鄧甲昊

（1.機(jī)電動(dòng)態(tài)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2.北京理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院，北京 100081）

0 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭越來越向著信息化、立體化、快速、多變的方向發(fā)展，從而對引信及導(dǎo)航、制導(dǎo)等武器系統(tǒng)的智能化、精確化、抗干擾能力及實(shí)時(shí)性等方面提出了新要求。成像能使武器系統(tǒng)有效獲取所探測目標(biāo)的幾何形狀及表面特征，從而有利于可靠識別目標(biāo)及其易損部位、改善引戰(zhàn)配合性能、提高對目標(biāo)的探測精度和毀傷效率，故它是精打武器中引信及導(dǎo)航、制導(dǎo)等系統(tǒng)目標(biāo)探測技術(shù)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(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。該體制不僅可對目標(biāo)成二維強(qiáng)度像而且還可成三維距離像，特別適于對非合作目標(biāo)的圖像識別。

然而，面對復(fù)雜背景和高速彈目交會(huì)條件下的非合作目標(biāo)識別，在精確化和實(shí)時(shí)性方面的要求該體制均難滿足。這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的三維激光成像圖像識別方法，其圖像信息數(shù)據(jù)量大，難以解決高分辨、高鑒別率與快速識別的矛盾。而應(yīng)用三維光電聯(lián)合變換相關(guān)技術(shù)可有效解決這一難題，因?yàn)榫图す鈭D像識別而言，聯(lián)合變換相關(guān)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(guān)。同時(shí)，將國際上剛剛興起的三維聯(lián)合變換相關(guān)技術(shù)（取代傳統(tǒng)二維）應(yīng)用于三維激光成像的目標(biāo)識別勢必會(huì)顯著提高其識別精度，故將三維光電聯(lián)合變換相關(guān)器用于激光成像探測系統(tǒng)，可顯著提高引信及導(dǎo)航、制導(dǎo)等武器系統(tǒng)目標(biāo)探測的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。因此開展“基于三維聯(lián)合變換相關(guān)的非合作目標(biāo)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(tǒng)精確成像探測與實(shí)時(shí)圖像識別的重要問題，從而提高我軍武器系統(tǒng)的實(shí)戰(zhàn)效能，具有重要戰(zhàn)略意義及工程應(yīng)用價(jià)值?；诖饲疤?，本文針對終端毀傷武器目標(biāo)探測系統(tǒng)（如引信等）的應(yīng)用，提出了復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境下基于三維聯(lián)合變換相關(guān)非合作目標(biāo)（如坦克、飛機(jī)、導(dǎo)彈等）識別的關(guān)鍵技術(shù)。

1 激光成像探測技術(shù)國內(nèi)外研究狀況

目前適于引信及導(dǎo)航、制導(dǎo)等武器系統(tǒng)的激光成像探測模式主要有三種［1］：一是光機(jī)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(jìn)行討論。

1.1 光機(jī)掃描式

該探測模式采用單元探測器，每發(fā)射一個(gè)激光脈沖僅可獲得一個(gè)像素的距離和回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)，通過光機(jī)掃描機(jī)構(gòu)及平臺(tái)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)所有像素?cái)?shù)據(jù)的采集，最終得到目標(biāo)的距離像和強(qiáng)度像。該模式國外自20世紀(jì)80年代以來至今得到了廣泛研究和在導(dǎo)航、制導(dǎo)及引信領(lǐng)域的工程應(yīng)用。近十幾年來具有代表性的，如美國開展了CMAG（巡航導(dǎo)彈先進(jìn)制導(dǎo)）和ATLAS（先進(jìn)技術(shù)激光主動(dòng)成像導(dǎo)引頭）計(jì)劃，研制了用于AGM－129和AGM－130空射巡航導(dǎo)彈避障、導(dǎo)航和末制導(dǎo)的CO2激光成像雷達(dá)，顯著提高了制導(dǎo)精度；國內(nèi)一些單位都開展了光機(jī)掃描式激光成像探測技術(shù)研究［2－5］。目前，光機(jī)掃描式激光成像探測技術(shù)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(diǎn)。

