宋 波

(海軍駐大連426廠軍事代表室 大連 116005)

水下目標(biāo)識(shí)別技術(shù)的發(fā)展分析*

宋 波

(海軍駐大連426廠軍事代表室 大連 116005)

水下目標(biāo)識(shí)別技術(shù)在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中發(fā)揮著越來越重要的作用。文章介紹了國(guó)外水下目標(biāo)識(shí)別技術(shù)的發(fā)展歷程以及裝備的研制、改進(jìn)情況,指出了在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中發(fā)展水下目標(biāo)識(shí)別技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和重要性,重點(diǎn)探討了幾種水下目標(biāo)識(shí)別技術(shù)的性能及其特點(diǎn),最后論述了水下目標(biāo)識(shí)別技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向與分析。

水下目標(biāo)識(shí)別; 發(fā)展分析

ClassNumberTN97

1 引言

水下目標(biāo)識(shí)別技術(shù)在軍事上可用于偵察、布雷、滅雷和援潛救生等;在民用領(lǐng)域,它可應(yīng)用于數(shù)據(jù)收集、海底頭探測(cè)、海底考察、管道鋪設(shè)、水下設(shè)備的維護(hù)與維修等。鑒于水下機(jī)器人的諸多重要的應(yīng)用領(lǐng)域,其視覺分辨能力又是其執(zhí)行各種任務(wù)、獲取水下信息的重要途徑,所以對(duì)水下機(jī)器人的圖像采集,水下目標(biāo)的圖像處理與識(shí)別就顯得越來越重要,是水下機(jī)器人能夠正常工作的不可或缺的技術(shù)保障[1]。

2 水下目標(biāo)識(shí)別技術(shù)

目標(biāo)識(shí)別技術(shù)是智能化設(shè)備不可缺少的必備能力,是實(shí)現(xiàn)工程設(shè)備智能化和軍事裝備智能化的關(guān)鍵技術(shù),也是在新形勢(shì)下外軍普遍采用高新技術(shù)條件下能打勝仗的重要前提[2]。

2.1 技術(shù)難點(diǎn)

要準(zhǔn)確對(duì)水下目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別,需要考慮方方面面的因素,首先要對(duì)待識(shí)別目標(biāo)所處的水下大環(huán)境有一個(gè)充分了解。為了保證圖像蘊(yùn)含足夠多的信息量,需要有穩(wěn)定均勻的光源照射,但是因?yàn)樗畬?duì)于光源具有很大的衰減特性,所以在水下采集圖像不能像在空氣中那么簡(jiǎn)單。即使是在純水中,不含任何雜質(zhì),圖像的衰減現(xiàn)象也是很嚴(yán)重的。試驗(yàn)表明水這種傳輸介質(zhì)對(duì)于光的衰減程度是光波長(zhǎng)的復(fù)函數(shù),它是由吸收和散射這兩個(gè)互不相關(guān)的過程引起的,因此可以用指數(shù)形式描述光在水中傳輸時(shí)的能量衰減規(guī)律。

單色平行光束的照度可以用指數(shù)方程來表示:

I=I0e-cl

(1)

式(1)中,l為傳輸路程,I0為某水層的光量,c為衰減系數(shù)。

光在水中的衰減可用水中膠體粒子對(duì)光的散射組成和水對(duì)光的吸收衰減來表示,這樣可以把c分為兩部分:

c=m+n

(2)

m為體積吸收系數(shù),n為體積散射系數(shù),當(dāng)海水比較清澈時(shí),可以得到m=0.4c,n=0.6c。

此外,在水的散射作用下,水對(duì)光的吸收還具有選擇性,這就給水下圖像的采集帶來了很大困難,圖像質(zhì)量常常不足夠穩(wěn)定,常會(huì)產(chǎn)生圖像多重陰影、噪點(diǎn)加多和對(duì)比度下降等不利于處理的效果,給后續(xù)的圖像處理帶來了一定的難度。

2.2 目標(biāo)識(shí)別的流程

一般來說,目標(biāo)識(shí)別是在對(duì)圖像目標(biāo)進(jìn)行預(yù)處理之后,選取一定的特征量加以識(shí)別和分類,然后輸出結(jié)果。流程圖如圖1所示。

