本發(fā)明屬于雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別技術(shù)領(lǐng)域,特別涉及一種sar目標(biāo)識(shí)別方法,可用于sar圖像的分類(lèi)。
背景技術(shù):
合成孔徑雷達(dá)sar是一種利用微波進(jìn)行感知的主動(dòng)傳感器,其成像不受客觀因素如光照、氣候的影響,可以全天時(shí)、全天候地對(duì)目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè),無(wú)論在民用領(lǐng)域還是在軍事領(lǐng)域都具有很高的利用價(jià)值。sar圖像中除包含目標(biāo)外,還包含大量的雜波,加之sar圖像中還包含大量的相干斑,這使得對(duì)sar圖像的檢測(cè)、鑒別和識(shí)別變得十分困難;另外,由于sar目標(biāo)的配置不同和所處環(huán)境的復(fù)雜性,不可能得到所有情況下的訓(xùn)練樣本。因此,如何提高sar目標(biāo)的識(shí)別性能是雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別中的一個(gè)重要研究方向。
在sar目標(biāo)識(shí)別方法中主要分以下幾種:
一是基于模板匹配的方法;
二是基于模型的方法;
三是基于稀疏表示的分類(lèi)方法;
四是基于分類(lèi)器設(shè)計(jì)的方法,如k近鄰分類(lèi)器,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類(lèi)器,支持向量機(jī)等等。
所述支持向量機(jī),它是一種基于統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論的分類(lèi)算法,其通過(guò)引入核函數(shù),巧妙地解決了高維空間中的內(nèi)積運(yùn)算問(wèn)題,使得核支持向量機(jī)在小樣本、非線性及高維度模式識(shí)別問(wèn)題中表現(xiàn)出了特有的優(yōu)點(diǎn)。
這種將單一數(shù)據(jù)特征結(jié)合支持向量機(jī)而成的分類(lèi)器稱(chēng)為單核學(xué)習(xí)支持向量機(jī),由于不同的數(shù)據(jù)特征表征數(shù)據(jù)的相似性和區(qū)分性的能力不同,選取不同的數(shù)據(jù)特征,單核學(xué)習(xí)支持向量機(jī)會(huì)表現(xiàn)出完全不同的分類(lèi)性能,因此,單核學(xué)習(xí)支持向量機(jī)僅能表現(xiàn)出某一數(shù)據(jù)特征的特性,不能體現(xiàn)出各數(shù)據(jù)特征之間的關(guān)聯(lián)性,從而影響分類(lèi)器的分類(lèi)性能,使得目標(biāo)識(shí)別率下降。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足問(wèn)題,提出一種基于貝葉斯多核學(xué)習(xí)支持向量機(jī)的sar目標(biāo)識(shí)別方法,以提高目標(biāo)識(shí)別性能。
本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的:
一、技術(shù)思路
本發(fā)明將貝葉斯推斷與多核學(xué)習(xí)方法相結(jié)合,針對(duì)不同數(shù)據(jù)特征的選取問(wèn)題,引入多核學(xué)習(xí)方法,它具有很好的泛化能力和更強(qiáng)的學(xué)習(xí)能力;同時(shí),用貝葉斯推斷推理出支持向量機(jī)原始問(wèn)題的解。其實(shí)現(xiàn)方案是:首先,對(duì)原始sar圖像進(jìn)行預(yù)處理,得到圖像域、頻域和稀疏系數(shù)三種數(shù)據(jù)特征并分別計(jì)算對(duì)應(yīng)徑向核函數(shù)rbf的核矩陣;再次,使用多核學(xué)習(xí)算法將三種核矩陣進(jìn)行組合;最后,用訓(xùn)練數(shù)據(jù)的組合核矩陣推理貝葉斯模型并得到最優(yōu)解,并對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的組合核矩陣分類(lèi),其實(shí)現(xiàn)步驟包括如下:
(a)sar圖像預(yù)處理步驟:
a1)輸入一幅原始sar圖像:i={imn|1≤m≤m,1≤n≤n},其中,imn表示原始sar圖像的幅度像素值,m表示sar圖像的行數(shù),n表示sar圖像的列數(shù);
