成像引信聯合變換相關目標識別關鍵技術

鄧甲昊

（1.機電動態控制重點實驗室，北京 100081；2.北京理工大學機電學院，北京 100081）

0 引言

現代戰爭越來越向著信息化、立體化、快速、多變的方向發展，從而對引信及導航、制導等武器系統的智能化、精確化、抗干擾能力及實時性等方面提出了新要求。成像能使武器系統有效獲取所探測目標的幾何形狀及表面特征，從而有利于可靠識別目標及其易損部位、改善引戰配合性能、提高對目標的探測精度和毀傷效率，故它是精打武器中引信及導航、制導等系統目標探測技術的重要方向。鑒于激光高亮度、高定向性、高單色性及高相干性，使得激光成像體制具有相干性好、分辨率高、抗干擾和抗隱身能力強的優點。該體制不僅可對目標成二維強度像而且還可成三維距離像，特別適于對非合作目標的圖像識別。

然而，面對復雜背景和高速彈目交會條件下的非合作目標識別，在精確化和實時性方面的要求該體制均難滿足。這是因為傳統的三維激光成像圖像識別方法，其圖像信息數據量大，難以解決高分辨、高鑒別率與快速識別的矛盾。而應用三維光電聯合變換相關技術可有效解決這一難題，因為就激光圖像識別而言，聯合變換相關不僅具有平移不變性，而且由于激光的高速并行性使識別可在瞬間完成，其信息處理速度與圖像信息量大小無關。同時，將國際上剛剛興起的三維聯合變換相關技術（取代傳統二維）應用于三維激光成像的目標識別勢必會顯著提高其識別精度，故將三維光電聯合變換相關器用于激光成像探測系統，可顯著提高引信及導航、制導等武器系統目標探測的準確性和實時性。因此開展“基于三維聯合變換相關的非合作目標激光成像識別”研究對解決目前困擾我軍激光體制終端武器系統精確成像探測與實時圖像識別的重要問題，從而提高我軍武器系統的實戰效能，具有重要戰略意義及工程應用價值。基于此前提，本文針對終端毀傷武器目標探測系統（如引信等）的應用，提出了復雜戰場環境下基于三維聯合變換相關非合作目標（如坦克、飛機、導彈等）識別的關鍵技術。

1 激光成像探測技術國內外研究狀況

目前適于引信及導航、制導等武器系統的激光成像探測模式主要有三種［1］：一是光機掃描式；二是面陣凝視式；三是介于兩者之間的線陣推掃式。下面分別對它們進行討論。

1.1 光機掃描式

該探測模式采用單元探測器，每發射一個激光脈沖僅可獲得一個像素的距離和回波強度數據，通過光機掃描機構及平臺運動實現所有像素數據的采集，最終得到目標的距離像和強度像。該模式國外自20世紀80年代以來至今得到了廣泛研究和在導航、制導及引信領域的工程應用。近十幾年來具有代表性的，如美國開展了CMAG（巡航導彈先進制導）和ATLAS（先進技術激光主動成像導引頭）計劃，研制了用于AGM－129和AGM－130空射巡航導彈避障、導航和末制導的CO2激光成像雷達，顯著提高了制導精度；國內一些單位都開展了光機掃描式激光成像探測技術研究［2－5］。目前，光機掃描式激光成像探測技術已較為成熟，但存在著成像速率低、體積功耗大和可靠性差的缺點。