圖1 目標(biāo)識(shí)別的流程框圖

從流程圖中可以看出,一個(gè)圖像處理與模式識(shí)別系統(tǒng)一般可分為兩個(gè)主要部分。第一部分主要是對(duì)獲取的圖像信息進(jìn)行加工、整理、分析、歸納,以去除冗余信息,提煉出能反映事物本質(zhì)的特征,當(dāng)然,去除和保留什么信息與采用何種方法進(jìn)行判決有直接關(guān)系;第二部分主要是針對(duì)所采用的識(shí)別方法對(duì)預(yù)處理后的圖像信息進(jìn)行特征選取,然后把得到的特征量輸入到所設(shè)計(jì)好的識(shí)別系統(tǒng)中,按照約定的規(guī)則進(jìn)行目標(biāo)的歸類。最后是輸出的結(jié)果,當(dāng)然,最后得到的結(jié)果的品質(zhì)與前面各個(gè)處理階段的工作密不可分,所以力求每個(gè)處理環(huán)節(jié)都能達(dá)到科學(xué)、合理、完善。

2.3 圖像處理

圖像處理過程的前期工作和必經(jīng)的過程是圖像的預(yù)處理,通常對(duì)一幅圖像的預(yù)處理可以有很多種方式。選取什么樣的方法進(jìn)行處理,要因圖像和用途的不同而有所不同。一般來說,處理一幅圖像應(yīng)該根據(jù)預(yù)想的結(jié)果和關(guān)注的信息部分來選擇預(yù)處理方法,而且通常處理方法的選擇往往是幾種方法結(jié)合在一起的,或者有先后順序的講究。圖像處理過程如圖2所示。

圖2 圖像處理流程

2.4 常見濾波方法

混淆在有用信號(hào)里的無用的會(huì)產(chǎn)生干擾的信號(hào)就是所謂的圖像噪聲,待處理的圖像中一般都包含不同程度的噪聲。圖像噪聲多數(shù)情況是隨機(jī)產(chǎn)生的,因此具有分布和強(qiáng)度不規(guī)律的特點(diǎn)。這些噪聲對(duì)以后的處理過程產(chǎn)生影響,致使圖像失真,所以為了使圖像被恢復(fù)到盡可能的接近真實(shí),去噪處理對(duì)圖像預(yù)處理而言就顯得尤為重要?，F(xiàn)階段,圖像噪聲濾波方法較常用的有鄰域均值濾波、高斯濾波、中值濾波、自適應(yīng)平滑濾波、小波域?yàn)V波等。

1)鄰域均值濾波。均值濾波是一種線性濾波方法,用這種方法對(duì)圖像進(jìn)行處理,其優(yōu)點(diǎn)是分析簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)。均值濾波原理是用均值代替原圖像中的各個(gè)像素值,是一種直接的空間域?yàn)V波方法。

2)高斯濾波。根據(jù)高斯函數(shù)的形狀來選擇權(quán)值的一種濾波方法被稱為高斯濾波,該種方法也歸屬于線性平滑濾波。對(duì)于剔除服從正態(tài)分布的噪聲,應(yīng)用高斯平滑濾波器還是非常有效果的。

3)中值濾波。中值濾波(Medianfilter)方法有著非常廣泛的應(yīng)用,它基于排序統(tǒng)計(jì)理論,是一種非線性的去噪方法,該種濾波方法能夠在一定范圍內(nèi)有效地抑制非線性噪聲。

4)自適應(yīng)平滑濾波。該濾波的算法思想是,利用預(yù)先設(shè)置好的一個(gè)局部加權(quán)模板與待處理信號(hào)進(jìn)行迭代卷積,令加權(quán)系數(shù)在每次迭代卷積時(shí)隨著不同的像素點(diǎn)進(jìn)行改變,把它構(gòu)造成像素點(diǎn)的梯度函數(shù)。同時(shí)設(shè)定一個(gè)恒定參數(shù),使濾波器的加權(quán)系數(shù)對(duì)其具有依賴性,待處理圖像的最后輸出的邊緣幅度就是取決于該參數(shù)的取值。

5)小波域?yàn)V波。小波去噪方法包括了投影方法、閾值萎縮法、相關(guān)方法等三類方法。閾值萎縮法比較容易理解,就是對(duì)待處理圖像的小波系數(shù)預(yù)先設(shè)置一個(gè)閾值,當(dāng)小波系數(shù)大于這個(gè)閾值時(shí),即認(rèn)為該小波系數(shù)是來自包含噪聲變換結(jié)果的有用信號(hào),這類小波系數(shù)的幅值一般都比較大,而當(dāng)小波系數(shù)小于這個(gè)閾值時(shí),則認(rèn)為該小波系數(shù)完全是由需要剔除的噪聲變換而來。