1.2 面陣凝視式

該探測模式采用面陣探測器，激光發(fā)射光束覆蓋整個(gè)目標(biāo)區(qū)，面陣探測器同時(shí)接收目標(biāo)反射回來的光信號，經(jīng)處理后可同時(shí)得到所有像素的距離和強(qiáng)度信息，進(jìn)而得到目標(biāo)的距離像和強(qiáng)度像。該模式國外自20世紀(jì)90年代開始研究以來，先后出現(xiàn)了連續(xù)波線性調(diào)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(shí)驗(yàn)室具有技術(shù)優(yōu)勢［6］。而在相位測距成像體制，美國Sandia國家實(shí)驗(yàn)室特色明顯，我國也開展了相關(guān)研究。多狹縫條紋管成像體制目前美國AretéAssociates公司、國內(nèi)有關(guān)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(shí)驗(yàn)室和瑞典國家防衛(wèi)研究所（FOI）主要從事該體制3D成像研究［8］，而國內(nèi)則主要開展其強(qiáng)度成像研究。脈沖測距“閃光”成像體制因具有作用距離遠(yuǎn)、成像速率及距離分辨率高，動(dòng)態(tài)范圍廣，并可穿透一定遮蓋物等優(yōu)點(diǎn)，成為各國研究熱點(diǎn)，也是凝視激光成像探測技術(shù)的發(fā)展方向。美國在該領(lǐng)域世界領(lǐng)先［9］，而國內(nèi)由于受微電子工業(yè)技術(shù)水平制約，在該領(lǐng)域的研究還處于起步階段?？傊捎诿骊嚹暿郊す獬上衲Ｊ狡浼夹g(shù)核心在于面陣探測器及讀出處理電路。與光機(jī)掃描式成像模式比，雖具有成像速率高、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小的優(yōu)點(diǎn)，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(biāo)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(biāo)回波信號經(jīng)探測器接收后，獲得目標(biāo)上一窄帶的距離和回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)（對應(yīng)圖像上一行），依靠彈目相對運(yùn)動(dòng)完成列推掃，從而實(shí)現(xiàn)對整個(gè)目標(biāo)區(qū)的覆蓋，最終獲得距離和強(qiáng)度像。該模式出現(xiàn)早于面陣凝視式，先后出現(xiàn)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(shí)驗(yàn)室在FMCW 測距成像方面具有優(yōu)勢［10］。而美國AretéAssociates公司和國內(nèi)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(diǎn)，如美日聯(lián)合開展了CELRAP研究計(jì)劃，以研制適合多種平臺(tái)的激光成像雷達(dá)［11］，其分別采用了1×32的APD陣列和1×128的InGaAs PIN陣列；國內(nèi)有關(guān)單位［12－13］均開展了該體制激光成像引信技術(shù)研究，并開展了機(jī)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(dǎo)彈等運(yùn)動(dòng)平臺(tái)及大視場探測，其成像速率遠(yuǎn)高于光機(jī)掃描式，且由于線陣探測器陣列產(chǎn)品豐富、陣元數(shù)目多（目前已有1024元），能獲得高分辨率圖像，是一種頗具優(yōu)勢和潛能的激光成像探測模式。

由于尖端武器技術(shù)的保密性，上述三種激光成像探測模式的詳細(xì)技術(shù)資料十分鮮見，國內(nèi)相關(guān)技術(shù)研究均處于起步階段。對于復(fù)雜背景下的非合作目標(biāo)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(shù)問題：1）探測器所獲目標(biāo)原始參量（數(shù)據(jù)）的準(zhǔn)確性；2）成像及識別的準(zhǔn)確性；3）成像及識別的實(shí)時(shí)性；4）滿足武器系統(tǒng)要求的體積和功耗。根據(jù)國內(nèi)外激光成像探測技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀、趨勢及諸成像體制的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合引信及導(dǎo)航、制導(dǎo)等武器系統(tǒng)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(jìn)行討論，以解決該類武器系統(tǒng)在復(fù)雜背景下對非合作目標(biāo)（如坦克、飛機(jī)、導(dǎo)彈等）識別的前提：成像的準(zhǔn)確性與實(shí)時(shí)性。

