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基于改进快速区域卷积神经网络的视频sar运动目标检测算法研究

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电子与信息学报 2021年第3期43卷 615-622页

作者：闫贺黄佳李睿安王旭东张劲东朱岱寅南京航空航天大学电子信息工程学院南京210000

针对传统视频sar(Visar)运动目标检测方法存在的帧间配准难度大、快速运动目标阴影特征不明显、虚警概率高等问题,该文提出一种基于改进快速区域卷积神经网络(Faster R-CNN)的视频sar运动目标检测方法。该方法结合Faster R-CNN深度学习... 详细信息

针对传统视频sar(Visar)运动目标检测方法存在的帧间配准难度大、快速运动目标阴影特征不明显、虚警概率高等问题,该文提出一种基于改进快速区域卷积神经网络(Faster R-CNN)的视频sar运动目标检测方法。该方法结合Faster R-CNN深度学习算法,利用K-means聚类方法对anchor box的长宽及长宽比进行预处理,并采用特征金字塔网络(FPN)架构对视频sar运动目标的“亮线”特征进行检测。与传统方法相比,该方法具有实现简单、检测概率高、虚警概率低等优势。最后,通过课题组研制的Mini-sar系统获取的实测视频sar数据验证了新方法的有效性。

关键词：视频sar 运动目标检测快速区域卷积神经网络特征金字塔网络 K-means

一种稳健的视频sar动目标阴影检测与跟踪处理方法

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电子与信息学报 2022年第11期44卷 3882-3890页

作者：何志华陈兴于春锐栗子涵余安喜董臻国防科技大学电子科学学院长沙410073 北京跟踪与通信技术研究所北京100094

视频合成孔径雷达(Videosar)可获取观测场景高帧率图像序列,利用车辆等地面运动目标在图像序列中形成的阴影能够实现动目标状态感知,该方法具有定位精度高、检测概率高、无最小可检测速度限制等优点。针对视频sar动目标阴影变化剧烈、... 详细信息

视频合成孔径雷达(Videosar)可获取观测场景高帧率图像序列,利用车辆等地面运动目标在图像序列中形成的阴影能够实现动目标状态感知,该方法具有定位精度高、检测概率高、无最小可检测速度限制等优点。针对视频sar动目标阴影变化剧烈、信杂噪比低、多普勒模糊干扰等特有的图像特征,该文充分利用帧图像空间域和时间域信息,研究了视频sar数据预处理、动目标阴影检测和视频sar多目标跟踪方法。实测数据全流程处理结果验证了该文方法的有效性。

关键词：视频sar 动目标阴影相干斑抑制阴影检测多目标跟踪

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星载视频sar模式设计与数据处理

信号处理 2024年第1期40卷 207-215页

作者：孙晗伟肖枫景茂强何德华张过祖家国于松柏张庆君肖汉北京无线电测量研究所北京100854 武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室湖北武汉430079 中国空间技术研究院遥感卫星总体部北京100094

视频sar可实现对重点区域持续观测并以视频方式呈现出来,其高帧率成像特性有利于对地面/海面机动目标的实时探测,视频sar及其相关技术作为一种新颖的sar观测模式成为近年的研究热点。从合成孔径原理出发,sar载频越高,方位调频率绝对值越... 详细信息

视频sar可实现对重点区域持续观测并以视频方式呈现出来,其高帧率成像特性有利于对地面/海面机动目标的实时探测,视频sar及其相关技术作为一种新颖的sar观测模式成为近年的研究热点。从合成孔径原理出发,sar载频越高,方位调频率绝对值越大,实现相同分辨率的合成孔径时间越短,越有利于视频的生成,因此通过合理的系统设计,Ka频段星载sar具备视频工作的能力。然而星载sar作用距离远,实现视频观测的几何模型、波位设计方案与机载sar存在较大差异;此外,星载视频sar幅宽较大,数据量和处理计算量需求巨大,如何快速实现数据处理是保证图像获取及后续应用时效性必须考虑的问题。本文基于珞珈二号(Luojia-2)sar载荷和实测数据开展了相关研究,首先基于珞珈二号sar卫星轨道以及平台能力设计了可实际应用的视频模式波位,其次基于时域成像算法提出了一种适合于星载视频sar快速成像的流水线处理流程,最后基于珞珈二号实测数据完成了视频sar成像处理。实测数据处理结果表明所提成像处理流程方法适合于星载视频sar处理快速成像,可高效完成珞珈二号视频sar实测数据处理。