3 發(fā)展動(dòng)向

1)美國(guó)海軍啟動(dòng)反潛/反艦聲學(xué)和圖像信號(hào)處理長(zhǎng)期研究項(xiàng)目。美國(guó)《海軍觀察》2013年3月29日?qǐng)?bào)道:美國(guó)海軍研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)啟動(dòng)針對(duì)先進(jìn)聲學(xué)和圖像信息處理(用于探測(cè)、跟蹤和攻擊敵方艦艇)的長(zhǎng)期項(xiàng)目[3]。

美國(guó)海軍海上系統(tǒng)司令部發(fā)布了一份預(yù)征詢書(N0002413IWS5A01),旨在征詢與潛艇/水面艦船聲學(xué)、成像、作戰(zhàn)系統(tǒng)信號(hào)處理項(xiàng)目有關(guān)的先進(jìn)水下技術(shù)相關(guān)的研究方向。

海軍研究人員將于2013年4月16日在馬納薩斯向工業(yè)界介紹項(xiàng)目的詳細(xì)情況,介紹內(nèi)容為保密內(nèi)容。項(xiàng)目的第一階段要求有興趣的公司在2014年3月21日前提交建議白皮書。

項(xiàng)目將圍繞與成像、主/被動(dòng)信號(hào)處理、自動(dòng)化、接觸管理、接觸跟隨、目標(biāo)動(dòng)作分析、信息管理、嵌入式訓(xùn)練、任務(wù)計(jì)劃、聲納戰(zhàn)術(shù)決策輔助、直觀的操作員界面/人機(jī)接口、艦上實(shí)時(shí)重建工具、魚雷探測(cè)、加密、定位、魚雷防御、電子戰(zhàn)和導(dǎo)航相關(guān)的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究。

海軍研究人員表示,在通過采辦項(xiàng)目將這些有應(yīng)用前景的技術(shù)提交給艦隊(duì)之前,他們計(jì)劃先進(jìn)行系統(tǒng)原型測(cè)試。

該項(xiàng)目將分為兩個(gè)階段,第一階段將邀請(qǐng)感興趣的公司遞交相關(guān)技術(shù)研究的白皮書以描述技術(shù)方法、研究基礎(chǔ)、能力、以往性能和成本預(yù)測(cè)。根據(jù)其白皮書的情況,海軍將選擇公司參與項(xiàng)目第二階段,第二階段最長(zhǎng)為期5年,包括完善技術(shù)和開發(fā)用于實(shí)驗(yàn)室和海試的系統(tǒng)原型。

2)美國(guó)海軍科學(xué)家開發(fā)加強(qiáng)水下成像的新方法。美國(guó)《海軍技術(shù)》2013年5月9日?qǐng)?bào)道:美國(guó)海軍空戰(zhàn)中心飛機(jī)部(NAWCAD)的工程師正在開發(fā)和驗(yàn)證一種新的方法,以加強(qiáng)水下成像系統(tǒng)在復(fù)雜水域的性能表現(xiàn)[4]。

新的水下光學(xué)成像方法主要涉及將激光進(jìn)行雷達(dá)脈沖編碼,以改進(jìn)成像質(zhì)量,該方法可加強(qiáng)艦隊(duì)在探測(cè)水雷和海底成像方面的能力。

從目標(biāo)和周邊環(huán)境反射回的光線包含了精確成像所需的全部信息。與傳統(tǒng)激光成像系統(tǒng)將發(fā)射設(shè)備和接收設(shè)備放在同一個(gè)平臺(tái)上不同,新成像系統(tǒng)將發(fā)射設(shè)備和接收設(shè)備分別放置在不同的平臺(tái)上。遠(yuǎn)程接收設(shè)備可以放置在飛機(jī)、艦船或其他水下平臺(tái)上,將以無線方式接收發(fā)射設(shè)備產(chǎn)生的雷達(dá)編碼激光信息進(jìn)行解碼,再由成像處理器對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行解碼并生成圖像。

獨(dú)立平臺(tái)的方法還使設(shè)備可以放置在更小型的平臺(tái)上,從而可以更加安靜地接近目標(biāo)。

與傳統(tǒng)聲納相比,水下激光成像在淺水海域受到的限制較少,可以從一個(gè)方向發(fā)起探測(cè)。目前,海軍空戰(zhàn)中心飛機(jī)部正在尋求工業(yè)伙伴來商業(yè)化該項(xiàng)新技術(shù)。