2 聯(lián)合變換相關(guān)目標(biāo)識別技術(shù)國內(nèi)外研究狀況

聯(lián)合變換相關(guān)識別技術(shù)是用光學(xué)器件對目標(biāo)和參考圖像同時(shí)進(jìn)行傅里葉變換實(shí)現(xiàn)相關(guān)的一種圖像識別技術(shù)，是目前光學(xué)圖像識別研究中最活躍的領(lǐng)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(guān)。與數(shù)字相關(guān)識別技術(shù)比，其在高鑒別率和實(shí)時(shí)性方面有明顯優(yōu)勢。近年來，隨著各種實(shí)時(shí)光電探測、調(diào)制及接口器件的出現(xiàn)，聯(lián)合變換相關(guān)識別技術(shù)得到了不斷發(fā)展。目前光電混合的可編程聯(lián)合變換相關(guān)器，在導(dǎo)航、制導(dǎo)、自動(dòng)目標(biāo)識別與跟蹤等軍事領(lǐng)域［15］以及車輛自動(dòng)駕駛、醫(yī)用圖像處理，安檢系統(tǒng)中指紋、面容及車牌識別等領(lǐng)域［16］得到了不同程度的應(yīng)用，且前景廣闊。

依據(jù)聯(lián)合變換相關(guān)原理，經(jīng)典聯(lián)合變換相關(guān)器（CJTC）存在三方面弱點(diǎn)，1）由于聯(lián)合相關(guān)輸出存在較強(qiáng)的零級自相關(guān)峰，使得輸出面中相關(guān)輸出的衍射效率較低，從而影響互相關(guān)峰的探測，使識別效率降低，特別在多目標(biāo)識別和有背景噪聲情況下更甚；2）聯(lián)合相關(guān)輸出面中零級自相關(guān)峰太寬，限制了輸入面目標(biāo)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(dāng)輸入目標(biāo)圖像相對參考圖像發(fā)生畸變時(shí)，識別效果顯著下降。針對上述問題，目前國內(nèi)外研究主要集中在：1）提高其相關(guān)性能，即通過削弱或去除零級自相關(guān)峰，減少對互相關(guān)峰的影響；2）提高系統(tǒng)的魯棒性，以便當(dāng)輸入目標(biāo)圖像相對參考圖像發(fā)生扭曲、旋轉(zhuǎn)、比例變化時(shí)，保證系統(tǒng)仍能正確識別。在提高相關(guān)性能方面，主要采取以下措施：1）對輸入圖像進(jìn)行增強(qiáng)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(lián)合變換功率譜（JPS）進(jìn)行處理，如對JPS進(jìn)行二值化、微分、振幅調(diào)制、條紋調(diào)制、對消等手段［17］；3）采用相移技術(shù)，即通過改變參考圖像的位相，得到無零級聯(lián)合變換相關(guān)器（NOJTC）［18］；4）提高光能利用率，如位相編碼調(diào)制、多通道聯(lián)合變換相關(guān)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(zhuǎn)參考圖像法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)不變性；2）采用梅林變換實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的比例不變性；3）采用綜合識別函數(shù)法以同時(shí)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)和比例不變性［20］。

