專利名稱：利用航海雷達識別海上溢油目標的方法及系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種利用航海雷達識別海上溢油目標的方法及系統。
背景技術：
海洋溢油監測技術的研究正在引起又來越多研究人員的注意。人們正致力于尋找 到一個更加快捷準確的監測技術，以及有效的應急反應機制。以衛星與機載傳感器為主要 手段的遙感監測技術已經在此領域得到廣泛的應用。但是這些傳統手段自身所具有的特性 使得至今還無法在不良天氣環境下實現對溢油事故的連續性監測。海洋表面粗糙度取決于海面風，浪，溢油污染物甚至是海底拓撲結構。溢油會產生 比較低的雷達回波，在雷達圖像上會表現為較暗的區域，這一點已經被星載和飛機搭載的 雷達所證實。公知航海雷達用于海面航行避讓、測定船舶定位、狹水道引航，等“大目標”探 測，但是利用航海雷達識別海面溢油目標的系統還沒有被研制。

發明內容
本發明針對以上問題的提出，而研制一種利用提取海浪等雜波信息，配合高分辨 雷達可監測并識別8海里范圍內的小目標，以獲取海上溢油區域目標的系統。本發明采用 的技術手段如下一種利用航海雷達識別海上溢油目標的方法，其特征在于A、將輸出的圖像信號從雷達投影轉換成笛卡爾投影；B、圖像矯正及運動補償；C、利用Gamma濾波方法對步驟B矯正后的雷達圖像進行處理，保留邊緣信息的同 時濾除雷達圖像的高頻噪音；D、檢測圖像中強信號區，根據圖像中信號強度的分布，確定飽和狀態強度作為信 號區的強度閾值，將超過閾值強度的信號數據直接刪除；E、采用灰度共生矩陣法進行圖像分割提取海面溢油目標，具體步驟如下(1)取樣本圖像經數字化處理后將圖像分成大小為nXn像素的非重疊窗口，每個 小塊都從4個方向(即0°，45°，90°和135° )來提取特征，利用灰度共生矩陣計算出各 個方向上最主要的特征值，然后取這4個方向的均值和方差表示該特征值，將此提取的特 征值形成一維特征向量保存到紋理特征庫中作為訓練樣本；(2)按照步驟(1)中處理方法對待測圖像進行分塊劃分，對各小圖像塊的紋理特 征值進行計算，并對其進行編號；(3)利用最小歐氏距離分類法將從未知樣本中提取的特征值與紋理特征庫中訓練 樣本的特征值進行比對，當且僅當未知樣本的特征向量與訓練樣本的歐氏加權距離最小時 輸出匹配成功的未知樣本的編號，否則不輸出；(4)將待測樣本數據中已檢測的部分作為已知數據，并入樣本數據庫，作為動態增 加的特征，對于其他剩余的圖像塊利用上述類似方法進行模式匹配，重復步驟(2)和步驟
4(3)，直至每個待檢測數據完成檢測輸出；(5)以上步驟全部運行完畢后，將得出相似紋理區域的小塊具有相同編號，這樣就 實現了紋理分類，然后根據編號的不同實施區域整合劃分，即在平鋪的nXn雷達圖像中， 將每一小塊的編號標出，提取與溢油樣本編號相同的部分識別為溢油目標。所述步驟A具體操作方法為先將輸出的原始雷達圖像每個像素點坐標轉換為直 角坐標，再對變換后的圖像進行逐行掃描，利用三次卷積插值對缺少像素的位置進行插值 補全像素點。一種根據上利用航海雷達識別海上溢油目標的方法所述方法進行海上溢油目標 識別的系統，其特征在于包括雷達主控機、航海雷達控制器、接線盒、采集裝置、處理裝置 和顯示裝置；所述雷達主控機，用于顯示雷達圖像，控制雷達工作的終端設備；所述航海雷達發射X波段信號并接收回波信號，用于探測海面油膜；所述接線盒，包括電源線、數據線，用于將至少一類模擬信號傳入采集裝置；所述控制器連接航海雷達和雷達主控機，將航海雷達接收的模擬信號，一部分通 過內部A/D模塊轉換為數字信號傳輸至雷達主控機，另一部分包持原有信號特征，通過接 線盒傳入采集裝置；所述采集裝置，連接于接線盒，內置A/D轉換器、存儲器，用于將至少一類模擬信 號轉換為數字信號傳入采集裝置存儲；所述處理裝置，連接于采集裝置，用于分別處理海浪信息和雷達溢油圖像信息，包 括信號分離器和信號處理單元所述信號分離器，用于將采集的海浪信息和雷達溢油圖像信息分離；所述信號處理單元對分離出的雷達溢油圖像信號轉換為便于處理的格式，并根據 上述利用航海雷達識別海上溢油目標的方法對進行處理提取溢油信息，并通過顯示裝置進 行顯不；顯示裝置，用于顯示輸出提取的溢油圖像。