基于图像处理的VTS系统雷达目标点迹提取方法、终端设备及计算机可读存储介质与流程

本发明涉及雷达目标点迹提取技术领域，尤其涉及一种基于图像处理的vts系统雷达目标点迹提取方法、终端设备及计算机可读存储介质。

背景技术：

目标的点迹提取是vts雷达系统最基本的功能之一。在复杂杂波环境下，常见的气候杂波如雨杂波、海杂波以及其他干扰虚假杂波与真实目标信息揉合在一起，点迹提取是在这些干扰的影响下对目标回波信号的状态进行判断提取。

传统的点迹提取方法主要采用恒虚警算法以及滑窗检测算法，例如单元平均恒虚警(ca-cfar)通过将一维参考窗口(距离维)中所有参考单元的功率值取均值作为背景噪声功率估计值来估计功率检测门限，滑窗检测算法在恒虚警门限基础上，根据噪声的非相关性和目标回波的相关性，采用数字式积累计数判别是否为目标。这些方法仅考虑了回波单元距离维邻域的相关信息，在复杂多变环境下，小目标容易出现丢失的情况，对于较大目标易出现目标分裂，针对目标分裂还需要做点迹凝聚处理，增加了计算复杂度。

近年来利用图像处理技术进行雷达系统点迹提取已有的参考文献中通常采用帧间差分或背景差分来提取目标的点迹，但这类方法仅适用于运动目标检测，无法提取静止目标点迹并且复杂环境下虚警率较高。

因此需设计一种适用于复杂多变环境下的vts雷达点迹提取方法，充分考虑回波单元邻域的相关性，提高不同环境下的适用性。本发明采用图像处理领域的连通域分析，积累一个完整扫描周期，将完整扫描周期回波看作是一帧图像进行点迹提取。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供一种基于图像处理的vts系统雷达目标点迹提取方法、终端设备及计算机可读存储介质，旨在解决目前的点迹提取方法中适应性和鲁棒性差的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于图像处理的vts系统雷达目标点迹提取方法，所述方法包括如下步骤：

步骤10，积累雷达当前扫描周期所有方位的原始回波构成一帧全方位回波图，对该帧回波图幅值进行双边滤波平滑滤除孤立噪声点；

步骤20，对平滑处理后的各回波单元按照预设规则设置自适应阈值滤除杂波后提取出目标包络连通域；

步骤30，对连通域进行特征分析，删除不符合目标特征的连通域后提取各连通域的中心点，删除落入海图中陆地或岛屿范围内的中心点，将保留下来的中心点作为该帧雷达目标点迹输出。

优选地，所述步骤s10的对回波图进行平滑滤除孤立噪声点使用的是双边滤波：

它由两个函数构成，一个函数由空间距离决定系数，另一个由幅值距离决定系数，因此在滤除孤立噪声点的同时可保持目标包络信息，各回波单元经滤波器后的输出表达式为：

权重系数w(i，j，k，l)取决于定义域核d(i，j，k，l)和值域核r(i，j，k，l)的乘积：

其中，(i，j)为算子的中心坐标，(k，l)为算子其他系数的坐标，f(i，j)表示在回波单元(x，y)处的幅值，σd为空间距离标准差，σr为幅值距离标准差。

优选地，所述步骤s20中对平滑处理后的各回波单元按照预设规则设置自适应阈值滤除杂波中自适应阈值的设置步骤为：

以该回波单元为圆心，计算半径为r的圆形区域sr内所有回波单元幅值的均值，将均值加固定值a作为该回波单元的阈值th；若回波幅值小于th，置该回波单元幅值为0,若高于阈值，保留实际幅值；阈值th表达式如下所示：

其中，m为半径为r的圆形区域sr内回波单元总数。

优选地，所述步骤s30包括：

对提取的各连通域进行特征分析，删除包含回波单元数量大于最大回波数阈值以及小于最小回波数阈值的连通域；删除距离跨度大于最大距离跨度阈值以及小于最小距离跨度阈值的连通域；删除方位跨度范围大于最大方位跨度阈值以及小于最小方位跨度阈值的连通域；找出剩余各连通域的最小外接矩形，取各矩形中心点为当前帧目标点迹；删除落入海图中陆地或岛屿范围内的目标点迹，输出保留下来的点迹。

此外，为实现上述目的，本发明还提出了一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上任一项所述方法的步骤。

此外，为实现上述目的，本发明还提出了计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上任一项所述方法的步骤。

