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红外监视告警系统中的复杂背景抑制算法研究

作　者: 秦翰林
导　师: 刘上乾
学　校: 西安电子科技大学
专　业: 物理电子学
关键词: 目标检测背景抑制非下采样轮廓波变换局部滤波贝叶斯理论偏微分方程
分类号: TP277
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
下　载: 473次
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内容摘要

红外监视告警系统是依靠被动地接受目标红外辐射实现对目标的探测、识别和跟踪的光电信息装备,因此具有隐蔽性好、角分辨率高和抗电磁干扰能力强等优点,它已成了现代信息对抗系统中的一个重要组成部分,受到了各国军方的普遍重视。因此,如何最大限度地提高其对红外目标的探测能力,尽可能在远距离外获取来袭目标相关信息,对提高信息对抗系统的性能具有重要意义。但由于目标距离较远时,它在红外像机的成像面上尺寸较小,只有几个到几十个像素,无形状和纹理信息,并且几乎淹没在复杂背景之中,信杂比很低。因此,如何有效地抑制红外弱小目标图像的复杂背景是检测出弱小目标的前提,它是一项具有重要理论意义和工程应用价值的前沿技术研究课题。本论文在对现有红外图像背景抑制技术进行全面综合深入分析的基础上,针对多种场景下红外图像中目标和背景具有的不同辐射强度及其分布结构的特点,对复杂背景抑制技术进行了深入的研究,并充分利用多尺度几何分析、局部滤波、统计学与变分偏微分方程等理论工具,研究并提出了多种各具特色的背景抑制算法,取得的主要研究成果如下:(1)利用非下采样轮廓波变换所具有的多尺度、多方向和平移不变性的诸多特点和采用特征值选择截断和模糊非线性抑制算子对分解后的子带系数值实施调整的技术途径,研究出了分别基于奇异值分解和模糊逻辑的两种红外图像弱小目标背景抑制新算法。实验结果表明该两种新算法不仅都能很好地抑制云层起伏这类复杂背景,而且还能保存并增强目标信号。(2)通过分析图像中每个像素点与其周围像素点在空间距离、灰度值和局部邻域上的关系,设计并实现了两种基于多分辨率双边滤波和多尺度非局部均值滤波的红外图像弱小目标背景抑制新算法,实验证明,其可有效地抑制地势起伏和地面路网这两类杂波背景,并保存和增强了目标强度信息。(3)将贝叶斯最大后验估计与剪切波变换相结合,设计并实现了一种更有效的基于剪切波变换高斯尺度混合模型的红外图像弱小目标背景抑制新算法,实验结果显示新算法能有效抑制地空探测系统中可能出现的地面人工建筑物这类复杂红外背景。(4)利用变分偏微分方程理论中能量泛函和多尺度分析表达概念,设计了基于RX算子改进的各向异性非线性扩散方程和全变差-Gabor模型两种背景抑制算法,完成对地空探测系统中可能出现的地面人工建筑物等复杂背景的抑制。不仅仿真结果验证了其正确性和有效性。而且已将全变差-Gabor模型算法成功地应用于基于凝视型成像的红外监视告警系统中。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-12
第一章绪论  12-28
  1.1 课题的背景和意义  12-13
  1.2 相关技术的研究现状与发展  13-23
    1.2.1 红外弱小目标及其背景图像特性  13-16
    1.2.2 红外图像弱小目标背景抑制技术研究现状  16-23
  1.3 本论文主要研究成果与创新点  23-24
  1.4 本论文课题来源及内容安排  24-26
    1.4.1 本论文课题来源  24
    1.4.2 内容安排  24-26
  1.5 本章小结  26-28
第二章基于非下采样轮廓波变换的红外图像背景抑制  28-56
  2.1 引言  28-29
  2.2 非下采样轮廓波变换基本原理  29-36
    2.2.1 非下采样轮廓波变换  30-34
    2.2.2 非下采样轮廓波变换滤波器组设计  34-36
  2.3 基于奇异值分解的非下采样轮廓波变换红外图像背景抑制  36-48
    2.3.1 奇异值分解  37
    2.3.2 基于奇异值分解的背景抑制  37-38
    2.3.3 基于偏差指数的非零奇异值数目选择  38-40
    2.3.4 背景抑制性能评价准则  40-42
    2.3.5 实验结果与分析  42-48
  2.4 基于模糊非下采样轮廓波变换的红外图像背景抑制  48-55
    2.4.1 模糊红外图像处理原理  48
    2.4.2 基于非下采样轮廓波变换的红外图像背景模糊非线性抑制  48-49
    2.4.3 模糊非下采样轮廓波变换红外图像背景抑制算法的实现  49-50
    2.4.4 实验结果与分析  50-55
  2.5 本章小结  55-56
第三章基于局部滤波的红外图像背景抑制  56-80
  3.1 引言  56-57
  3.2 局部滤波基本理论  57-61
    3.2.1 双边滤波  57-58
    3.2.2 非局部均值滤波  58-61
  3.3 基于多分辨率双边滤波的红外图像背景抑制  61-69
    3.3.1 对偶树复小波变换  61-62
    3.3.2 基于多分辨率双边滤波的红外图像背景抑制  62-63
    3.3.3 基于局部梯度统计特性的阈值选取  63-64
    3.3.4 实验结果与分析  64-69
  3.4 多尺度非局部均值滤波红外图像背景抑制  69-78
    3.4.1 基于多尺度非局部均值滤波的背景抑制  69-70
    3.4.2 基于局部结构张量的阈值选取  70-71
    3.4.3 多尺度非局部均值红外图像背景抑制算法流程  71-72
    3.4.4 实验结果及分析  72-78
  3.5 本章小结  78-80
第四章基于贝叶斯统计机理的红外图像背景抑制  80-94
  4.1 引言  80
  4.2 贝叶斯信号处理原理  80-82
  4.3 基于高斯尺度混合模型的红外图像背景抑制  82-86
    4.3.1 剪切波变换  82-84
    4.3.2 高斯尺度混合模型  84-85
    4.3.3 基于剪切波高斯尺度混合模型的背景估计  85-86
    4.3.4 基于剪切波变换高斯尺度混合模型的红外图像背景抑制算法流程  86
  4.4 实验结果及分析  86-92
  4.5 本章小结  92-94
第五章基于变分偏微分方程理论的红外图像背景抑制  94-122
  5.1 引言  94-95
  5.2 基于变分偏微分方程的图像处理基本理论  95-103
    5.2.1 尺度空间分析  95-98
    5.2.2 面向对象的能量函数法  98-100
    5.2.3 面向过程的图像演化法  100-103
  5.3 基于改进的各向异性扩散方程红外图像背景抑制  103-113
    5.3.1 RX算法  103-104
    5.3.2 基于改进各向异性扩散方程红外图像背景抑制  104-107
    5.3.3 实验结果与分析  107-113
  5.4 基于全变差-GABOR模型的红外图像背景抑制  113-120
    5.4.1 基于Gabor函数的弱小目标模型  113-114
    5.4.2 基于全变差Gabor模型的红外图像背景抑制  114-115
    5.4.3 实验结果与分析  115-120
  5.5 本章小结  120-122
第六章结束语  122-124
  6.1 主要工作总结  122-123
  6.2 研究展望  123-124
致谢  124-126
参考文献  126-138
作者在读期间的研究成果  138-144
附录A 中英文对照表  144-146

红外监视告警系统中的复杂背景抑制算法研究

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