一种卫星侦察图像增强方法与流程

本发明属于信号处理技术领域，特别涉及一种图像增强方法。

背景技术：

卫星侦察具有侦察面积大、范围广、速度快、效果好、不受国界和地理条件限制等优点，目前已经成为各国军事情报和作战指挥系统的重要组成部分。海湾战争期间，美国及多国部队依托庞大的卫星监视网，及时掌握伊军军事调动、部署变化和对伊空袭战果情况，向多国部队提供准确可靠的情报。

侦察卫星对目标实施侦察、监视和跟踪后，需要将侦察图像通过无线电传输方式发送至地面站进行加工处理，从中提取有价值的情报。侦察图像在星地传输过程中受到宇宙噪声、大气噪声、人为噪声等强噪声污染时，地面站无法通过接收到的微弱图像信号有效辨识侦察目标特征。因此，在地面站需要对被噪声污染严重的低峰值信噪比图像信号进行增强处理，以通过增强后的侦察图像获取侦察目标的特征信息。

传统的图像增强方法主要有空间域方法和频域方法两大类。空间域方法是对图像中的各个像素点进行操作，典型的方法有中值滤波法和维纳滤波法等；频域方法是指在图像的某个变换域内修改变换域内图像的系数，再进行反变换后得到增强的数字图像。相比于频域图像增强方法，目前空间域图像增强方法的应用更为普遍。然而，目前空间域图像增强方法在图像峰值信噪比较高的条件下有较好的增强效果，在低峰值信噪比条件下，图像信号完全淹没在背景噪声中，经过空间域图像增强方法增强后图像峰值信噪比依然很低，无法通过增强后的图像有效获取侦察目标的特征信息。

随机共振是指利用输入信号、噪声和非线性系统之间的产生的协作效应，实现无序的噪声能量向有序的信号能量进行转移，产生利用噪声增强信号的非线性现象，在低信噪比下的信号增强处理中具有独特的优势。然而，目前应用最为广泛的双稳态随机共振系统仅适合应用于一维信号的增强处理，无法直接应用于二维卫星侦察图像信号的增强处理中。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于双稳态随机共振的低峰值信噪比卫星侦察图像增强方法，能够有效改善低峰值信噪比下的卫星侦察图像增强性能，使得强背景噪声下的卫星侦察目标特征信息获取能力得到有效提升。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

a)将卫星侦察图像转换为灰度图像，获取灰度图像的阈值，并根据阈值将灰度图像二值化处理为黑白图像；

b)将黑白图像的灰度值s(i,j)映射为双极性的图像像素信息序列sk，灰度值0映射为-1，灰度值255映射为1；

c)对映射后的黑白图像像素点按列或行的方向进行扫描，每个图像像素点的扫描周期固定且时间为ts，将黑白图像的像素值变换为一维的双极性振幅调制信号s(t)；

d)初始化双稳态系统参数a＝1,b＝1，将s(t)作为双稳态随机共振系统输入信号，噪声w(t)为双稳态系统输入的加性高斯白噪声，构建归一化条件下的双稳态随机共振模型；

e)以归一化条件下的双稳态随机共振模型作为基准参考模型，根据双稳态系统、输入信号和噪声之间要达到随机共振状态需要满足的匹配关系，调节双稳态系统参数a,b，对卫星侦察图像信号进行双稳态随机共振处理；

f)对双稳态系统输出信号x(t)是否达到共振状态进行判定，若是则执行步骤g)，若否则返回步骤e)；

g)对双稳态系统输出的共振信号x(t)进行抽样，得到增强图像的抽样判决序列xk；

h)将xk按步骤c)中的扫描规则逆向扫描，得到经过双稳态随机共振系统增强后的二值图像x(i,j)；

i)当卫星侦察图像信号和图像背景噪声特性发生变化时，返回执行步骤e)～h)。

本发明的有益效果是：将非线性随机共振系统引入卫星侦察图像增强处理中，首先通过将二维卫星侦察图像进行二值化、像素值映射和周期扫描处理后，转化成适合于双稳态系统处理的一维双极性pam信号；其次利用输入信号、噪声和非线性随机共振系统之间产生的协作效应，实现利用噪声增强信号的目的；最后将双稳态系统输出的共振信号进行逆向扫描、像素映射后恢复为增强的二值卫星侦察图像，从而有效改善低峰值信噪比下的卫星侦察图像增强性能，使得强背景噪声下的卫星侦察目标特征信息获取能力得到有效提升。