本發明同現有技術相比其優點是顯而易見的，首先公知航海雷達用于海面航行避 讓、測定船舶定位、狹水道引航，等“大目標”探測，本發明是利用提取海浪等雜波信息，這些 是公知船用雷達所摒棄的部分，配合高分辨雷達可監測并識別8海里范圍內的小目標，尤 其是對海上溢油目標的識別具有很好的效果。另外，采用基于紋理的算法進行溢油目標的 識別，計算量小，簡單，能夠較好地提取海上溢油目標。


圖1為本發明所述系統的結構示意圖；圖2為本發明所述方法的流程圖；圖3為本發明實施例的實施效果圖。
具體實施例方式公知航海雷達用于海面航行避讓、測定船舶定位、狹水道引航，等“大目標”探測， 本發明利用提取海浪等雜波信息，這些是公知船用雷達所摒棄的部分，配合高分辨雷達可監測并識別8海里范圍內的小目標，尤其是對海上溢油目標的識別有很好的效果。采用基 于紋理的算法進行溢油目標的識別，計算量小，簡單，能夠較好地提取海上溢油目標。如圖2所示該利用航海雷達識別海上溢油目標的方法，具體包括如下步驟A、將輸出的圖像信號從雷達投影轉換成笛卡爾投影；由于從雷達獲取的原始數據 為極坐標的雷達回波強度圖像，因此在實際的處理過程中還需要將圖像轉換為便于程序的 處理的笛卡爾坐標系下的圖像，具體方法是先將輸出的原始雷達圖像每個像素點坐標轉換 為直角坐標，再對變換后的圖像進行逐行掃描，利用三次卷積插值對缺少像素的位置進行 插值補全像素點。B、圖像矯正及運動補償；獲取雷達圖像數據的平臺為運動的船只，處理過程需要 連續的多幅圖像，因此需要根據船舶平臺運動的情況對圖像進行運動補償，矯正圖像，本發 明采用基于回波數據的方法對雷達圖像進行運動補償。C、利用Gamma濾波方法對步驟B矯正后的雷達圖像進行處理，可以在最大程度上 保留邊緣信息的同時濾除雷達圖像的高頻噪音(濾波窗口規格根據小目標的大小可以選 擇3x3到Ilxll像素)。D、檢測圖像中強信號區，根據圖像中信號強度的分布，確定飽和狀態強度作為信 號區的強度閾值，將超過閾值強度的信號數據直接刪除；本研究只關注于海表面的微小變 化，因此強反射信號對于我們來說都是必須排除在處理程序外的這些信號包括雷達所在平 臺的遮擋，如船舶的桅桿、煙囪，平臺周圍的船只，陸地目標等無關目標檢測也就是檢測圖 像中強信號區。E、采用灰度共生矩陣法進行圖像分割提取海面溢油目標，由于溢油會對海浪形態 造成變化，因此對圖像紋理分析也就成了檢測鑒別溢油區域的首選方法。在圖像紋理分析 中，常用的紋理特征主要有Tamura紋理特征、自回歸紋理模型、方向性特征、小波變換和共 生矩陣等形式。這些紋理分析方法的共同點是提取了那些在特定紋理描述中最重要的特 征，突出紋理的不同方面。其中的灰度共生矩陣已知被理論證明并且實驗顯示它在紋理分 析中是一個很好的方法，廣泛用于將灰度值轉化為紋理信息。一幅圖像的灰度共生矩陣能反映出圖像灰度關于方向、相鄰間隔、變化幅度的綜 合信息，它是分析圖像的局部模式和它們排列規則的基礎。設f(x，y)為一幅二維數字 圖象，其大小為MXN，灰度級別為Ng，則滿足一定空間關系的灰度共生矩陣為P(i，j)= #{(xl，yl)，(x2,y2) e MXN|f(xl,yl) = i,f(x2,y2) = j}其中 #(x)表示集合 χ 中的元 素個數，顯然P為NgXNg的矩陣，若(xl，yl)與(x2，y2)間距離為d，兩者與坐標橫軸的夾 角為θ，則可以得到各種間距及角度的灰度共生矩陣P(i，j，d，θ)。紋理特征提取的一種 有效方法是以灰度級的空間相關矩陣即共生矩陣為基礎的，因為圖像中相距(Δχ，Δγ)的 兩個灰度像素同時出現的聯合頻率分布可以用灰度共生矩陣來表示。若將圖像的灰度級定 為N級，那么共生矩陣為NXN矩陣，可表示為Μ(Δχ，Ay) (h, k)，其中位于(h，k)的元素 mhk的值表示一個灰度為h而另一個灰度為k的兩個相距為(ΔΧ，Ay)的像素對出現的次 數。具體步驟如下(1)取樣本圖像經數字化處理后將圖像分成大小為ηΧη像素的非重疊窗口，每個 小塊都從4個方向(即0°，45°，90°和135° )來提取特征，利用灰度共生矩陣計算出各