3)美國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局開發(fā)水下無人網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)用以支持有人操作艦艇。美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局網(wǎng)站2013年8月22日?qǐng)?bào)道:目前美海軍作戰(zhàn)主要依靠多功能有人操作平臺(tái),但即使最先進(jìn)的艦艇每次也只能在特定位置作戰(zhàn),使響應(yīng)能力越來越依賴于特定時(shí)間特定地點(diǎn)的戰(zhàn)備狀態(tài)。由于部隊(duì)削減計(jì)劃和財(cái)政限制,海軍艦艇數(shù)量持續(xù)減少,試圖覆蓋全球廣大區(qū)域時(shí)愈發(fā)感到力不從心。為維持對(duì)敵作戰(zhàn)優(yōu)勢(shì),美海軍需要找到同時(shí)在多個(gè)地點(diǎn)投送關(guān)鍵能力的方法,而無需為此建造更多的艦艇[5]。

為解決此類問題,美國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)已經(jīng)開展“九頭蛇”(Hydra)項(xiàng)目。該項(xiàng)目名稱來源于希臘神話中的多頭生物,目的是開發(fā)無人有效載荷和平臺(tái)的分布式水下網(wǎng)絡(luò),以補(bǔ)充有人操作艦艇。該系統(tǒng)通過新方式集成當(dāng)前技術(shù)和新興技術(shù),創(chuàng)造出提供空中、水面、水下多種能力的替代方法。最終目標(biāo)是增強(qiáng)軍力,實(shí)現(xiàn)快速、可擴(kuò)展和性價(jià)比高的資產(chǎn)部署。

DARPA項(xiàng)目經(jīng)理斯科特·利特菲爾德稱,目前既面臨預(yù)算緊縮問題,又有不確定的安全因素,包括自然災(zāi)害、海盜、無政府狀態(tài)及國(guó)防技術(shù)的擴(kuò)散。水下無人技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施能緩解一定財(cái)政壓力,并在日益具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中增強(qiáng)軍事能力。

DARPA為“九頭蛇”系統(tǒng)尋求概念和技術(shù)方案,技術(shù)關(guān)鍵是研發(fā)模塊化的有效載荷,提供情報(bào)、監(jiān)視和偵察(ISR)以及掃雷等關(guān)鍵能力。每個(gè)有效載荷模塊將插入一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的外殼,能安全運(yùn)輸、放置并發(fā)射各種有效載荷,使有效載荷的功能維持?jǐn)?shù)周到數(shù)月。“九頭蛇”系統(tǒng)注重有效載荷的可擴(kuò)展性、快速重置和能力最大化。艦艇、潛艇或飛機(jī)可將“九頭蛇”系統(tǒng)放置在瀕海區(qū)域(海岸線附近的國(guó)際淺水區(qū)域)。

“九頭蛇”通信系統(tǒng)設(shè)備將與有人操作平臺(tái)協(xié)同作用,增強(qiáng)有人操作平臺(tái)的效用,也可在視距外進(jìn)行遠(yuǎn)程控制,擴(kuò)大作戰(zhàn)范圍。此外,該系統(tǒng)還能實(shí)現(xiàn)其他目前有人操作平臺(tái)不能執(zhí)行的新能力,例如為機(jī)載ISR的前線部署提供低成本平臺(tái),或者為執(zhí)行ISR任務(wù)的水下潛航器提供充電中心。

利特菲爾德表示,“九頭蛇”系統(tǒng)能在任何需要的地方,更快速、更低廉地投送不同平臺(tái)的各種能力,使空中、水下和水面作戰(zhàn)更好地完成任務(wù)。

4)美國(guó)海軍作戰(zhàn)部長(zhǎng)批準(zhǔn)水下作戰(zhàn)概念。美國(guó)全球安全網(wǎng)2013年9月9日?qǐng)?bào)道]美海軍作戰(zhàn)部長(zhǎng)最近批準(zhǔn)了水下作戰(zhàn)概念(UDOC),以確保未來繼續(xù)保持水下優(yōu)勢(shì)[6]。

UDOC是由美海軍作戰(zhàn)發(fā)展司令部(NWDC)、指揮官、潛艇部隊(duì)和其他相關(guān)部門共同開發(fā)的,用來激勵(lì)創(chuàng)新技術(shù)發(fā)展。該概念是許多新構(gòu)想的綜合體現(xiàn),描述了如何延伸水下作戰(zhàn)理論的應(yīng)用以促進(jìn)跨域協(xié)同,提供重要的聯(lián)合作戰(zhàn)優(yōu)勢(shì)。

UDOC提出了一個(gè)概念性的框架,高級(jí)軍事領(lǐng)導(dǎo)人可以在聯(lián)合作戰(zhàn)中更好地認(rèn)識(shí)和應(yīng)用水下作戰(zhàn)效用及其能力。UDOC還探索了幾個(gè)具體的水下作戰(zhàn)策略,以及一些延伸水下作戰(zhàn)領(lǐng)域應(yīng)用的能力。附帶的行動(dòng)計(jì)劃包括對(duì)此概念的綜合、應(yīng)用和操作,將有助于形成未來理論和戰(zhàn)術(shù)、技術(shù)和程序。

