空地导弹制导图象去噪方法探究

秦树海, 佟惠军, 高 崇, 饶 敏

(空军航空大学军械工程系,吉林长春130022)

0 引言

空对地电视制导导弹在攻击地面目标的末段弹道上,电视摄像管不断的摄下目标及其周围的景物图像,通过电视发射机发射给制导站。操纵员从电视接收机的荧光屏上可以看到目标及其周围的景象,从而可以更直观的操纵导弹,使其准确的命中目标。但防守方往往会利用通信干扰技术对制导图像的传输进行干扰,以达到降低导弹攻击效率的目的。

接收机接收到的信号经滤波后,仍然存在大量噪声信号,在图像上产生噪声点。当信噪比小于1时,人眼将无法识别图像中的目标,使导弹失去制导功能,从而降低了导弹的效能。

本文在不改变现有装备硬件前提下,通过图像处理对图像进行最大限度的恢复,图像恢复原则不是把噪声完全滤除,而是使人眼能够从背景中识别出需用目标。

1 维纳滤波

频域维纳滤波公式如下

Sn(u,v)和Sf(u,v)在实际中很难求得,因此可以用一个比值k代替两者之比,从而得到简化的维纳滤波公式[1]:

维纳滤波是一种综合考虑了退化函数和噪声统计特征两个方面进行恢复处理的方法,它建立在认为图像和噪声是随机过程的基础上,而目标是找一个未污染图像 f的估计值，使它们的均方误差最小。在实际运用中,退化函数H(u,v)很难准确的给出,这里认为它是随机的。

仿真实验在电视制导导弹末段弹道仿真实验平台上进行[2],得到滤波前后图像,如图3、图4、图5和图6所示。

图3 原制导图像

图4 信噪比1∶1干扰图像

图5 信噪比1∶1维纳滤波后图像

图6 信噪比1∶2维纳滤波后图像

通过比较可得维纳滤波得到的结果不能令人满意,这是因为[3]:

a)维纳滤波假设是线性系统,但实际上图像的记录和评价图像的人视觉系统往往都是非线性的;

b)维纳滤波是根据最小均方误差准则设计的最佳滤波器,这个准则不见得与人类视觉判断准则相符合,均方误差(MSE)准则对所有的误差,不管其处在图像中的位置如何,都赋以同样的权值,而人眼对暗处和高梯度区域的误差具有较大的容忍性,由于使均方误差最小化,维纳滤波以一种并非最适合人眼的方式对图像进行了平滑;

c)维纳滤波基于平稳随机过程模型,但实际存在的图像并不一定都符合这个模型,大多数图像都是高度非平稳的,而且它只利用了图像的协方差信息,可能还有大量的有用信息没有充分利用。

2 邮戳法

2.1 制导图像静噪基本原理

根据攻击过程中的实际情况,可以认为

式(3)中E(f)可用E(g)近似,但噪声n的统计量却是必不可少的,因此需要在原图像未知条件下通过事先约定邮戳来估计噪声分布函数,进而按局部统计法滤波去除噪声。

2.2 使用邮戳的图像噪声估计的原理和原则

邮戳就是在图像中选定相对次要的位置,按事先约定放置通信收发双方都已知的局部图像[f]k×l。[f]k×l是 f的一部分接收到受干扰图像为g,显然有如下关系:

式(4)中:[g]k×l是g的一部分,它恰好是邮戳被干扰后的图像。于是得到噪声局部信息[n]k×l,根据[n]k×l估计噪声n。

设n中任意元素n(k,l),对于不是[n]k1×l1(1)、[n]k2×l2(2)、[n]k3×l3(3)、[n]k4×l4(4)中的元素n(i,j)运用二维插值得到。

原则上,邮戳可以设计成任意图案。为更好提取噪声部分分量,可采用白电平图案、特殊递归花纹图案、黑白间隔图案,这样使得计算机易生成;邮戳图案与随机分布噪声相关系数应小于规定阈值;邮戳分布最适宜的地方是图像的4个角,大小约为图像面积的5%为宜;邮戳个数根据具体情况而定,本文采用四角邮戳。

基于邮戳的抗干扰程序的启动时机在战斗过程中,当没有受敌方干扰时,考虑时间开销和后续图像处理的实时性要求,一般不必启动基于邮戳的抗干扰程序。

在受到敌方干扰时,为提高复杂电磁环境下空地图像制导导弹攻击效能,必须自动启动基于邮戳的抗干扰程序。启动时机通过邮戳位置图像与邮戳图像某一特征统计量比值k来把握。特征统计量要根据邮戳图案选择。

当k＜K0时,启动基于邮戳的抗干扰程序。阈值K0按Newmen-Pearson准则选取[5]。

2.3 仿真结果

仿真实验在电视制导导弹末段弹道仿真实验平台上进行[3]。邮戳选取128×128点白电平形状,四角分布,画面选取576×576点,单个邮戳占画面5%。

为讨论邮戳面积对静噪效果,采用64×64点白电平形状邮戳作对比。启动时机控制量k取灰度直方图统计量,K 0取0.345。仿真单幅片段结果如图7～10所示。

图7 信噪比为1∶1的干扰图像(邮戳为5%)

图8 信噪比为1∶1时静噪图像(邮戳为5%)

图9 信噪比为1∶2干扰图像(邮戳为5%)

图10 信噪比为1∶2时静噪图像(邮戳为5%)

图11 信噪比为1∶1时静噪图像(邮戳为1.2%)

3 结论

通过仿真实验,比较这两种图像恢复方法不难看出,使用邮戳的图像噪声估计比维纳滤波方法要优越很多,使用邮戳的图像噪声估计方法去除噪声点有很好效果,增加了人眼识别目标的几率,从而在不改变现有硬件前提下提升了空地图像制导导弹的攻击效能。

对于使用邮戳的图像噪声估计在使用时应注意以下几个问题:

a)邮戳纹理不宜太复杂,复杂的邮戳图案会增加计算时间开销;

b)本方法由于具有多余的时间开销,在导弹攻击图像制导连续图像处理过程中会产生延迟,需增加目标相对运动预测以弥补延迟对制导造成的影响;

c)该方法适合分辨率为256*256以上;d)邮戳大小以5%为宜。

[1] 周玉,彭召意.运动模糊图像的维纳滤波复原研究[J].计算机工程与应用,2009,45(19):181-183.

[2] 佟惠军.电视制导导弹末端弹道仿真实验平台设计[J].航空学会青年论坛,2008.

[3] M.M.Sondhi.Image Restoration:The Removal of Spatially Invariant Degradations[J].Proc.IEEE,1972,60(7):842-853.

[4] 陈书海,等.实用数字图像处理[M].北京:科学技术出版社,2005.

[5] 张天序.成像自动目标识别[M].武汉:湖北科学技术出版社,2005.