复杂背景中红外弱小目标探测方法研究

论文摘要

红外预警系统(Infrared Surveillance System,IRSS)靠被动地接受目标的红外辐射来探测、识别和跟踪目标。它可以单独使用,也可以与其它预警设备如雷达系统交联使用,广泛用于军事目标的侦察告警或连接武器平台的火控系统。相比于雷达预警,红外预警系统由于具有隐蔽性好、角分辨率高、抗电磁干扰能力强以及体积小、重量轻、机动性强等优点,正逐渐成为现代防御体系的一个重要组成部分,受到各国军工部门的重视。在红外预警系统中,复杂背景中红外弱小目标探测与跟踪是一个关键技术。研究复杂背景中弱小目标的实时探测算法,可以扩展红外预警系统的作用距离,对于增加火控系统的反应时间、提高己方的生存概率具有重要的意义。但当目标距离较远时,目标在红外图像中表现为点目标,并且图像信噪比低,目标基本上被背景和噪声淹没,没有距离信息,此时无法利用形状、大小、纹理等特征来识别目标。单帧探测可能产生很多虚假目标,无法获得所要求的探测概率和虚警概率;在序列图像中,根据目标运动连贯性,利用时间上的信息来探测弱小目标,成为有效的解决途径。为提高现有系统探测能力,本文对复杂背景中红外弱小目标的探测与跟踪技术进行了深入研究。首先详细讨论了小目标在探测器上的成像过程,并建立了相关的数学模型。从得到的红外图像序列出发,对弱小目标在探测器上的成像特性,包括大小、形状、灰度、对比度和目标与背景的局部相关性等进行了分析。在此基础上,本文提出了一系列的算法来探测弱小运动目标:基于有限自适应邻域的红外图像预处理算法进行弱小目标增强和噪声抑制;设计了基于数学形态学的弱小目标探测算法和恒虚警率探测技术;为进一步降低单帧目标探测的虚警率,本文还提出了基于目标区域灰度概率分布函数匹配的小目标探测技术。在图像序列中利用目标运动连贯性的多帧跟踪探测技术,是提高复杂背景中弱目标探测概率的一个主要技术途径。本文对复杂背景中的弱小运动目标探测进行了深入研究,提出采用基于动态规划技术的多帧探测算法,主要依据帧间目标的相关性和目标运动特征的连贯性,构造了一种新的阶段值函数和惩罚函数。针对红外搜索预警系统,本文还提出一种基于多假设的目标跟踪方案。根据目标在探测系统中的运动特性,采用卡尔曼滤波实现目标的预测与滤波,提出了完整的航迹起始、维持和终结方案。提出了一种基于多目标特征综合评价因子的数据关联新技术,用目标坐标位置、灰度、大小和局部信杂比在时间上的连续性进行数据关联。设计了目标探测与跟踪仿真系统,仿真结果表明,本文提出的图像序列中弱小目标探测跟踪方案具有强的抗杂波、多目标跟踪、抗数据丢失和实时处理能力。根据对复杂背景中红外弱小目标探测识别与跟踪的理论研究和仿真结果,为低空红外预警系统研制了具有弱小目标实时探测能力的红外信号处理模块。实验验证了本文相关算法的有效性和实用性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题研究的背景与意义
• 1.2 红外预警系统的发展现状与前景
• 1.3 红外弱小目标探测与跟踪问题的介绍
• 1.3.1 弱小目标探测技术现状分析
• 1.3.2 目标跟踪技术现状分析
• 1.4 预警系统中红外弱小目标探测与识别的技术难点
• 1.5 本文的主要研究成果与创新点
• 1.6 本文的内容安排
• 2 复杂背景中弱小目标特性分析
• 2.1 引言
• 2.2 背景杂波与噪声特性分析
• 2.3 目标特性分析
• 2.3.1 目标的红外辐射特性
• 2.3.2 目标几何特性分析
• 2.3.3 目标成像过程模型
• 2.3.4 目标运动特性分析
• 2.3.5 目标图像的统计特征分析
• 2.4 目标与背景的局部相关性及其度量
• 2.4.1 有关定义
• 2.4.2 目标与背景的局部相关性
• 2.5 探测系统的作用距离分析
• 2.6 模拟红外弱小目标的生成
• 2.7 本章小结
• 3 红外小目标探测的理论与方法研究
• 3.1 引言
• 3.2 小目标探测理论模型
• 3.3 基于有限自适应邻域的红外图像预处理技术
• 3.4 基于数学形态学的小目标探测技术
• 3.4.1 数学形态学基础
• 3.4.2 基于数学形态学的背景抑制技术
• 3.4.3 红外小目标的恒虚警率探测技术
• 3.5 基于概率分布函数匹配的小目标探测技术
• 3.5.1 小目标子区域的灰度概率分布
• 3.5.2 基于概率分布函数匹配的小目标探测
• 3.6 探测算法的性能评估
• 3.7 本章小结
• 4 红外弱小目标多帧探测的理论和方法研究
• 4.1 引言
• 4.2 弱小目标多帧探测理论研究
• 4.2.1 多帧探测理论
• 4.2.2 多帧探测模型
• 4.2.3 多帧探测方法的性能分析
• 4.3 基于优化动态规划（DP）技术的多帧探测技术
• 4.3.1 动态规划理论基础
• 4.3.2 基于动态规划的小目标探测
• 4.3.3 DP目标探测技术的优化
• 4.4 基于贯序多假设方法的多目标跟踪探测技术
• 4.4.1 基于改进MHT的多目标跟踪过程实施方案
• 4.4.2 MHT关键技术
• 4.5 综合仿真实验与结果分析
• 4.5.1 目标模拟航迹的产生
• 4.5.2 目标探测仿真结果与分析
• 4.5.3 目标跟踪仿真结果与分析
• 4.6 本章小结
• 5 红外预警系统及其信号处理模块的设计与实现
• 5.1 引言
• 5.2 红外预警系统总体设计
• 5.2.1 红外预警系统的基本原理
• 5.2.2 系统的组成与特点
• 5.2.3 红外预警系统工作时序图
• 5.3 红外预警系统信号处理模块的组成
• 5.4 信号处理关键模块的实现
• 5.4.1 相关算法的级联
• 5.4.2 红外图像预处理算法的实现
• 5.4.3 目标探测算法的实现
• 5.4.4 目标判别算法的实现
• 5.4.5 目标跟踪算法的实现
• 5.5 红外预警系统信号处理模块的研制
• 5.6 红外预警系统显示系统的设计与实现
• 5.7 预警系统小目标探测的外场试验结果与分析
• 5.8 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 全文工作总结
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录: 作者在攻读博士学位期间发表的论文及获得的成果