红外图象中点目标检测与跟踪算法的研究

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1、中文摘要摘要随着科学技术的不断发展与现代战争的需要，以及红外搜索与跟踪系统(IRST)具有的诸多优点，使得红外搜索与跟踪系统已经成为当今世界精确制导技术发展和研究的主流方向。当前的红外搜索与跟踪系统中存在的主要问题包括：大规模数据处理量与系统要求实时处理的矛盾；虚警率上升时系统处理时间成指数趋势上升，容易引起系统拥塞的问题；低信杂比下如何有效地检测到目标的问题。本文根据红外图象的基本特征、信息处理方法研究发展的现状，针对以上这些主要问题以及工程实际应用的基本要求，在红外图象预处理、点目标检测与跟踪信息处理系统设计等方面，进行了系统深入的理论研究及计算机模拟，提出了一些快速而实

2、用的算法，解决了系统大规模数据处理量与系统要求实时处理的矛盾；当虚警率上升时系统处理时间也不会急剧增加，使得系统在高虚警率下也可以实时应用，从而为解决工程实际问题提供了一些新的有效方法。与国内外同领域的研究成果相比，本文的特色与创新之处有以下几点：1提出了一种双向数据流系统。通常，在传统的红外检测与跟踪系统th检测系统与跟踪系统之间仅存在单向数据流通，即数据流通从前者到后者，而本文研究了跟踪系统向检测系统反馈数据的双向数据流通情况，参见图i-2；检测系统将候选目标的位置与灰度信息送入跟踪系统进行跟踪，跟踪系统给检测系统提供目标预测位置、系统负荷情况以决定检测阈值，本文的工作都

3、是建立在这种双向数据流系统的基础之上。2．在目标检测方面，提出了种基于数学形态学的红外点目标快速检测算法，并在CPLD上设计了它的并行流水结构的硬件实现方法。实验结果表明该算法可以有效地检测出低信杂比的红外图象中的点目标。在硬件处理方面，目前的国内实现水平为双DSP处理系统，处理大小为320×200的红外图象，每秒50帧，本文提出的基于并行流水结构的CPLD硬件实现方法，每个象素的处理时间仅仅为⋯个时钟周期，当系统时钟周期为lOOns时，每秒可以处理约100帧图象。且无需存储器，硬件成本低廉。这就大大加快了系统数据处理速度，解决了IRST系统中大规模中文摘要数据处理量与要求实

4、时处理的矛盾；节约了大量的处理时间，为后续处理采用较为复杂的跟踪、识别算法提供了可能。3．在传统的基于全局闽值分割的目标检测方法中，闽值过高将导致目标检测概率下降，闺值过低会导致虚警率升高。本文利用跟踪系统向检测系统提供的目标预测位置，提出了一种区域自适应阈值调整的方法，在目标预测位置附近区域使用较低的阈值，其它范围内使用较高的闽值，从而实现了在同一帧图象中不同区域使用不周的分割阂值。这样可以提高目标检测概率的同时降低虚警率，减少送入跟踪系统的潜目标数目，降低跟踪系统的数据处理量，实验结果证明这种方法是有效的。4．在目标跟踪方面，研究了机动目标运动模型与跟踪方法，根据目标机动

5、分布的特点，提出了用变结构多模型的方法来估计目标的机动量，然后将机动量引入到目标机动模型中，使用单Kalman滤波的方法实现对机动目标的跟踪；实验结果表明改进的算法的跟踪精度与IMM滤波方法相近，而计算时间却大大地缩短了。5，在数据关联方面，提出一种新的航迹置信度计算公式和航迹启动条件。在传统的航迹置信度计算和航迹启动条件中，仅仅利用了目标的空间位置信息。本文根据图象跟踪的特点，利用目标灰度的短时不变性，即日标在相邻帧内的灰度值是相近的，将目标的灰度信息引入到航迹启动条件和航迹置信度的计算中，新的方法即利用了目标的空间位置信息，也利用了目标的灰度信息。系统仿真结果证明，gI入

6、了目标灰度信息后的数据关联算法具有更强的抑制噪声能力，可以更有效地排除虚假航迹，使得总的航迹数目仅为以前的一半：极大地缩短了系统处理时间，使得系统处理时问不再随着虚警密度呈指数增长，解决了IRST系统在高虚警密度下实时应用的问题。我们还讨论了跟踪算法在工程使用中可能遇到的问题，提出了几种候选方案以提高系统处理速度。6研究了包含多个点目标的红外图象序列的仿真方法。设计了一套完整的用于模拟红外目标检测与跟踪的信号处理仿真系统，该系统可以完成产生数据源、评估检测算法、跟踪算法性能等工作，以便验证本文提出的算法性能。大量的仿真结果证明本文提出的算法具有强大的杂波抑制能力、多目标主动检

7、测、跟踪能力、抗数据丢失能力以及快速的实时处理能力。关键词：红外搜索与跟踪系统目标检测数学形态学多目标跟踪多假设跟踪AbstractWiththecontinuousdevelopmentofscienceandtechnology，thedemandofthemodernwar，InfraredSearchandTrack(IRST)hasalreadybecomethemaintrendanddirectionofthedevelopmentandstudyofmodernprecisionguid