a2)對(duì)原始sar圖像i進(jìn)行二值分割,并計(jì)算獲得sar圖像的質(zhì)心
a3)將原始sar圖像i進(jìn)行圓周移位,使質(zhì)心
a4)對(duì)配準(zhǔn)圖像i1依次進(jìn)行對(duì)數(shù)變換、中值濾波和圖像截取,得到sar圖像的圖像域特征i2,并將圖像域特征i2列向量化;
a5)對(duì)配準(zhǔn)圖像i1做圖像截取和二維傅立葉變換,并將零頻移至圖像中心,得到頻域特征i3,并將頻域特征i3列向量化;
a6)分別對(duì)sar圖像訓(xùn)練集和測(cè)試集重復(fù)過(guò)程a1)~a4)得到圖像域特征的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集ttr和測(cè)試數(shù)據(jù)集tte;
a7)分別對(duì)sar圖像訓(xùn)練集和測(cè)試集重復(fù)過(guò)程a1)~a5)得到頻域特征的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集ptr和測(cè)試數(shù)據(jù)集pte;
a8)使用ksvd算法對(duì)圖像域特征訓(xùn)練集ttr學(xué)習(xí),得到字典d和與ttr對(duì)應(yīng)的稀疏系數(shù)特征訓(xùn)練數(shù)據(jù)集str,結(jié)合字典d和圖像域特征測(cè)試數(shù)據(jù)集tte,使用omp算法計(jì)算得到稀疏系數(shù)特征測(cè)試數(shù)據(jù)集ste;
(b)多核學(xué)習(xí)步驟:
b1)使用徑向核函數(shù)rbf,結(jié)合圖像域特征訓(xùn)練數(shù)據(jù)集ttr和測(cè)試數(shù)據(jù)集tte,計(jì)算得到圖像域特征訓(xùn)練數(shù)據(jù)集的核矩陣kttr(ttr,ttr)和圖像域特征測(cè)試數(shù)據(jù)集核矩陣ktte(ttr,tte);
b2)使用徑向核函數(shù)rbf,結(jié)合頻域特征訓(xùn)練數(shù)據(jù)集ptr和測(cè)試數(shù)據(jù)集pte,計(jì)算得到頻域特征訓(xùn)練數(shù)據(jù)集的核矩陣kptr(ptr,ptr)和頻域特征測(cè)試數(shù)據(jù)集核矩陣kpte(ptr,pte);
b3)使用徑向核函數(shù)rbf,結(jié)合稀疏系數(shù)特征訓(xùn)練數(shù)據(jù)集str和測(cè)試數(shù)據(jù)集ste,計(jì)算得到稀疏系數(shù)特征訓(xùn)練數(shù)據(jù)集的核矩陣kstr(str,str)和稀疏系數(shù)特征測(cè)試數(shù)據(jù)集核矩陣kste(str,ste);
b4)結(jié)合步驟b1)~b3)中計(jì)算得到的三種特征的訓(xùn)練集核矩陣和測(cè)試集核矩陣,使用核組合方法計(jì)算獲得sar圖像訓(xùn)練集的組合核矩陣ktr(v',vtr)和測(cè)試集的組合核矩陣kte(v',vte),其中,v'表示基向量集,vtr表示sar圖像訓(xùn)練數(shù)據(jù)集,vte表示sar圖像測(cè)試數(shù)據(jù)集;
(c)貝葉斯推理步驟:
c1)使用sar圖像訓(xùn)練集的組合核矩陣ktr(v',vtr)建立貝葉斯多核學(xué)習(xí)支持向量機(jī)模型;
c2)使用期望最大化算法em求解貝葉斯多核學(xué)習(xí)支持向量機(jī)模型,獲得貝葉斯多核學(xué)習(xí)支持向量機(jī)模型的最優(yōu)解β';
c3)使用步驟c2)中得到的貝葉斯多核學(xué)習(xí)支持向量機(jī)模型的最優(yōu)解β',結(jié)合sar圖像測(cè)試集的組合核矩陣kte(v',vte),計(jì)算得到sar圖像目標(biāo)類(lèi)別標(biāo)號(hào)yte。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比,具有如下優(yōu)點(diǎn):
本發(fā)明將貝葉斯支持向量機(jī)模型與多核學(xué)習(xí)方法相結(jié)合,提出了基于貝葉斯多核學(xué)習(xí)支持向量機(jī)的sar目標(biāo)識(shí)別方法,使得多核學(xué)習(xí)方法在選取數(shù)據(jù)特征方面優(yōu)于單核學(xué)習(xí)方法,更能體現(xiàn)出不同數(shù)據(jù)特征之間的關(guān)聯(lián)性,顯著地提高了目標(biāo)識(shí)別性能。
附圖說(shuō)明
圖1為本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)流程圖;
