星上实时动目标检测噪声去除方法及系统与流程

本发明涉及一种噪声去除方法，特别是涉及一种星上实时动目标检测噪声去除方法。

背景技术：

1、卫星遥感系统可以进行地表大范围运动目标检测及跟踪，尤其是光学成像卫星系统由于其低功耗、高分辨率等优势，在卫星遥感跟踪领域得到广泛的应用。

2、通过大面阵以及卫星姿态机动可以在低轨卫星实现对感兴趣区域的视频成像(连续多帧图像)。对于低轨视频成像，由于卫星相对运动、地球曲率、目标距离等影响，地面目标与背景均可能在视频图像中呈现相对运动，而所希望检测的目标为相对背景(地球固连坐标系)发生运动的目标。

3、传统的动目标检测方法有连续帧间差分、多帧轨迹关联等。文献1(黄宗福，一种天文光电图像序列弱小目标实时检测算法，《信号处理》，2010年第26卷第9期)针对地基大视场天文望远镜的目标检测跟踪需求，提出了一种多帧相关运算和多帧差分的目标快速检测方法。文献2(司马端，基于显著性与帧间差分的红外弱小目标检测，《航天电子对抗》，2015，第31卷第4期)针对负责背景下的弱小目标检测，提出了一种基于图像显著性和帧间差分结合的目标轨迹检测方法。文献3(阳芬，红外序列图像目标轨迹关联检测算法研究与硬件设计，国防科学技术大学研究生院，2008)针对红外序列图像，提出了一种基于线性最小二乘预测的点目标轨迹关联算法，在序列图像中实施目标轨迹关联。文献4(陈晓，基于距离加权的概率数据关联机动目标跟踪算法，《上海交通大学学报》，2018，第52卷第4期)利用距离加权的概率数据关联算法进行滤波，提高机动目标跟踪的实时性和准确性。文献5(林两魁，基于概率假设密度滤波的中段弹道目标群红外多传感器组跟踪方法，《光学学报》，2011，第31卷第2期)运动不敏卡尔曼滤波方式对目标在像平面的质心群组进行贯序滤波，可以有效剔除杂波并实现目标在像平面的稳定跟踪。

4、连续帧间差分需要首先对连续帧进行配准，较适合高轨卫星，对于低轨卫星跟踪目标姿态变化快、相对运动大的情况下，可能连续帧之间重叠区域小且连续帧之间的几何配准模型不准，导致引入较大的配准误差。多帧轨迹关联可以去除图像中的随机噪声，但是由于卫星成像过程中的相对运动，仍有一些特殊的虚警点，如地表不动点也能够在图像上形成轨迹，针对随机噪声的去除方法难以将其滤除。

5、本发明所要解决的技术问题是提供一种星上实时动目标检测噪声去除方法，降低虚警率，重点解决：(1)去除会在图像上形成轨迹的由地表不动点引入的噪声；(2)避免因图像短暂目标检测丢失而失去目标的实时位置，保证对真实目标位置的实时连续输出。