海軍作戰(zhàn)發(fā)展司令部司令斯科特·哲貝克少將稱,國(guó)家以及盟友的安全越來越取決于我們?cè)诤Ｓ虻膬?yōu)勢(shì)。水下作戰(zhàn)概念為保護(hù)我們?cè)诤Ｓ虻淖杂尚袆?dòng)提供了一種新方法。

5)美國(guó)進(jìn)行新型水下無人機(jī)航母項(xiàng)目演示。澳大利亞空間戰(zhàn)網(wǎng)站2013年9月10日?qǐng)?bào)道:美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)正在考慮一項(xiàng)水下無人機(jī)航母項(xiàng)目[7]。

新水螅水下無人機(jī)航母項(xiàng)目的演示:美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)最近在約翰霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室舉行了一次新水螅水下無人機(jī)航母項(xiàng)目的演示。該項(xiàng)目將開發(fā)和演示一個(gè)無人水下操作系統(tǒng),提供一個(gè)新穎的輸送裝置將無人機(jī)和無人潛航器送入作戰(zhàn)環(huán)境。為了招徠軍事承包商,DARPA的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)辦公室(TTO)設(shè)想他們的水螅無人潛航器將使用“裝有標(biāo)準(zhǔn)化附件的模塊有效載荷,可快速進(jìn)行部署”。

水螅項(xiàng)目的應(yīng)用:水螅項(xiàng)目預(yù)計(jì)將部署無人潛航器(UUV)和“常規(guī)”無人機(jī)(UAV)。DARPA的工程師也在考慮開發(fā)能潛水的一個(gè)特殊的船艙用于秘密水下運(yùn)輸部隊(duì)?！霸絹碓蕉嗖皇芗s束的國(guó)家行為、海盜行為和敵對(duì)國(guó)家日漸增強(qiáng)的海上防御能力嚴(yán)重地影響了目前的資源和國(guó)家進(jìn)行特種作戰(zhàn)和應(yīng)急任務(wù)的能力,”DARPA的提案文件表示。從廣義上說,水螅項(xiàng)目意味著建立一個(gè)無人潛航器以確保監(jiān)視、后勤和進(jìn)攻能力在任何給定時(shí)間,在世界各地的海洋,包括淺水域和任何可能的三角洲。DARPA預(yù)計(jì)如果能獲得足夠的資金,2018年他們將擁有一個(gè)水下水螅無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)的功能演示。

這一切聽起來像科幻小說,但無人機(jī)部署無人機(jī)將成為無人作戰(zhàn)的未來。與水螅項(xiàng)目同時(shí)開發(fā)的項(xiàng)目還有,DARPA正在與洛克希德·馬丁公司開發(fā)一個(gè)類似的程序旨在開發(fā)無人機(jī)通過飛機(jī)和地面供應(yīng)軍隊(duì)。

上行下降的有效載荷(UFPs)概念:去年1月美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)還宣布了另一個(gè)項(xiàng)目探索上行下降的有效載荷(UFPs)的概念,意味著在海床上存儲(chǔ)用防水材料集裝箱裝載的必需品物資。然而DARPA發(fā)言人強(qiáng)調(diào),上行下降的有效載荷(UFPs)和水螅是兩個(gè)單獨(dú)的項(xiàng)目。

上行下降的有效載荷(UFPs)和水螅項(xiàng)目的區(qū)別:基本的區(qū)別是,上行下降的有效載荷(UFPs)包括每次在深海底部部署系統(tǒng)好幾年,而水螅項(xiàng)目則每次計(jì)劃在淺水中數(shù)周或數(shù)月。水螅平臺(tái)也存在應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害的需求,無人機(jī)能將應(yīng)急設(shè)備運(yùn)抵受災(zāi)地區(qū)的海岸線附近。

“水螅項(xiàng)目將以新的方法集成現(xiàn)有和新興的技術(shù)來創(chuàng)建一個(gè)提供多種有效載荷接近使用環(huán)節(jié)的替代的方法,”DARPA發(fā)言人還表示。

6)巴布科克公司為英國(guó)未來戰(zhàn)略核潛艇設(shè)計(jì)水下信號(hào)發(fā)射器。美國(guó)《海軍技術(shù)》網(wǎng)站2013年10月7日?qǐng)?bào)道:巴布科克公司從BAE系統(tǒng)公司獲得一份合同,為英國(guó)海軍未來戰(zhàn)略核潛艇開發(fā)新型Mk12水下信號(hào)發(fā)射器(SSE)[8]。

