師俞晨

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院 遙感信息與圖像分析技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029）

0 引言

隨著全球化的不斷發(fā)展，海洋不僅為人們生產(chǎn)生活帶來資源和便利，更是軍事戰(zhàn)略版圖的重要一部分［1］。水下目標(biāo)探測(cè)識(shí)別技術(shù)也逐步成為研究熱點(diǎn)，尤其是針對(duì)潛艇艦船的識(shí)別。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外學(xué)者已應(yīng)用聲學(xué)、電磁等技術(shù)進(jìn)行水下目標(biāo)探測(cè)，并獲得了大量的研究成果。但隨著現(xiàn)代化技術(shù)的創(chuàng)新，AIP（air independent propulsion）動(dòng)力技術(shù)、減震降噪技術(shù)、水聲對(duì)抗等技術(shù)的應(yīng)用，軍事目標(biāo)的“隱身”性能提高，傳統(tǒng)方法難以進(jìn)行識(shí)別探測(cè)，因此水下非聲探測(cè)技術(shù)已成為重點(diǎn)發(fā)展方向［2］。

水下目標(biāo)在運(yùn)動(dòng)過程中不止會(huì)產(chǎn)生噪音，還會(huì)因螺旋槳的旋轉(zhuǎn)空化、水動(dòng)力等原因產(chǎn)生尾跡［3］。尾跡中主要含有低密度微氣泡，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、范圍大、不容易消除、不容易偽裝［4］。目前，在尾跡探測(cè)方法系統(tǒng)中，基于遙感技術(shù)的探測(cè)方法能夠?qū)崿F(xiàn)大面積、全天時(shí)、全天候連續(xù)監(jiān)測(cè)，并能根據(jù)數(shù)據(jù)分析水下目標(biāo)的航速、位置和深度等參數(shù)。隨著遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，無人機(jī)、偵察機(jī)、衛(wèi)星等高空探測(cè)設(shè)備可以搭載各類傳感器（如雷達(dá)、熱紅外、光學(xué)等），傳輸不同類型的高分辨率影像，有效支撐尾跡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)分析，保障尾跡探測(cè)的實(shí)時(shí)性和真實(shí)性。

本文從水下非聲探測(cè)技術(shù)出發(fā)，在國(guó)內(nèi)外非聲探測(cè)技術(shù)水平的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究遙感光學(xué)、熱紅外、合成孔徑雷達(dá)（synthetic aperture radar，SAR）影像的水下識(shí)別探測(cè)技術(shù)，并分析算法優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)今后的研究方向進(jìn)行展望。

1 尾跡特征

尾跡從產(chǎn)生到消失的過程分為4 個(gè)階段，即近區(qū)尾流、坍塌段、過渡段和遠(yuǎn)區(qū)尾流［5］，并且形成2種特征，即水動(dòng)力特征和熱特征。

1.1 水動(dòng)力學(xué)尾跡

水動(dòng)力學(xué)尾跡主要是水下目標(biāo)航行運(yùn)動(dòng)時(shí)引起水面粗糙度的變化，主要的尾跡類型有開爾文尾跡、伯努利水丘、旋渦尾跡和內(nèi)波尾跡。

1.1.1 開爾文尾跡

開爾文尾跡是潛艇在水下運(yùn)動(dòng)時(shí)，在遠(yuǎn)場(chǎng)水面上產(chǎn)生的窄V 字形尾跡（如圖1）。由橫斷波和分歧波組成，分歧波向潛艇兩側(cè)擴(kuò)散，而橫斷波主要向潛艇后方傳播，在尾跡角范圍為16°～19.5°，相遇形成尖頭波，又因?yàn)榧忸^波波長(zhǎng)過短，在視覺效果上就連成了一條直線，稱為開爾文臂，開爾文臂以船身對(duì)稱，且角度小于39.6°［6-7］。

圖1 開爾文尾跡示意圖Fig. 1 Kelvin wake image

開爾文尾跡產(chǎn)生的自由表面波高［8］為

式中：A為描述潛艇特性的自由譜；θ為與x軸所夾的波傳播方；k為重力加速度與潛艇速度平方的比重。

1.1.2 伯努利水丘

伯努利水丘是潛艇在水下運(yùn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生的近場(chǎng)表面波，引起潛艇上方水面隆起的現(xiàn)象，其波高取決于潛艇的速度與下潛深度［9］（如圖2）。該現(xiàn)象可由伯努利方程表示，如下：