技术实现思路

1、本发明采用如下的技术方案：一种星上实时动目标检测噪声去除方法，包括以下步骤：

2、步骤s1实时按帧进行处理目标，并输入每帧初步检测结果，包含目标在视频图像中的位置(行，列)＝(row,col)、目标号；

3、步骤s2根据目标在视频图像中的位置，计算目标在地球固连坐标系地表投影点以及预估高程h高度的投影点

4、步骤s3将地表投影点以及预估高程h高度的投影点存入缓存，地球固连坐标系进行维护含真目标与噪声在内的对象；

5、步骤s4根据维护后的对象，实时输出真目标的定位信息。

6、优选的，步骤s2中，包括如下步骤：

7、步骤s2.1根据目标在视频图像中的位置(行，列)＝(row,col)，计算其在地球固连坐标系的单位视向量

8、步骤s2.2根据视向量地球固连坐标系下的卫星位置地球椭球模型参数，其中地球椭球模型参数包括半长轴a，半短轴b，计算地球固连坐标系地表投影点

9、步骤s2.3令迭代过程中预估高程h高度的投影点为其中初值为

10、步骤s2.4将投影点转换为大地测量坐标系的经度lon1、纬度lat1、高程h1，计算投影点处的外法向量

11、

12、步骤s2.5计算更新迭代过程中的投影点

13、

14、其中，< >表示向量内积运算，

15、步骤s2.6重复步骤s2.4～步骤s2.5直至|h1-h|<10-8m；

16、步骤s2.7当满足步骤s2.6时，预估高程h高度的投影点

17、优选的，步骤s3中，

18、步骤s3.1在地球固连坐标系维护含真目标与噪声在内的对象时，判断维护对象是否有相同目标号的初步检测结果，若每帧初步检测结果中包含与维护对象相同目标号时，则进入到步骤s3.2；若维护对象没有相同目标号初步检测结果时，则进入到步骤s3.4；

19、步骤s3.2将对应的地球固连坐标系地表投影点以及预估高程h高度的投影点存入同目标号对应缓存，结合当前帧目标及该时刻之前缓存中的信息进行目标属性判断后，进入到步骤s3.3；

20、步骤s3.3判断是否存在检测结果无目标号相同的维护对象，若存在，则将其对应的地球固连坐标系地表投影点以及预估高程h高度的投影点作为新目标第1帧存入缓存；若不存在，则直接输出真目标的定位信息；

21、步骤s3.4当地球固连坐标系中维护的含真目标与噪声的对象存在初步检测结果缺失时，判断递推帧数是否小于递推结束帧数nend，若递推帧数小于递推结束帧数nend时，在地球固连坐标系中根据目标属性进行其位置的递推；若递推帧数不小于递推结束帧数nend时，则将该对象从维护对象中移除；

22、步骤s3.5当含有新增目标时，则根据步骤s3.4递推结果与初步检测结果钟的新增目标进行距离比对，若距离小于阈值d则将该新增目标的目标号修改为递推目标的目标号，作为存在相同目标号的对象进行相同的维护，进入到步骤s3.2；若距离不小于阈值d，则进入到步骤s3.3。

23、优选的，步骤s3.2中，所述目标属性判断方法如下：

24、当一个对象曾经满足或当前帧满足条件1时，标记为噪声；否则，为真目标；

25、所述条件1为其中angle表示目标与卫星相对运动夹角，std表示含当前帧在内的缓存中所有地表投影点的标准差，为预估高程h高度的投影点的速度矢量估计值，∪表示逻辑或运算，∩表示逻辑与运算；相对运动夹角angle计算方法为：