关键词：视频sar 星载sar 珞珈二号

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视频sar成像及动目标检测技术研究

视频SAR成像及动目标检测技术研究

作者：刘晨巍南京航空航天大学

学位级别：硕士

合成孔径雷达(Synthetic aperture radar,sar)是一种可对静止目标场景实现高分辨成像的主动探测系统,视频sar是在常规sar基础上发展出的一种新型sar成像模式,能通过对目标区域的持续观测,获得一系列高分辨率、高帧率的sar图像序列,形成... 详细信息

合成孔径雷达(Synthetic aperture radar,sar)是一种可对静止目标场景实现高分辨成像的主动探测系统,视频sar是在常规sar基础上发展出的一种新型sar成像模式,能通过对目标区域的持续观测,获得一系列高分辨率、高帧率的sar图像序列,形成类似视频的高清影像以再现场景的动态信息,在对地面机动目标的检测、识别、跟踪上显示出巨大的应用潜力。视频sar系统的理想状态是在载机平台上完成雷达回波的高帧率、高分辨率处理,同时支持动目标检测功能,以获取观测区域的实时动态信息。目前视频sar方面公开的研究资料多着重于成像算法,鲜有对视频sar实时成像处理实现方案的详细讨论,并且仍然缺乏高效的动目标自动检测技术研究。因此,在视频sar领域中有两大亟待解决的关键问题:一是研制出高效的实时成像软硬件系统,以获取连续高清的sar图像序列,实时观测动态场景;二是探索高效的动目标检测方法,从连续输出的视频图像序列中检测并定位动目标,这是战场侦察、高精度制导中实现目标高实时性定位、打击指引的基础。针对以上问题,本文主要研究内容如下:1、视频sar成像方案构建及验证:对视频sar回波信号建模,在此几何模型基础上推导视频sar成像参数,分析其基本成像原理,并构建了一套系统成像方案,包括改进的极坐标格式算法、相位梯度自聚焦算法和几何失真校正算法,模拟点目标回波和实测数据的计算机地面处理结果验证了本文成像方案的可行性。2、基于FPGA的视频sar高分辨率地面回放系统设计:搭建了一套视频sar地面回放成像系统,包含完整的数据传输、成像、自聚焦、几何失真校正处理以及显示界面,通过对载机飞行过程中采集至闪存(FLASH)中的实测原始数据进行逐帧提取,在地面完成高分辨率、高帧率的视频sar回放成像。经实测数据验证可以在1s内完成一帧16K×2K原始数据处理,并输出4K×2K图像,证明了其未来应用于机载视频sar实时处理系统的潜力。3、基于深度学习的视频sar动目标检测技术:基于动目标散焦所形成的轨迹,提出一种结合K-means和鲁棒主成分分析(Robust principal component analysis,RPCA)算法的深度学习视频sar动目标检测方法。实验结果显示,该方法通过K-means聚类对区域提议参考框(Anchor)进行优化,并加入RPCA算法分离出前景图像训练,显著改善了动目标漏警、虚警以及检测轨迹定位不准确的问题,可以实现高精度的视频sar动目标检测。本文对视频sar实时成像进行了深入研究,并对动目标检测提出了创新性方法,具有广阔的应用前景,为未来视频sar成像和动目标检测的工程化实现提供了有价值的参考。

关键词：视频sar FPGA 极坐标格式算法自聚焦算法动目标检测深度学习

视频sar迭代后向投影成像算法及其DSP实现技术研究

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视频SAR迭代后向投影成像算法及其DSP实现技术研究

作者：边颖超西安电子科技大学

学位级别：硕士

视频合成孔径雷达(Video Synthetic Aperture Radar,Visar)具有高帧率、全天候实时动态监测的优势,可广泛应用于军事和民用领域。该系统目前采用的成像处理算法主要有两类:极坐标格式算法(Polar Format Algorithm,PFA算法)和后向投影算... 详细信息

