基于方位向模糊區位置去除虛假船的檢測方法

徐凌云，房紅兵

（南京理工大學江蘇南京210094）

基于方位向模糊區位置去除虛假船的檢測方法

徐凌云，房紅兵

（南京理工大學江蘇南京210094）

模糊性是合成孔徑雷達重要參數之一。在進行港口或是海面艦船檢測時，當模糊區域能量過高會導致產生虛假目標。雷達照射到強散射物體時會產生虛假影像，嚴重影響對圖像的判讀，進而影響艦船目標檢測的準確性。基于提高艦船檢測準確性的目的，本文先從模糊性來源入手，通過分析計算方位向模糊值，并且結合虛假影像的特點提出了分塊區域下通過方位向模糊區位置，鑒別虛假目標，最后通過實際數據分析驗證了該方法的有效性，提高艦船檢測的準確性。

合成孔徑雷達（SAR）；方位向模糊度；模糊區；艦船檢測

方位向模糊性[1-3]作為星載合成孔徑雷達（synthetic aperture radar，SAR）固有的一種特性，對于目標檢測與識別會照成干擾，在艦船檢測時當模糊嚴重時會出現虛假目標，對目標艦船檢測造成嚴重干擾。

現今在國內外研究SAR方位模糊抑制大多從信號角度出發，如:理想濾波器抑制[4]，自適應方位模糊抑制[5]，三濾波器方位模糊抑制[6]等。上述方法針對點目標會有比較好的效果，但是大多計算量偏大。本文提出了一種的處理方法:從計算分塊區域[7]模糊區位置的角度，來進行艦船目標分析檢測，通過判斷模糊位置來是否存在，抑制模糊，降低圖像模糊程度，進而提高檢測準確度。

1 方位向模糊來源以及計算方法

多普勒頻譜的欠采樣[8]是導致方位向模糊的主要原因。由于雷達的脈沖重復采樣的工作機制而且天線總是存在旁瓣的，導致方位向模糊度成為一種無法消除的系統干擾。雖然在處理成像區回波信號的主瓣區域內的信號，但是無論如何設計優化天線，天線總是存在旁瓣的。脈沖采樣時，前一個或是后一個周期信號的旁瓣信號延伸疊加到方位向主瓣信號中來，使得主瓣信號被周期性的混跌，從而造成了方位向模糊。

在條帶模式下，天線指向不發生變化，在整個照射過程中，所有具有相同斜距，不同方位位置的目標，其經歷的天線方向圖過程是一致的，都是先經歷方向圖旁瓣再經歷主瓣再離開主瓣進入旁瓣。整個成像過程成像區域I與雷達的運動可以等效成成像區域與天線方向圖之間的運動。一般情況會假設目標的后向散射系數在整個天線方向圖中不發生變化[9]。

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

Bp:方位向帶寬，一般會選取3 db點，工程上計算一般會選取方位向方向圖-6 db處帶寬，留取一定余量后選擇-8db左右。k:方位模糊序號，一般選取-20～20，天線方向圖遠區旁瓣總是較小，模糊能量主要集中在+1模糊區。G:雙程方位向天線方向圖，標準的天線方向圖表達式[11]為:

其中La方位向天線尺寸，λ波長，φ方位角，

fd:為方位向多普勒頻率；

r?:SAR與地面目標之間的相對距離矢量，v?:相對速度矢量。

在整個雷達照射成像過程中，某一區域的方位向模糊度一般是max（AASR），將該區域內最大AASR設為該區域的方位向模糊度。條帶模式下，因SAR天線的波束指向不發生改變，成像區域內的各個點目標所經歷的過程是一致的，并且具有相同的斜距，所以其AASR是相同的。

2 基于分塊區域模糊區位置計算

上面闡述了方位向模糊計算的方法，主信號區與模糊區存在一定的距離偏移，對于點目標而言，因模糊能量主要在±1模糊區，同樣的分塊大區域的目標區域同樣是能量集中在±1模糊區內，下面主要分析計算方位向和距離向模糊區與目標主信號區的距離。以及在實際場景中的應用分析。

方位向模糊區與目標觀測區具有相同的斜距，其中多普勒中心頻率的差距也由脈沖重復頻率決定，可以根據已知的多普勒參數[12]以及其與的衛星參數，求得±1模糊區與目標觀測區的地面位置關系[13]。

Xa:目標與模糊區之間的方位向距離；N:間隔的像素；ρa:方位向分辨率；prf:脈沖重復頻率；fr:多普勒調頻率；p0，p1，p2，p3:各階調頻系數；rx0:目標的斜距；rref:參考斜距。

