目标检测跟踪与识别技术与现代战争

目标检测跟踪与识别技术与现代战争论文标题：图像检测、跟踪与识别技术与现代战争专业：探测制导与控制技术学号：35152129姓名：刘孝孝目的检测、跟踪与识别技术与现代战争【摘要】 本文讨论目的检测、跟踪与识别技术在现代战争各个范围中的运用，总结目的识别 技术的开展方向，提出目的识别技术工程化完成方法，同时本文引见了国外目的识别的现状及开 展趋向，提出了现代战争应采用综合识别系统处置目的识别效果的建议。关键词 目的检测；目的跟踪；目的识别；雷达；人工神经网络；准确制导1 引言随着现代迷信技术的飞速开展及其在军事范围内日益普遍的运用，传统的作战思想、作战方 式已发作基本性的变化。从第一次海湾战争到科索沃战争，特别是刚刚完毕的海湾战争，空中准 确打击和空地一体化作战曾经成为最重要的作战方式。集指挥、控制、通讯、计算机、情报、监 视侦查于一体的CISR已成为取得战场自动权，赢得最后成功的关键要素。目的识别技术是雷达 智能化、信息化的重要技术支撑手腕。在现代化战争中，目的识别技术在预警探测、准确制导、 战场指挥和侦查、敌我识别等军事范围都有普遍的运用前景，已遭到了世界各国的关注。现代战争中取得战场制信息权的关键之一是目的属性识别。现代战争的作战环境十分复杂， 作战双方都在采用相应的伪装、隐蔽、诈骗和搅扰等手腕和技术，停止识别和反识别妥协。因此 仅仅依托一种或少数几种识别手腕很难准确地停止目的识别，必需应用多个和多类传感器所搜集 到的多种目的属性信息，综合出准确的目的属性，停止目的检测，跟踪后停止识别。 2 目的检测、跟踪与识别技术在现代战争中的运用 21 目的检测、跟踪与识别技术在预警探测上的运用目的检测、跟踪与识别技术关于弹道导弹的预警任务有重要的作用。弹道导弹普通携带多个 弹头，其中能够包括核弹头或大规模杀伤的弹头以及惯例弹头，预警雷达必需具有对目的停止分 类和辨仔细假弹头的才干，将核弹头或大规模杀伤的弹头分别出来，为弹道导弹进攻(BMD)系统 停止目的攻击和火力分配提供依据。早期的BMD系统假定只要一个核弹头，多弹头分导技术的出 现，使效果转化为雷达的多目的识别效果，加上电子对立技术的普遍运用，给目的识别技术带来 很大困难。另外，预警雷达还要对空中目的或高空目的停止探测，对来袭目的群停止分类识别。 应用星载雷达以及远程光学望远镜等观测设备，可以对外空目的停止探测，对外空来袭目的停止 分类和识别，到达早期预警的任务。22 目的检测、跟踪与识别技术在准确制导上的运用准确制导方式很多，包括自动式、半自动式和主动式寻的制导方式，经过设在准确制导武器 外部的制导站的遥控制导方式，应用地形(高度)婚配和景像(灰度)婚配制导方式，只依托弹上惯 性部件提供制导数据，而不依赖外部信息的惯性制导方式，应用卫星定位(GPS)系统的GPS制导方 式。任何一种制导方式都有其优缺陷，普通来讲，远程准确制导武器都采用两种以上的制导方式 构成复合制导系统，这样不只能提高制导精度而且也能增强抗搅扰才干。在导弹飞行中对目的停 止识别，然后停止攻击的技术曾经成为这个范围的一个研讨热点，目的成像识别技术将是以后的 开展方向。少量的研讨实验说明，采用高分辨率雷达取得目的的一维或二维图像，可使目的识别 变得简易而明晰。如美军研制的反导系统陆基相控阵雷达，采用宽带逆分解孔径(ISAR)技术，即 应用距离一多普勒的原理，完成对活动目的的雷达成像，然后对成像后的目的停止识别。 