视频合成孔径雷达(Video Synthetic Aperture Radar,Visar)具有高帧率、全天候实时动态监测的优势,可广泛应用于军事和民用领域。该系统目前采用的成像处理算法主要有两类:极坐标格式算法(Polar Format Algorithm,PFA算法)和后向投影算法(Backprojection Algorithm,BP算法)。其中,BP算法具有序贯处理的优势,使其成为处理视频sar数据的主流成像算法,但是该算法存在运算量大、对存储空间要求高的问题。针对以上问题,BP算法衍生出迭代后向投影算法(Recursive Backprojection Algorithm,迭代BP算法)不仅可以最大限度地节省重叠孔径处理所需的存储资源,而且在大孔径重叠率下能大幅提高运算效率。然而,在大场景下迭代BP算法的反向投影操作对硬件的浮点处理能力以及存储能力提出了很高要求。为了满足视频sar系统实时性、低功耗、低成本和轻量化的需求,系统的成像处理模块嵌入式设计变得尤为重要。相较于其他微处理器,数字信号处理器(Digital Signal Processor,DSP)具有每秒百亿级浮点操作能力、大容量数据存取能力和丰富的外部接口通信能力的优势,特别适合作为视频sar成像处理模块的嵌入式硬件平台。工程中,如何将迭代BP算法与DSP硬件平台有效结合,输出高分辨实时动态帧图像是亟待解决的问题。本文主要研究视频sar成像处理算法及其在DSP硬件平台上的实现技术。完成的主要工作概括如下:1)对视频sar成像处理的几个代表性算法进行了细致的分析、仿真和比较。具体地说,探讨了PFA算法、BP算法和迭代BP算法的原理,并对它们在不同参数背景下进行了仿真。根据仿真结果,对这三种成像算法进行了优劣对比。最终选定迭代BP算法在DSP硬件平台上进行进一步技术验证与分析。2)对DSP硬件平台进行了详细的探讨。从芯片选型、TMS320C6678芯片处理器架构、SYS/BIOS的编程方式以及多核并行模式等角度分析讨论了DSP在视频sar成像领域的适用性和高效性。3)设计并优化了基于TMS320C6678的迭代BP算法并行架构。对迭代BP算法在DSP上的实现流程及优化过程进行了详细探究。论述了在算法实现过程中SYS/BIOS架构配置,架构设计和Cache一致性三个方面起到的重要作用,并讨论了for循环、编译指示和关键字、内建函数、优化级别四个方面对算法优化结果的影响。4)对迭代后向投影算法在DSP硬件平台上的实现进行了实验验证。本文利用Gotcha数据集,对Gotcha成像结果中的角反和各类目标特性进行详细分析,等效验证了迭代后向投影算法在DSP硬件平台上的可行性。本文成功地将迭代后向投影成像算法与DSP硬件平台相结合。在单片8核DSP平台上得到了三阶迭代下,尺寸为512×512、成像分辨率为0.3 m的帧图像,为视频sar实时成像处理提供了理论基础与实现思路。

关键词：合成孔径雷达视频sar 成像算法后向投影算法迭代BP算法数字信号处理器 DSP应用

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视频sar运动目标状态感知技术研究

视频SAR运动目标状态感知技术研究

作者：栗子涵国防科技大学

学位级别：硕士

视频sar(Video Synthetic Aperture Radar,Vi sar)技术通过对场景的高帧率、高分辨率成像,将“时间”这一全新维度引入sar数据处理,实现对地面状态的动态监视和实时侦察。基于阴影的视频sar运动目标状态感知技术是当前sar领域的研究热... 详细信息

