全向IRST系统的图像处理与信息融合技术研究
  • 【DOI】

    10.7666/d.D364395

  • 【摘要】

    红外搜索与跟踪(Infra-Red Search and Tracking,IRST)系统是一种被动式的红外探测系统,具有隐蔽性好、角分辨率高、抗电磁干扰能力强等优点,已成为现代战争防御体系中的关键装备之一。特别是随着光电对抗技术的迅速发展及广泛使用,导弹、飞机等飞行速度不断提高、导弹作战方式的多样化(如一箭多头、真伪弹齐发、多方位群发等)以及实际作战环境的复杂性,都要求IRST系统必须同时兼具响... 展开>>红外搜索与跟踪(Infra-Red Search and Tracking,IRST)系统是一种被动式的红外探测系统,具有隐蔽性好、角分辨率高、抗电磁干扰能力强等优点,已成为现代战争防御体系中的关键装备之一。特别是随着光电对抗技术的迅速发展及广泛使用,导弹、飞机等飞行速度不断提高、导弹作战方式的多样化(如一箭多头、真伪弹齐发、多方位群发等)以及实际作战环境的复杂性,都要求IRST系统必须同时兼具响应快、视场大(全向视场)和空间分辨率高(又称高精度)等性能。作者所在项目组提出的空间多路IRFPA凝视成像全向IRST系统方案,能较好地满足上述性能要求,本文重点研究系统的图像与信息处理算法及其硬件实现技术。
    论文在分析空间多路 IRFPA凝视成像全向 IRST系统结构和工作原理的基础上,对系统信息处理中涉及的关键技术,如红外图像预处理、弱小目标的检测与跟踪、信息融合(包括图像拼接和目标航迹融合)等问题进行了较深入的研究,提出了适用全向IRST系统性能要求的图像与信息处理算法,理论分析与仿真实验结果均验证了提出算法的合理性和有效性。最后,还设计并研制完成了实时实现上述算法的软硬件平台。论文的主要研究工作如下:
    1. 分析了IRFPA非均匀性产生的机理和常用非均匀性校正算法的不足,研究了基于多分辨分析小波变换的非均匀性校正算法,该算法实现了非均匀性的增益和偏置参数自适应的校正。实验结果验证了算法的有效性,使图像的质量有着明显的改善。
    2. 针对全向IRST系统工作环境中可能遇到的复杂云层背景和人为干扰,研究了基于全相位非下采样轮廓波变换(APNSCT)的背景抑制算法。为了增强算法的适应性,提出了两种较高性能的改进算法:基于双边滤波的APNSCT背景抑制算法和基于全变差模型的APNSCT背景抑制算法。实验结果显示,两种算法都能够有效抑制多种复杂背景,提高了图像信噪比,并且结构简单,实时性好。
    3. 采用自适应阈值分割算法和帧间相关序列图像检测算法,实现了弱小目标的精确检测,并利用检测概率、虚警概率和ROC曲线对目标检测算法性能进行了评价。为了实现对不同运动状态目标的可靠跟踪,提出了基于交互式多模型的卡尔曼-高斯粒子滤波(IMMK-GPF)的机动目标跟踪算法,该算法具有跟踪精度高、适应性强和实时性好等特点,具有良好的工程实用价值。
    4. 研究了全向IRST系统中的信息融合技术,包括目标航迹融合与图像拼接。采用分布式航迹融合结构方案,研究了分布式航迹关联算法与航迹融合算法,通过理论分析与仿真,算法可满足系统的性能指标要求。另外,还研究了多路小视场图像生成全向视场图像的拼接算法,实现了红外图像的准确、快速拼接。
    5. 为了实时实现全向IRST系统的图像与信息处理算法,设计并研制完成了一套基于FPGA与DSP的高速并行处理的硬件平台,给出了基于DSP/BIOS实时操作系统的 RF5 软件设计框架结构。硬件平台不仅功能和实时性均满足全向 IRST系统的要求,而且还具有稳定性好、易于扩展和便于维护等优点。
    总之,通过研究,文中提出的全向IRST系统的图像与信息处理算法以及实时实现算法的软硬件平台,都满足研究项目的性能指标要求,从而为研制高性能的全向IRST系统探索出了一条有效的技术途径,也为全向IRST系统的工程化实现奠定了一定的基础。 收起<<

  • 【作者】

    高国旺 

  • 【学科专业】

    物理电子学

  • 【授予学位】

    博士

  • 【授予单位】

    西安电子科技大学

  • 【导师姓名】

    刘上乾

  • 【学位年度】

    2013

  • 【语种】

    chi

  • 【关键词】

    红外搜索与跟踪  图像预处理  目标检测与跟踪  航迹融合  图像拼接