CN111626129A - 基于卫星ais与红外相机的舰船目标联合探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于卫星AIS与红外相机的舰船目标联合探测方法，所述方法包括：卫星AIS载荷开机，接收舰船目标AIS信号后，在星上实时解析AIS信息，根据星上存储的AIS重点目标库，筛选出重点舰船目标。根据红外相机严格成像模型，确定重点舰船目标的观测时间、区域以及红外相机的观测角度，红外相机开机成像并下传图像。对下传的红外图像进行预处理，根据预处理后的红外图像进行舰船目标检测与特征提取。对卫星AIS与红外图像检测结果进行时空匹配、目标关联和数据融合。本发明的基于卫星AIS与红外相机的舰船目标联合探测方法，将卫星AIS数据与红外图像的检测结果进行目标关联，输出融合结果，实现非合作舰船目标的有效发现，同时验证AIS信息的正确与否。

Description

基于卫星AIS与红外相机的舰船目标联合探测方法

技术领域

本发明涉及海洋监视技术领域，尤其涉及一种基于卫星AIS与红外相机的舰船目标 联合探测方法。

背景技术

自动识别系统(AIS)旨在自动定位和跟踪船舶，已经广泛应用于海洋监视。AIS 收发器安装在总吨位大于300吨的国际航行船舶和所有客船上，消息报告主要包括船舶 的唯一标识符(MMSI)、经纬度、速度、方向、大小等信息。与岸基AIS监视平台相比， 卫星AIS具有作用距离远、覆盖范围广等优势，是各国卫星应用领域的重要发展方向之 一。同时，卫星AIS技术体制较为成熟，AIS载荷生产成本低，体积小，重量轻，可以 方便搭载在卫星上。但是，AIS无法发现非合作舰船目标，由于各种原因，操作员还可 以关闭舰船上的AIS设备，甚至篡改AIS中的GPS信息，从而干扰或断开外界对舰船的 位置跟踪。与AIS不同，红外探测系统作为被动非合作式遥感，抗侦察、抗干扰能力强。 海面背景红外辐射特性均匀单一，舰船目标的红外辐射特性很强，利用红外成像传感器 很容易探测到舰船目标。同时，红外成像传感器可以全天候工作，特别是在夜间与能见 度不好的情况下工作，非常适合天基海洋监视。因此，在卫星上集成AIS与红外相机载 荷，通过载荷之间的相互配合，进行舰船目标的联合探测，可以有效提高舰船目标的发 现能力，实现多源传感器的优势互补。因此，有必要针对卫星AIS与红外相机的特点， 设计一种高效、可行的联合探测方法，作为天基海洋监视领域的一项技术借鉴与补充。

