高分辨率SAR卫星图像舰船目标识别可用性分析 ①

孙明珠, 贾 丽, 吴 翎

(1.中国人民解放军91977部队，102202；2.中国人民解放军91422部队，265200)

0 引 言

在开展舰船目标成像侦察过程中，光学成像侦察和SAR成像侦察是主要的侦察方式。其中，光学图像一般细节内容较为丰富，SAR图像则具有不受光线和天气影响的特点，与光学卫星互为补充。长期以来，受空间分辨率影响，SAR卫星遥感图像一般只用于舰船目标的检测，相关的识别技术尚不成熟。但成像分辨率有所提升，其图像包含舰船目标细节则越来越明显，对舰船目标的几何结构细节呈现的越来越多，为开展基于几何特征的舰船目标的识别研究奠定了基础，并且，相对与光学成像，SAR具有全天时全天候成像的特征，这大大提高了SAR图像舰船目标识别的应用能力。首先对星载SAR系统进行了研究，分析了SAR图像对舰船目标识别的要求，总结了SAR遥感图像中舰船目标识别的发展现状；然后采用了不同高分辨率SAR图像，基于轮廓形状和长度两个较为直观的几何特征，研究了SAR图像舰船目标识别的能力；最后对研究结果进行了总结。

1 SAR卫星图像舰船目标识别需求分析

对重点区域的舰船目标的侦察监视是各国开展军事侦察的主要任务之一。为形成有效的侦察情报，要求能够识别舰船类型、型号。目前我国天基系统已具备对大型目标的常态化侦察能力，基本能够满足日常战备和预警需求。相比大型目标，作战对象国家的中小型舰船对我执行海上作战任务所构成的威胁更加广泛和常态化：一是美海军近年频繁派遣海洋监视船等特种作业船只抵近我当面海域，对我方面行动进行情报侦察，对我当面海域及沿海海洋环境进行探测；二是敌方的特种作业船、驱逐舰、护卫舰、导弹艇等中小型水面舰艇数量众多，是我潜艇有效突破防线，对敌航母编队进行打击以及执行战略任务的主要屏障；三是在对南海国家作战中，越南、菲律宾、马来西亚等国护卫舰、导弹艇等吨位较小，现有的成像侦察卫星的识别能力明显不足。

依托高分资源，对我当面海域出现的特种作业船、驱逐舰、护卫舰、导弹艇等中小型目标进行跟踪、分析、确认是当前面临的紧迫任务。光学成像卫星分辨率较高、图像清晰、易于判读，但在夜间和恶劣气象条件下无法使用，卫星侦察过顶时间主要集中在某个固定的时段，获得重要区域的目标图像非常有限；而SAR卫星能够进行全天时全天候成像侦察，受成像时间和气候条件影响非常小，大大弥补了光学成像侦察卫星获取重点区域重点侦察目标图像的不足。

2 星载SAR图像舰船目标识别的发展现状

SAR图像舰船目标识别一般可分为三个层次识别度，即舰船的型号与类型，以及军民属性[1]。其中，军民属性的识别为最初级的识别程度，指识别出军舰和民用船只；舰船类型识别是相对军民属性识别高级别层次的识别程度，指能将目标分类为航空母舰、补给舰、驱逐舰、货轮、油轮等；而型号识别是更高级的识别程度，是指能够识别舰船的型号。由SAR遥感图像舰船的目标识别说明，其图像分辨率直接影响了舰船目标的识别程度，分辨率越高，图像中包含的舰船目标的细节信息越多，就能够达到更高级别的识别程度。

2.1 基于几何特征的分类

周长、面积、长度、长宽比以及形状等几何特征是用于描述舰船目标几何特征的常用参数[2]，在SAR图像舰船目标识别研究中，舰船目标的几何特征是易于提取而又能够实现对重点舰船目标进行识别甚至实现型号识别的分类依据，因此，基于几何结构特征的SAR图像舰船目标识别的到了广泛的研究和应用。但是，由于SAR成像与光学成像机理不同，当SAR成像分辨率较低时，舰船目标在SAR图像上表现出一系列稀疏散射中心，由于成像角度等成像条件的不同，最终舰船目标在SAR图像上所呈现的几何结构也会存在差异，严重增加基于几何结构特点舰船目标识别难度，降低SAR图像舰船目标识别率、稳定性。

