景往往处于红外图像的低频部分,可以通过高通滤波将其滤除[5]。
2.1.3红外成像机理与红外热像仪
任何物体只要其温度超过热力学温度的绝对零度时,均会产生红外辐射。
红外辐射属于光谱中的高频光,而人类的视觉系统,只能感应波长0.4微米-0.75微米范围的可见光,超出此范围的光线,必须由其他的非光学探测器探测。
由于红外成像系统是通过物体自身的热辐射来检测物体的,因此可以探测到红外辐射,这样的红外探测器称为红外热像仪。
图2-4 红外成像机理示意图
红外热像仪是由红外传感器、光学成像物镜和光机扫描系统三部分组成。
(1)光学成像物镜:捕捉热辐射并成像;
(2)光机扫描系统:对成像扫描、处理,并聚焦于传感器;
(3)红外传感器:将红外辐射能量转换为电信号,放大、转换为视屏信号[2~5]。
与可见光成像器件不同,红外成像器件存在光敏元响应非均匀性,甚至个别光敏元还可能是哑元。
因此,红外成像系统不可能简单地被认为是一个线性空间不变系统。
据物理学理论可知,任何物体只要其温度超过热力学温度的绝对零度时,均会产生红外辐射。
红外仪器工作在电磁波谱的红外波段,波长较无线电波短,所以红外仪器的空间分辨率较微波雷达及毫米波雷达高,但不及可见光仪器。
辐射波长增长时,大气的散射影响将逐渐减弱,因此红外辐射透过霾雾的能力比可见光强。
红外目标成像特点可以概括如下:
(1)红外目标成像是基于目标与背景温差的温度特性形成的;
(2)红外成像是热源成像,而高于绝对零度的物体均具有红外辐射能力,因此自然界中的干扰源很多,从而造成其具有低对比度、低信噪比且边缘比较模糊的特点;
(3)对于远距离目标,由于成像距离远,目标成像面积小,无明显形状、尺寸、纹理等信息可以利用;
(4)影响红外目标成像的因素有很多,主要包括天气、季节、气候、时间以及目标。