一种基于峰值提取的历程图增强方法∗

（中国船舶重工集团公司第七一五研究所 杭州 310023）

1 引言

在水声探测过程中，显控台显示的信息非常丰富。这其中，方位历程图显示了目标方位随时间的变化情况，对于目标判读与跟踪至关重要［1］。在被显控台显示之前，历程图包含了许多信息。为了将历程图显示到显控界面上，需先对其进行规格化处理。但由于一个像素点只能显示0～255个灰度级，经过放大后，原始图片信息往往会有一定损失［2～4］。由于能量饱和，在目标主瓣附近会形成连片干扰，导致目标航迹不够清晰［5］。为了解决这一问题，本文提出了一种先通过峰值提取使目标航迹清晰，方位模糊。再通过直方图均衡化对历程图进行处理，使目标航迹更明显的方法。

2 本文方法

为了对历程图中的目标航迹进行增强，本文提出的方法流程如图1所示。

图1 本文方法流程图

首先对基阵数据每一个快拍中的波束形成结果做极值提取，即取出所有极大值点及其对应能量值，得到新的快拍数据。其次，设置合理的阈值，滤除数据中所有低于阈值的低能量干扰。再次，对得到的新历程图做直方图均衡化处理，重新对像素点的灰度值进行分布，提高图片对比度，使细节更清晰。

2.1 峰值提取

方位历程图是由多个快拍的数据累计而成的，之所以在目标附近会出现连片干扰，一个重要的原因是声纳基阵孔径较小、阵元数较少，造成了波束形成时主瓣宽度较宽，从而导致目标方位较模糊，并出现连片干扰。这样的情况在每一个快拍中都会出现，体现在历程图上如图2所示。

图2 干扰对历程图的影响

图2箭头所指处为主瓣附近的连片干扰，可以明显看出干扰对目标航迹显示有较大影响。

通过观察每一快拍数据可以发现，在目标或者潜在目标位置处都会出现峰值，而从函数的角度来考虑，峰值又可以理解为极大值。于是，可以通过较简单的极值提取方法，在每一快拍的目标或潜在目标处仅提取该点最大值，再将其周围背景能量进行降低处理［7～8］，从而得到峰值提取后的结果，如图3所示。

图3 极值峰值提取后单快拍结果

对比图中峰值提取前后的快拍数据，目标方位处显示变得清晰了许多，且0°～180°范围内较低能量的杂波能量也没有丢失。说明峰值提取既能够使目标航迹更清晰，也能保留原始数据中的有用信息。

2.2 阈值检测

对峰值提取后的各峰值点求信噪比，并且设定阈值。将各点信噪比与阈值相比较，滤除较低能量的杂波干扰，降低虚警概率［2］。

图4 峰值提取与阈值检测后单快拍结果

阈值检测结果如图4所示，从图4与图3的对比可以发现，图3中分布在0°～180°附近的大量低能量杂波均已被滤除。由此，目标航迹附近的干扰进一步减少。

2.3 直方图均衡化

图像的细节不够清晰、对比度不足主要是由于经过规格化后的图像灰度值分布不均匀。当直方图的组成成分集中于灰度较低的一侧时，图片会显得比较暗；当直方图的组成成分集中于灰度较高的一侧时，图片会显得比较亮；当直方图表示的成分集中在中间区域，图片的对比度会较差。只有当直方图覆盖了很宽的灰度级范围时，才能呈现出对比度较高的清晰图像。直方图均衡化（Histogram Equalization，HE）正是通过扩展图片的灰度级分布，使灰度级分布更均匀，从而达到增强图像的清晰度和对比度［9～12］。

假设图片中所有像素对应的灰度级为［0，L-1］，那么该图片的直方图就可以表示为

其中，rk表示第k级灰度，nk表示图像中灰度级为第k级所对应的像素个数。假设图片中所有的像素总数为n，那么该图片的直方图可以表示为

为了使得到的新图像满足前文提到的直方图分部要求，则需要通过开发一个变换函数来对原图像进行处理，使它的直方图分布变得均匀。假设图像中的各像素的灰度级是连续的，且原始图像的灰度级由r表示，且它的值经过归一化后的区间为［0，1］。则现定义所需要的灰度级变换函数为

其中，s表示变换后的像素点灰度值，它与原始图像中的灰度值呈一一对应关系。为了使变换后的图像还可以通过逆变换恢复原图，T(r)需要满足在区间［0，1］上单值。同时，为了防止输出图像出现黑白颠倒的情况，T(r)需要满足在［0，1］上单调递增，且它的取值也在［0，1］。

于是，可以进一步得到变换函数为

当我们把这个函数推广到离散值的时候，式（5）可以表示为

于是，就可以利用式（6）对原始图像进行处理，得到重新分布直方图后的图像。

3 实验结果及分析

为了验证方法的可行性，选取了某次湖试艏端阵数据中的200帧进行处理分析。

图5（b）是经过峰值提取与阈值检测后的结果，与图5（a）对比可以发现，原本主瓣较宽产生的连片干扰得到了很大程度的抑制，目标轨迹变得更清晰。

图5 实验数据处理结果

图5（c）是在图5（b）的基础上运用了直方图均衡化的处理结果，将两图处理结果经对比可以看出因为灰度的重新分布，对比度得到了增强，目标航迹显得更明亮更明显。但是，其中一些干扰杂波也被显示出来。

4 结语

方位历程图能够以最直观的方式反馈目标航迹信息，所以在显示控制中非常重要。但在实际操作中，因为存在空间滤波能力限制和灰度分布不均匀等问题，历程图所显示的目标航迹往往会不够清晰，不能更精确地反映目标状态。本文通过结合极值峰值提取和直方图均衡化的方法，在较小运算量的基础上提高历程图清晰度，抑制了干扰，使像素灰度分布更均匀，效果明显。

在直方图均衡化后的结果中，由于重新对像素灰度进行了分布，还是存在一些低能量杂波被放大的情况。但是如果在原始历程图中有一个能量较弱的目标，那么通过直方图均衡化可以将该目标也显现出来。未来主要研究方向就是集中在如何消除这些弱能量杂波干扰。