需指出的是，上述改進(jìn)主要是針對二維（2D）聯(lián)合變換相關(guān)器，處理的目標(biāo)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(gè)不相似的物體可能在二維圖像中是相似的，易造成相關(guān)器誤判，復(fù)雜背景情況下尤為突出。近10年來，隨著目標(biāo)立體圖像獲取技術(shù)的發(fā)展，提出了三維（3D）聯(lián)合變換相關(guān)識別技術(shù)的概念，由于其利用的是目標(biāo)和參考物的三維信息，可提高復(fù)雜背景下對目標(biāo)的識別能力。目前，三維聯(lián)合變換相關(guān)識別技術(shù)在目標(biāo)三維圖像的獲取上采用移動(dòng)CCD相機(jī)或多個(gè)CCD相機(jī)或集成成像方式［21］，需通過復(fù)雜計(jì)算來得到目標(biāo)的三維坐標(biāo)信息，獲得3D圖像的速率慢，進(jìn)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(biāo)的三維信息，據(jù)此開展3D聯(lián)合變換相關(guān)識別技術(shù)研究，進(jìn)而探討提高該相關(guān)器的相關(guān)性能和魯棒性的措施，以滿足復(fù)雜背景下對非合作目標(biāo)識別的識別不變性、高鑒別率和實(shí)時(shí)性要求。

3 解決探測識別準(zhǔn)確性及實(shí)時(shí)性的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)

本文討論的基于激光成像和三維聯(lián)合變換相關(guān)的非合作目標(biāo)識別技術(shù)，采用線陣推掃脈沖測距成像方式直接獲取目標(biāo)的三維信息，再兼用三維聯(lián)合變換相關(guān)器，可實(shí)現(xiàn)對三維目標(biāo)圖像的實(shí)時(shí)不變識別。上述兩種頗有應(yīng)用潛力技術(shù)的結(jié)合，特別適于復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境下對非合作目標(biāo)立體信息特征的快速感知與可靠識別［22－23］。為使該技術(shù)盡早應(yīng)用于終端毀傷武器目標(biāo)探測系統(tǒng)（如引信等），下面闡述其解決探測識別準(zhǔn)確性及實(shí)時(shí)性的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 目標(biāo)距離與回波強(qiáng)度高精度獲取

對目標(biāo)距離與回波強(qiáng)度測量的精確與否，分別直接影響目標(biāo)距離像與強(qiáng)度像的成像準(zhǔn)確度，進(jìn)而影響目標(biāo)識別精度。線陣推掃式脈沖測距激光成像系統(tǒng)采用脈沖測距原理，即通過測量發(fā)射與回波脈沖的時(shí)間差計(jì)算距離。通常延時(shí)測量采用高速計(jì)數(shù)法，即以發(fā)射脈沖為計(jì)數(shù)器起始信號，以對應(yīng)回波為停止信號。但由于武器用激光成像系統(tǒng)所探測的目標(biāo)種類繁多，它們對激光的反射率差別很大。不同目標(biāo)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(jì)數(shù)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(qiáng)度而言，不同反射率會(huì)造成回波幅度大范圍變化，往往會(huì)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(qiáng)度測不準(zhǔn)。因此該技術(shù)是解決成像準(zhǔn)確性的關(guān)鍵前提。

3.2 復(fù)雜背景下三維聯(lián)合變換相關(guān)器互相關(guān)峰提取

與民用激光成像探測不同，戰(zhàn)場環(huán)境下具有兩大突出特點(diǎn)，一是多個(gè)目標(biāo)同時(shí)存在的幾率高，二是背景噪聲大。這勢必會(huì)導(dǎo)致：1）使聯(lián)合相關(guān)輸出存在強(qiáng)零級自相關(guān)峰，使得輸出面中相關(guān)輸出的衍射效率低；2）使聯(lián)合相關(guān)輸出面中零級自相關(guān)峰太寬，限制了輸入面目標(biāo)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(guān)峰減弱。三者均會(huì)對互相關(guān)峰的獲取產(chǎn)生影響，使識別效率大為降低。故復(fù)雜背景下三維聯(lián)合變換相關(guān)器互相關(guān)峰如何有效準(zhǔn)確提取，是解決目標(biāo)識別準(zhǔn)確性的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。

與二維經(jīng)典聯(lián)合變換相關(guān)器類似，三維經(jīng)典聯(lián)合變換相關(guān)器也存在著較強(qiáng)和較寬的自相關(guān)峰，這勢必影響對互相關(guān)峰的探測，特別是在復(fù)雜背景下互相關(guān)峰本身很弱，因此去除或削弱自相關(guān)峰，增強(qiáng)互相關(guān)峰是提高三維聯(lián)合變換相關(guān)器相關(guān)性能的關(guān)鍵所在。