本发明提出了一种基于图像处理的vts系统雷达目标点迹提取方法、终端设备及计算机存储介质，所述方法首先积累雷达当前扫描周期所有方位的原始回波构成一帧全方位回波图，对当前帧回波图各回波单元幅值进行双边滤波平滑滤除孤立噪声点；对平滑后的回波进行自适应阈值滤波，提取出目标包络连通域；对各连通域进行特征分析，删除不符合目标特征的连通域后提取各连通域的中心点作为该帧雷达目标点迹，删除落入海图中陆地或岛屿范围内的点迹后输出点迹。本发明采用图像处理技术进行点迹提取，可充分利用回波单元的邻域信息，双边滤波进行回波数据平滑可在抑制孤立噪声点的同时保护目标包络信息，连通域的提取采用了自适应阈值，相对于固定阈值具有更好的适用性和鲁棒性，针对连通域的特征分析对海浪、雨雪的回波可实现有效的抑制，删除落入海图中陆地或岛屿范围内的点迹有效消除了地物杂波的干扰。该方法具有较强的鲁棒性，能够有效抑制杂波且目标损失小，可适应复杂多变环境下的目标点迹提取。

附图说明

附图作为本发明的一部分，用来提供对本发明的进一步的理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。显然，下面描述中的附图仅仅是一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。在附图中：

图1所示为一种基于图像处理的vts系统雷达目标点迹提取方法流程图；

图2所示为一帧vts系统全方位回波图幅值归一化后的示意图；

图3所示为双边滤波平滑处理后的回波示意图；

图4所示为经过自适应滤波及连通域特征分析后的回波示意图，所示图像经过增强处理以展示幅值较小的目标连通域；

图5为本发明实施例终端设备的示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明实施例解决的技术问题、所采用的技术方案以及实现的技术效果进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，并不是全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下，所获得的所有其它等同或明显变型的实施例均落在本发明的保护范围内。本发明实施例可以按照权利要求中限定和涵盖的多种不同方式来具体化。

需要说明的是，在下面的描述中，为了方便理解，给出了许多具体细节。但是很明显，本发明的实现可以没有这些具体细节。

需要说明的是，在没有明确限定或不冲突的情况下，本发明中的各个实施例及其中的技术特征可以相互组合而形成技术方案。

本发明的主要目的在于提供一种基于图像处理的vts系统雷达目标点迹提取方法，旨在解决目前的检测方法中，目标点迹提取过程中的自适应性和鲁棒性差的问题。

本发明一实施例中，参照图1～图4，所述方法包括如下步骤：

步骤10，积累雷达当前扫描周期所有方位的原始回波构成一帧全方位回波图，对该帧回波图幅值进行双边滤波平滑滤除孤立噪声点；

一帧全方位回波图的构成方式为从当前扫描周期的第一个方位回波开始记录存储直到该周期最后一个方位回波，并按方位排列在极坐标中，如图2所示，在此基础上进行点迹提取可以充分考虑回波单元邻域的相关性，作为vts系统的雷达目标，船舶航行速度慢，一个雷达扫描周期内的位置变化微小，这为基于一帧全方位回波图进行点迹提取提供了基础。对孤立噪声点的处理往往会造成目标包络边缘信息的损失，从而降低目标分辨率，因此使用双边滤波对各回波单元幅值进行平滑，该方法综合考虑了空间邻近度和幅值相似度来设置平滑算子，抑制孤立噪声点的同时对目标包络信息实现了有效的保护，降低目标分辨率的损失，各回波单元输出幅值为：

权重系数w(i，j，k，l)取决于定义域核d(i，j，k，l)和值域核r(i，j，k，l)的乘积：

其中，(i，j)为算子的中心坐标，(k，l)为算子其他系数的坐标，f(i，j)表示在回波单元(x，y)处的幅值，σd为空间距离标准差，σr为幅值距离标准差。算子的参数需根据vts系统的回波特性来设置。

步骤20，对平滑处理后的各回波单元按照预设规则设置自适应阈值滤除杂波后提取出目标包络连通域；

忽略仰视角的情况下，在雷达探测过程中，距离越近的回波能量越强，雷达接收机接收到的回波能量大小与距离的四次方成反比，在vts系统中，这种影响在近程海域非常明显，如果根据经验直接设定一个全局阈值，若阈值过小，近程的海浪杂波以及目标回波数据几乎全部保留了下来，若阈值过大，远程目标可能大部分会被滤除掉，全局阈值的设置始终存在矛盾，此外，雨雪对回波能量也会产生很大的影响，阈值过小会保留大量的雨杂波，阈值过大可能会造成非雨雪区域目标丢失。因此，需要充分考虑回波单元邻域的相关性，利用局部信息对各回波单元按照一定规则单独设置阈值，实现回波的自适应阈值，相对于全局阈值能够有效的适应环境的变换，且具有更高的分辨力，对各回波单元自适应阈值的设置步骤为：以该回波单元为圆心，计算半径为r的圆形区域sr内所有回波单元幅值的均值，将均值加固定值a作为该回波单元的阈值th。若回波幅值小于th，置该回波单元幅值为0,若高于阈值，保留实际幅值。阈值th表达式如下所示：

