基于距离约束的SAR图像舰船目标旁瓣去除方法

技术领域

本发明属于图像处理领域，具体涉及一种基于距离约束的SAR图像舰船目标旁瓣去除方法，该方法用于去除SAR图像舰船目标中强散射点导致的旁瓣和成像过程中发生几何失真导致的拖尾。

背景技术

合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)是一种主动式微波成像传感器，具有不受光照和气候约束的优点，可以全天时、全天候获取数据，在军事和农业中应用广泛。海洋舰船检测与识别在海上交通管制、海洋资源保护等方面具有非常重要的作用。在民用方面，舰船目标识别可以帮助相关部门进行海面和港口交通规划，搜寻遇难船只；在军事方面，舰船目标识别可以获取敌方船只信息，帮助海军提前布防。

当舰船在海面上航行时，舰船速度可以沿着距离维和方位维进行分解，在方位维上的分量会对舰船的成像结果产生几何失真，在实际的SAR图像中表现为舰船上方位向附近存在强散射区域，即拖尾现象。同时，由于舰船强散射结构的特点，当舰船中某一结构后向散射较为强烈时，会抑制周围若散射目标，在SAR图像中产生十字交叉的白色亮斑，这种现象称为旁瓣效应。旁瓣现象存在时，检测得到的目标区域相对于舰船主体区域外延，导致舰船轮廓(最小外接矩形)提取相比于其真实值变宽/变长，严重影响目标识别性能。

以下两种为基于灰度图像的去除SAR图像中舰船旁瓣的方法：

1、逐步逼近法：

逐步逼近法首先估计SAR图像目标舰船方位角，将目标旋转至水平状态，获得水平状态的初始外接矩形，长度为L，宽度为W，逐步逼近的方法缩小初始外接矩形，最后获得最终外接矩形，具体方法为：

(1)统计目标像素个数，记为N；

(2)计算每行的平均像素个数S

(3)分别计算上下两侧边界上的船舶像素个数，若小于aS

(4)对水平方向同样处理。

逐步逼近法实施简单，计算量小。从实现方法上可以看出，逐步逼近法假设目标初始外接矩形与舰船整体大小区别不大，从而可以通过迭代的方式去除边缘上的旁瓣。但是从实际实验中可以看出，逐步逼近法没有考虑到大旁瓣对初始外接矩形的影响，当旁瓣或者拖尾过长时，估计得到的初始外接矩形宽度或长度过大，从而导致利用公式计算的阈值太小，使得循环还未到达舰船目标区域时就已经结束。虽然可以通过调整系数a进行改善，但是在旁瓣大小未知时，无法对系数a的自适应调整。

2、Radon变换法

Radon变换能把图像变换到ρ-θ空间，变换的实质是沿直线对图像像素点的线积分，图像域的每条直线上的像素点经过线积分对应到ρ-θ空间中的一个点，因此SAR图像中像素灰度值高的直线对应ρ-θ空间的亮点，而像素灰度值低的直线则对应ρ-θ空间的暗点。SAR图像中舰船认为是亮区域，对应了ρ-θ域中的一个亮区域集合。

Radon变换法首先对二值图进行Radon变换，确定主轴方向，即方位角。利用估计出的方位角将二值图旋转至水平方向，然后对旋转后的二值图再次进行Radon变换，取90°投影方向的所有线积分值作为目标宽度估计，为了去除旁瓣，利用最大线积分值的k倍作为阈值，去除90°方向上低于阈值的点，用剩余的值估计目标宽度。

Radon变换法是将旁瓣去除问题转换成在ρ-θ域内最大峰值检测问题。然而在某些情况下，ρ-θ内最大峰值点对应的角度并不是主轴所在方向，这会导致目标方位角估计错误，从而导致无法去除旁瓣。此外，目标宽度估计是利用最大线积分值的k倍作为阈值，当舰船成像效果较差时，在ρ-θ域内舰船目标的亮度偏低，会导致舰船主体部分被误判成旁瓣去除。

发明内容

要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：由于旁瓣存在，导致对SAR图像中舰船目标几何结构参数的估计有误，从而对后续的识别造成影响。由于大旁瓣和拖尾的存在，导致逐步逼近法估计的初始最小外接矩形尺寸过大，后续的旁瓣去除过程提前终止，不能完整的去除大旁瓣。而Radon变换法在估计方位角上容易出现偏差，同时对处理成像效果较差的舰船图像效果较不佳。基于以上问题，本发明提出一种基于距离约束的SAR图像舰船目标旁瓣去除方法。

技术方案

一种基于距离约束的SAR图像舰船目标旁瓣去除方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：将二值图像旋转至水平方向的目标的质心所在长直线为目标主轴，以主轴为分界线，主轴上方目标像素点认为是舰船上半部分，主轴下方目标像素点认为是舰船下半部分

步骤2：首先进行上半部分旁瓣去除，统计舰船目标第i列主轴上侧检测到的目标区域像素个数，将其定义为舰船上半部分到主轴的距离G_on，G_on＝[G_on

步骤3：对得到的G_on进行排序，去除前25％的近距离单元和后25％的远距离单元，用剩余的中间50％单元计算得到的平均距离mean_on作为舰船的真实上侧宽度的估计；