圖2 伯努利水丘示意圖Fig. 2 Bernoulli image

式中：p為流體中某點(diǎn)的壓強(qiáng)；v為該點(diǎn)流體的流速；ρ為流體密度；g 為重力加速度；h為該點(diǎn)所在高度；C是一個(gè)常量。

伯努利水丘的實(shí)質(zhì)是流體的機(jī)械能守恒。理想流體在管道中作穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)，流體在作任意兩截面處的總比能，即單位質(zhì)量的流體的總能量由比能與比動(dòng)能所組成，三者之和為一個(gè)恒量［10］。簡(jiǎn)單來說，在流體中，速度大，壓強(qiáng)就??；速度小，壓強(qiáng)就高。通過流體中的壓強(qiáng)差，造成了水面隆起。

1.1.3 旋渦尾跡

旋渦尾跡是由于螺旋槳及船體的作用，伴隨著流動(dòng)特性和物理特性與周圍海水明顯不同的旋渦尾流區(qū)（如圖3）。與固定受力面不同，旋渦尾跡由于旋轉(zhuǎn)而受到額外的非慣性力作用，如科氏力和離心力等，渦系演化中非線性現(xiàn)象更豐富，流動(dòng)特征也更加復(fù)雜［11］。尾流生成后的初始階段主要表現(xiàn)為射流特征，隨著射流速度的衰減，尾流逐漸轉(zhuǎn)化以自由湍流擴(kuò)散為主要特征。

圖3 旋渦尾跡示意圖Fig. 3 Turbulent wake image

1.1.4 內(nèi)波尾跡

潛艇在運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的內(nèi)波形式和規(guī)律更加復(fù)雜，內(nèi)波尾跡是在分層的海洋中，航體的擾動(dòng)和航行留下的尾流破壞了原有的密度躍層，在海洋中產(chǎn)生了一種周期震蕩［12-13］。

內(nèi)波尾跡模型可以寫為

式中：r為距離潛艇尾部的距離。

按照生成的機(jī)理不同，內(nèi)波可以分為3 類：物體體積效應(yīng)產(chǎn)生的內(nèi)波，稱為L(zhǎng)ee 波；湍流尾流引起的隨機(jī)波動(dòng)，稱為隨機(jī)波；尾流塌陷產(chǎn)生的內(nèi)波，稱為塌陷內(nèi)波［14］。

1.2 熱尾跡

水下目標(biāo)在運(yùn)動(dòng)行進(jìn)過程中產(chǎn)生的熱尾流根據(jù)原理可分為2 種：一是由航行器的推進(jìn)器、螺旋槳對(duì)海水產(chǎn)生擾動(dòng)，破壞原有海水密度分層、溫度分層，使能量傳遞至海面產(chǎn)生一定的流場(chǎng)變化；二是航行器在活動(dòng)過程中，機(jī)器發(fā)熱量大，大量的冷卻水被排放，水體受密度差影響，經(jīng)過浮升擴(kuò)散，形成熱尾流［15］。尤其是核潛艇，其尺寸和所需的推進(jìn)功率較大，根據(jù)熵增定律，汽輪機(jī)動(dòng)力裝置會(huì)把超過75%的廢熱以冷卻水的形式排放，形成的熱尾流可以延綿幾百米至1 km，長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不易消除［16-18］。

隨著紅外成像技術(shù)儀的快速發(fā)展，紅外探測(cè)系統(tǒng)的最低溫度分辨率可以達(dá)到0.001 ℃。通過前人的研究模擬發(fā)現(xiàn)大型的水下目標(biāo)在深水潛航時(shí)，其反應(yīng)堆熱排水溫度高且持久；小型的水下目標(biāo)雖然發(fā)熱量小、尾跡弱，但水下排氣口的溫度通常超過100 ℃［19］。由此可見，通過機(jī)載或星載紅外探測(cè)系統(tǒng)可以有效地識(shí)別水下目標(biāo)熱尾跡（如圖4）。熱尾流在探測(cè)器處的紅外光譜輻射亮度主要是來自海面的紅外光譜輻射亮度Lsea（λ）、大氣路徑光譜輻射亮度Lp（λ）組成，其表達(dá)式為［20］

