复杂背景下高光谱运动目标探测方法研究

发布时间：2020-09-07 20:07

　　民航飞机的实时监控对保护国家和人民的利益较重要,所以国际民航组织和全球业界正系统推进航空器监控工作。现在主要的监控手段包括ADS-B手段和雷达,民航飞机的ADS-B设备可以实时向地面和卫星的ADS-B设备传输民航飞机的状态,所以原理上可以实现全球民航飞机的实时监控。然而基于ADS-B系统的全球民航飞机监控需要民航飞机主动向卫星和地面传输飞行状态,在ADSB设备损坏或者受到干扰时,地面就较难获取民航飞机的飞行状态。雷达可以在民航飞机不主动传输状态时进行探测,从而获得民航飞机的实时状态,但是雷达探测范围有限,较难做到全球范围民航飞机的监控。为了探索对民航飞机进行全球实时监控的方法,本文从光电探测角度对民航飞机监控进行了研究,本文研究有助于提供民航飞机实时监控可靠的手段。基于星载光电探测系统的监控方法具有探测范围广、全球覆盖性能、不需要民航飞机主动传输状态的优点,所以适合于民航飞机实时监控。本文主要研究内容和创新点为:(1)论文对民航飞机和地球背景的辐射传输特性进行了系统研究。对民航飞机的蒙皮、尾焰、地球背景反射太阳光辐射和地球背景自身热辐射在可见近红外波段、短波红外波段、中波红外波段和长波红外波段进行了仿真研究,研究了大气衰减对目标和地球背景的影响。对民航飞机点目标和地球背景杂波进行了建模,对星载光电探测仪器系统进行了建模。(2)针对民航飞机的探测,对单波段单帧的探测方法、单波段帧间差分的探测方法、高光谱探测方法和多狭缝高光谱探测方法进行了建模与仿真研究。对中波多高光谱成像结合多狭缝高光谱探测的方法进行了研究,对探测方法的高光谱分辨率、高空间分辨率、高时间分辨率探测、具有全天时探测性能和可以探测目标运动速度的特点进行了研究。对星载中波多狭缝高光谱成像仪的探测性能进行了研究,在空间分辨率162m,积分时间0.005s,系统F/#=2时可以达到的民航飞机探测信杂比可达20,尾焰光谱探测信杂比可以达到15。对基于中波多狭缝高光谱成像仪的高光谱时延累加算法进行了研究,研究表明高光谱时延累加算法可以有效提升光谱信杂比。(3)针对多狭缝高光谱成像仪具有高光谱分辨率、高空间分辨率和高时间分辨率的特点,提出了光谱差分异常检测算法,把目标检测从光学背景域转换到系统噪声域,提升了暗弱目标检测性能。用改进的光谱异常检测算法对剩余图像进行检测,提升了算法整体的稳定性。理论研究和实验表明,本文提出的光谱差分异常检测算法可以对复杂背景杂波中暗弱运动点目标进行有效检测,算法检测性能稳定,需要的计算资源少,适合星载仪器的实时目标检测应用。(4)针对目标识别的问题,对光谱时延累加光谱角匹配目标识别算法进行了研究。利用光谱时延累加算法提升民航飞机尾焰光谱的信杂比。用光谱角匹配算法可以对解混后尾焰的光谱进行识别。对解混精度对光谱角匹配性能的影响进行了研究。(5)提出了民航飞机实时监控的星载中波多狭缝高光谱成像仪探测系统方案。对中波多狭缝高光谱成像仪的民航飞机的探测性能进行了仿真研究,在轨道高度500km,幅宽1500km,可以达到的时间分辨率为15min,尾焰特征波段的探测信杂比为20,探测监控全球民航飞机需要的卫星数量为187个,用地基实验验证了3.7-4.8μm波段的探测性能。
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TP391.41;V35
【部分图文】：

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图 1.1 2018 年某时间全球正飞行的航班。图 1.1 内容来自于 Flightware 公司，亮区域表示正处于白天，暗区域表示晚上，统计的航班为安装了 ADS-B 设备的飞行中的民航飞机，大约 1 万个航班，而一天的航班大约有十几万架次，飞机航线分布范围广，雷达较难安装在全球如此广泛的地方对民航飞机进行实时监测。基于 ADS-B、多点定位技术（MLAT）和雷达的全球民航飞机监控覆盖的航线如图 1.2 所示，图片来源于Flightware 公司。

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图 1.2 基于 ADS-B、多点定位技术（MLAT）和雷达的全球民航飞机监控覆盖的航线。雷达可以监控的航线范围最小，ADS-B 系统可以检测的航线范围最大，基于多点定位技术的范围介于雷达和 ADS-B 系统。由于雷达能探测监控的区域有限，而全球航线较多，所以雷达探测监控飞行中民航飞机的手段难以对全球所有航线区域进行实时监控。基于 ADS-B、多点定位技术和雷达的全球民航飞机监控需要在民航飞机配合的情况下才能对民航飞机进行监控。ADS-B 系统和雷达可以在全天时对民航飞机进行监控，但是这些手段需要民航飞机的参与才可以对民航飞机进行实时监控。为了能在民航飞机不参与的情况下对飞行民航飞机进行实时监控，需要一种探测监控手段能在全天时对所有民航飞机进行监控。而星载光电探测手段能够在民航飞机不参与的情况下实现对民航飞机的探测监控，角分辨率小，能对民航飞机坐标进行有效探测[3]，星载光电探测设备能覆盖较大范围，所以星载

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0.4-1.1μm 20nm 1.2mrad 650-700km 0.4-2.5μm 10nm 0.06mrad 0.4-2.5μm 10nm 10m 10km 0.45-0.95μm 5nm 100m 50km成像仪的发展看，主要是在可见近红外波段短波红，这是由于地球背景和大气在可见近红外波段和短球背景和大气在中波波段和长波波段的特征较少，像仪的研究较少。但是民航飞机的尾焰和工业气体，所以需要中波高光谱成像仪进行探测。矿藏和地红外高光谱对地球表面进行探测。Army Research L谱成像仪如图 1.3 所示[47]。双波段高光谱成像仪可以波红外波段进行高光谱成像。

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