Mk12 SSE采用模塊化設(shè)計(jì),可以保證該裝置的研制進(jìn)度,從而保證潛艇的建造周期。由于SSE能夠?yàn)闈撏由途仍峁┲С?因此該裝置還可以滿足潛艇特殊的性能和技術(shù)要求。為最大限度地提高潛艇的可靠性和性能,該公司正在著力提高SSE通用性,降低研發(fā)成本和全壽期成本,增強(qiáng)抗震水平等。

巴布科克公司曾為英國(guó)所有的潛艇提供SSE系統(tǒng)、武器運(yùn)輸和發(fā)射系統(tǒng)(WHLS)、前期采辦和全壽期支持,包括“支持者”級(jí)、“特拉法爾加”級(jí)、“前衛(wèi)”級(jí)和“機(jī)敏”級(jí)。

7)美國(guó)海軍完成近海水下持續(xù)監(jiān)視項(xiàng)目初始試驗(yàn)。《簡(jiǎn)氏防務(wù)周刊》2013年10月29日?qǐng)?bào)道:美國(guó)海軍已完成對(duì)非機(jī)載水下監(jiān)視系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)原型的初始水下試驗(yàn),該原型在近海水下持續(xù)監(jiān)視(PLUS)項(xiàng)目下研發(fā)。美國(guó)海軍海上系統(tǒng)司令部(NAVSEA)于10月24日宣稱,研究結(jié)果的初步分析表明,總體試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)得以實(shí)現(xiàn),近海水下持續(xù)監(jiān)視系統(tǒng)計(jì)劃如期進(jìn)行[9]。

近海水下持續(xù)監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)計(jì)用于為近海水域的多個(gè)安靜型目標(biāo)提供自適應(yīng)和持續(xù)監(jiān)視。該系統(tǒng)是由美國(guó)海軍海上系統(tǒng)司令部近海戰(zhàn)斗艦計(jì)劃執(zhí)行辦公室(PEO LCS)由早期的海軍研究辦公室創(chuàng)新海軍樣機(jī)研究轉(zhuǎn)變而來,目的是滿足確定的緊急作戰(zhàn)需求,作戰(zhàn)概念由海軍作戰(zhàn)部長(zhǎng)辦公室(OPNAY)、海軍海上系統(tǒng)司令部(NAVSEA)、海軍第五艦隊(duì)指揮官、艦隊(duì)司令部以及海軍海洋辦公室共同制定。

近海水下監(jiān)視系統(tǒng)將自主無人潛航器和指揮中心相結(jié)合(其中自主無人潛航器由混合驅(qū)動(dòng)無人潛航器(UUV)和海洋滑翔器組成,指揮中心用于處理從水中捕獲的傳感器信息),用于在近海水域提供被動(dòng)探測(cè)和定位安靜型柴電潛艇的能力。近海水下持續(xù)監(jiān)視系統(tǒng)原型由5個(gè)海洋滑翔器(由華盛頓大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室研發(fā))和6個(gè)REMUS 600型無人潛航器(由水螅公司生產(chǎn))組成。近海水下持續(xù)監(jiān)視系統(tǒng)中,REMUS 600型無人潛航器長(zhǎng)時(shí)間水下停留,充當(dāng)深海傳感器節(jié)點(diǎn),海洋滑翔器潛入水中收集REMUS 600型無人潛航器捕獲的數(shù)據(jù),然后返回水面,將數(shù)據(jù)傳輸給岸上收集和處理站。

初始試驗(yàn)于9月23日～27日在美國(guó)羅得島紐波特的海軍水下作戰(zhàn)中心進(jìn)行。試驗(yàn)?zāi)康氖球?yàn)證和證實(shí)最近對(duì)原型硬件軟件的升級(jí)增強(qiáng)了系統(tǒng)在反潛戰(zhàn)任務(wù)中的功能和性能。第五潛艇發(fā)展中隊(duì)無人潛航器支隊(duì)和近海戰(zhàn)斗艦中隊(duì)反潛戰(zhàn)任務(wù)支隊(duì)的成員參與試驗(yàn),幫助設(shè)置任務(wù)場(chǎng)景并進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)為負(fù)責(zé)近海水下持續(xù)監(jiān)視系統(tǒng)運(yùn)作和維護(hù)的海軍人員提供了寶貴的訓(xùn)練機(jī)會(huì)。

