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红外船舶目标定量化特征检测方法研究

宋文韬  
【摘要】:随着各国对海洋资源的保护和开发日益重视,船舶目标的检测方法有着越来越重要的研究价值。红外与传统探测方式相比,在海洋监测方面有着巨大的应用前景,适合于较弱目标信号的探测。现阶段针对天基红外船舶检测的研究相对较少,而且对目标特性的研究不够深入。由于天基红外高分辨率船舶数据的缺乏,红外船舶目标检测只能在中低分辨率下开展研究。论文以低分辨率复杂背景下船舶弱小目标为研究对象,对星载红外目标探测技术进行研究,并从定量化角度对红外目标检测方法进行深化,本文的定量化围绕几何特征和辐射特征,目标几何特征定量化体现在对多尺度和不同采样体制下的目标几何特征进行分析,对分辨率和采样体制等系统指标进行评价;辐射特征定量化体现在对目标的红外不同谱段辐射特征尝试进行精确计算。希望本文的研究能为卫星目标的检测、识别、反演、载荷性能优化提供一定的支撑和参考。论文主要研究成果和创新点如下:(1)对厚云和海岸这两种在中短红外波遥感图像上能量较高,对目标检测有较多影响的区域进行了检测和分离。借助超像素对图像上边界突出且规则的地物敏感的特点完成对陆地的分割。利用支持向量机(SVM)对图像灰度多维特征进行分类,对厚云进行了较为准确的识别。(2)针对红外船舶小目标图像复杂背景弱信号,难以被精确检测的问题,提出了一种基于恒虚警率和全连接条件随机场的CFAR(Constant False-Alarm Rate)-DCRF(Dense Conditional Random Fields)船舶目标检测算法。该算法针对小目标与虚警信号变化特征相似但结构特征不同的特点,利用条件随机场(CRF)的多维上下文(空间、辐射)表达的优势,实现虚警抑制,并引入CFAR对模型进行改进,提高了对弱信号目标的检出能力,实现船舶小目标的精确检测与分割。(3)目标的长宽、形状、方向等特征是目标在检测后精确识别的基础。在不同分辨率和不同采样体制的遥感图像上,目标的几何特征表现不同,影响了识别精度。本文基于相机模型,建立多分辨率条件下的成像链路仿真,对不同尺度和不同采样体制下的船舶目标结构和方向特征进行分析,对分辨率和采样体制等系统指标进行评价。分析结果表明:对于长度在百米级别的船只,当空间分辨率高于12米时,形状和方向特性能够保持稳定;相比常规采样,过采样虽然能够提高图像的空间分辨率,但目标边缘的扩散更明显,不利于目标形状特征的提取。对于具有对称结构的船舶目标,两种采样体制对运动目标方向的捕捉和判断能力相当。(4)在辐射特性方面,本文对不同谱段的红外目标辐射特性进行了分析,特别针对中波目标反射和发射耦合的问题提出了一种分离模型,基于物理辐射模型建立方程组进行计算,本文目标亮度温度反演的相对误差为1%,提高了目标辐射特性反演精度。


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