步骤4：比较p*max_on与mean_on的大小，如果p*max_on＞mean_on，认为p*max_on以外的像素是旁瓣像素，将之置为0；其中p是一个参数；

步骤5：更新二值图，重复步骤1-4，直至p*max_on≤mean_on；循环结束；

步骤6：使用同样的方法对主轴下方的像素点进行处理。

本发明进一步的技术方案：还包括要对原始切片进行预处理以得到二值图像：首先对原始SAR图像切片进行CFAR检测，检测得到二值图像，二值图像中目标区域值为1，其余区域为0；得到的二值图像中舰船目标部分存在空洞，利用形态学中的开运算和闭运算进行去除；形态学滤波后的二值图像中有小的杂波区域，通过求取连通区域的面积，限定最小连通区域大小将面积较小的区域进行去除。

本发明进一步的技术方案：步骤4中p设置为0.9。

一种计算机系统，其特征在于包括：一个或多个处理器，计算机可读存储介质，用于存储一个或多个程序，其中，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现上述的方法。

一种计算机可读存储介质，其特征在于存储有计算机可执行指令，所述指令在被执行时用于实现上述的方法。

有益效果

本发明提供的一种基于距离约束的SAR图像舰船目标旁瓣去除方法，与现有旁瓣去除算法相比较，具有的有益效果是：逐步逼近法依赖于初始外接矩形的参数，当初始外接矩形受旁瓣影响导致长度或者宽度过大时，通过逐步逼近法无法将旁瓣全部去除。而Radon变换法在成像效果不好的情况下容易出现将舰船像素作为旁瓣去除的情况。本发明提出的方法根据旁瓣在SAR图像舰船中分布的情况，从最远距离像素入手，只需要在迭代的过程中更新估计的舰船宽度和图像中舰船两侧到主轴的最远距离，即可逐步去除旁瓣像素，得到目标真实宽度。无需依赖先验知识，并且对成像效果不好的SAR图像鲁棒。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1逐步逼近法示意图；

图2Radon变换法示意图；

图3逐步逼近法和Radon变换无效情况下示意图；左(逐步逼近法失效)右(Radon变换法失效)；

图4本发明基于距离约束的SAR图像舰船目标旁瓣去除方法示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明解决技术问题的方案是：首先基于矩技术估计舰船目标方位角，利用估计得到的方位角将舰船目标旋转至水平方向，再计算旋转后舰船目标的质心，由于舰船目标具有很好的对称性，因此质心所在位置可以认为是舰船主轴所在位置，然后统计旋转至水平方向的二值图中舰船目标两侧每一列到主轴的距离，将统计得到的距离排序并进行截断操作，利用中间部分距离粗略估计舰船的宽度，最后根据两侧到主轴的最远距离和估计得到的舰船宽度之间的关系进行迭代去除旁瓣像素，最终得到舰船目标的真实宽度估计。

为了更清晰地阐述具体实施方式，本发明要对原始切片进行预处理以得到二值图像。将首先对原始SAR图像切片进行CFAR检测，检测得到二值图像，二值图像中目标区域值为1，其余区域为0。得到的二值图像中舰船目标部分存在空洞，利用形态学中的开运算和闭运算进行去除。形态学滤波后的二值图像中有小的杂波区域，通过求取连通区域的面积，限定最小连通区域大小将面积较小的区域进行去除。最后在得到的二值图上使用基于距离约束的SAR图像舰船目标旁瓣去除方法。

图4是基于距离约束的SAR图像舰船目标旁瓣去除方法示意图。旁瓣去除算法步骤分以下几步：

(1)高分辨舰船目标具有对称的特点，质心大致位于主轴附近。因此，认为旋转至水平方向的目标的质心所在长直线为目标主轴。以主轴为分界线，主轴上方目标像素点认为是舰船上半部分，主轴下方目标像素点认为是舰船下半部分。由于估计的舰船主轴与真实舰船主轴有一定偏差，因此在进行旁瓣去除时，上下两部分分开处理。

(2)首先进行上半部分旁瓣去除，统计舰船目标第i列主轴上侧检测到的目标区域像素个数，将其定义为舰船上半部分到主轴的距离G_on，G_on＝[G_on

(3)舰船目标旁瓣距离主轴较远，而未产生旁瓣的两侧舰船像素离主轴距离基本相同。同时在某些情况下，由于成像、目标遮挡等原因，舰船部分区域成像效果不好，导致计算出的舰船上边缘距离主轴较近。为了去除这两种情况对估计舰船主体宽度的影响。对得到的G_on进行排序，去除前25％的近距离单元和后25％的远距离单元，用剩余的中间50％单元计算得到的平均距离mean_on作为舰船的真实上侧宽度的估计。

(4)去除远离主轴像素。比较p*max_on与mean_on的大小，如果p*max_on＞mean_on，认为p*max_on以外的像素是旁瓣像素，将之置为0。其中p是一个参数，实验中设置为0.9。

(5)更新二值图，重复1-4步，直至p*max_on≤mean_on。循环结束。

(6)使用同样的方法对主轴下方的像素点进行处理。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。