发明内容

为实现上述目的，本发明提供了一种基于卫星AIS与红外相机的舰船目标联合探测 方法。具体技术方案如下：

一种基于卫星AIS与红外相机的舰船目标联合探测方法，所述方法包括：

卫星AIS载荷开机，接收舰船目标AIS信号后，在星上实时解析AIS信息，根据星 上存储的AIS重点目标库，筛选出重点舰船目标；

根据红外相机严格成像模型，确定重点舰船目标的观测时间、区域以及红外相机的 观测角度，红外相机开机成像并下传图像；

对下传的红外图像进行预处理，根据预处理后的红外图像进行舰船目标检测与特征 提取；

对卫星AIS与红外图像检测结果进行时空匹配、目标关联和数据融合。

可选地，所述对下传的红外图像进行预处理，包括：

通过卫星轨道、姿态、红外相机安装和成像角度构建卫星严格成像模型，利用卫星严格成像模型对下传的红外图像进行几何校正，得到地图投影坐标系下的平面物方图像。

可选地，所述根据预处理后的红外图像进行舰船目标检测，包括：

通过Tophat变换，区分海面与舰船目标区域，抑制背景杂波，得到图像I；

设置阈值对图像I进行分割，得到包含舰船目标的二值图B；

通过形态学滤波算法，根据红外图像分辨率，滤除低可信度的候选目标，提取目标像素区域；

计算每个目标像素区域内的舰船目标的质心作为红外舰船目标位置。

可选地，所述根据预处理后的图像进行舰船目标特征提取，包括：

对每个目标像素区域内的舰船目标进行切片去均值，然后进行Radon变换，提取舰船目标在切片上的旋转角度，作为红外航向信息；

根据舰船目标倾斜角将切片旋转至水平位置，进行切片水平方向投影，得到舰船目 标的轮廓图；

通过设置阈值，根据舰船目标的能量图确定舰船目标的首尾两端位置，得到红外舰 船目标长度。

可选地，所述对卫星AIS与红外图像检测结果进行时空匹配，包括：

根据AIS信息，确定舰船目标的航迹；

根据红外图像的观测区域，筛选在红外成像时刻红外观测区域内的AIS信息，经过航迹推算与区域筛选，确定每个舰船目标在红外成像时刻的AIS舰船目标位置、AIS航 向信息和AIS舰船目标长度。

可选地，所述对卫星AIS与红外图像检测结果进行目标关联，包括：

根据红外舰船目标位置、AIS舰船目标位置、红外舰船目标长度和AIS舰船目标长度进行相似性距离度量；

通过二维分配求解关联结果。

可选地，所述对卫星AIS与红外图像检测结果进行数据融合，包括：

若红外舰船目标与AIS舰船目标关联上判定舰船目标真实存在，同时判断AIS信息为合作目标，输出AIS信息作为融合检测结果。

可选地，所述对卫星AIS与红外图像检测结果进行数据融合，还包括：

只有AIS信息时，判定为低置信度AIS信息；

若AIS信息中的AIS舰船目标长度满足红外图像的最小可检测长度，且在红外图像中没有可关联目标，判定为虚假AIS信息。

可选地，所述对卫星AIS与红外图像检测结果进行数据融合，还包括：

只有红外图像时，判定舰船目标为待进一步确认的疑似非合作目标；

若舰船目标长度大于预设值，判定舰船目标为高价值重点目标，输出红外图像检测 结果作为融合检测结果。

本发明技术方案的主要优点如下：

本发明的基于卫星AIS与红外相机的舰船目标联合探测方法，卫星AIS常态开机，接收到AIS信息后进行目标筛选，引导星载红外相机开机成像；红外相机成像后红外图 像与AIS数据及时回传，对红外图像进行舰船目标检测与特征提取。卫星AIS数据与红 外图像的检测结果进行目标关联，输出融合结果，实现非合作舰船目标的有效发现，同 时验证AIS信息的正确与否。且易于实现，利用卫星多源传感器有效提高海上的综合态 势感知能力，得到目标信息容错性强、融合结果可行度高。并且实效性强，可以进一步 用于星上AIS与红外相机的实时融合处理。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本发明的一部分， 本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附 图中：

图1为本发明一实施例提供的基于卫星AIS与红外相机的舰船目标联合探测方法的 流程图；

图2为本发明一实施例提供的卫星AIS与红外图像检测点数据融合前的结果图；

图3为本发明一实施例提供的卫星AIS与红外图像检测点数据融合后的结果图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相 应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在 没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以下结合附图，详细说明本发明实施例提供的技术方案。

本发明实施例提供了一种基于卫星AIS与红外相机的舰船目标联合探测方法，如附 图1所示，该方法包括：

S1，卫星AIS载荷开机，接收舰船目标AIS信号后，在星上实时解析AIS信息，根 据星上存储的AIS重点目标库，筛选出重点舰船目标。

S2，根据红外相机严格成像模型，确定重点舰船目标的观测时间、区域以及红外相机的观测角度，红外相机开机成像并下传图像。

S3，对下传的红外图像进行预处理，根据预处理后的红外图像进行舰船目标检测与 特征提取。

S4，对卫星AIS与红外图像检测结果进行时空匹配、目标关联和数据融合。

本发明实施例提供的基于卫星AIS与红外相机的舰船目标联合探测方法，卫星AIS常态开机，接收到AIS信息后进行目标筛选，引导星载红外相机开机成像；红外相机成 像后红外图像与AIS数据及时回传，对红外图像进行舰船目标检测与特征提取。卫星AIS 数据与红外图像的检测结果进行目标关联，输出融合结果，实现非合作舰船目标的有效 发现，同时验证AIS信息的正确与否。且易于实现，利用卫星多源传感器有效提高海上 的综合态势感知能力，得到目标信息容错性强、融合结果可行度高。并且实效性强，可 以进一步用于星上AIS与红外相机的实时融合处理。