1.2 面陣凝視式

該探測模式采用面陣探測器，激光發射光束覆蓋整個目標區，面陣探測器同時接收目標反射回來的光信號，經處理后可同時得到所有像素的距離和強度信息，進而得到目標的距離像和強度像。該模式國外自20世紀90年代開始研究以來，先后出現了連續波線性調頻（FMCW）測距、相位測距、多狹縫條紋管、距離選通和脈沖測距“閃光”（flash imaging）等成像體制。在FMCW測距成像體制，目前美國陸軍研究實驗室具有技術優勢［6］。而在相位測距成像體制，美國Sandia國家實驗室特色明顯，我國也開展了相關研究。多狹縫條紋管成像體制目前美國AretéAssociates公司、國內有關單位［7］均從事該體制研究，其成果各有千秋。距離選通成像體制目前丹麥國防研究實驗室和瑞典國家防衛研究所（FOI）主要從事該體制3D成像研究［8］，而國內則主要開展其強度成像研究。脈沖測距“閃光”成像體制因具有作用距離遠、成像速率及距離分辨率高，動態范圍廣，并可穿透一定遮蓋物等優點，成為各國研究熱點，也是凝視激光成像探測技術的發展方向。美國在該領域世界領先［9］，而國內由于受微電子工業技術水平制約，在該領域的研究還處于起步階段。總之，由于面陣凝視式激光成像模式其技術核心在于面陣探測器及讀出處理電路。與光機掃描式成像模式比，雖具有成像速率高、結構緊湊、體積小的優點，但受面陣探測器陣元大小及讀出處理電路的限制，難以獲得高分辨率或大視場的目標圖像。

1.3 線陣推掃式

該探測模式采用線陣探測器，照射扇形激光光束，目標回波信號經探測器接收后，獲得目標上一窄帶的距離和回波強度數據（對應圖像上一行），依靠彈目相對運動完成列推掃，從而實現對整個目標區的覆蓋，最終獲得距離和強度像。該模式出現早于面陣凝視式，先后出現了FMCW測距、單狹縫條紋管和脈沖測距成像體制。同樣，美國陸軍研究實驗室在FMCW 測距成像方面具有優勢［10］。而美國AretéAssociates公司和國內在單狹縫條紋管成像體制方面具有特色。脈沖測距成像原理與脈沖測距“閃光”成像相同，只是探測器是線陣光電二極管（PIN／APD）陣列；目前該體制是研究熱點，如美日聯合開展了CELRAP研究計劃，以研制適合多種平臺的激光成像雷達［11］，其分別采用了1×32的APD陣列和1×128的InGaAs PIN陣列；國內有關單位［12－13］均開展了該體制激光成像引信技術研究，并開展了機載推帚式對地觀測激光成像研究。與前兩種模式比，線陣推掃式更適于導彈等運動平臺及大視場探測，其成像速率遠高于光機掃描式，且由于線陣探測器陣列產品豐富、陣元數目多（目前已有1024元），能獲得高分辨率圖像，是一種頗具優勢和潛能的激光成像探測模式。

由于尖端武器技術的保密性，上述三種激光成像探測模式的詳細技術資料十分鮮見，國內相關技術研究均處于起步階段。對于復雜背景下的非合作目標識別，無論對于何種激光成像探測模式均主要面臨以下共性技術問題：1）探測器所獲目標原始參量（數據）的準確性；2）成像及識別的準確性；3）成像及識別的實時性；4）滿足武器系統要求的體積和功耗。根據國內外激光成像探測技術的發展現狀、趨勢及諸成像體制的優缺點，結合引信及導航、制導等武器系統的體積、功耗及成像要求，本文著重選擇線陣推掃式脈沖測距激光成像體制為對象進行討論，以解決該類武器系統在復雜背景下對非合作目標（如坦克、飛機、導彈等）識別的前提：成像的準確性與實時性。

2 聯合變換相關目標識別技術國內外研究狀況

聯合變換相關識別技術是用光學器件對目標和參考圖像同時進行傅里葉變換實現相關的一種圖像識別技術，是目前光學圖像識別研究中最活躍的領域之一［14］。由于光的高速并行性，其處理速度與圖像信息量大小無關。與數字相關識別技術比，其在高鑒別率和實時性方面有明顯優勢。近年來，隨著各種實時光電探測、調制及接口器件的出現，聯合變換相關識別技術得到了不斷發展。目前光電混合的可編程聯合變換相關器，在導航、制導、自動目標識別與跟蹤等軍事領域［15］以及車輛自動駕駛、醫用圖像處理，安檢系統中指紋、面容及車牌識別等領域［16］得到了不同程度的應用，且前景廣闊。