6個方向上最主要的特征值，然后取這4個方向的均值和方差表示該特征值，將此提取的特 征值形成一維特征向量保存到紋理特征庫中作為訓練樣本；(2)按照步驟(1)中處理方法對待測圖像進行分塊劃分，對各小圖像塊的紋理特 征值進行計算，并對其進行編號；(3)利用最小歐氏距離分類法將從未知樣本中提取的特征值與紋理特征庫中訓練 樣本的特征值進行比對，當且僅當未知樣本的特征向量與訓練樣本的歐氏加權距離最小時 輸出匹配成功的未知樣本的編號，否則不輸出；(4)將待測樣本數據中已檢測的部分作為已知數據，并入樣本數據庫，作為動態增 加的特征，對于其他剩余的圖像塊利用上述類似方法進行模式匹配，重復步驟(2)和步驟 (3)，直至每個待檢測數據完成檢測輸出；(5)以上步驟全部運行完畢后，將得出相似紋理區域的小塊具有相同編號，這樣就 實現了紋理分類，然后根據編號的不同實施區域整合劃分，即在平鋪的nXn雷達圖像中， 將每一小塊的編號標出，提取與溢油樣本編號相同的部分識別為溢油目標。所述步驟A具 體操作方法為先將輸出的原始雷達圖像每個像素點坐標轉換為直角坐標，再對變換后的 圖像進行逐行掃描，利用三次卷積插值對缺少像素的位置進行插值補全像素點。本方法利用紋理特征算法，選取的特征值少，減少了存儲空間并提高計算效率，簡 便易實現，對溢油識別效率高。如圖1所示為根據上述方法進行海上溢油目標識別的系統，其特征在于包括雷 達主控機、航海雷達控制器、接線盒、采集裝置、處理裝置和顯示裝置；所述雷達主控機，用 于顯示雷達圖像，控制雷達工作的終端設備；所述航海雷達發射X波段信號并接收回波信 號，用于探測海面油膜；所述接線盒，包括電源線、數據線，用于將至少一類模擬信號傳入采 集裝置；所述控制器連接航海雷達和雷達主控機，將航海雷達接收的模擬信號，一部分通過 內部A/D模塊轉換為數字信號傳輸至雷達主控機，另一部分包持原有信號特征，通過接線 盒傳入采集裝置；所述采集裝置，連接于接線盒，內置A/D轉換器、存儲器，用于將至少一類 模擬信號轉換為數字信號傳入采集裝置存儲；所述處理裝置，連接于采集裝置，用于分別處 理海浪信息和雷達溢油圖像信息，包括信號分離器和信號處理單元所述信號分離器，用于 將采集的海浪信息和雷達溢油圖像信息分離；所述信號處理單元對分離出的雷達溢油圖像 信號轉換為便于處理的格式，并根據上述利用航海雷達識別海上溢油目標的方法對進行處 理提取溢油信息，并通過顯示裝置進行顯示(該信號處理單元為具有邏輯運算能力的微處 理器如單片機、MCU、ARM等，由于本發明要對圖像進行處理所以最好選擇，具有DSP和MCU 組合的微處理器)；顯示裝置，用于顯示輸出提取的溢油圖像。航海雷達圖像溢油目標識別結果，采集裝置通過接線盒將雷達獲取的所有信號轉 變為數字信號并獲取。將獲取的數字信號傳入處理裝置中，其中的信號分離器先將信號中 的海浪信息分離，將雷達圖像信息送入信號處理單元，轉換為bmp格式。然后對此bmp格式 雷達圖像按照步驟A E進行處理，這里面樣本圖像來自于圖像數據庫，最后識別的結果如 圖3所示，方框中暗區提取為海面溢油。以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式
，但本發明的保護范圍并不局限于此， 任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，根據本發明的技術方案及其 發明構思加以等同替換或改變，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。
權利要求