文中提出了一種基于模糊區位置計算的提高艦船檢測精度的處理方法，主要思想:先計算SAR圖像的方位向模糊值，如果方位向模糊值嚴重，那么很可能存在虛假目標。然后SAR原始圖像先進行區域分塊艦船目標檢測，標記艦船目標，計算區域目標內對于可能模糊船存在的位置，然后根據模糊區位置內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，如若是虛假目標則去除虛假艦船，處理完畢以后再與原始圖像進行效果比較。具體流程如圖1所示。

圖1 分塊區域模糊區的艦船檢測流程圖

3 實驗分析

本次實驗采用新加波港口的TerraSAR數據作為分析驗證。其各個參數如表1所示。

表1 新加坡港口TerraSAR條帶模式數據相關參數

為了驗證本文提出的基于方位向模糊區的艦船檢測算法的有效性，本次分析截取了SAR圖像中一部分作為海域進行試。雷達的實測數據成像以后，將該模型中的艦船目標標記為Q0,Q1,Q2…通過式（1）計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優于-20 db，該SAR圖像方位向模糊比較嚴重，可以初步判斷該圖像中很可能存在模糊像。

圖2 艦船初步監測到的艦船目標

圖2標的艦船目標如果用傳統的艦船檢測方法來檢測，像Q1，Q3，Q5，Q7這些疑似艦船目標就會直接被當成艦船目標，很大程度影響艦船目標檢測的準確性。根據本文提出的方法:根據方位向模糊區來檢測艦船的，首先會將圖像中監測到的所有的艦船目標標記為Q0，Q1，Q2…，其次將各艦船目標方位向+1模糊區計算出來，標為Q0_，Q0+，Q1_，Q1+，Q2_，Q2+…。再將檢測出的+1模糊區標記目標與圖中艦船目標先進行位置重合度對比，如果位置重合再進行艦船特征對比，根據各個參考參數如艦船距離向位置重合度，艦船大小，艦船首向，能量分布，判斷區域內的那些艦船目標為模糊船，判斷完畢以后消除模糊船。

圖3艦船目標Q0，Q2，Q4，Q6的位置，根據之前提出的分塊大區域求模糊區位置的方法，計算得到各個艦船目標的模糊區位置。艦船目標與其方位向模糊區在同一景圖像中且具有相同的距離向位置關系，根據區域方位向模糊區計算方法，求得Q0，Q2，Q4，Q6艦船目標的+1模糊區方位向位置相差約1552*6.6，分別用標記為 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 現 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重，從圖中就可以明顯看出，不少艦船目標存在著疑似模糊像。

圖4為各艦船目標切片，接著我們通過對比，其中艦船目標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位置上都存在一定的距離關系，可以初步判斷為模糊船。

圖3 艦船目標模糊區位置

圖4 各艦船目標

接著對各艦船目標進行目標檢測算法后進行目標特征提取，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可以看出實際艦船目標與虛假艦船在能量分布上還是有很大差異的，實際艦船能量集中，虛假艦船能量較弱，但是實際艦船與虛假艦船在艦船中存在二面角的等強散射點處還是有一定相似度。表2為該區域內艦船目標檢測出的各特征參數結果的比較。

圖5 各艦船目標特征提取

根據表2可得其中艦船目標Q0的模糊區Q0+中心的坐標位置[759，16309]，與艦船目標Q1中心位置[760，16275]基本重合。并且Q0艦船特征（艦船首向，艦船大小）和Q1非常相近。同時分析其艦船能量與場景平均能量，因為是模糊像，其包含的能量相對與原始像會低一個數量級，可以判斷Q1為Q0的虛假目標。同樣的Q2與Q3，Q4與Q5，Q6與Q7也存在著這樣的關系，可以將那些模糊船判斷為模糊船。

通過方位向模糊區來檢測艦船的算法計算，處理掉模糊船后的圖像，從處理結果上，確檢測4個Q0，Q2，Q4，Q6，正確檢測率100%。該區域中單單通過CFAR，檢測8個目標，正確檢測4個Q0，Q2，Q4，Q6，虛警值 4 個 Q1，Q3，Q5，Q7，正確檢測率只有50%。并且該方法處理時間較短只有3 s，圖像中模糊干擾已經大部分去除，且真正的艦船目標沒有改變，很大程度提高了艦船檢測的準確性。

表2 艦船目標特性參數

4 結論

模糊度問題是影響艦船檢測中一個復雜的問題。本文先從合成孔徑雷達方位向模糊的來源以及計算出發，提出了基于計算方位向模糊區，再結合艦船特征去除模糊像提高艦船檢測準確度的方法，最后去除了虛假目標。本次實驗在低分辨率且方位向模糊較嚴重的SAR圖像中，效果較好，大大增強了目標檢測的準確性。如要驗證該方法的適用性，還需要經過不同分辨率不同場景大量數據測試。

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The way of detection of false ships based on azimuth ambiguities

XU Ling-yun，FANG 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：201609229

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