依據聯合變換相關原理，經典聯合變換相關器（CJTC）存在三方面弱點，1）由于聯合相關輸出存在較強的零級自相關峰，使得輸出面中相關輸出的衍射效率較低，從而影響互相關峰的探測，使識別效率降低，特別在多目標識別和有背景噪聲情況下更甚；2）聯合相關輸出面中零級自相關峰太寬，限制了輸入面目標圖像和參考圖像的大小和相對位置，降低了對輸入面空間帶寬積的利用；3）當輸入目標圖像相對參考圖像發生畸變時，識別效果顯著下降。針對上述問題，目前國內外研究主要集中在：1）提高其相關性能，即通過削弱或去除零級自相關峰，減少對互相關峰的影響；2）提高系統的魯棒性，以便當輸入目標圖像相對參考圖像發生扭曲、旋轉、比例變化時，保證系統仍能正確識別。在提高相關性能方面，主要采取以下措施：1）對輸入圖像進行增強和特征提取，如采用梯度、Roberts、Sobel、Prewitt和拉普拉斯算子及小波變換提取圖像的邊緣特征；2）對聯合變換功率譜（JPS）進行處理，如對JPS進行二值化、微分、振幅調制、條紋調制、對消等手段［17］；3）采用相移技術，即通過改變參考圖像的位相，得到無零級聯合變換相關器（NOJTC）［18］；4）提高光能利用率，如位相編碼調制、多通道聯合變換相關器等［19］。在提高魯棒性方面，主要方法是：1）采用圓諧變換和旋轉參考圖像法實現系統的旋轉不變性；2）采用梅林變換實現系統的比例不變性；3）采用綜合識別函數法以同時實現系統的旋轉和比例不變性［20］。

需指出的是，上述改進主要是針對二維（2D）聯合變換相關器，處理的目標圖像主要是二維的二值或灰度圖像，由于二維圖像不包含距離信息，兩個不相似的物體可能在二維圖像中是相似的，易造成相關器誤判，復雜背景情況下尤為突出。近10年來，隨著目標立體圖像獲取技術的發展，提出了三維（3D）聯合變換相關識別技術的概念，由于其利用的是目標和參考物的三維信息，可提高復雜背景下對目標的識別能力。目前，三維聯合變換相關識別技術在目標三維圖像的獲取上采用移動CCD相機或多個CCD相機或集成成像方式［21］，需通過復雜計算來得到目標的三維坐標信息，獲得3D圖像的速率慢，進而影響識別速度。故本文在此著重推薦通過激光成像探測方式直接獲取目標的三維信息，據此開展3D聯合變換相關識別技術研究，進而探討提高該相關器的相關性能和魯棒性的措施，以滿足復雜背景下對非合作目標識別的識別不變性、高鑒別率和實時性要求。

3 解決探測識別準確性及實時性的幾個關鍵技術

本文討論的基于激光成像和三維聯合變換相關的非合作目標識別技術，采用線陣推掃脈沖測距成像方式直接獲取目標的三維信息，再兼用三維聯合變換相關器，可實現對三維目標圖像的實時不變識別。上述兩種頗有應用潛力技術的結合，特別適于復雜戰場環境下對非合作目標立體信息特征的快速感知與可靠識別［22－23］。為使該技術盡早應用于終端毀傷武器目標探測系統（如引信等），下面闡述其解決探測識別準確性及實時性的幾個關鍵技術。

3.1 目標距離與回波強度高精度獲取

對目標距離與回波強度測量的精確與否，分別直接影響目標距離像與強度像的成像準確度，進而影響目標識別精度。線陣推掃式脈沖測距激光成像系統采用脈沖測距原理，即通過測量發射與回波脈沖的時間差計算距離。通常延時測量采用高速計數法，即以發射脈沖為計數器起始信號，以對應回波為停止信號。但由于武器用激光成像系統所探測的目標種類繁多，它們對激光的反射率差別很大。不同目標的反射率相差百倍以上，造成脈沖回波幅度大范圍變化。通常高速計數器停止信號采用固定閾值，故回波脈沖的幅度變化將引起測距誤差。同理，就回波強度而言，不同反射率會造成回波幅度大范圍變化，往往會超出脈沖峰值檢測電路的增益范圍，加之激光回波脈寬窄、上升沿陡，峰值難以采到，均勢必造成回波強度測不準。因此該技術是解決成像準確性的關鍵前提。

