專利名稱：一種基于非負矩陣分解的雷達背景圖像實時構造方法
技術領域：
本發明涉及一種基于非負矩陣分解的雷達背景圖像實時構造方法，屬于空域安全監視技術領域，涉及雷達圖像處理與目標檢測。
背景技術：
一次雷達具有成本低、架設方便、獨立工作性強等特點，是空域安全監視的重要手段。一次雷達本身不具備動目標檢測的功能，成熟的雷達監視系統通常采用圖像采集卡將雷達平面位置指示(PPI)圖像傳輸給計算機，再由后端基于圖像的目標檢測算法對其進行處理，從中提取出動目標信息。
目標檢測算法的關鍵是提取出純凈的背景圖像，進而從原始雷達圖像中減去背景信息，保留動目標信息。因為目標處于運動狀態，在雷達圖像序列的每一幀中處于不同的位置，取平均值后會被弱化。傳統的背景圖像構造方法通常采用平均值法，將若干幀原始圖像相加取平均值。但是，雷達圖像序列的幀數有限，由平均值法構造的背景圖像總會保留一定的目標軌跡信息，給目標檢測造成干擾。發明內容
本發明的目的在于提供了一種基于非負矩陣分解的雷達背景圖像實時構造方法， 該方法適用于基于雷達PPI圖像的動目標檢測，基于當前幀圖像實時分離背景信息，徹底剔除目標軌跡干擾。
本發明通過以下技術方案予以實現
本方法采用非負矩陣分解實時構造雷達背景圖像，排除目標運動軌跡干擾，其具體步驟如下
I)建立實時更新的雷達圖像庫
將實時采集的雷達圖像保存至實時更新的圖像庫，該圖像庫只保存最近采集的N (通常設置為N=IO)幀雷達圖像。因此，在保存第k幀圖像的同時需刪除第k-ΙΟ幀圖像。
2)初始值設定
將圖像庫中當前圖像I(k)之前的N幀圖像相加并取平均值，得到背景圖像B(k)，用下式表示
權利要求
1.一種基于非負矩陣分解的雷達背景圖像實時構造方法，其特征在于 1)建立實時更新的雷達圖像庫 將實時采集的雷達圖像保存至實時更新的圖像庫，該圖像庫只保存最近采集的N(通常設置為N=IO)幀雷達圖像。因此，在保存第k幀圖像的同時需刪除第k-ΙΟ幀圖像。
2)初始值設定 將圖像庫中當前圖像I(k)之前的N幀圖像相加并取平均值，得到背景圖像B(k)，用下式表不:(I)JVtf 由當前圖像中減去背景圖像，獲得差分圖像T T(k)=I(k)-B(k)(2)式中 I，B，T 均為 mXn 的二維圖像。
將B(k)和Τω轉換成兩個向量和a2，轉換規則如下a1 = Ia1 [(i-1) · n+j]=B[i, j], i=l, 2，· · ·，m; j = 1，2，· · ·，n}(3) a2={a2[(i-l) · n+j]=T[i, j], i = I, 2,. . . , m; j=l, 2，· · ·，n} 將以上兩個向量放入矩陣Atl=La1, a2]，B1和a2均為mn維向量，作為非負矩陣分解的初始值。
3)非負矩陣分解 采用非負矩陣分解提取背景圖像的實質在于估計兩個非負矩陣A和S，滿足下式 I= A · S(4) 其中I為按照⑶式的規則轉換成的mnX I維向量；A為mnX 2維的矩陣，包含和a2兩個向量，^表示背景圖像，&2表示動目標圖像；S為2X1維的系數向量。A的初始值設置為(3)式獲得的A0, S的初始值設定為S0= [200，200]。
求解非負矩陣A和S，使誤差最小化，由下式計算RQE(A5S) = ||I-AS||；(>) 式中11 · I If為二次范數。
采用層級交互最小二乘法求解非負矩陣A和S，首先定義殘差Ij]S[j] = I - 4S + A[:, j]S[j](6) 式中k=l，2。A[:，j]為矩陣A的第j列向量，A[:，l]代表背景圖像，A[:，2]代表動目標圖像；S[j]為系數向量的第j個元素。
將(6)式代入(5)式，得到RQE(A[:,.4],S[A]) = |lU) - A[:,々]S[/t]|I7) 對上式求偏導，并設置為零，獲得A[:，k]和S[k]的迭代公式 A[:，幻-UW 綱一 A[”M 卜.(8)式中 k=l，2。[ δ ]rn側」U Kr U」[ ,255]限定了每個元素δ 的上下閾值，具體方法如下經過t次迭代，獲得背景圖像的最終結果A[:，I]，將其重新排列為二維圖像B，公式如下Bt={Bt[i, j]=A[(i-l) · n+j, I], i=l, 2,. . . ,m; j=l, 2,. . . , n}(9)。
2.根據權利要求I所述的一種基于空域和時域特性的雷達圖像雜波抑制方法，其特征在于層級交互最小二乘法中設置的迭代次數t通常較小，能夠確保運算的實時性和提取背景圖像的準確性。
全文摘要
本發明涉及一種基于非負矩陣分解的雷達背景圖像實時構造方法。本發明提出的背景圖像構造方法利用非負矩陣分解，從當前幀雷達圖像中實時提取出背景信息，其中非負矩陣分解中的優化方法采用層級交互最小二乘法，初始值由平均值法獲取。本發明克服了傳統方法獲得的背景圖像中含有殘留目標運動軌跡的缺點，從當前幀雷達圖像中分離出的背景圖像不保留任何目標信息；同時本發明所采用的優化方法所需迭代次數少，能夠實現實時處理。
文檔編號G01S7/41GK102928825SQ20121036112
公開日2013年2月13日 申請日期2012年9月25日 優先權日2012年9月25日
發明者寧煥生, 陳唯實, 汪俊 申請人:北京航空航天大學