23目的检测、跟踪与识别技术在战场侦查中的运用目前，美国、英国、法国、俄罗斯等都研制了不同功用的战场侦查传感器系统，许多型号曾 经少量装备部队并运用于实战中。空中战场传感系统的主要功用是完成目的识别和目的定位、跟 踪等。对目的的定位、跟踪技术，在复杂的战场环境下，不时是研讨的难点之一j。应用二维图 像目的识别中的图像联系和目的分类技术，确定兴味区不但可有效提高系统的处置速度，而且还 能够提高识别准确度。首先依据目的的模型知识确定目的的清楚特征，关于空中修建物，如桥梁、 机场和电厂等，经过对目的模型及已有的图像剖析可知，关于人的视觉来讲，直线边缘是空中修 建物区别于其它自然地物的一种较清楚特征，因此，在机场目的识别中，普通选取边缘线段作为 兴味区检测所用的特征，兴味区确实定可依据边缘特征的清楚性来确定。确定不同目的的特征后， 经过边缘提取算子提取图像中的边缘，并依据目的的几何结构、传感器的视场大小、传感器距目 的的距离等方面的知识，对边缘图像停止选择和分类。 24目的检测、跟踪与识别技术在敌我识别上的运用现代高技术战争中，正确识别敌我已成为取得战争成功所要思索的首要效果之一，世界各国 都在加紧研制新型敌我识别武器系统。目前采用的识别技术主要有协作识别技术、非协作目的识 别技术以及两者相结合而成的综合敌我识别技术。雷达敌我识别器(IFF)是协作识别技术的典型 代表，它需求雷达上的讯问机和目的上的应对器配合任务才干完成我方目的识别。由于要求一切 参战单元都配置相应的敌我识别器，因此系统庞大，且容易被朋友诈骗和应用。非协作目的识别 技术并不要求来自对方的回答，而是对监视目的的专有特性停止剖析，经过目的识别技术，做出 正确的判别。由于不需求协同任务，可独自配套，故独立性强，不只可识别友方，也可识别敌方 或中立方，这是它突出的优点。综合敌我识别技术是把协作式目的识别和非协作式目的识别综合 起来经过数据融合技术完成目的属性的最终判决。完成的中心技术是目的识别和数据融合技术。 不只仅是一个复杂的问答系统，而是一个多传感器、多层面的综合识别系统，图1给出了这个系 统中心处置进程。经过战术技术及训练的综合性手腕，详细地说便是应用敌我识别器、热源、视 觉及红外的数据，运用数据融合、专家系统、模糊实际及神经网络等新技术，并配合严密的空间 管理及通讯联络。3. 国外目的检测、跟踪与识别技术的现状和开展趋向现代战争中屡次发作的误伤己方作战力气的喜剧，使人们看法到在作战中目的识别特别是敌 我目的识别的重要性，目前，各国所研讨和采用的处置目的识别的方法主要有以下几种： 31 雷达识别311雷达敌我识别（IFF）系统国外少量采用雷达敌我识别系统作为敌我目的识别的主要手腕之一，目前曾经开展到第三代。美国等主要西方国度针对其正在运用的敌我识别系统（Mark一12）存在的任务频率是固定点 频、抗搅扰才干差、任务频率偏低、讯问波束所占空间大、较难识别密集目的等效果，先后停止 下一代敌我识别系统（即北约新的敌我识别系统，简称 尼斯（NIS）的研讨。西欧各国想提高 讯问机频率以减小讯问波束宽度以及相互之间的搅扰，并提高识别精度。但美国为了使NS能兼容 现有的FF系统，坚持继续采用L波段去开发下一代FF系统即Mark-15。最后，各国达成协议，在美 国Mark15的频段基础上添加3 cm和10cm频段的雷达讯问形式。312 雷达目的识别技术 现有雷达主要是提取目的位置以及运动方面的信息，而目的的物理性质，诸如外形、尺寸、 资料和组成等特征信息，只要依托成象识别和分类识别或特征识别才干取得。