具体地，以下对本发明实施例提供的基于卫星AIS与红外相机的舰船目标联合探测 方法的各步骤给予详细阐述：

其中，步骤S1和步骤S2可以统称为卫星AIS引导红外相机成像。

由于卫星AIS载荷的探测幅宽一般为千公里量级，而星载红外相机载荷的范围相对 很窄，一般为几十公里到几百公里。同时，舰船目标的位置是不确定的，且分布区域不均匀，因此利用卫星AIS载荷引导红外相机载荷对重点海域的重点目标进行成像，可以 实现舰船目标的发现，特别是重要的非合作目标的发现。

卫星AIS载荷功耗小，可以长时间开机，接收到舰船目标发出AIS信号后，在星上实时完成AIS信息的解析。根据星上存储的AIS重点目标库，按照MMSI进行编号，筛 选出重点舰船目标，根据重点目标的经纬度坐标以及星载红外相机的严格成像模型，结 合成像角度等约束条件，确定观测时间、区域以及红外相机的观测角度。如果不满足引 导条件，则按照计划对重点区域进行推扫成像，实现广域的目标探测；如果满足引导条 件，则在观测窗口调整红外相机观测角度，发送成像指令，实现对目标区域的快速成像 并存储，通过数传或者高速数据链将红外图像以及AIS数据及时下传，有效提高卫星系 统的综合观测能力。

步骤S3，对下传的红外图像进行预处理，根据预处理后的红外图像进行舰船目标检 测与特征提取，进一步包括：

S301，对下传的红外图像进行预处理：

通过卫星轨道、姿态、红外相机安装和成像角度构建卫星严格成像模型，利用卫星严格成像模型对下传的红外图像进行几何校正，得到地图投影坐标系下的平面物方图像。

S302，根据预处理后的红外图像进行舰船目标检测：

卫星红外图像相对可见光图像，分辨率较低，舰船目标在图像中一般为小目标，采用Tophat变换、自适应阈值分割以及形态学滤波等算法从红外图像中提取舰船目标。首先，通过Tophat变换，区分海面与舰船目标区域，抑制背景杂波，得到图像I。

然后，设置阈值T_water对图像I进行分割，得到包含舰船目标的二值图B：

其中，T_water＝mean(I)+kvar(I)，mean(I)，var(I)分别为图像均值与标准差，k为经验值，一般设为5～10。

最后，提取目标像素区域，通过形态学滤波算法，根据实际红外图像分辨率，滤除低可信度的候选目标，并计算每个目标像素区域内的舰船目标的质心作为红外舰船目标位置。

示例地，当红外图像的分辨率为10m时，可以保留像素2～200范围内的目标。计算每个目标像素区域内的舰船目标的质心作为目标的实际位置，通过WGS-84坐标系下的 平面坐标到地理坐标的转换，用经纬度表示舰船目标的位置，

i＝1,…,N_IR。

S303，根据预处理后的图像进行舰船目标特征提取：

由于卫星红外图像的分辨率相对较低，舰船目标的细节特征提取较为困难，采用图 像直线检测中Radon变换来提取目标切片中目标长度与船身角度信息，同时将船身角度近似为航向。由于舰船目标是狭长的，在目标切片中以直线形式分布，Radon变换后会 在舰船的长度方向产生峰值。为了避免对角线上的能量累积超过目标倾斜角方向，先对 每个目标像素区域内的舰船目标进行切片去均值，然后进行Radon变换，提取舰船目标 在切片上的旋转角度，作为红外航向信息

