中值反差滤波在返回散射电离图前沿提取中的应用

华彩成,冯 静,李 雪,郭延波

(中国电波传播研究所,青岛 266107)

工程与应用

中值反差滤波在返回散射电离图前沿提取中的应用

华彩成,冯 静,李 雪,郭延波

(中国电波传播研究所,青岛 266107)

返回散射电离图包含着丰富的电离层状态信息,能够为以电离层为传播媒介的高频应用系统提供实时的电离层参数,其中一个重要的参数便是最小时延线,即前沿。本文提出了一种新型的方法用于返回散射电离图的信息判读,方法利用中值反差滤波对返回散射电离图进行过滤,保留电离层的前沿位置信息,然后利用形态学图像处理中的腐蚀和膨胀运算将电离层的前沿描迹提取出来。此方法避免了传统算法中繁琐的同频干扰抑制和噪声去除操作,整个处理过程更加简易明了。结果显示,这种方法不但可以提高处理速度,而且还能够很好地提取出返回散射电离图前沿的位置,能够满足工程应用的实时性,具有良好的应用前景。

返回散射电离图；中值反差滤波；前沿描迹

0 引 言

短波的远距离传播一般以无线电波在地面和电离层之间连续的反射方式进行，返回散射探测利用无线电波的传播方式，将无线电波斜投射到电离层，电波被电离层反射到远方地面，由于地面不是均匀的理想反射体，各部分的电特性的不同和地面的崎岖不平，会造成电波的散射，散射信号中有一部分可循原来的（或其他可能的）路径返回到发射点，被放置在那里的接收机接收，这就是返回散射的探测原理。相较于垂测探测和斜向探测而言，返回散射探测具有探测距离远、覆盖范围广的特点。目前返回散射探测主要有几下几点应用[1-13]：（1）短波无线电覆盖区域的监视；（2）短波电路上的工作条件的监视和预报；（3）为天波超视距雷达频率管理系统提供重要的选频依据；（4）利用扫频返回散射回波图的前沿线推算电离层的结构。返回散射探测的上述应用，完全依赖于返回散射电离图信息的准确、实时判读提取。返回散射电离图前沿的正确提取，对电离层的结构判断和最高可用频率的确定等都有十分重要的影响。尤其在天波超视距雷达的频率管理系统中，需要对电离层的最高可用频率及信道可用度有实时的报道，因此，准确的提取返回散射电离图的前沿信息非常有必要。

返回散射在探测的过程中，接收到的信号主要来自于大面积的地面和海面的后向散射，途经电离层的两次反射被接收机接收。由于电波在传播过程中，受到来自外界的污染，因此接收到的信号中包含了很多信息，如其它短波用户的同频干扰、噪声污染等，同时，在传播过程中的损耗也会削弱接收到的信号能量。发射机功率的增加会带来距离旁瓣等一系列问题，所以电离层的实时信息的实时识别存在一定的困难。国内目前此方面的研究参考文献较少，程晓梅[14]等进行了返回散射电离图的去噪的工作，但测量需在高信噪比的保障条件下进行，在处理的过程中对有效的信号损失较大；冯静、李雪[15-17]等提出了一整套返回散射的处理方法，并成功的运用到中国电波传播研究所的电波环境系统中，但算法的过程中要进行独立的同频干扰和噪声的去除。郭延波、杨东升[18-20]等提出了基于小波去噪结合自适应阈值的Canny算子进行返回散射电离图前沿提取的方法，但是计算过程较复杂。

本研究以中国电波传播研究所研制的电离层返回散射系统为平台，对采集到的典型状态下的返回散射数据进行分析研究，提出一套基于返回散射电离图的电离层前沿描迹识别算法。

平台采集到的典型的正常状态下的返回散射电离图如图1所示，采集时间为2015年03月11日10时，由图1所示可以看出，电离图中包含了主信号区域、较强的同频干扰、分散的背景噪声等。

1 返回散射前沿能量聚焦

返回散射信号最重要的特性就是能量幅度的分布与时延之间的关系，如图2所示的固定频率上的A型图，它是确定最高可用频率和判读前沿线位置的重要依据。

图1 典型的正常状态下的返回散射电离图

图2 返回散射信号的A型图

回波前沿陡峭的特性说明能量较强，一般认为，造成后向散射信号的这种特性的原因是由于两种不同的聚焦：电离层的球形聚焦和时间聚焦。前者又称空间聚焦，类似于凹形反射镜的聚光灯对光线的聚焦。时间聚焦现象是返回散射独有的特性，它类似于前向传播时电波在静区（或跳距）边界上的角聚焦，使入射角有明显的变化时，射线时延变化仍很小，因此大角度范围内的功率密度集中在较短的一段时间内。当无线电波从这一段地面发生散射并沿原路径返回传播时，重复这种时间上的“压缩”现象，造成了返回散射的信号具有很陡的前沿。