圖2為本發(fā)明中對(duì)sar圖像預(yù)處理過(guò)程示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施步驟和效果做進(jìn)一步說(shuō)明:
參照?qǐng)D1本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)步驟如下。
步驟1,對(duì)sar圖像進(jìn)行預(yù)處理及核矩陣計(jì)算。
1a)輸入一幅如圖2(a)所示的原始sar圖像:i={imn|1≤m≤m,1≤n≤n},其中,imn表示原始sar圖像的幅度像素值,m表示sar圖像的行數(shù),n表示sar圖像的列數(shù);
1b)使用變冪次ostu分割算法對(duì)原始sar圖像i進(jìn)行二值分割,得到分割后的sar圖像i';
1c)將分割后的sar圖像i'和原始sar圖像i進(jìn)行點(diǎn)乘計(jì)算,得到的點(diǎn)乘后sar圖像如圖2(b)所示,并計(jì)算點(diǎn)乘后sar圖像的質(zhì)心
式中,i'mn表示點(diǎn)乘后sar圖像的像素值;
1d)將原始sar圖像i進(jìn)行圓周移位,使得質(zhì)心
1e)對(duì)配準(zhǔn)sar圖像i1進(jìn)行圖像截取得到截取sar圖像i0,如圖2(d)所示;
1f)對(duì)截取sar圖像i0做對(duì)數(shù)變換得到對(duì)數(shù)sar圖像i”',如圖2(e)所示;
1g)對(duì)對(duì)數(shù)sar圖像i”'做中值濾波處理,獲得圖像域特征i2,如圖2(f)所示,將圖像域特征i2列向量化;
1h)對(duì)配準(zhǔn)sar圖像i1做圖像截取和二維傅立葉變換,并將零頻移至圖像中心,得到頻域特征i3,并將頻域特征i3列向量化;
1i)分別對(duì)原始sar圖像的訓(xùn)練集和測(cè)試集重復(fù)1a)~1g),得到圖像域特征的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集ttr和測(cè)試數(shù)據(jù)集tte;
1j)分別對(duì)原始sar圖像的訓(xùn)練集和測(cè)試集重復(fù)1a)~1h),得到頻域特征的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集ptr和測(cè)試數(shù)據(jù)集pte;
1k)使用ksvd算法對(duì)圖像域特征訓(xùn)練集ttr學(xué)習(xí),得到字典d和與ttr對(duì)應(yīng)的稀疏系數(shù)特征訓(xùn)練數(shù)據(jù)集str,結(jié)合字典d和圖像域特征測(cè)試數(shù)據(jù)集tte,使用omp算法計(jì)算得到稀疏系數(shù)特征測(cè)試數(shù)據(jù)集ste。
步驟2,對(duì)步驟1中得到的三種sar圖像特征進(jìn)行多核學(xué)習(xí)計(jì)算。
2a)使用徑向核函數(shù)rbf,結(jié)合圖像域特征訓(xùn)練數(shù)據(jù)集ttr和測(cè)試數(shù)據(jù)集tte,計(jì)算得到圖像域特征訓(xùn)練數(shù)據(jù)集的核矩陣kttr(ttr,ttr)和圖像域特征測(cè)試數(shù)據(jù)集核矩陣ktte(ttr,tte),其中徑向核函數(shù)rbf表示如下:
式中,q'和q表示同一空間的兩個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn),k(q',q)表示計(jì)算得到的徑向核函數(shù)值,σ表示徑向核函數(shù)參數(shù);
2b)使用徑向核函數(shù)rbf,結(jié)合頻域特征訓(xùn)練數(shù)據(jù)集ptr和測(cè)試數(shù)據(jù)集pte,計(jì)算得到頻域特征訓(xùn)練數(shù)據(jù)集的核矩陣kptr(ptr,ptr)和頻域特征測(cè)試數(shù)據(jù)集核矩陣kpte(ptr,pte);
2c)使用徑向核函數(shù)rbf,結(jié)合稀疏系數(shù)特征訓(xùn)練數(shù)據(jù)集str和測(cè)試數(shù)據(jù)集ste,計(jì)算得到稀疏系數(shù)特征訓(xùn)練數(shù)據(jù)集的核矩陣kstr(str,str)和稀疏系數(shù)特征測(cè)試數(shù)據(jù)集核矩陣kste(str,ste);
2d)結(jié)合步驟2a)~2c)中計(jì)算得到的三種特征的訓(xùn)練集核矩陣,使用核組合方法計(jì)算獲得sar圖像訓(xùn)練集的組合核矩陣ktr(v',vtr):