视频sar(Video Synthetic Aperture Radar,Vi sar)技术通过对场景的高帧率、高分辨率成像,将“时间”这一全新维度引入sar数据处理,实现对地面状态的动态监视和实时侦察。基于阴影的视频sar运动目标状态感知技术是当前sar领域的研究热点之一。该技术以光学视频目标检测跟踪的相关算法理论为基础,再结合视频sar的技术特点进行针对性修正来实现。通过对视频sar图像序列中动目标形成的阴影进行检测跟踪,该技术能够有效弥补传统GMTI(Ground Moving Target Identification)技术系统实现复杂、方位向定位精度较低等不足,具有定位精度优、检测概率高、最小可检测速度低等优势。本文主要对视频sar中运动目标的位置、速度等状态信息进行感知。然而与光学视频运动目标特征相比,sar图像阴影呈现出较剧烈的不稳定性,同地物散射特性、相干斑噪声、独立帧率、几何分辨率、目标尺寸及目标运动速度等众多因素都密切相关,极易引起阴影区域信杂噪比损失,使得阴影检测难以实现。简而言之,视频sar特有的成像机理和图像特征增大了运动目标检测与跟踪的难度,存在虚警率高、点迹可靠性差、速度估计误差大等问题。基于上述问题,本文对视频sar图像序列预处理、运动目标阴影检测、视频sar运动目标跟踪及光学与视频sar异质传感器航迹融合等技术进行了深入探讨,建立起一套较为完备的视频sar运动目标状态感知技术实现流程,希望能为提升我军的战场态势感知能力略尽绵薄之力。论文的主要内容及贡献概括如下:1.研究了视频sar图像序列预处理技术。首先从视频sar系统成像原理出发,分析了视频sar图像序列预处理的必要性和所需步骤,即配准和去噪;在配准方面,阐述了SURF算法的处理流程及其在视频sar配准中的应用难题,引入帧间积累的思想并与SURF相结合,提出基于帧间积累的视频sar图像序列配准算法;在去噪方面,引入并介绍了V-BM3D算法,分析其性能骤降等固有缺陷,结合视频sar的系统特征提出结合时序信息的V-BM3D视频去噪算法;最后利用仿真和实测数据对本文所提视频sar预处理的相关性能进行验证。2.研究了视频sar运动目标阴影检测技术。在视频sar图像序列预处理的基础上,首先分析了视频sar中动目标阴影的形成机理,对阴影面积、灰度等特性进行了数学推导;然后提出了背景差分与对称差分相结合的动目标提取算法,较为准确地分离了视频中的运动目标和静止背景;接着针对视频sar中虚警数量多、边缘区域虚警分布集中的特点,设计了基于梯度加权边缘信息辅助的虚警抑制算法,有效抑制了边缘区域的大量虚警,且最大限度地降低了对检测性能的影响;最后,通过视频sar实测数据对上述算法的有效性进行测试。3.研究了视频sar运动目标跟踪及多源视频数据航迹融合技术。首先介绍了多传感器量测数据的预处理技术,作为航迹融合的基础步骤;然后引入卡尔曼滤波,对算法原理进行了说明,并将其应用于视频sar运动目标跟踪技术上;最后,对光学与视频sar的多源数据航迹融合问题进行了探究,结合同场景下光学视频的动目标检测结果,开展了多源异质传感器航迹融合问题的相关研究,并通过仿真数据和实测数据对上述算法进行了验证。本文的研究涵盖了视频sar运动目标状态感知技术的全部流程,并对光学与视频sar异质传感器航迹融合这一问题进行了初步探究,有力促进了这些前沿技术的推广应用,预期能够为我国未来天基视频sar系统的研制和应用提供了一定的技术支持。

关键词：视频sar 预处理阴影检测边缘信息辅助航迹融合

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视频sar信号产生与采集处理组件设计

视频SAR信号产生与采集处理组件设计

作者：郑南南西安电子科技大学

学位级别：硕士

视频合成孔径雷达(Video Synthetic Aperture Radar,Visar)是一种由合成孔径雷达发展而来的新型成像雷达,它除了具备合成孔径雷达的远距离高分辨成像优点之外,还能够以动态视频的形式对观测区域进行不间断的实时监测,从而实现场景内运... 详细信息

