機載SAR雷達實時圖像變化檢測的實現(xiàn)

鄔伯才+牛蕾+翁元龍+王磊

摘要：本丈針對某機載雷達圖像實時變化檢測系統(tǒng)工程實現(xiàn)，闡述了SAR圖像變化檢測原理和表征形式，分析了機上實時變化檢測實現(xiàn)流程和處理方式，并給出了考核方法和飛行試驗成果，最后對該系統(tǒng)的應用前景進行了分析和總結(jié)。

【關鍵詞】SAR 圖像 變化檢測 機上實時

1 概述

合成孔徑雷達（Synthetic Aperture Radar，SAR）是一種工作在微波波段的相干成像雷達。它以其高分辨率和全天候、全天時、大而積的數(shù)據(jù)獲取能力而成為世界各國普遍重視的對地觀測技術，充分顯示出在對地軍事情報偵察領域中的重要作用和應用潛力。

目前隨著SAR軍事裝備技術的發(fā)展，軍事判圖員日益而對著各型雷達海量偵察圖像數(shù)據(jù)。由于SAR圖像的復雜性，軍事判圖員對SAR圖像的判讀注定是個高難度的任務，主要體現(xiàn)在以下幾個方而SAR圖像對系統(tǒng)參數(shù)、成像環(huán)境特別敏感：目標運動造成SAR圖像模糊；散射強度依賴于目標的形狀、姿態(tài)和視角；SAR圖像且受到噪聲、陰影、透視收縮、迎坡縮短、頂?shù)椎怪玫葞缀涡巫兊挠绊?；SAR圖像不像光學圖像那樣被直觀理解：綜上，由于SAR圖像可讀性差，導致軍事判圖員判讀任務量之大遠遠超出人工迅速做出判斷的極限，同時SAR圖像特殊的成像機理增加了圖像判讀的難度。

隨著海量SAR軍事偵察情報數(shù)據(jù)的積累，如何從浩如煙海的數(shù)據(jù)中迅速挖掘提取有效信息，摒棄不感興趣的冗余信息，成為了目前SAR圖像判讀的難點。機上實時圖像變化檢測（DSAR）利用同一地區(qū)不同時段SAR圖像，檢測同一場景是否有變化產(chǎn)生，自動聚焦于感興趣的地物與地表目標，能快速實現(xiàn)對戰(zhàn)場軍事目標動態(tài)、毀傷效果評估等方而監(jiān)視情報的獲取，有力地提升了戰(zhàn)場軍事情報保障能力。

2 SAR圖像變化檢測原理和表現(xiàn)形式

變化檢測是根據(jù)不同時問、同一地區(qū)獲取的多幅圖像來確定地物變化特征和過程的技術。它主要通過提取和分析圖像問光譜特征差異或空問結(jié)構(gòu)特征的差異，來實現(xiàn)識別地物類型的轉(zhuǎn)變或內(nèi)部條件和狀態(tài)的變化。最主要表現(xiàn)在灰度值或局部紋理之問的變化，并在此基礎上獲取感興趣區(qū)域在形狀、位置、數(shù)量及其他屬性的變化情況。

技術研究上，S Hachicha等指出兩幅圖像的變化檢測技術為：對不同時問獲取的己配準的兩幅SAR圖像處理，產(chǎn)生一幅圖像以表示圖像場景中發(fā)生的變化。變化檢測分析的最終目標是產(chǎn)生一幅指示了變化和未變化類兩類的二值圖像。因此，變化檢測問題可以分解為兩步：一是產(chǎn)生變化圖像，即初始差異圖；二是初始差異圖進行閩值處理，產(chǎn)生二值變化檢測圖，即分類差異圖。應用背景下，是以歷史時刻獲取的圖像作為基準圖像，實時獲取的圖像作為待檢測圖像，對基準圖像和待檢測圖像進行配準后，產(chǎn)生初始差異圖，再自動地對初始差異圖中的像元進行判決、鑒別，生成分類差異圖，供判圖員判讀。一般分類差異圖為二值圖像，1代表變化像素，O代表發(fā)生變化的像素，即白色代表變化，黑色表示未發(fā)生變化。

根據(jù)人的認知習慣，遵循人性化設計理念，變化檢測結(jié)果除了以圖像形式展現(xiàn)，使用色彩進一步明確目標變化的類別將更易于判圖員判讀。因此，我所對分類差異圖進行了改進，對目標的增加或減少進行分類，生成一個三值的分類差異圖提供給情報判圖分析人員，更方便其及時有效地對變化信息進行確認。三值分類差異圖中O代表未變化像素，250代表待檢測圖像中消失的目標，125代表待檢測圖像中增加的目標。

為了更利于判圖員判圖，將分類差異圖與待檢測圖像融合，用彩色標注目標的增減，紅色表示消失目標，綠色表示增加目標，其余為未變化區(qū)域。

3 機載雷達圖像變化檢測實現(xiàn)方案

某雷達變化檢測的應用流程如圖3所示。在SAR雷達第一次經(jīng)過偵察監(jiān)視區(qū)域時，啟動基準圖制作模式，生成偵察監(jiān)視區(qū)域的變化基準圖，作為后續(xù)變化檢測的基準。在SAR雷達重復經(jīng)過偵察監(jiān)視區(qū)域時，啟動變化檢測模式，將實時獲取的偵察監(jiān)視區(qū)域的SAR圖像與之前生成的該區(qū)域的基準圖進行自動目標變化檢測，生成分類差異圖。鑒于人眼對顏色的敏感性，分類差異圖上的目標在保持其原有形狀、分布特征基礎上，用彩色表示目標的去留，更符合人的認知習慣，便于情報判圖分析人員進行變化信息確認和目標識別。