ktr(v',vtr)=ηtkttr(ttr,ttr)+ηpkptr(ptr,ptr)+ηskstr(str,str)
式中,ηt表示圖像域特征數(shù)據(jù)集核矩陣的組合系數(shù),取值為0.5,
ηp表示頻域特征數(shù)據(jù)集核矩陣的組合系數(shù),取值為0.5,
ηs表示稀疏系數(shù)特征核矩陣的組合系數(shù);取值為0.5;
2e)結(jié)合步驟2a)~2c)中計(jì)算得到的三種特征的測(cè)試集核矩陣,使用核組合方法計(jì)算獲得sar圖像測(cè)試集的組合核矩陣kte(v',vte):
kte(v',vte)=ηtktte(ttr,tte)+ηpkpte(ptr,pte)+ηskste(str,ste)。
步驟3,構(gòu)建貝葉斯多核學(xué)習(xí)支持向量機(jī)模型。
3a)給定樣本集
式中,第一項(xiàng)為正則項(xiàng),第二項(xiàng)為懲罰項(xiàng);
3b)根據(jù)拉格朗日對(duì)偶性得到支持向量機(jī)svm最大邊緣分類(lèi)器的增廣權(quán)值解
將
令式中βj=αjyj,
式中,
3c)構(gòu)造正則項(xiàng)為
式中,κ表示調(diào)和參數(shù);
3d)計(jì)算目標(biāo)函數(shù)中正則項(xiàng)負(fù)數(shù)的指數(shù),并將其定義為偽先驗(yàn)分布函數(shù):
3e)計(jì)算目標(biāo)函數(shù)中的最終的懲罰項(xiàng)負(fù)數(shù)的指數(shù),將其定義為偽似然分布函數(shù):
式中,y=(y1,…,yl,…,yl),δ'表示訓(xùn)練樣本矩陣;
3f)根據(jù)步驟3d)和步驟3e)中的計(jì)算結(jié)果,得到偽后驗(yàn)分布函數(shù):
p(β|y,k(δ,δ'))∝p(β)p(y|β,k(δ,δ')),
3h)用sar圖像訓(xùn)練數(shù)據(jù)集的組合核矩陣ktr(v',vtr)替換步驟3f)中的k(δ,δ'),建立貝葉斯多核學(xué)習(xí)支持向量機(jī)模型:
p(β|y,ktr(v',vtr))∝p(β)p(y|β,ktr(v',vtr))
式中,ktr(v',vtr)=(ktr(v',v1),…,ktr(v',vl),…,ktr(v',vl)),ktr(v',vl)表示基向集與訓(xùn)練樣本做內(nèi)積計(jì)算后構(gòu)成的向量,p(y|β,ktr(v',vtr))為引入組合核矩陣后的偽似然分布函數(shù),其中:
步驟4,求解貝葉斯多核學(xué)習(xí)支持向量機(jī)模型。
4a)用含λl的積分表達(dá)式表征步驟3h)中引入組合核矩陣后的偽似然分布函數(shù):
其中,偽似然分布函數(shù)有下關(guān)系式:
p(yl|β,ktr(v',vl))=∫p(yl,λl|β,ktr(v',vl))dλl
其中,vl表示訓(xùn)練樣本,λl表示隱變量,p(yl,λl|β,ktr(v',vl))為加入隱變量后的偽似然分布函數(shù);
4b)根據(jù)步驟4a)中加入隱變量后的偽似然分布函數(shù),在貝葉斯多核學(xué)習(xí)支持向量機(jī)模型中引入新變量λ,得到新的關(guān)系表達(dá)式:
p(β,λ|y,ktr(v',vtr))∝p(β)p(y,λ|β,ktr(v',vtr))
其中,
式中,λ表示隱變量向量,λ=(λ1,…,λl,…,λl);
4c)根據(jù)步驟4b)中的新的關(guān)系表達(dá)式得到λ的后驗(yàn)分布函數(shù):
式中,
4d)根據(jù)4c)中得到的λ的后驗(yàn)分布函數(shù),得到λl的條件后驗(yàn)分布:
式中,
式中,
4e)根據(jù)4d)中
4f)根據(jù)步驟4b)中得到的新的關(guān)系表達(dá)式和4e)中得到的
式中,m表示第m次迭代次數(shù),i表示單位矩陣,
4g)設(shè)定最大迭代次數(shù)為m',重復(fù)步驟4f),當(dāng)?shù)螖?shù)達(dá)到m'時(shí)迭代停止,最終得到貝葉斯多核學(xué)習(xí)支持向量機(jī)模型的最優(yōu)解β':
步驟5,計(jì)算得到sar圖像目標(biāo)識(shí)別類(lèi)別標(biāo)號(hào)。
5a)利用步驟4g)中得到的貝葉斯多核學(xué)習(xí)支持向量機(jī)模型的最優(yōu)解β',結(jié)合sar圖像測(cè)試數(shù)據(jù)集kte(v',vte),使用下式得到sar圖像目標(biāo)識(shí)別標(biāo)號(hào)yte:
yte=sgn(β'tkte(v',vte))
式中,sgn(·)表示符號(hào)函數(shù)。