视频合成孔径雷达(Video Synthetic Aperture Radar,Visar)是一种由合成孔径雷达发展而来的新型成像雷达,它除了具备合成孔径雷达的远距离高分辨成像优点之外,还能够以动态视频的形式对观测区域进行不间断的实时监测,从而实现场景内运动目标的识别与跟踪,因此视频sar成像已经成为当前雷达成像领域的研究热点之一。视频sar具有高帧率、高分辨率、低延迟成像的特点,这对视频sar数字处理系统提出了较高的要求。传统的视频sar系统通常采用DSP+FPGA架构,这种方案造成视频sar系统的体积巨大且功耗较高,难以满足当前视频sar机载平台的需求。本文针对视频sar的项目需求与雷达信号数字化产生与处理的发展趋势,重点研究了视频sar信号的数字化产生与高速雷达信号的采集处理技术,结合并行DDS技术与FPGA器件可重构技术设计了一种高集成度,低功耗的视频sar信号产生与采集处理组件。这种视频sar信号产生与采集处理组件不仅能够实现视频sar信号产生、信号采集、数据预处理等功能,还能够完成视频sar系统外围组件的控制与数据通讯等工作。本文的主要工作如下:1、研究了视频sar系统的相关技术理论。通过推导合成孔径雷达的方位向与距离向分辨率,说明了合成孔径雷达的高分辨成像原理;分析了线性调频信号的时频特性与产生方式,说明了线性调频信号的优势与特性;研究了DDS技术的相关理论,提出了并行DDS信号产生技术;针对视频sar接收信号的数据吞吐率大,运算量等问题,介绍了两种方法实现的数字下变频技术,并针对FPGA实现进行了特别优化。2、完成了视频sar信号产生与采集处理组件的硬件总体设计。通过分析视频sar的技术指标要求,给出了视频sar信号产生与采集处理组件的硬件总体方案。该硬件方案使用单芯片FPGA作为主控制器,通过高速ADC芯片、高速DAC芯片等各种芯片的相互配合实现了视频sar信号产生、中频信号采集等功能。该硬件方案根据技术指标要求,详细介绍了视频sar信号产生与采集处理组件的核心模块的器件选型、硬件电路设计。同时依据电磁兼容原则,介绍了印制电路板的布局,在满足功能的前提下利用合理的布局和布线来提高系统性能。3、完成了视频sar信号产生与采集处理组件的逻辑软件方案设计与FPGA实现。针对指标要求设计了视频sar信号产生模块、中频信号采集处理模块、系统控制器模块。视频sar信号产生模块基于并行DDS数字信号合成技术,实现了L波段的信号输出,带宽可达600MHz,具有良好的调频线性度。中频信号采集处理模块实现了对中频信号的高速采集接收,采样速率达到了500MSPS,并通过优化数字下变频技术降低了接收信号的数据率,减轻了处理器的运算压力。基于SOPC技术,系统控制器实现了视频sar各模块的控制与各外围组件的数据通讯。

关键词：视频sar FPGA 并行DDS 高速DAC SOPC

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视频sar的运动目标检测与跟踪技术研究

视频SAR的运动目标检测与跟踪技术研究

作者：吴晓桐西安电子科技大学

学位级别：硕士

运动目标检测与跟踪技术是合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar,sar）领域的重要研究课题之一。常规的地面动目标检测（Ground Moving Target Indication,GMTI）方法主要利用运动目标回波特性进行运动目标检测,其中双通道GMTI系统... 详细信息

运动目标检测与跟踪技术是合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar,sar）领域的重要研究课题之一。常规的地面动目标检测（Ground Moving Target Indication,GMTI）方法主要利用运动目标回波特性进行运动目标检测,其中双通道GMTI系统以其良好的杂波抑制性能获得了广泛的应用。但是通道失配以及地形高程等问题会使检测性能下降,同时不可避免的“盲速”效应也约束了双通道sar检测方法的性能。2003年美国Sandia实验室提出的视频sar成像模式为动目标检测提供了新的思路。在视频sar成像结果中,运动目标在真实位置留下的阴影连续直观地反映了目标的运动状态,因而可以通过阴影检测实现运动目标的检测。但是运动目标阴影的形成受多种因素制约,阴影检测算法具有一定的速度局限性。目标跟踪技术能够获得运动目标的运动轨迹,并实现对目标运动参数的估计和预测。由于应用场景多样性的增加以及目标不确定性的加剧,如何实现对机动目标的准确跟踪是这一技术的主要问题和难点。针对上述所提到的问题,本文在视频sar的运动目标检测和跟踪方面进行的研究工作和取得的进展概括如下:1、研究了对低速运动目标的阴影检测方法,并对运动目标阴影的形成条件以及影响因素进行分析。以美国Sandia实验室发布的对Kirtland空军基地某区域的Video sar成像结果为例,在未知目标尺寸、起始位置等信息的前提下,利用阴影检测方法,通过图像配准、降噪、背景提取、阈值分割等步骤成功的提取出了运动目标阴影。2、针对背景提取不准确导致的漏检和静止高程目标的阴影增加虚警等问题,利用静止目标成像结果与阴影伴随出现的特性,提出一种帧间信息联合处理的改进方法,利用Sandia实验室的数据验证了改进后的阴影检测方法能够降低漏警率。3、研究了多目标跟踪方法,对典型算法的性能进行分析。根据场景中目标存在机动以及航迹密集的特性,选择合适的算法组合对阴影检测结果进行目标跟踪,得到了多个机动目标准确的目标航迹,并且仿真结果显示,使用改进后阴影检测方法的检测结果能够得到更长时间的准确跟踪。4、针对多通道GMTI方法对通道失配敏感以及干涉相位会受杂波污染的问题,给出一种三通道GMTI算法。此算法将DPCA和ATI结合起来,在提高检测性能的同时,能够减小干涉相位中的干扰成分,从而得到准确的目标定位结果。5、设计了视频sar仿真实验。采用三通道DPCA/ATI方法成功地从仿真的复杂场景中检测出了运动目标,并获得准确的定位结果。同时,利用阴影检测方法成功地检测出因盲速效应造成漏检的低速目标。最终的检测结果验证了在Video sar模式下,两种算法的性能存在一定程度的互补。

