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《中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所)》 2017年
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弱小运动目标快速检测及处理技术研究

席江波  
【摘要】:在太空竞争日趋激烈的今天,空间监视对于了解空间态势、避免太空碰撞、维护太空资源安全具有重要意义。弱小目标检测是空间监视、空间态势感知的重要环节和关键技术,是后续空间目标在天球位置确定、轨道参数确定、目标尺寸和形状确定及分类、空间常驻目标编目等任务的基础。弱小运动目标由于其能量弱,目标所占像元数目少、不具备形状纹理等特征,而且其成像与大量背景恒星相似,容易形成大量虚警目标,因而,相比于其它大目标,检测难度大大增加。对于空间弱小目标,目前常用的目标观测模式包括恒星凝视模式和速率跟踪模式,在恒星凝视模式下,恒星为点状,而目标为条纹状(长曝光时间,如果曝光时间相对较短,目标轨迹也可为离散点状)。在速率跟踪模式下,恒星为条纹状,而目标为点状。本文在不同观测模式下,深入系统地研究了可见光序列恒星背景图像中的弱小运动目标的高效检测问题。(1)天文探测系统成像链路建模研究针对典型形状的目标,建立了辐射亮度与星等的对应关系,建立了天文成像探测系统中的光学系统、探测器、相对运动及振动各环节的点扩散函数(PSF)和调制传递函数(MTF)模型,得到了探测系统总的PSF及MTF模型。(2)不同观测模式下可见光恒星背景图像的建模研究可见光恒星背景图像中噪声和背景特性分析为后续图像预处理提供理论基础,恒星及目标建模可用于后续检测算法测试及性能评估。首先根据噪声统计分布的不同,对各类噪声进行了分类分析;研究了可见光恒星背景图像的背景特性,分析了弱小运动目标和恒星的特性,建立了弱小运动目标和恒星的成像模型;最后对成像链路中所有要素进行组合,建立了可见光恒星背景图像的模型。为了验证算法的检测性能,提出了由恒星凝视模式下图像生成速率跟踪模式下可见光恒星背景图像的方法。(3)可见光恒星背景序列图像预处理算法研究图像预处理的主要目的是减少或消除空间辐射引起的亮坏点、图像中饱和恒星在帧转移型CCD探测上引起的Smear效应、杂散光及多通道传感器引起的非均匀背景等,从而能够使用适合的全局分割阈值进行图像分割,提高目标单帧检测率的同时,降低单帧虚警率。针对以上问题,基于局部阈值的亮坏点检测及邻域插值方法、提出了 Smear效应自动检测及消除方法、一维均值迭代的背景估计和减除方法,很好地减小或消除了上述现象。此外,为了提高恒星及目标的定位精度,提出了基于相位传递函数的高精度质心定位算法,定位精度达0.1211像元(信噪比为3),远优于传统质心法,最后,还研究了图像配准方法,实现了基于联合变换相关的相移测量法的图像配准。(4)恒星凝视模式下弱小运动目标检测算法研究最大似然检测算法给出了一个很好的弱小目标检测的数学框架,然而其缺点是计算量大、需要目标的先验信息。最优投影和最大值投影减小了最大似然算法的计算量,但是算法检测性能被降低,只适合中高信噪比场合。多级假设检验算法为了解决最大似然及最大值投影算法存在的问题,将多种可能的目标轨迹以树的结构组织起来,随时在每一级去除没有通过检验的树。然而,多级假设检验方法在每幅图像的每个像元上搜索,计算量及存储开销仍然很大;而且该算法不适合检测航迹点缺失的低信噪比目标。针对以上问题,提出了基于时间索引图像的弱小运动目标检测算法,首先采用时间索引滤波算法,利用恒星和目标在时间索引图像中所在区域时间索引值的不同,采用时间索引滤波算法快速干净地消除大量恒星和噪声。其次,采用恒星凝视模式下基于时间索引的多级拟假设检验的弱小目标检测算法。在经过时间索引滤波后的图像中,对候选目标采用搜索树检测,通过多级拟假设检验确定待检测目标。该算法可实现低信噪比、低虚警率、小计算量约束下的高检测率检测。仿真结果表明:在信噪比大于等于1.5时,可实现检测率为100%的无虚警检测,目标的定位精度优于0.2像元。该算法不需目标的先验信息,可检测不连续轨迹点目标,需要的图像帧数少,减少了算法硬件实现难度。(5)速率跟踪模式下弱小运动目标检测算法研究速率跟踪模式下由于图像中存在大量恒星条纹,因而其运动参数可由图像本身提供,再通过匹配滤波方式生成条纹滤波模板。首先提出并推导了基于傅里叶及Radon变换的恒星条纹参数估计方法;接着实现了基于迭代匹配滤波和多帧叠加的弱小运动目标检测算法,该算法通过迭代匹配滤波生成恒星条纹模板滤除恒星,多帧叠加提高目标信噪比,再采用较高的分割阈值实现目标的分割检测。仿真结果表明:算法可成功检测信噪比为1的目标,且无虚警;5帧一组叠加检测在信噪比为1.5时,检测精度可以达到0.1326像元。(6)基于多DSP及定点建模的快速处理与嵌入式代码生成研究基于TI公司的定点DSP TMS320DM6437,及Xilinx公司的Spartan 3E系列FPGA XC3S500E,设计了 FPGA+多DSP平台的弱小目标快速检测硬件方案。基于MathWorks公司代码生成工具MATLAB Coder及定点建模工具Fixed-Point Designer,优化了算法的MATLAB代码并建立了算法的定点模型,生成了基于定点DSP TMS320DM6473的嵌入式C代码。
【学位授予单位】:中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TP391.41;TP274

【参考文献】
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中国硕士学位论文全文数据库 前4条
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【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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