根据舰船目标倾斜角将切片旋转至水平位 置，进行切片水平方向投影，得到舰船目标的轮廓图。通过设置阈值，根据舰船目标的 能量图确定舰船目标的首尾两端位置，得到红外舰船目标长度

步骤S4，对卫星AIS与红外图像检测结果进行时空匹配、目标关联和数据融合，进一步包括：

S401，对卫星AIS与红外图像检测结果进行时空匹配：

红外相机成像时间前后，AIS载荷一直工作，舰船目标会产生一段航迹信息。对于每一条AIS信息，主要包含时间、MMSI、经纬度、航向、航速、长度等信息，按照MMSI 进行编号，按照时间顺序得到舰船目标的航迹。对于每一个舰船目标，找到最接近成像 时刻的航迹点，设此时航迹信息中经度、纬度坐标为

航向角为c，航速为v，航 迹点的时刻与成像时刻的差值为T，利用恒向恒速模型中的中分纬度恒向线航法，可以 得到红外成像时刻的AIS舰船目标地理位置

为：

其中，a为赤道1度经度弧长对应的海里数，单位为海里/度(nm/°)，a一般取值为60。经纬度以及航向角的单位为度(°)，时间单位为小时(h)，速度单位为节(kn)，1节等 于1海里/小时(kn＝nm/h)。

AIS位置信息与红外位置信息统一为WGS-84坐标系下的地理坐标，无需再作转换。由于卫星AIS的探测幅宽远大于红外相机，因此根据红外图像的观测区域，筛选在成像 时刻该区域内的AIS信息。经过航迹推算与区域筛选，每个舰船目标在红外成像时刻的 AIS舰船目标位置可以表示为

相应的航向、长度信息分别表 示为

其中N_AIS为具有AIS信息的舰船目标个数。

S402，对卫星AIS与红外图像检测结果进行目标关联：

根据红外舰船目标位置、AIS舰船目标位置、红外舰船目标长度和AIS舰船目标长度进行相似性距离度量。相似性距离度量定义为：

其中，

为任意AIS目标

与红外图像检测目标

之间的地理距离，R_earth是地球平均半径，

为长度的距离度量。

设置二维分配的约束表达式为；

其中，Δp与Δl分别是确定关联门的位置和长度阈值，a_ij＝{0,1}，a_ij为1表示点对 能够关联，否则不关联。同时超过阈值不进行关联，即当

时，a_ij＝0。 二维分配变量a_ij的取值需要使分配代价的加权和最小，可以通过Munkres、 Jonker-Volgenant等分配算法快速求解，最终得到关联结果。

S403，对卫星AIS与红外图像检测结果进行数据融合：

情形一：若红外舰船目标与AIS舰船目标关联上，判定舰船目标真实存在，同时判断AIS信息为合作目标，输出AIS信息作为融合检测结果。

情形二：只有AIS信息时，判定为低置信度AIS信息。进一步地，若AIS信息中的 AIS舰船目标长度满足红外图像的最小可检测长度，且在红外图像中没有可关联目标， 判定为虚假AIS信息。

情形三：只有红外图像时，判定舰船目标为待进一步确认的疑似非合作目标。若舰船目标长度大于预设值，判定舰船目标为高价值重点目标，输出红外图像检测结果作为 融合检测结果，并引导高分辨率成型卫星进行详细查探。

以下结合具体实施例对本发明的探测方法的有益效果进行说明：

该实施例中，选用分辨率为20m的Sentinel-2卫星红外图像，配合卫星AIS数据验证联合探测方法的有效性。图2为卫星AIS与红外图像检测点数据融合前的结果图，图 3为卫星AIS与红外图像检测点数据融合后的效果图，可以看出，经过数据融合，可以 将合作目标与非合作目标有效区分，增加了态势感知能力，实现了载荷探测性能的优势 互补。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将 一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操 作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何 其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者 设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过 程、方法、物品或者设备所固有的要素。此外，本文中“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、 “下”均以附图中表示的放置状态为参照。

最后应说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然 可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替 换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的 精神和范围。

Claims (9)