关键词：视频sar 阴影检测机动目标跟踪 GMTI 低速目标检测目标定位成像雷达

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视频sar运动补偿算法研究及成像软件实现

视频SAR运动补偿算法研究及成像软件实现

作者：涂标电子科技大学

学位级别：硕士

视频合成孔径雷达（简称:视频sar）是近年来快速发展的新sar成像体制,可通过对场景中机动目标的持续监测,将观测区域的动态信息以连续图像的数据形式呈现出来,其高帧率、高分辨的成像能力实现了对场景中目标的实时成像。视频sar成像中... 详细信息

视频合成孔径雷达（简称:视频sar）是近年来快速发展的新sar成像体制,可通过对场景中机动目标的持续监测,将观测区域的动态信息以连续图像的数据形式呈现出来,其高帧率、高分辨的成像能力实现了对场景中目标的实时成像。视频sar成像中关键技术有高帧率、高精度成像算法与运动补偿算法等,本文对视频sar成像过程中相关技术原理进行深入探究,论文的研究内容及主要创新点可分为以下三个方面:1.鉴于视频sar具备高分辨、高帧率的成像能力,对比常规sar,阐述了视频sar高分辨、高帧率成像的基本原理,介绍了视频sar圆周聚束的成像模式。比较了多种sar成像算法,分析运动误差来源,阐述了相位梯度自聚焦算法的实现原理。最后,给出不同成像算法与自聚焦补偿后的成像结果。2.基于圆迹聚束模式,建立视频sar运动误差模型。在真实成像过程中,雷达平台往往偏离理想运动轨迹,导致回波相位受到运动误差的影响。针对视频sar成像过程中存在的运动误差问题,结合运动传感器误差数据,推导相位误差形式,提出三维空间相位解耦的误差补偿方案,通过将真实轨迹下APC点投影到地平面,利用去调频处理与重采样方法去除高度项,进而完成对高度误差的补偿,进一步简化相位误差至一维空变形式。同时,在简化后的二次相位误差基础上,提出基于子区域划分的自聚焦方法。通过对相邻相位校正向量之间进行线性插值,完成对子成像区域的空变误差补偿,进而实现对整个成像区域的误差补偿,保证成像图像的质量。3.针对不同成像场景与成像需求,设计了一款与视频sar系统配套的成像软件。结合不同功能需求,给出成像软件结构化设计方案,并分模块进行具体实现。成像软件在微软Visual Studio软件开发工具下利用C#语言编程实现各模块功能,进而完成与雷达的交互,设置相关参数,控制雷达发射与接收回波信号;建立高效通信连接,进行数据传输与解析存储;根据不同成像任务,灵活选择成像模式与对应成像算法;软件用户界面实时显示成像结果与一维距离像。最后,给出相关仿真实验结果,验证了算法的有效性,并进行了三种模式下的雷达系统整机联调测试,完成了不同场景下的成像实验,通过软件成像结果与MATLAB下实测数据成像结果,验证了成像软件能实时准确地工作。

关键词：视频sar 高帧率成像运动补偿算法成像软件