目的识别进程基本 上包括目的特征提取、形式剖析和形式分类等。目的识别的方法大致可分为以下几种：a.依据回波信号的多普勒频谱剖析停止识别。这种方法只适用于目的上有相对运动局部现代战 争目的识别方法研讨的状况，已用于对直升飞机类的目的停止识别；b应用毫米波雷达、激光雷达以及光电系统成像的方法停止识别。由于大气衰减，目前只适于 近距离目的识别；c. 应用宽带/超宽带雷达、准延续波雷达的高分辨力对目的停止识别；d. 依据目的极化特性停止识别；e. 依据目的频率照应停止识别；f. 依据对目的回波停止空间相关处置停止识别，即应用逆分解孔径成象原理完成目的识别：g. 依据谐波特性停止识别，这种方法需求在雷达接纳机中添加假定干个谐波接纳通道，且要求天线必需有足够宽的频带。上述各种识别方法各有其特点。假定综合运用两种或多种方法对目的停止分类识别，将会使 目的的识别更为准确。因此，随着雷达技术、自顺应多维处置技术和雷达网的开展，这种综合的 目的识别技术将是今后的开展方向。3.2无源雷达识别无源雷达系统是经过接纳目的的电磁辐射信号完成对目的的探测定位、跟踪及识别，可补偿 以后惯例雷达不能准确停止机型、架数识别的缺乏。这种系统具有较强的四抗才干，国际上 已有适用装备。3.3光电识别手腕目前，国外正鼎力开展激光、红外、电视摄像等光电技术与装备，主要是对目的成象停止识 别。如美国在海湾战争中投入运用了一种近红外装置(达帕灯).装置在空中作战运载工具上， 从而较好地处置了在掌握制空权的状况下.空中对空中目的停止敌我属性识别的效果。3. 4通讯、导航和识别(CNI)系统通讯、导航和识别系统可使已方大系统内的各作战单位准确、适时地失掉自己的位置等信息， 还能迅速让其它系统成员了解这些信息，掌握己方作战力气的散布状况，从而可以准确判明我方， 区分敌我。比拟典型的通讯、导航和识别综合系统是美军用于三军结协作战的c I系统中的结合 战术信息散布系统(JTIDS)。这种系统采用时分多址和码分多网任务方式，广播高度格式化的信 息，能在众多的系统用户之间停止大容量的数据发布，同时，使只要系统成员之间才干相互通讯 和导航定位.这就把系统成员和非成员区分开来.使系统具有识别功用，且把众多的ONI作战单 位联成一体，该系统特别适宜于多种结协作战.遭到世界各国军方的高度注重。除了 JTIDS之外.属 于通讯、导航和识别系统的.还有用于师一级或海军陆战队旅一级陆空结协作战ONI用的位置报 告系统(PLRS)，及法国的SINTAC系统。3.5侦查识别手腕国外也很注重侦查识别装备的开展，包括无线电技术侦查、光电侦查、声学侦查等设各。其 中，无线电技术侦查包括通讯信号侦查和非通讯信号侦查。先进的无线电电子装备在现代化军队 中的少量运用，为完成无线电技术侦查发明了有利条件，因此许多国度的要队都十分注重运用无 线电技术侦查手腕获取情报。如美国、前苏联等国均在师以上部队编配了专门的无线电技术侦查 部队、分队。36综合识别系统综合识别系统是指除了经过敌我识别器停止敌我识别之外，还把应用其它方法失掉的目的识 别信息同直接回答得来的识别信息综合起来停止目的识别的系统。这种系统可充沛应用多方面的 识剥信息，有利于系统容错，提高识别的准确性和牢靠性。 4目的识别技术研讨方向目前对目的识别范围的研讨，主要有下面几个方向：41基于低分辨率雷达信号 关于低分辨率雷达信号的目的识别，主要依托极化信息、回波波形、多普勒等信息对目的停 止粗略的识别，如停止快速、慢速、大目的、小目的、空中目的、水上和空中目的的复杂分类， 但不可以停止详细型号目的的识别。