3.2 復雜背景下三維聯合變換相關器互相關峰提取

與民用激光成像探測不同，戰場環境下具有兩大突出特點，一是多個目標同時存在的幾率高，二是背景噪聲大。這勢必會導致：1）使聯合相關輸出存在強零級自相關峰，使得輸出面中相關輸出的衍射效率低；2）使聯合相關輸出面中零級自相關峰太寬，限制了輸入面目標圖像和參考圖像的大小和相對位置，降低了對輸入面空間帶寬積的利用；3）使互相關峰減弱。三者均會對互相關峰的獲取產生影響，使識別效率大為降低。故復雜背景下三維聯合變換相關器互相關峰如何有效準確提取，是解決目標識別準確性的一個關鍵技術。

與二維經典聯合變換相關器類似，三維經典聯合變換相關器也存在著較強和較寬的自相關峰，這勢必影響對互相關峰的探測，特別是在復雜背景下互相關峰本身很弱，因此去除或削弱自相關峰，增強互相關峰是提高三維聯合變換相關器相關性能的關鍵所在。

3.3 高速運動下三維聯合變換相關器畸變不變識別

由于對同一目標，探測器遠近不同，探測視場角度不同會造成探測目標圖像的比例、旋轉及傾角畸變，因此經圖像預處理得到的目標圖像，相對于參考圖像會存在比例縮放、旋轉和傾角等畸變問題，不能直接輸入到空間光調制器（SLM）進行聯合相關變換。高速運動條件下該畸變更為嚴重。由于無畸變時聯合變換相關器對完全相同兩幅圖像的認同或對不同類別兩幅圖像的區分均能很好識別，而當目標圖像相對參考圖像存在畸變時，相關識別結果會顯著降低，甚至無法識別。因此，準確實現畸變不變圖像識別，是高速運動條件下激光成像識別系統實用化的關鍵。

在高速運動條件下，由于探測器與目標的遠近不同，探測視場角度不同，造成目標圖像相對于參考圖像存在著比例、旋轉和傾角畸變，直接進行聯合變換相關識別效果很差，甚至無法識別。為提高三維聯合變換器識別的魯棒性，也需采用畸變不變識別技術。

4 應用展望

基于激光成像探測和三維聯合變換相關的非合作目標識別技術，采用線陣推掃脈沖測距成像方式直接獲取目標的三維信息，具有視場范圍廣、作用距離遠、成像速率快，圖像分辨率高等優點。再兼用三維聯合變換相關器，可實現對三維目標圖像的實時不變識別。上述兩種頗有應用潛力技術的結合，特別適于復雜戰場環境下對非合作目標立體信息特征的快速感知與可靠識別。該三維激光成像識別技術，不僅可為用于導彈、衛星、及其攔截器等非合作目標精確打擊武器的引信及導航、制導等激光成像探測系統的設計與開發提供必要的理論與技術支持，而且對紅外及可見光成像體制的目標識別也具有借鑒作用，同時還在自主機器人、機器視覺、車輛自動駕駛、人臉及車牌快速安檢等需立體信息特征感知與識別領域具有廣闊應用空間。

5 結論

本文以戰場環境下非合作目標識別為應用背景，綜述了國內外光機掃描式、面陣凝視式及線陣推掃式激光成像技術與聯合變換相關成像識別技術的研究狀況；針對終端毀傷武器目標探測系統，特別是引信系統的應用，討論并指出了復雜戰場環境下三維聯合變換相關非合作目標識別的三個關鍵技術，即：1）目標距離與回波強度的高精度獲取；2）復雜背景下三維聯合變換相關器互相關峰的提取；3）高速運動下三維聯合變換相關器畸變不變識別。為解決其探測與識別的準確性及實時性提供了前提。

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