26、

27、其中，表示地球固连坐标系下的卫星位置，表示地球固连坐标系下的卫星速度，×表示向量叉乘运算。

28、优选的，步骤s3.4中，若当前为第k帧，初步检测结果缺失时，当前帧真目标的位置速度的递推方法为

29、

30、其中，k-1表示当前帧的上一帧，δt表示当前帧距离上一帧的时间间隔；

31、初步检测结果缺失时，噪声的递推方法具体为：

32、步骤s3.4.1根据第k-1帧的地球固连坐标系地表投影点估算当前帧的视向量

33、

34、步骤s3.4.2重复步骤s2计算位置

35、一种星上实时动目标检测噪声去除系统，包括以下模块：

36、模块m1实时按帧进行处理目标，并输入每帧初步检测结果，包含目标在视频图像中的位置(行，列)＝(row,col)、目标号；

37、模块m2根据目标在视频图像中的位置，计算目标在地球固连坐标系地表投影点以及预估高程h高度的投影点

38、模块m3将地表投影点以及预估高程h高度的投影点存入缓存，地球固连坐标系进行维护含真目标与噪声在内的对象；

39、模块m4根据维护后的对象，实时输出真目标的定位信息。

40、优选的，模块m2中，包括如下模块：

41、模块m2.1根据目标在视频图像中的位置(行，列)＝(row,col)，计算其在地球固连坐标系的单位视向量

42、模块m2.2根据视向量地球固连坐标系下的卫星位置地球椭球模型参数，其中地球椭球模型参数包括半长轴a，半短轴b，计算地球固连坐标系地表投影点

43、模块m2.3令迭代过程中预估高程h高度的投影点为其中初值为

44、模块m2.4将投影点转换为大地测量坐标系的经度lon1、纬度lat1、高程h1，计算投影点处的外法向量

45、

46、模块m2.5计算更新迭代过程中的投影点

47、

48、其中，< >表示向量内积运算，

49、模块m2.6重复触发模块m2.4～模块m2.5工作，直至|h1-h|<10-8m；

50、模块m2.7当满足模块m2.6时，预估高程h高度的投影点

51、优选的，模块m3中，

52、模块m3.1在地球固连坐标系维护含真目标与噪声在内的对象时，判断维护对象是否有相同目标号的初步检测结果，若每帧初步检测结果中包含与维护对象相同目标号时，则进入到模块m3.2；若维护对象没有相同目标号初步检测结果时，则进入到模块m3.4；

53、模块m3.2将对应的地球固连坐标系地表投影点以及预估高程h高度的投影点存入同目标号对应缓存，结合当前帧目标及该时刻之前缓存中的信息进行目标属性判断后，进入到模块m3.3；

54、模块m3.3判断是否存在检测结果无目标号相同的维护对象，若存在，则将其对应的地球固连坐标系地表投影点以及预估高程h高度的投影点作为新目标第1帧存入缓存；若不存在，则直接输出真目标的定位信息；

55、模块m3.4当地球固连坐标系中维护的含真目标与噪声的对象存在初步检测结果缺失时，判断递推帧数是否小于递推结束帧数nend，若递推帧数小于递推结束帧数nend时，在地球固连坐标系中根据目标属性进行其位置的递推；若递推帧数不小于递推结束帧数nend时，则将该对象从维护对象中移除；

56、模块m3.5当含有新增目标时，则根据模块m3.4递推结果与初步检测结果钟的新增目标进行距离比对，若距离小于阈值d则将该新增目标的目标号修改为递推目标的目标号，作为存在相同目标号的对象进行相同的维护，进入到模块m3.2；若距离不小于阈值d，则进入到模块m3.3。

57、优选的，模块m3.2中，所述目标属性判断方法如下：

58、当一个对象曾经满足或当前帧满足条件1时，标记为噪声；否则，为真目标；

59、所述条件1为其中angle表示目标与卫星相对运动夹角，std表示含当前帧在内的缓存中所有地表投影点的标准差，为预估高程h高度的投影点的速度矢量估计值，∪表示逻辑或运算，∩表示逻辑与运算；相对运动夹角angle计算方法为：

60、

61、其中，表示地球固连坐标系下的卫星位置，表示地球固连坐标系下的卫星速度，×表示向量叉乘运算。

62、优选的，模块m3.4中，若当前为第k帧，初步检测结果缺失时，当前帧真目标的位置速度的递推方法为

63、

64、其中，k-1表示当前帧的上一帧，δt表示当前帧距离上一帧的时间间隔；

65、初步检测结果缺失时，噪声的递推方法具体为：

66、模块m3.4.1根据第k-1帧的地球固连坐标系地表投影点估算当前帧的视向量

67、

68、模块m3.4.2重复触发模块m2工作，计算位置

69、本发明的积极进步效果在于：

70、1、本发明能够提供一种星上实时动目标检测噪声去除方法，将视频图像像面坐标系的目标运动轨迹转换至地球固连坐标系进行运动属性的计算。

71、2、本发明利用地球固连坐标系下目标的运动规律一方面剔除地球固连坐标系下的静止目标；另一方面，通过在地球固连坐标系中位置递推，实现真实目标的位置连续性维护，保证每个周期目标均能实时输出位置信息。

72、3、本发明方法合理、计算简单、实施简易，能够有效去除在图像上形成轨迹的噪声并保证真目标的连续性。