附图说明

图1是基于双稳态系统的侦察图像处理结构图。

图2是本发明的实现流程图。

图3是二值图像按列或者行的方向扫描示意图。

图4是中值滤波、维纳滤波和随机共振处理的卫星侦察图像增强效果对比示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本方法首先将二维的卫星侦察图像信号进行二值化处理、像素值映射和周期扫描处理后转换成一维的双极性振幅调制(pulseamplitudemodulation,pam)信号；其次，通过研究一维pam信号、噪声和双稳态系统三者之间的共振匹配关系，采用调节双稳态系统参数的方式，使得信号、双稳态系统和噪声三者间产生随机共振现象；最后，将双稳态系统输出的共振信号进行逆向扫描、像素映射后恢复为增强的二值卫星侦察图像，从而有效改善低峰值信噪比下的卫星侦察图像增强性能，使得强背景噪声下的卫星侦察目标特征信息获取能力得到有效提升。

本发明的实施例包括以下步骤：

a)根据图1基于双稳态系统的侦察图像处理结构和图2本发明的实现流程图，首先，利用matlab仿真软件中的rgb2gray函数将卫星侦察图像转换为灰度图像，通过graythresh函数获取灰度图像的阈值，并根据阈值利用im2bw函数将灰度图像二值化处理为黑白图像，该黑白图像包含侦察目标的轮廓等关键特征信息，得到的二值图像灰度值s(i,j)为0或255，其中灰度值为0代表黑色，灰度值为255代表白色。

b)将二值图像灰度值s(i,j)映射为双极性的图像像素信息序列sk，灰度值0映射为-1，灰度值255映射为1。

其中，m和n分别为图像按列和行方向的像素点数。图像像素信息序列sk为相互独立的随机变量，且有p(sk＝1)＝p1和p(sk＝-1)＝p1分别为白色像素点和黑色像素点出现的概率，且有p1+p2＝1。

c)图3为二值图像按列或者行的方向扫描示意图。对映射后的二值图像像素点按列或行的方向进行扫描，每一个图像像素点的扫描周期固定且时间为ts，将二值数字图像的像素值变换为一维双极性振幅调制(pulseamplitudemodulation,pam)信号s(t)。

其中，g(t)为幅值为1的门函数。

d)非线性双稳态系统是典型的随机共振系统，其实质是一个过阻尼布朗粒子在双稳态势阱中运动，同时伴有驱动力和噪声，描述双稳态系统的朗之万方程如下：

其中，a＞0,b＞0为双稳态系统参数，信号s(t)作为双稳态随机共振系统输入信号，噪声w(t)是均值为0方差为的加性高斯白噪声，即满足d为高斯白噪声的噪声强度，n(t)满足统计平均<n(t)＞＝0,＜n(t)n(t-τ)＞＝δ(τ)，即n(t)是均值为0方差为1的高斯白噪声。x(t)为双稳态系统输出信号。

初始化双稳态系统参数a＝1,b＝1，现有相关文献研究成果表明当输入噪声强度和信号码元间隔为d＝d0＝0.25,ts＝t0＝100s的条件下，信号、噪声和双稳态系统之间可以产生随机共振现象，得到归一化条件下的双稳态系统模型如下

e)以归一化条件下的双稳态随机共振模型作为基准参考模型，研究双稳态系统、输入信号和噪声之间要达到随机共振状态需要满足的匹配关系。对双稳态系统的朗之万方程进行变换τ＝at，可得

对比上式和归一化双稳态系统模型，可以得到双稳态系统参数表达式为

a＝t0/ts

根据双稳态系统参数表达式，结合输入pam信号码元间隔ts和噪声强度d特性，调节双稳态系统参数a,b，对卫星侦察图像信号进行双稳态随机共振处理。

f)对双稳态系统输出信号x(t)是否达到共振状态进行判定，若是继续执行步骤g)，若否，返回执行步骤e)。

g)对双稳态系统输出的共振信号x(t)进行抽样判决，得到增强图像的抽样判决序列xk。

h)将得到的判决序列xk按图3中的扫描规则逆向扫描，得到经过双稳态随机共振系统增强后的二值图像灰度值x(i,j)。从图4中值滤波、维纳滤波和双稳态随机共振处理的卫星侦察图像增强效果对比示意图可以看出，在低峰值信噪比(强背景噪声)条件下，经过中值滤波、维纳滤波增强后的卫星侦察图像模糊不清，无法对侦察的海上航母目标进行有效判定；而采用双稳态随机共振增强的方法，充分利用随机共振系统具有的利用噪声增强信号的独特特性，实现噪声能量向信号能量进行转移，将噪声从有害因素转变为增强信号的有利因素，比中值滤波和维纳滤波具有更好的图像增强效果，从双稳态随机共振增强后的图像可以对航母目标特征进行清晰的识别和有效的判定。

i)当卫星侦察图像信号和图像背景噪声特性发生变化时，返回执行步骤e)～h)。

以上所述，仅为本发明的一个实例实施方式，但本发明保护范围不局限于此，任何在本发明涉及的技术范围内进行的变化或替换，都属于本发明的保护范围。