[發(fā)明專利]一種基于非負(fù)約束2D變分模態(tài)分解的紅外弱小目標(biāo)檢測方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710093303.6
• 申請日: 2017-02-21
• 公開（公告）號: CN106845448B
• 公開（公告）日: 2020-04-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 彭真明;王曉陽;陳響;王酉祥;黃蘇琦;龍鴻峰;楊琛;范文瀾;王慧;馬滬敏;蒲恬;何艷敏
• 申請（專利權(quán)）人: 電子科技大學(xué)
• 主分類號: G06K9/00
• 分類號: G06K9/00;G06K9/62
• 代理公司: 成都弘毅天承知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 51230
• 代理人: 徐金瓊;劉東

1.一種基于非負(fù)約束2D變分模態(tài)分解的紅外弱小目標(biāo)檢測方法，其特征在于，還包括以下步驟：

步驟1：獲得一幅待處理的紅外圖像f(x,y)，其中(x,y)為二維圖像坐標(biāo)，下同；

步驟2：采用帶通濾波器進(jìn)行紅外圖像f(x,y)預(yù)處理，即得到去除部分高頻噪聲及平滑的背景的紅外圖像f′(x,y)∈R^m×n，其中R^m×n表示維度為m×n的實(shí)數(shù)坐標(biāo)系，下同；

步驟3：將二維變分模態(tài)分解方法與非負(fù)約束相結(jié)合，構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)，再將步驟2得到的紅外圖像f′(x,y)∈R^m×n輸入目標(biāo)函數(shù)，并根據(jù)目標(biāo)函數(shù)求解輸出分解結(jié)果，即得到K個(gè)非負(fù)窄帶子信號；

步驟4：提取步驟3得到的非負(fù)窄帶子信號中的紅外弱小目標(biāo)的窄帶子信號，忽略其余不含有紅外弱小目標(biāo)的窄帶子信號，得到目標(biāo)子信號；

步驟5：將步驟4中提取的目標(biāo)子信號進(jìn)行自適應(yīng)閾值分割，確定紅外弱小目標(biāo)位置及大小，并輸出檢測結(jié)果。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于非負(fù)約束2D變分模態(tài)分解的紅外弱小目標(biāo)檢測方法，其特征在于，所述步驟2中采用的帶通濾波器為高斯差分濾波器或巴特沃斯帶通濾波器。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于非負(fù)約束2D變分模態(tài)分解的紅外弱小目標(biāo)檢測方法，其特征在于，所述步驟3的具體步驟如下：

(31)將二維變分模態(tài)分解方法與非負(fù)約束相結(jié)合，構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)；具體步驟如下：

(311)假設(shè)輸入的預(yù)處理后的紅外圖像f′(x,y)∈R^m×n將被分解為K個(gè)窄帶子信號的集合，窄帶子信號表示為u_k(x,y),k＝1,...,K；將空間域二維坐標(biāo)(x,y)簡記為γ，計(jì)算窄帶子信號u_k(γ)的解析信號：其中δ表示二維脈沖信號，ω_k表示第k個(gè)子信號對應(yīng)的頻率域二維坐標(biāo)，j為虛數(shù)單位，ω_k,⊥表示與ω_k相垂直的頻率域二維坐標(biāo)，*表示卷積運(yùn)算，〈·〉代表內(nèi)積運(yùn)算；

(312)將解析信號進(jìn)行頻移，移動(dòng)到預(yù)先估計(jì)出的圖像基準(zhǔn)頻帶φ_k，頻移后的信號記為u_shift(γ)，其中，u_AS,k(γ)為解析信號，j為虛數(shù)單位，·代表內(nèi)積運(yùn)算；

(313)求解頻移后的解析信號的帶寬B_k，

(314)根據(jù)步驟(311)-步驟(313)，對窄帶子信號u_k(x,y)進(jìn)行非負(fù)約束以及數(shù)據(jù)保真約束，得到最終的目標(biāo)函數(shù)，目標(biāo)函數(shù)的公式如下：

s.t.u_k(γ)≥0,k＝1,...,K，

其中，f′(γ)表示步驟2得到的紅外圖像f′(x,y)∈R^m×n，u_k(γ)≥0表示在最終的結(jié)果中，只有窄帶子信號中的正數(shù)部分被視為有效信號，從而得以保留，負(fù)數(shù)部分被去掉，是確保分解出的窄帶子信號不偏離預(yù)處理后的紅外圖像f′(x,y)∈R^m×n，ε為誤差容許因子；

(32)將步驟2得到的預(yù)處理后的紅外圖像f′(x,y)∈R^m×n輸入目標(biāo)函數(shù)，采用交迭方向乘子方法(Alternative directional method of multipliers,ADMM)求解目標(biāo)函數(shù)，并輸出非負(fù)窄帶子信號，其中，在第n+1次迭代過程中，窄帶子信號的更新采用維納濾波，傅里葉變換表示為圖像基準(zhǔn)頻帶的更新通過計(jì)算當(dāng)前窄帶子信號的功率譜重心實(shí)現(xiàn)；目標(biāo)函數(shù)的具體求解過程如下：

(321)初始化迭代次數(shù)n＝0、窄帶子信號圖像基準(zhǔn)頻帶傅里葉變換分別表示為以及其中k＝1,...,K；

(322)根據(jù)步驟(321)初始化的結(jié)果計(jì)算Hilbert模板：其中，表示當(dāng)前的圖像基準(zhǔn)頻帶，ω表示頻率域二維坐標(biāo)，sgn表示符號函數(shù)；

(323)利用Hilbert模板，在頻率域中計(jì)算第k個(gè)窄帶子信號在第n+1次迭代中的解析信號其中表示Hilbert模板，ω表示頻率域二維坐標(biāo)，表示f′(γ)的傅里葉變換結(jié)果，λ為拉格朗日乘子，α是計(jì)算中引入的權(quán)重因子；

(324)將解析信號從頻率域反變換回空間域，公式如下，其中R表示取實(shí)部，F(xiàn)^-1為傅里葉反變換，下同：

(325)在反變換回空間域的窄帶子信號中引入非負(fù)約束，得到非負(fù)窄帶子信號，公式如下：

(326)更新迭代次數(shù)：n＝n+1；

(327)判斷當(dāng)前迭代次數(shù)是否大于最大迭代次數(shù)，如果是，則停止迭代，轉(zhuǎn)到步驟(328)；如果不是，更新圖像基準(zhǔn)帶值和頻率域拉格朗日乘子返回步驟(322)；

(328)輸出步驟(325)的分解結(jié)果，即非負(fù)窄帶子信號u_k(x,y),k＝1,...,K。