VHF雷达应用谐振频率，依据数据库中存储的目的参数，实 际上可以进一步停止分类识别，但是结构目的谐振参数的数据库，完成起来比拟困难。总题来讲， 基于低分辨率雷达目的识别技术，由于只是对目的的复杂分类，完成起来比拟容易，目前这种技 术在国际外已被工程化，并在详细型号的雷达上失掉了完成。42基于高分辨率雷达信号 近年来，基于高分辨率雷达的目的成像识别方法有了长足的提高，并有综合采用多种识别方 法之趋向。如美军 前沿地域防空系统(FAADS)中的雷达，可增强显示目的类别、距离、方位 角及俯仰角等数字信息，具有综合的敌我识别才干，借助定位报告系统(PI RS)，实施空中交通 控制(ATC),并向各作战分队显示出有关区域的空情图，使武器系统能在最大射程内阻拦目的， 亦可防止误伤己方的飞机。又如德国的西门子一普莱赛公司研制的 指挥者(Commander)系列 远程三坐标雷达，目的探测距离分辨率为0. 5m，经过数据处置，将接纳到的战机目的专有信号 特征或图形，与信息库中的己方飞机数据或图形相比拟，即可完成目的识别。基于高分辨率雷达 体制的目的识别技术依据应用的信号方式不同大致可分为三大类，一类是普通高分辨率雷达，应 用目的高分辨一维距离像数据源上目的、检测目的分类上(HRRP)来停止目的识别。但是，识别 精度和实时性效果是这种技术工程化的制约要素，虽然曾经提出了许多识别率很高的方法，但是 从实时性上思索，离工程化完成还有一定距离。目前，各国在这个范围正处在从实际研讨到工程 完成的过渡阶段。在国际，国防科技大学、西安电子科技大学、清华大学、北京理工大学等最早 展开高分辨雷达目的识别的任务，并在这个范围的研讨中取得了很大停顿，随后各院校、研讨所， 相继展开了这项任务的研讨。近年来，随着相关项目雷达体制的多样化，我所也展开了战场环境 多目的识别的研讨任务。关于对目的的雷达像，包括SAR及ISAR二维像的目的识别任务，相关于 一维HRRP的目的识别技术，从完成上要困难得多，实践上并不是识别算法自身的效果，而是在数 据的录取和成像的质量方面相关的硬件和软件在工程上完成起来比拟困难。我们知道，要取得目 的SAR及ISAR像，雷达平台和目的间要有一定的转角以取得相应的综合孔径，这一要求在某些运 用中不能够或较难失掉满足，如悬停直升机对空中运动目的观测，或目的相关于雷达平台径向飞 行场所。此外，成像雷达系统复杂，不易少量装备。所以，对二维雷达像的识别的研讨起步较晚， 如今还处在实际研讨阶段，但是随着科技飞速开展，DSP芯片的处置速度迅速提高，SAR成像实时 处置器曾经研制出来，已使对雷达二维像的目的识别成为能够。关于目的的三维像的识别，虽然 包括的信息比一维像和二维像要多，但是实践中失掉好的三维像十分困难，目前详细从事目的三 维像识别研讨的很少，不过这也是今后的一个研讨的方向。5 目的识别技术的完成方法依据不同类型的雷达，目的识别技术有所不同，但是都离不开一个一致的框架，如樹所示。 总的来讲，雷达目的识别主要进程分为预处置进程，特征提取和目的识别进程。其中左、右两路 是辅佐识别进程，左路树立模板库，而右路主要经过识别器训练，确定智能规那么库或识别器参 数库，中间一路是识别进程，借助于左、右两路提供的信息，对检测到的目的停止识别。