其中，m为半径为r的圆形区域sr内回波单元总数，固定值a和参数r需根据vts系统回波特性来设置。

自适应阈值滤波后，采用8邻接方式提取出目标连通域，8邻接相对于4邻接对目标造成分裂的可能性更小。

步骤30，对连通域进行特征分析，删除不符合目标特征的连通域后提取各连通域的中心点，删除落入海图中陆地或岛屿范围内的中心点，将保留下来的中心点作为该帧雷达目标点迹输出。

作为vts系统雷达目标，船只的大小是在一定区间范围内的，据此对提取的各连通域进行特征分析，删除包含回波单元数量大于最大回波数阈值以及小于最小回波数阈值的连通域；删除距离跨度大于最大距离跨度阈值以及小于最小距离跨度阈值的连通域；删除方位跨度范围大于最大方位跨度阈值以及小于最小方位跨度阈值的连通域；对各连通域，找出能够包含连通域的最小矩形，取该矩形的中心点为目标点迹。对于一个目标，不同帧之间包络内幅值分布差异大，而包络的轮廓差异较小，所以取中心点相对于极值点或质心点造成的误差更小，更为可靠；由于vts系统的目标是水域上的船只，不考虑陆地或岛屿目标，因此删除落入海图中陆地或岛屿范围内的目标点迹，输出保留下来的点迹。

本发明提出了一种基于图像处理的vts系统雷达目标点迹提取方法、终端设备及计算机存储介质，所述方法首先积累雷达当前扫描周期所有方位的原始回波构成一帧全方位回波图，对当前帧回波图各回波单元幅值进行双边滤波平滑滤除孤立噪声点；对平滑后的回波进行自适应阈值滤波，提取出目标包络连通域；对各连通域进行特征分析，删除不符合目标特征的连通域后提取各连通域的中心点作为该帧雷达目标点迹，删除落入海图中陆地或岛屿范围内的点迹后输出点迹。本发明采用图像处理技术进行点迹提取，可充分利用回波单元的邻域信息，双边滤波进行回波数据平滑可在抑制孤立噪声点的同时保护目标包络信息，连通域的提取采用了自适应阈值，相对于固定阈值具有更好的适用性和鲁棒性，针对连通域的特征分析对海浪、雨雪的回波可实现有效的抑制，删除落入海图中陆地或岛屿范围内的点迹有效消除了地物杂波的干扰。该方法具有较强的鲁棒性，能够有效抑制杂波且目标损失小，可适应复杂多变环境下的目标点迹提取。

图5是本发明一实施例提供的终端设备的示意图。如图5所示，该实施例/终端设备6包括：处理器60、存储器61以及存储在所述存储器61中并可在所述处理器60上运行的计算机程序62，例如基于图像连通域分析的vts系统雷达目标点迹提取程序。所述处理器60执行所述计算机程序62时实现上述各个基于图像连通域分析的vts系统雷达目标点迹提取方法实施例中的步骤。

示例性的，所述计算机程序62可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器61中，并由所述处理器60执行，以完成本发明。所述一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述所述计算机程序62在所述终端设备6中的执行过程。

所述终端设备6可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述终端6设备可包括，但不仅限于，处理器60、存储器61。本领域技术人员可以理解，图5仅仅是终端设备6的示例，并不构成对终端设备6的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述终端设备6还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。

所称处理器60可以是中央处理单元(centralprocessingunit，cpu)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digitalsignalprocessor，dsp)、专用集成电路(applicationspecificintegratedcircuit，asic)、现成可编程门阵列(field-programmablegatearray，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

所述存储器61可以是所述终端设备6的内部存储单元，例如终端设备6的硬盘或内存。所述存储器61也可以是所述终端设备6的外部存储设备，例如所述终端设备上配备的插接式硬盘，智能存储卡(smartmediacard,smc)，安全数字(securedigital,sd)卡，闪存卡(flashcard)等。进一步地，所述存储器61还可以既包括所述终端设备6的内部存储单元也包括外部存储设备。所述存储器61用于存储所述计算机程序以及所述终端设备所需的其他程序和数据。所述存储器61还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置/终端设备和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置/终端设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、u盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。

以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。