2.2 基于纹理特征的分类

纹理特征是指标准差、分形维数、加权填充比等图像特征。基于纹理特征的SAR图像舰船目标识别方法研究中，常用的特征提取方法简单易操作，但属于SAR图像整体的统计信息，不够精确，无法实现对舰船目标类型的分类识别。

2.3 基于电磁散射特征的分类

SAR图像的本质实际上就是目标的电磁散射特性的体现，随着目标电磁散射理论研究的深入，舰船目标的电磁散射特性被广泛的剖析[3]。基于电磁散射特性的SAR图像舰船目标识别研究得到了广泛的开展，但是基于电磁散射特征的舰船目标识别时，特征提取相对困难，并且，SAR成像的分辨率直接影响了舰船目标细节特征在图像上所呈现的效果，对特征提取结果影响较大。

2.4 变换的特征分析

SAR图像是一种高维矢量，包含了大量的信息。因此，通常将小波变换应用于SAR图像，将图像空间映射到相应的变换空间，从而减小空间维数和处理的信息量。在基于变换特征的SAR图像舰船目标识别特征提取过程中，只对SAR图像本身进行变换处理和特征提取，不考虑目标的先验知识和相关信息，而只采用纯数据处理技术对图像数据进行分析，分析处理过程不具有明显的物理意义。

3 高分辨率SAR图像的舰船目标识别能力

通常情况下，光学图像较SAR图像更接近人眼视觉效果，在重点目标的识别和判读中，往往更受青睐，且光学图像中丰富的目标细节信息更容易被捕获，使得光学图像成为舰船目标识别的主要手段，而SAR图像更多的是用于重点区域目标的初步检测。从我们以往所开展试验获取的数据来看，中等分辨率SAR图像(1.5m分辨率)一般还无法对发现的舰船目标进行准确的判读识别；但随着SAR成像分辨率的提高，舰船目标的细节信息被记录，且随着SAR图像舰船目标识别研究的深入开展，识别技术性能的提高，高分辨率SAR(0.4m分辨率)图像已具备一定的目标识别能力，如图1所示。

图1 不同空间分辨率SAR遥感图像对比

3.1 依据轮廓形状判别的可行性

不同类型舰船的外形几何形状是不同的，通过几何形状可以对舰船目标进行有效的分类，对于特殊的形状，可以进行识别和确认。舰船目标典型的几何形状特征如表1所示。

表1 舰船典型几何形状图表

通过对大量试验数据的观察分析，高分辨率SAR图像已可以清晰分辨船体轮廓，舱面建筑结构复杂程度分布等特征，以及粗略判断船上结构属性，基本具备舰船类型判断能力。从0.4m分辨率图像来看，较为理想的情况下，可以对舰船舱面进行描述，例如图中南北向停泊的补给舰。

3.2 依据尺寸判别的可行性

舰船目标的尺寸和长宽比是进行舰船目标分类识别的重要特征之一，采用0.8m,分辨率SAR图像进行舰船目标量算的试验，结果如图2所示。

图2 利用高分辨率SAR卫星图像量算示意图

基于某X型舰和某Y型舰的0.8m分辨率SAR卫星影像观测数据，利用ENVI软件进行空间尺寸量算试验。量算结果如表2。

表2 目标尺寸量算结果

由试验图像数据可见，利用分辨率优于0.8m的星载SAR遥感图像，可较准确量算舰船尺寸(误差优于0.9%)，可基于已有的舰船目标数据库进行比对，从而实现对舰船目标属性如军民属性、类型乃至型号的识别。

4 结 语

分析比较了基于星载SAR遥感图像不同特征的舰船目标识别的优缺点，然后采用不同分辨率的星载SAR遥感图像，对典型的舰船目标进行了基于目标几何特征的目标分类能力初步分析：优于0.8m分辨率的SAR遥感图像中包含了较多的舰船目标的几何结构信息，通过处理可较为准确的实现舰船目标的长宽量算，而优于0.4m分辨率的SAR遥感图像实现了更详细的舰船目标几何信息的记录，通过处理可分辨或描述舰船舱面建筑。实验结果表明：高分辨率SAR卫星遥感图像中较为详细的记录了舰船目标的几何结构信息，具有舰船目标识别的应用能力。因此，后续可开展相关识别算法研究，并构建完善识别特征库，为进一步开展舰船目标识别判读的应用提供依据。