（1）為了降低變化檢測受航線變化的影響程度，SAR圖像數(shù)據(jù)都要按照成像參數(shù)經(jīng)過幾何校正，保證校正后SAR圖像按照正南正北排列，方便后期情報判圖分析人員判圖。

（2）在圖像配準階段，采用逐級配準的策略，實現(xiàn)基準圖與實時圖之問的精配準。首先，根據(jù)地理坐標信息，提取基準圖和實時圖中的公共部分。此時，配準精度在10-30個像素以內(nèi)。其次，在圖像范圍內(nèi)，均勻選擇少量的幾個（比如3×3=9）控制點，取大窗口數(shù)據(jù)，采用相關系數(shù)的準則將兩圖像的配準精度提高到1個像素以內(nèi)。最后，通過過采樣處理，在亞像元級上配準，達到在控制點上的亞像素級配準。通過控制點信息，在全圖范圍內(nèi)擬合，對實時圖進行重采樣，實現(xiàn)與基準圖的精確匹配。

（3）在變化檢測階段，利用對數(shù)比值法構(gòu)造初始差異圖，并作為變化檢測的依據(jù)。在充分分析變化和未變化區(qū)域統(tǒng)計特性的基礎上，依次采用最大似然初始分割、基于CFAR的統(tǒng)計分割完成對初始差異圖的分割。

（4）經(jīng)過上一步之后，由于幅度差異導致的變化大部分都能被檢測出來，這其中不僅包括了有用的目標變化區(qū)域，還包括了各種背景變化，如農(nóng)田植被變化、土壤含水量變化等。為了更有利于變化情報的提取，需要將各種背景變化消除，采用目標篩選的方法，擯棄而積、輻射強度等參數(shù)不符合目標特征的區(qū)域，生成最終的分類差異圖。

4 飛行試驗與結(jié)果分析

在某型雷達機載實際飛行中，對機場內(nèi)的車輛、飛機、角反射器等目標的變化。通過考核檢測率和虛警率來驗證實際檢測性能。檢測率和虛警率分別定義如下：檢測率Pd：檢測變化目標數(shù)/實際變化目標數(shù)；虛警率Pf：檢測虛假目標數(shù)/總檢測數(shù)。endprint

實際變化目標數(shù)指判圖分析人員通過對比變化前后兩個時相SAR圖像，找出的考核區(qū)域中實際發(fā)生變化的目標的個數(shù)；總檢測數(shù)指判圖分析人員對分類差異圖中給出的變化情況，結(jié)合變化前后的圖像進行判圖分析，去除分類差異圖中因場景變化等因素引起的虛警，剩余變化結(jié)果中檢測目標數(shù)，作為總檢測數(shù)；檢測變化目標數(shù)指總檢測目標中與實際變化目標匹配的目標的數(shù)量；檢測虛假目標數(shù)指總檢測目標中沒有發(fā)生變化的目標數(shù)量。

試驗過程中通過移動角反射器和車輛來驗證雷達實時變化檢測性能。圖5中Tl時問，角反射器位于圖像右上方，T2時問將角反射器放置于圖像左下方，并且開進1臺車輛。變化檢測結(jié)果用綠色代表新增加目標，紅色代表消失目標。變化檢測結(jié)果準確表明在T2時問，觀測區(qū)目標發(fā)生變化，在圖像左下方新增1個角反目標，圖像右上方消失1個角反目標，同時在右上角新增1臺車輛。

試驗過程中同時對機場停放飛機進行監(jiān)視。圖6中Tl時問，機場停放5架運5飛機，T2時問時問只剩4架飛機，從機上實時變化檢測結(jié)果可以清晰看出中問停放的運5飛機己飛走。

本次實驗結(jié)果表明，SAR圖像自動目標變化檢測技術，通過圖像配準將基準圖像和待檢測圖像先關聯(lián)起來，然后將基準圖像作為先驗信息，對待檢測圖像中的感興趣的信息進行提取，能夠提取監(jiān)視區(qū)域的人工目標（飛機、車輛、角反射器）的變化，摒棄冗余信息，結(jié)果以分類差異圖形式給出，簡潔直觀，有利于判圖員判圖。監(jiān)視區(qū)域目標檢測率達到100%，虛警率低，多個架次長航時工作，實時性高，證實了該檢測系統(tǒng)的穩(wěn)健性和有效性。

5 結(jié)束語

遙感圖像變化檢測的研究可以追溯到上世紀七十年代末，由于衛(wèi)星可以提供同一地區(qū)不同時期的遙感數(shù)據(jù)，一些研究者嘗試利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進行變化檢測。當時，由于技術條件還不發(fā)達，研究人員主要通過目視解譯來完成變化檢測。但是目視解譯方法要求要求解譯人員具有豐富的目視判讀經(jīng)驗，通常效率低下，且結(jié)果具有很大的主觀性，也很難保持前后的一致性，在實際應用中有很大的局限性。因此，隨著科學技術的發(fā)展，用計算機代替判圖員進行變化檢測是必然發(fā)展趨勢之一，本雷達系統(tǒng)實現(xiàn)了機上SAR圖像實時變化檢測結(jié)果，開展了針對合作目標的飛行試驗，已經(jīng)基本實現(xiàn)實用化，具有廣闊的應用情景。

參考文獻

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