1.一种基于卫星AIS与红外相机的舰船目标联合探测方法，其特征在于，所述方法包括：

卫星AIS载荷开机，接收舰船目标AIS信号后，在星上实时解析AIS信息，根据星上存储的AIS重点目标库，筛选出重点舰船目标；

根据红外相机严格成像模型，确定重点舰船目标的观测时间、区域以及红外相机的观测角度，红外相机开机成像并下传图像；

对下传的红外图像进行预处理，根据预处理后的红外图像进行舰船目标检测与特征提取；

对卫星AIS与红外图像检测结果进行时空匹配、目标关联和数据融合。

2.根据权利要求1所述的基于卫星AIS与红外相机的舰船目标联合探测方法，其特征在于，所述对下传的红外图像进行预处理，包括：

通过卫星轨道、姿态、红外相机安装和成像角度构建卫星严格成像模型，利用卫星严格成像模型对下传的红外图像进行几何校正，得到地图投影坐标系下的平面物方图像。

3.根据权利要求2所述的基于卫星AIS与红外相机的舰船目标联合探测方法，其特征在于，所述根据预处理后的红外图像进行舰船目标检测，包括：

通过Tophat变换，区分海面与舰船目标区域，抑制背景杂波，得到图像I；

设置阈值对图像I进行分割，得到包含舰船目标的二值图B；

通过形态学滤波算法，根据红外图像分辨率，滤除低可信度的候选目标，提取目标像素区域；

计算每个目标像素区域内的舰船目标的质心作为红外舰船目标位置。

4.根据权利要求3所述的基于卫星AIS与红外相机的舰船目标联合探测方法，其特征在于，所述根据预处理后的图像进行舰船目标特征提取，包括：

对每个目标像素区域内的舰船目标进行切片去均值，然后进行Radon变换，提取舰船目标在切片上的旋转角度，作为红外航向信息；

根据舰船目标倾斜角将切片旋转至水平位置，进行切片水平方向投影，得到舰船目标的轮廓图；

通过设置阈值，根据舰船目标的能量图确定舰船目标的首尾两端位置，得到红外舰船目标长度。

5.根据权利要求4所述的基于卫星AIS与红外相机的舰船目标联合探测方法，其特征在于，所述对卫星AIS与红外图像检测结果进行时空匹配，包括：

根据AIS信息，确定舰船目标的航迹；

根据红外图像的观测区域，筛选在红外成像时刻红外观测区域内的AIS信息，经过航迹推算与区域筛选，确定每个舰船目标在红外成像时刻的AIS舰船目标位置、AIS航向信息和AIS舰船目标长度。

6.根据权利要求5所述的基于卫星AIS与红外相机的舰船目标联合探测方法，其特征在于，所述对卫星AIS与红外图像检测结果进行目标关联，包括：

根据红外舰船目标位置、AIS舰船目标位置、红外舰船目标长度和AIS舰船目标长度进行相似性距离度量；

通过二维分配求解关联结果。

7.根据权利要求6所述的基于卫星AIS与红外相机的舰船目标联合探测方法，其特征在于，所述对卫星AIS与红外图像检测结果进行数据融合，包括：

若红外舰船目标与AIS舰船目标关联上判定舰船目标真实存在，同时判断AIS信息为合作目标，输出AIS信息作为融合检测结果。

8.根据权利要求6所述的基于卫星AIS与红外相机的舰船目标联合探测方法，其特征在于，所述对卫星AIS与红外图像检测结果进行数据融合，还包括：

只有AIS信息时，判定为低置信度AIS信息；

若AIS信息中的AIS舰船目标长度满足红外图像的最小可检测长度，且在红外图像中没有可关联目标，判定为虚假AIS信息。

9.根据权利要求6所述的基于卫星AIS与红外相机的舰船目标联合探测方法，其特征在于，所述对卫星AIS与红外图像检测结果进行数据融合，还包括：

只有红外图像时，判定舰船目标为待进一步确认的疑似非合作目标；

若舰船目标长度大于预设值，判定舰船目标为高价值重点目标，输出红外图像检测结果作为融合检测结果。

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