基于脑认知机制的快速显著性增强算法显著提升SAR图像目标检测

SAR图像由SAR(合成孔径雷达)系统产生。SAR是分辨率较高的相干成像雷达系统，它是通过天线给物体发射能量，同时也通过SAR接收能量，全部的能量都通过电子设备记录下来，最后形成图像。

沈自所提出一种基于脑认知机制的快速显著性增强算法，该算法模拟大脑视觉通路处理机制，将复杂的背景信息进行过滤，转化成单一背景，进而突出目标。该算法成功应用于复杂背景下高分辨率SAR图像目标检测。

视觉通路是视觉生理基础。传递视觉信息的神经途径。视觉信息在经过视网膜初步处理之后，聚汇在第三级视觉神经元——视神经节细胞，后者发出的轴突在视网膜的视乳头聚合，形成视神经，通向中 枢。左右两侧视束中的神经纤维一半来自同侧视网膜颞方的不交叉纤维，一半来自对侧视网膜鼻侧的交叉纤维。

这些交叉纤维中的大部分，在到达外侧膝状体核之后，终止在这个核的第1、4、6层，而视束中大部分不交叉纤维则终止在第2、3、5层，更换神经元，后者再继续上行投射到大脑皮层17区。

视束中的另一小部分交叉和不交叉纤维，投射到中脑的上丘和顶盖前区，参与眼球运动的控制。由外侧膝状体发出，投射至大脑皮层的神经纤维主要终止在皮层17区的第4层。第4聃细胞只接受一侧眼的传人信息，而视皮层其他层次的细胞约有半数接受来自双眼的信息。皮层17区神经在接受来自外膝体核的投射后，再发出纤维投射到邻近的18区和19区皮层。视觉信息在这些区域被进一步整合，至此形成一个完整的视觉通路。

图像增强的方法是通过一定手段对原图像附加一些信息或变换数据，有选择地突出图像中感兴趣的特征或者抑制(掩盖)图像中某些不需要的特征，使图像与视觉响应特性相匹配。

在图像增强过程中，不分析图像降质的原因，处理后的图像不一定逼近原始图像。图像增强技术根据增强处理过程所在的空间不同，可分为基于空域的算法和基于频域的算法两大类。

图像增强是图像处理的重要组成部分，传统的图像增强方法对于改善图像质量发挥了极其重要的作用。随着对图像技术研究的不断深入和发展，新的图像增强方法不断出现。例如一些学者将模糊映射理论引入到图像增强算法中，提出了包括模糊松弛、模糊熵、模糊类等增强算法来解决增强算法中映射函数选择问题，并且随着交互式图像增强技术的应用，可以主观控制图像增强 效果。

同时利用直方图均衡技术的图像增强也有许多新的进展：例如提出了多层直方图结合亮度保持的均衡算法、动态分层直方图均衡算法。这些算法通过分割图像，然后在子层图像内做均衡处理，较好地解决了直方图均衡过程中的对比度过拉伸问题，并且可以控制子层灰度映射范围，增强 效果较好。

SAR图像与光学图像相比，分辨率相对较低、信噪比较低，所以SAR影像中所包含的振幅信息远达不到同光学影像的成像水平;但其特有的相位信息是其他传感器所无法获取的，基于相位的干涉建模也是SAR的主要应用方向。

光学影像通常采用中心投影面域成像或推帚式扫描获取数据;而SAR处于信号处理的需要(合成孔径过程，这里就不展开讨论了)不能采用垂直向下的照射方式而只能通过测视主动成像方式发射和接受面域雷达波，并通过信号处理(聚焦、压缩、滤波等)手段后期合成对应于地面目标的复数像元。

单一SAR影像的相位信息基本没有统计特征，只有振幅信息可用于目标识别和分类等应用。振幅信息深受噪声的影响，加之SAR影像特有的几何畸变(叠掩、透视收缩、多路径虚假目标等)特征。光学图像在信息量和统计上更易进行图像分割。

可见光图像通常会包含多个波段的灰度信息，以便于识别目标和分类提取。而SAR图像则只记录了一个波段的回波信息，以二进制复数形式记录下来;但基于每个像素的复数数据可变换提取相应的振幅和相位信息。振幅信息通常对应于地面目标对雷达波的后向散射强度，与目标介质、含水量以及粗糙程度密切相关;该信息与可见光成像获得的灰度信息有较大的相关性。而相位信息则对应于传感器平台与地面目标的往返传播距离，这与GPS相位测距的原理相同。

合成孔径雷达依次发送电磁波，雷达天线收集，数字化，存储反射回波，供以后处理。随着发送和接收发生在不同的时间，它们映射到不同的位置。接收信号的良好有序的组合构建了比物理天线长度长得多的虚拟光圈。这就是为什么它被称为“合成孔径”，赋予它作为成像雷达的属性。范围方向与飞行轨迹平行，垂直于方位方向，也称为沿轨道方向是因为它与天线的视场内物体的位置一致。

为了产生SAR图像，发送连续的无线电脉冲以“照亮”目标场景，并且接收并记录每个脉冲的回波。脉冲被发送，并且使用单个波束形成天线接收回波，波长为几米至几毫米。合成孔径雷达可以安装在飞机或航天器上，相对于目标的天线位置随时间而变化。连续记录的雷达回波的信号处理允许从这些多个天线位置组合记录。该过程形成合成天线孔径并且允许创建比给定物理天线否则可能的更高分辨率图像。

3D处理分两步完成：方位角和方向方向被聚焦，用于生成2D(方位范围)高分辨率图像，之后使用数字高程模型(DEM)来测量复杂图像之间的相位差，其由不同的视角确定以恢复高度信息。该高度信息以及由2-D SAR聚焦提供的方位角范围坐标给出了第三维度，即高程方向。第一步只需要标准处理算法，对于第二步，使用附加的预处理阶段，例如图像共同配准和相位校准。

合成孔径雷达最初主要是机载、星载平台，随着技术的发展，出现了弹载、地基SAR、无人机SAR、临近空间平台SAR、手持式设备等多种形式平台搭载的合成孔径雷达，广泛用于军事、民用领域。SAR的未来可能朝着一下几个方向发展：多频，多极化，可变视角，可变波束;超高分辨率，多模式;干涉合成孔径雷达(InSAR)技术、极化干涉合成孔径雷达(Pol-InSAR)技术;动目标检测与动目标成像技术;小卫星雷达技术;SAR校准技术。

新闻来源：沈阳自动化研究所

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