关于低 分辨雷达目的识别，普通仅应用左路信息，而对高分辨雷达，左、右两路信息都能够采用。 51 低分辨雷达的目的识别的完成低分辨雷达的目的识别进程比拟复杂，由于分辨率较低，目的能够在一个分辨单元或在不多 的几个分辨单元中被检测到。关于只出如今一个分辨单元的状况，往往不作预处置，而对出如今 几个分辨单元的状况，预处置进程经常采用点迹凝聚的方法。特征提取进程主要是将目的的极化、 回波波形、多普勒等信息作为特征，树立模板库，经过计算相关系数等方法对目的停止分类。 52 高分辨雷达目的识别的完成高分辨雷达失掉的距离像，包括着目的散射点沿径向散布的强弱特征，而不同目的对应的这 些特征是不同的。数据预处置进程主要是把目的从杂波中提取出来，经过找到目的的平均散射中 心作为参考点，运用一定宽度的距离门套住目的信号。特征提取进程主要是个降维的进程，经过 对目的信息停止变换，处置，将识别进程所需求的重要信息提取出来，而将冗余信息除去，使识 别进程取得的信息更牢靠，同时也降低了识别器的运算量。90年代以来，随着小波实际的开展， 小波变换被普遍运用于目的信息的特征提取上。目的识别器的种类很多，包括用于传统形式识别 的基于统计技术的自顺应算法和基于参数模型的方法。以神经网络技术为代表的智能规那么库技 术，旨在将自顺应学习与先验知识结兼并且从算法上得以完成，目前，具有代表性的目的识别器 包括神经网络分类器、支持向量机(SVM)分类器、最大似然分类器、隐马尔可夫模型(HMM)分类器 等等，局部识别器在小样本状况下，识别率可以到达90.9%以上，它们的实时性效果成为制约工 程化完成的重要要素 。5. 3二维SAR图像目的识别的完成在二维SAR图像目的识别中，目的存在于复杂的图像背景之中，要从复杂背景中将需求的目 的信息提取出来。在预处置进程中除了要对图像内容停止边缘检测和图像联系以外，为了对图像 中的目的更有效地检测和联系，往往还停止图像的增强、滤波等处置。图像增强是为了突出目的 的特征，以区别于图像背景，这是图像处置中常用的技术。传统图像滤波方法用于抑制SAR图像 中的相关斑。SAR图像的特征较HRRP特征信息量更大，除了目的的外形信息，还包括纹理信息 以及背景图像的对比信息、，经过特征提取进程将识别进程所需求的重要信息提取出来，为下一 步准确识别做好预备。识别进程和方法基本采用HRRP识别技术。6. 完毕语在现代高技术战争中，目的识别技术将融入战争的各个环节，在战场指挥、防空反导、准确 制导、战场侦查、预警探测、敌我识别等反面，都将发扬优势。但是，目的识别的精度和实时性 效果制约着目的识别技术的工程化完成，进一步深化研讨易于工程化完成的目的识别的实际和方 法，对军队信息化树立，对打赢高科技条件下的现代化战争，有着深远的影响。主要参考文献： 张光义，王德纯弹道导弹进攻系统中的预警探测雷达J系统工程与电子技术，1999 .2 郭修煌准确制导技术M.北京：国防工业出版社，1999 .3 马春庭等基于小波剖析技术的战场空中目的定位处置技术研讨J 探测与控制学报,2003 .4 吴伟仁等基于兴味区检测的远距离机场目的识别研讨J.计算机测量与控制，2004 . 田康生等指挥所目的识别专家系统的完成J.火力与指挥控制，2003 .6蒋庆全数据融合与敌我识别综述J.现代进攻系统，2002 .7保铮，邢孟道，强勇天波超视距雷达信号处置ER 西安电子科技大学雷达信号处置重点实验室报告，20008黄德双高分辨雷达智能信号处置技术M.机械工业出版社，2001.