至此,完成對(duì)sar目標(biāo)的分類(lèi)。
本發(fā)明的效果通過(guò)以下對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步說(shuō)明:
1.實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景與參數(shù):
實(shí)驗(yàn)中所用的數(shù)據(jù)為公開(kāi)的動(dòng)態(tài)與靜態(tài)目標(biāo)獲取與識(shí)別mstar數(shù)據(jù)集。在該數(shù)據(jù)集中,選取17°俯仰角下bmp2sn9563、btr70c71、t72sn132型號(hào)圖像數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練數(shù)據(jù),15°俯仰角下7種型號(hào)圖像數(shù)據(jù)作為測(cè)試數(shù)據(jù),稱(chēng)bmp2sn9566、bmp2snc21為bmp2sn9563的變體,t72sns7、t72sn812為t72sn132的變體,原始圖像尺寸為128×128。
本實(shí)驗(yàn)所用的數(shù)據(jù)類(lèi)型及樣本數(shù)如表1所示:
表1mstar實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)定如下:
sar圖像經(jīng)預(yù)處理后的圖像尺寸大小為63×63;圖像域特征對(duì)應(yīng)的徑向核參數(shù)σt=1,頻域特征對(duì)應(yīng)的徑向核參數(shù)σp=0.1,稀疏系數(shù)特征對(duì)應(yīng)的徑向核參數(shù)σs=1,貝葉斯多核學(xué)習(xí)支持向量機(jī)模型中新的調(diào)和參數(shù)κ=0.01;
2.本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與結(jié)果:
用本發(fā)明方法與其他現(xiàn)有的5種方法對(duì)mstar三類(lèi)數(shù)據(jù)集進(jìn)行分類(lèi),其中第1種是線性支持向量機(jī),第2種是單核學(xué)習(xí)支持向量機(jī),第3種是多核學(xué)習(xí)支持向量機(jī),第4種是貝葉斯支持向量機(jī),第5種是貝葉斯單核學(xué)習(xí)支持向量機(jī);
用本發(fā)明方法進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別的實(shí)驗(yàn)步驟如下:
首先,對(duì)實(shí)驗(yàn)中的mstar三類(lèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,并使用徑向核函數(shù)計(jì)算得到三種特征核矩陣,即圖像域特征核矩陣、頻域特征核矩陣和稀疏系數(shù)特征核矩陣;
接著,使用組合核方法對(duì)這三種特征核函數(shù)矩陣進(jìn)行組合,得到mstar三類(lèi)數(shù)據(jù)的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集和測(cè)試數(shù)據(jù)集;
然后,將mstar三類(lèi)數(shù)據(jù)的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集分別代入到貝葉斯多核學(xué)習(xí)支持向量機(jī)的最優(yōu)解的表達(dá)式和隱變量期望值的表達(dá)式中,設(shè)定最大迭代次數(shù),最終得到貝葉斯多核學(xué)習(xí)支持向量機(jī)的最優(yōu)解;
最后,根據(jù)上述得到的最優(yōu)解結(jié)合mstar三類(lèi)數(shù)據(jù)的測(cè)試數(shù)據(jù)集,計(jì)算得到目標(biāo)識(shí)別標(biāo)號(hào)。
將用本發(fā)明方法對(duì)mstar三類(lèi)數(shù)據(jù)的識(shí)別結(jié)果與其他5種方法的識(shí)別結(jié)果對(duì)比,如表2。
表2本發(fā)明方法與其他方法對(duì)mstar三類(lèi)數(shù)據(jù)的結(jié)果對(duì)比表
從表2可以看出:本發(fā)明提出的貝葉斯多核學(xué)習(xí)支持向量機(jī)模型對(duì)sar圖像三類(lèi)目標(biāo)的識(shí)別率為99.12%,相比與其他方法的結(jié)果有顯著提高,說(shuō)明本方法對(duì)sar圖像目標(biāo)識(shí)別的性能有明顯提升。