到2015年美國(guó)海軍計(jì)劃部署近海水下持續(xù)監(jiān)視系統(tǒng)之前,原型試驗(yàn)還將繼續(xù)進(jìn)行。在未來幾個(gè)月內(nèi),將決定該系統(tǒng)部署于哪種近海戰(zhàn)斗艦上。試驗(yàn)結(jié)果還將決定擴(kuò)大該系統(tǒng)部署范圍的可行性。

4 發(fā)展分析

水下目標(biāo)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì):一是發(fā)展自動(dòng)識(shí)別技術(shù);二提高圖像識(shí)別和分類的有效性和可靠性;三是發(fā)展圖像的捕獲和分析;四是促使國(guó)內(nèi)的開發(fā)研究;五是發(fā)展光學(xué)成像技術(shù)[10]。

1)發(fā)展自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。水下目標(biāo)的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)是國(guó)外列為其新世紀(jì)最為優(yōu)先發(fā)展的關(guān)鍵的技術(shù)之一。例如,美軍推出的BQQ-3的潛用聲納目標(biāo)分類系統(tǒng)是為了占領(lǐng)水下目標(biāo)的識(shí)別領(lǐng)域而全力研制的,在上世紀(jì)七十年代,美軍即采用了基于1/3倍頻程譜分析方法,以拖線陣為主體的BQQ-5潛用聲納來進(jìn)行水下目標(biāo)的捕捉和識(shí)別,隨著時(shí)間的推移和技術(shù)的進(jìn)步,美軍在上世紀(jì)八十年代的時(shí)候就已經(jīng)把米翠公司研制的海軍指揮控制系統(tǒng)和斯坦福大學(xué)開發(fā)的目標(biāo)識(shí)別專家系統(tǒng)等目標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)成功的移植到了海面艦艇上。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用是在上世紀(jì)九十年代的事情,美國(guó)的D.F.Moore和R.H.Baran是這個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用的先行者和專家,他們的工作對(duì)后來的人們也起到了很好的示范作用。在英國(guó),神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用是C.R.Gent和C.P.sheepard開發(fā)的被動(dòng)聲納分類系統(tǒng),他們使用該系統(tǒng)把特定的目標(biāo)信號(hào)和其他類型的噪聲或者干擾信號(hào)區(qū)別開;應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來區(qū)分信號(hào)的例子還有很多,比如美國(guó)的A.P.RuSS和J.Meister等開發(fā)了一些有針對(duì)性的分類器等,他們的成果都得到了很好的推廣和應(yīng)用,實(shí)踐證明神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類方法具有比較好的應(yīng)用價(jià)值。

2)提高圖像識(shí)別和分類的有效性和可靠性。從技術(shù)水平的角度看,國(guó)外現(xiàn)有的被動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的正確分類率在80%～90%之間,但是軍方的使用要求還是很高,需要技術(shù)領(lǐng)域不斷地完善和修正算法,提高圖像識(shí)別和分類的有效性和可靠性成為現(xiàn)在國(guó)外該領(lǐng)域?qū)＜覀兊墓餐非蟮哪繕?biāo),他們的實(shí)驗(yàn)也從沒有中斷過,尤其是近年來一些新興技術(shù)的發(fā)展,為該領(lǐng)域深入廣泛的進(jìn)步提高了有力的保證,可以預(yù)見,下一階段的目標(biāo)識(shí)別領(lǐng)域的開發(fā)大體上也會(huì)基于模糊系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)等方面技術(shù)的成熟程度進(jìn)行發(fā)展,對(duì)于水下目標(biāo)的識(shí)別、分類與跟蹤的研究更是提供一個(gè)很好的理論支撐,多個(gè)領(lǐng)域、多種技術(shù)的融合必將成為今后一個(gè)階段發(fā)展的新趨勢(shì)。