由于返回散射回波信号具有这种独特的聚焦特性，利用这种特性将前沿部分分割出来。

2 中值反差滤波器

用于图像处理的滤波窗都有着不同的作用，中值滤波窗可以将一些独立的散点去除，均值滤波窗可以填补图像中的空缺点等。由返回散射电离图可以看出，在整个电离图距离上分布着离散的噪点和干扰信息，然而，这些存在的信息将会对电离层的参数提取工作起到误导作用。为略去图1中的噪声及同频干扰的影响，以中值滤波窗为基础，定义中值反差滤波器如下[21-23]：

式中X代表原始图像数组，Xsize代表经过滤波器后的数组，in，out，dc为滤波器的尺寸变量，其定义如下图所示。

图3 输入、输出和忽略区（don,t care）的示意图

由三个变量的示意图可以看出，当幅度值位于2in和2dc之间时，才会被滤波器保留，极大值与极小值均处于2in以内或者2dc以外，滤波器将这部分数据滤除掉。

3 图像处理

将上述滤波器，用于图1所示的返回散射电离图上，在处理过程中，以返回散射数据的群距离为过滤目标，在每个信道上运行滤波器，在运行过程中，设置尺寸参数in=15，dc=20，out=30。

由图4可以看出，经过滤波器处理过的电离图中，有一条明显的梯度线分布在整个画布上，底部的准垂测信号、部分流星余迹都得到保留。由于一些某些信道上的梯度信息较弱，对整幅电离图数据进行归一化处理。

图4 滤波器滤除后的返回散射电离图

Xnorm代表归一化后的输出结果，i表示信道标识，j表示群距离标识。图5是对整幅电离图做完归一化后的结果。

图5 归一化后的返回散射电离图

在归一化后的电离图中可以看到，电离层的F层前沿处的梯度有较清晰的展现，在电离图的下方存在的准垂测信号、直达波以及流星干扰余迹也保留的较完整，但对于电离层的前沿描迹提取来说，这些信息的存在时无关紧要的，所以在前沿的提取过程中可以将这些去掉。

4 前沿描迹提取

以得到的归一化后的电离图为基础，对前沿描迹进行提取，首先将存在的其它类型的信号滤除掉，如准垂测信号、直达波信号等。

根据此类型的信号的分布特性，由距离信息将波形信息去除，并利用门限阈值法过滤电离图，图6为滤除完直达波和准垂测信号并经过门限阈值过滤的返回散射电离图。

图6 预处理后的返回散射电离图

由图示看出，经过门限阈值的过滤后的电离图图6（b）有一条明显的描迹存在。得到图6（b）所示的电离图后，利用形态学图像处理中的开操作处理方式，对电离图进行膨胀、腐蚀[24]处理，并在处理后的图像上进行前沿描迹数据的提取，下图是提取的前沿参数，画在图6（b）上。

由图7所示可以看出。初步提取的前沿数据中存在一些零值点，以数组中的非零数值为基数，对初步提取到的数据进行二项式拟合，将拟合后的前沿线描迹画在返回散射原始电离图上，如图8所示。

由图8所示可以看出，拟合后的前沿描迹是一条连续、平滑的曲线，在距离上随着频率单调递增的，且可以很好的将电离层的信号区域和不可探测区域分割开，完全符合电离层分布特性。

图7 初步提取的前沿数据在处理后的电离图上的分布示意图

图8 拟合后的返回散射电离图的前沿描迹分布

5 结 语

电离层的实时参数特性一般情况下都是以实时的电离图来进行提取或者预报，由于电离层的时变性和不稳定性，给电离图的处理带来了一定的困难。本文提出的新型的滤波器可以很好的应用在以返回散射电离图为基础的电离层参数提取上，滤波器利用电离层的前沿能量聚焦特性，对电离图进行过滤处理，可以得到一条明显的电离层前沿描迹的位置分布，并且利用形态学图像处理的膨胀和腐蚀方法将描迹提取出来。结果显示，提取出的前沿描迹可以很好的符合电离层的分布形态。

由于受到季节、地点等因素的影响，电离层的变化较大，会导致返回散射测量在能量、距离或者其他的特征参量上的变化，在返回散射电离图上会呈现出不同类型的回波特性，后续工作会针对于电离图的多样性研究分析，提高算法的图像处理质量。

[1] EARL G F，WARD B D.The Frequency Management System of the Jindalee Over-the-horizon Backscatter HF Radar[J].Radio Science，1987（22）：275-291.

[2] CROFT TA.Sky-wave Backscatter：A Means for Observing Our Environment at Great Distances[J].Reviews of Geophysics and Space Physics，1972（10）：73-155.