3.3 高速運(yùn)動(dòng)下三維聯(lián)合變換相關(guān)器畸變不變識別

由于對同一目標(biāo)，探測器遠(yuǎn)近不同，探測視場角度不同會(huì)造成探測目標(biāo)圖像的比例、旋轉(zhuǎn)及傾角畸變，因此經(jīng)圖像預(yù)處理得到的目標(biāo)圖像，相對于參考圖像會(huì)存在比例縮放、旋轉(zhuǎn)和傾角等畸變問題，不能直接輸入到空間光調(diào)制器（SLM）進(jìn)行聯(lián)合相關(guān)變換。高速運(yùn)動(dòng)條件下該畸變更為嚴(yán)重。由于無畸變時(shí)聯(lián)合變換相關(guān)器對完全相同兩幅圖像的認(rèn)同或?qū)Σ煌悇e兩幅圖像的區(qū)分均能很好識別，而當(dāng)目標(biāo)圖像相對參考圖像存在畸變時(shí)，相關(guān)識別結(jié)果會(huì)顯著降低，甚至無法識別。因此，準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)畸變不變圖像識別，是高速運(yùn)動(dòng)條件下激光成像識別系統(tǒng)實(shí)用化的關(guān)鍵。

在高速運(yùn)動(dòng)條件下，由于探測器與目標(biāo)的遠(yuǎn)近不同，探測視場角度不同，造成目標(biāo)圖像相對于參考圖像存在著比例、旋轉(zhuǎn)和傾角畸變，直接進(jìn)行聯(lián)合變換相關(guān)識別效果很差，甚至無法識別。為提高三維聯(lián)合變換器識別的魯棒性，也需采用畸變不變識別技術(shù)。

4 應(yīng)用展望

基于激光成像探測和三維聯(lián)合變換相關(guān)的非合作目標(biāo)識別技術(shù)，采用線陣推掃脈沖測距成像方式直接獲取目標(biāo)的三維信息，具有視場范圍廣、作用距離遠(yuǎn)、成像速率快，圖像分辨率高等優(yōu)點(diǎn)。再兼用三維聯(lián)合變換相關(guān)器，可實(shí)現(xiàn)對三維目標(biāo)圖像的實(shí)時(shí)不變識別。上述兩種頗有應(yīng)用潛力技術(shù)的結(jié)合，特別適于復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境下對非合作目標(biāo)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(shù)，不僅可為用于導(dǎo)彈、衛(wèi)星、及其攔截器等非合作目標(biāo)精確打擊武器的引信及導(dǎo)航、制導(dǎo)等激光成像探測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)提供必要的理論與技術(shù)支持，而且對紅外及可見光成像體制的目標(biāo)識別也具有借鑒作用，同時(shí)還在自主機(jī)器人、機(jī)器視覺、車輛自動(dòng)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(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用空間。

5 結(jié)論

本文以戰(zhàn)場環(huán)境下非合作目標(biāo)識別為應(yīng)用背景，綜述了國內(nèi)外光機(jī)掃描式、面陣凝視式及線陣推掃式激光成像技術(shù)與聯(lián)合變換相關(guān)成像識別技術(shù)的研究狀況；針對終端毀傷武器目標(biāo)探測系統(tǒng)，特別是引信系統(tǒng)的應(yīng)用，討論并指出了復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境下三維聯(lián)合變換相關(guān)非合作目標(biāo)識別的三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，即：1）目標(biāo)距離與回波強(qiáng)度的高精度獲??；2）復(fù)雜背景下三維聯(lián)合變換相關(guān)器互相關(guān)峰的提??；3）高速運(yùn)動(dòng)下三維聯(lián)合變換相關(guān)器畸變不變識別。為解決其探測與識別的準(zhǔn)確性及實(shí)時(shí)性提供了前提。

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