一種利用航海雷達識別海上溢油目標的方法，其特征在于A、將輸出的圖像信號從雷達投影轉換成笛卡爾投影；B、圖像矯正及運動補償；C、利用Gamma濾波方法對步驟B矯正后的雷達圖像進行處理，保留邊緣信息的同時濾除雷達圖像的高頻噪音；D、檢測圖像中強信號區，根據圖像中信號強度的分布，確定飽和狀態強度作為信號區的強度閾值，將超過閾值強度的信號數據直接刪除；E、采用灰度共生矩陣法進行圖像分割提取海面溢油目標，具體步驟如下(1)取樣本圖像經數字化處理后將圖像分成大小為n×n像素的非重疊窗口，每個小塊都從4個方向(即0°，45°，90°和135°)來提取特征，利用灰度共生矩陣計算出各個方向上最主要的特征值，然后取這4個方向的均值和方差表示該特征值，將此提取的特征值形成一維特征向量保存到紋理特征庫中作為訓練樣本；(2)按照步驟(1)中處理方法對待測圖像進行分塊劃分，對各小圖像塊的紋理特征值進行計算，并對其進行編號；(3)利用最小歐氏距離分類法將從未知樣本中提取的特征值與紋理特征庫中訓練樣本的特征值進行比對，當且僅當未知樣本的特征向量與訓練樣本的歐氏加權距離最小時輸出匹配成功的未知樣本的編號，否則不輸出；(4)將待測樣本數據中已檢測的部分作為已知數據，并入樣本數據庫，作為動態增加的特征，對于其他剩余的圖像塊利用上述類似方法進行模式匹配，重復步驟(2)和步驟(3)，直至每個待檢測數據完成檢測輸出；(5)以上步驟全部運行完畢后，將得出相似紋理區域的小塊具有相同編號，這樣就實現了紋理分類，然后根據編號的不同實施區域整合劃分，即在平鋪的n×n雷達圖像中，將每一小塊的編號標出，提取與溢油樣本編號相同的部分識別為溢油目標。
2.根據權利要求1所述的利用航海雷達識別海上溢油目標的方法，其特征在于所述步 驟A具體操作方法為先將輸出的原始雷達圖像每個像素點坐標轉換為直角坐標，再對變 換后的圖像進行逐行掃描，利用三次卷積插值對缺少像素的位置進行插值補全像素點。
3.一種根據權利要求1所述方法進行海上溢油目標識別的系統，其特征在于包括雷 達主控機、航海雷達控制器、接線盒、采集裝置、處理裝置和顯示裝置；所述雷達主控機，用于顯示雷達圖像，控制雷達工作的終端設備；所述航海雷達發射X波段信號并接收回波信號，用于探測海面油膜；所述接線盒，包括電源線、數據線，用于將至少一類模擬信號傳入采集裝置；所述控制器連接航海雷達和雷達主控機，將航海雷達接收的模擬信號，一部分通過內 部A/D模塊轉換為數字信號傳輸至雷達主控機，另一部分包持原有信號特征，通過接線盒 傳入采集裝置；所述采集裝置，連接于接線盒，內置A/D轉換器、存儲器，用于將至少一類模擬信號轉 換為數字信號傳入采集裝置存儲；所述處理裝置，連接于采集裝置，用于分別處理海浪信息和雷達溢油圖像信息，包括信 號分離器和信號處理單元所述信號分離器，用于將采集的海浪信息和雷達溢油圖像信息分離；所述信號處理單元對分離出的雷達溢油圖像信號轉換為便于處理的格式，并根據上述 利用航海雷達識別海上溢油目標的方法對進行處理提取溢油信息，并通過顯示裝置進行顯 示；顯示裝置，用于顯示輸出提取的溢油圖像。
全文摘要
本發明公開了一種利用航海雷達識別海上溢油目標的方法及系統，方法包括A、將輸出的圖像信號從雷達投影轉換成笛卡爾投影；B、圖像矯正及運動補償；C、利用Gamma濾波方法對步驟B矯正后的雷達圖像進行處理，保留邊緣信息的同時濾除雷達圖像的高頻噪音；D、檢測圖像中強信號區，根據圖像中信號強度的分布，確定飽和狀態強度作為信號區的強度閾值，將超過閾值強度的信號數據直接刪除；E、采用灰度共生矩陣法進行圖像分割提取海面溢油目標的步驟。系統包括雷達主控機、航海雷達控制器、接線盒、采集裝置、處理裝置和顯示裝置。本發明是利用提取海浪等雜波信息已獲得小目標，通過紋理的算法進行溢油目標的識別能夠較好地提取海上溢油目標。
文檔編號G01S7/41GK101915910SQ201010223658
公開日2010年12月15日 申請日期2010年7月7日 優先權日2010年7月7日
發明者于水明, 李穎, 陳澎 申請人:大連海事大學