[3] COLEMAN C J.On the Simulation of Backscatter Ionograms[J].Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics，1997（59）：2089-2099.

[5] 司家才，焦培南.电离层赤道异常对返回散射电离图的影响[J].地球物理学报，1993，36（2）：149-156.

[6] 焦培南.利用高频返回散射技术探测远地核爆炸电离层效应[J].地球物理学报，1986，29（5）：425-431.

[7] 柳文，焦培南，王俊江，等.利用射线追踪研究电离层扰动[J].地球物理学报，2005，48（3）：465-470.

[8] 柳文，焦培南，王世凯，等.一种基于HF返回散射电离图推断Es层参数的新方法[J].电波科学学报，2008，23（4）：662-668.

[10]焦培南.1987年9月23日日环食的电离层波动现象[J].地球物理学报，1990，33（4）：391-398.

[11]孙广俊，齐东玉，李铁成.利用返回散射系统监测海洋回波[J].电子学报，2005，33（7）：1334-1337.

[12]ARIKAN，et al.Algorithm for High Quality Ionograms. Electronics Letter[J].2000，36（11）：985-987.

[13]BARTLETT A，GALLAGHER M.Extraction，Analysis and Interpretation of Digital Ionograms[J].IEE HF Radio Systems and Technique，1994，39（2）：278-282.

[14]程晓梅，郭宝华.返回散射电离图干扰噪声的消除方法[J].空间科学学报，1994，14（2）：160-162.

[15]冯静，李雪，齐东玉.返回散射电离图的前沿提取方法[J].空间科学学报，2012，32（4）：524-531.

[16]齐东玉，冯静，李雪.返回散射电离图噪声和干扰的自动消除方法[J].地球物理学进展，2011，26（6），1925-1930.

[17]冯静，齐东玉，李雪等.返回散射电离图传播模式的自动识别方法[J].电波科学学报，2014，29（1）：188-194.

[18]郭延波，杨东升，李雪等.基于小波去噪的返回散射电离图前沿提取[J].中国电子科学院学报，2014，9（1），81-84.

[19]杨东升，焦培南，程延峰等.基于返回散射和斜侧电离图联合反演电离层参数[J].中国电子科学研究院学报，2010，5（5）：503-507.

[20]杨东升，焦培南，柳文等.一种改进的电离层参数联合反演方法[J].中国电子科学研究院学报，2011，6（4）：406-410.

[21]江小平，陈少波，张华等.一维均值反差滤波的小目标快速检测算法[J].红外与激光工程，2010，39（6）.

[22]陈振学，汪国有，马于涛等.基于均值反差滤波的红外小目标检测算法[J].武汉大学学报（信息科学版），2007，32（6）.

[23]THEERA N.On Ionogram Enhancement using Size-contrast Filtering[J].International Symposium on Earth’s Atmosphere，2004，31（10）：456-460.

[24]冈萨雷斯[美]，阮秋琦[译]数字图像处理[M].电子工业出版社，2004，420-431.

华彩成(1987—),男,山东郓城人,硕士,主要研究方向为电磁波传播及电离层相关的图像处理工作；

E-mail：hua.caicheng@163.com

冯 静(1981—),女,山东人,硕士,主要研究方向为电离层物理及电磁波传播等相关工作；

李 雪(1981—),男,黑龙江人,博士,主要研究方向为电离层回波信号处理,雷达信号处理等；

郭延波(1981—),男,河南孟州人,硕士,主要研究方向为海杂波模拟及电离层相关图像处理工作。

App lication of M edian-contrast Filtering on Extracting the Leading Edge from an Backscatter Ionogram

HUA Cai-cheng，FENG Jing，LIXue，GUO Yan-bo
（Institute of Radiowave Propagation，Qingdao 266107，China）

The ionosphere plays an important role in high-frequency radio application systems.Backscatter ionograms contain useful information of the ionosphere and the leading edgeson them are important parameters.A new technique is proposed to extractuseful parameters from backscatter ionograms.The algorithm is based on themedian-contrast filter.Firstly，the filter is utilized to process the ionogram to obtain a clearer leading edge.Then，the leading edge is extracted by the erosion and dilation operations in binarymathematicalmorphology.This algorithm circumvents the process of reducing the radio frequency interferences and random noises and appears concise.The results show that this algorithm is effective to obtainthe leading edge from an backscatter ionogram.

backscatter ionogram；median-contrast filter；leading edge

TN011.2

A

1673-5692（2015）04-401-05

10.3969/j.issn.1673-5692.2015.04.013

2015-04-11

2015-07-14

国家自然科学基金青年科学基金项目（61302006），国防技术基础项目（JSJC2013210C054），国防技术基础项目（H3120023D003，国防技术基础项目（JSHS2014210A002）