3)發(fā)展圖像的捕獲和分析。例如,美國(guó)ORCA-VII的研究成果視覺系統(tǒng)的任務(wù)就是對(duì)得到的圖像進(jìn)行捕獲并分析,從而對(duì)目標(biāo)的位置及方向進(jìn)行確定。ORCA-VII配套的一個(gè)彩色視頻CCD攝像機(jī)方位指向下方。再利用一個(gè)PC/l04組合圖像采集卡,把獲取到的圖像信息儲(chǔ)存在電腦硬盤里,接下來,系統(tǒng)的視覺算法會(huì)馬上對(duì)圖像進(jìn)行分析處理,而且會(huì)將目標(biāo)的實(shí)時(shí)信息傳輸給給上一級(jí)控制模塊。通過對(duì)長(zhǎng)方形物體的水池實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該視覺系統(tǒng)的有效性。在我們的鄰國(guó)日本,SK-8海岸預(yù)警系統(tǒng)是一個(gè)很好的應(yīng)用例子,該系統(tǒng)采用了頻率、強(qiáng)度進(jìn)行比較的模板匹配方法進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別的。在英國(guó),有代表性的系統(tǒng)是由Plymouth和Cranfield聯(lián)合開發(fā)的AUV“Hammerhead”,由于該系統(tǒng)配套應(yīng)用了激光條紋照明系統(tǒng)(LSI),所以成像能力較強(qiáng)成為它的顯著特點(diǎn)。LSI系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于彩色視頻CCD攝像機(jī)的整個(gè)可視范圍(FOV)都能夠被它所利用,采集到更多有用的信息,此系統(tǒng)在水下工作時(shí),能夠很方便地利用LabVIEW IMAQMT圖像處理工具包連續(xù)對(duì)圖像進(jìn)行捕捉并進(jìn)行實(shí)時(shí)處理,結(jié)果被送到上一層模塊,實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的實(shí)時(shí)跟蹤。

4)促使國(guó)內(nèi)的開發(fā)研究。國(guó)外在該領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展,也促使了國(guó)內(nèi)潛用水下目標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)的開發(fā)研究。

5)發(fā)展光學(xué)成像技術(shù)。水下目標(biāo)識(shí)別是目前智能機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵能力之一,既要發(fā)揮光學(xué)成像技術(shù)分別率高的優(yōu)勢(shì),又要克服噪聲。

5 結(jié)語

國(guó)外對(duì)水下目標(biāo)探測(cè)、跟蹤領(lǐng)域的技術(shù)開發(fā)從來沒有放松過,相關(guān)的理論、算法和實(shí)驗(yàn)室仿真技術(shù)也在不斷地提高,并取得了一系列的成果[11]。

[1]郭寶龍,武曉玥,李雷達(dá).一種新的有效消除圖像中Gibbs噪聲的算法[J].中國(guó)激光,2010,37:769-773.

[2]武曉玥,郭寶龍,唐璐,等.一種新的基于非下采樣Contourlet變換的自適應(yīng)圖像去噪算法[J].光學(xué)學(xué)報(bào),2009,29:2147-2152.

[3]美國(guó)海軍啟動(dòng)反潛/反艦聲學(xué)和圖像信號(hào)處理長(zhǎng)期研究項(xiàng)目[N].每日防務(wù)快訊,2013-04-14.

[4]美國(guó)海軍科學(xué)家開發(fā)加強(qiáng)水下成像的新方法[N].每日防務(wù)快訊,2013-05-14.

[5]美國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局開發(fā)水下無人網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)用以支持有人操作艦艇[N].每日防務(wù)快訊,2013-08-30.

[6]美國(guó)海軍作戰(zhàn)部長(zhǎng)批準(zhǔn)水下作戰(zhàn)概念[N].每日防務(wù)快訊,2013-09-17.

[7]美國(guó)進(jìn)行新型水下無人機(jī)航母項(xiàng)目演示[N].每日防務(wù)快訊,2013-09-17.

[8]巴布科克公司為英國(guó)未來戰(zhàn)略核潛艇設(shè)計(jì)水下信號(hào)發(fā)射[N].每日防務(wù)快訊,2013-10-16.

[9]美國(guó)海軍完成近海水下持續(xù)監(jiān)視項(xiàng)目初始試驗(yàn)[N].每日防務(wù)快訊,2013-11-08.

[10]唐珮珺,陳飛虎,唐志列.偏振態(tài)的可視化及其成像技術(shù)的研究[J].光學(xué)學(xué)報(bào),2013,33:826002-1.

[11]韓彪,劉繼芳,周少杰,等.檢偏角對(duì)水中光脈沖后向散射特性的影響[J].光子學(xué)報(bào),2011,40:73-77.

DevelopmentAnalysisoftheUnderwaterTargetRecognitionTechnology

SONG Bo

(Navy Faorce Representative Bueau in Dalian 426 Factory, Dalian 116005)

The underwater target recognition technology plays more and more important roles in the war today. The process of development of the underwater target recognition technology abroad and equipments in all countries over the world and its modification are described. The technique performance and properties of several the underwater target recognition technology seekers are analyzed, and development trend and analysis of the the underwater target recognition technology are discussed.

underwater target recognition, development analysis

2013年10月11日,

:2013年11月30日

宋波,男,碩士,高級(jí)工程師,研究方向:艦船電子系統(tǒng)。

TN97DOI:10.3969/j.issn1672-9730.2014.04.047