圖4 熱尾跡示意圖Fig. 4 Thermal wake image

式中：ε（λ）為熱尾流光譜發(fā)射率；ρ（λ）為反射率；Lbb（λ，Tw）為熱尾流溫度Tw的黑體光譜輻射；Lsky（λ）為天空光譜輻射；Lsun（λ）為太陽光譜輻射。

2 基于光學(xué)影像尾跡識(shí)別技術(shù)

由于無人機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展，提供了更高分辨率的光學(xué)影像，甚至可以直接觀測(cè)到水下1 m 的目標(biāo)，為尾跡識(shí)別技術(shù)提供了基礎(chǔ)保障。目前，主要通過研究分析尾流氣泡中的散射和吸收等效應(yīng)，以判斷尾跡。

最初，有國(guó)外學(xué)者使用藍(lán)綠激光作為尾流光學(xué)探測(cè)光源，利用尾流氣泡對(duì)藍(lán)綠激光的吸收或反射，在海面上產(chǎn)生亮斑或黑洞影像，從而觀察到水下目標(biāo)的存在。比如，俄羅斯的“紫石英”機(jī)載藍(lán)綠激光潛艇探測(cè)系統(tǒng)、美國(guó)“ML-90 魔燈”藍(lán)綠激光探潛系統(tǒng)、瑞典和加拿大的“鷹眼”機(jī)載激光探潛系統(tǒng)等［21］。

隨著影像分辨率的不斷提高，當(dāng)前基于光學(xué)的尾跡識(shí)別技術(shù)也有了較大的發(fā)展，主要可以分為基于高光譜尾跡識(shí)別技術(shù)和偏振成像尾跡識(shí)別技術(shù)。高光譜影像包含了豐富的地物光譜信息，對(duì)比于傳統(tǒng)的地物檢測(cè)和目標(biāo)檢測(cè)手段，提供了更多不可或缺的信息。利用高光譜影像進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)是研究學(xué)者近年來研究的熱點(diǎn)之一。由于高光譜波段數(shù)較多，光譜間隔小，之間的關(guān)聯(lián)性高，因此前期的預(yù)處理工作十分重要。尾跡中含有的大量氣泡是光學(xué)尾跡識(shí)別的關(guān)鍵，氣泡在不同波段所表現(xiàn)的光學(xué)特性不一樣。因此需要拆分高光譜波段，進(jìn)行降維處理，找出最優(yōu)波段集合后，根據(jù)氣泡的光譜信息，通過算法提取尾跡。尋麗娜等人在高光譜影像上利用獨(dú)立分量分析，抑制背景海浪雜波，有效識(shí)別目標(biāo)［22］；成媛媛等人根據(jù)尾跡特征，將高光譜降維，結(jié)合光譜分析技術(shù)識(shí)別目標(biāo)［23］。該類方法數(shù)據(jù)量大，易冗余，光譜信息受環(huán)境因素影響嚴(yán)重，自適應(yīng)性較差，適用于精細(xì)化處理。

國(guó)內(nèi)也有一些學(xué)者利用偏振成像技術(shù)提取、仿真潛艇尾跡。吳恒澤等人將水面波紋看作是諸多不同傾角的平面微元集合，通過微面元偏振度、偏振角計(jì)算微面元法向量，從而重建曲面，為提取運(yùn)動(dòng)潛艇的水面波紋三維面型提供了理論支持［24］。

基于光學(xué)影像尾跡識(shí)別技術(shù)處于發(fā)展階段。高分辨率影像中尾跡細(xì)節(jié)清晰可見，光譜信息豐富。但是目前的方法并未充分利用，一些特性隱含在數(shù)據(jù)中，可挖掘其活動(dòng)規(guī)律，遞進(jìn)演化出水下目標(biāo)的狀態(tài)。

3 基于SAR 影像尾跡識(shí)別技術(shù)

SAR 是一種主動(dòng)微波遙感設(shè)備，它通過虛擬陣列及脈沖壓縮等技術(shù)獲取高分辨率地物二維圖像［25］。由于微波具有后向散射能力，對(duì)水面曲率和水面粗糙度十分敏感，所以利用SAR 提取海洋特征和波紋的研究層出不窮，是當(dāng)前尾跡識(shí)別的主要手段之一。挪威國(guó)防研究中心與歐洲航天局共同搭建了“船舶及其尾流極化SAR 檢測(cè)”科研平臺(tái)、加拿大Satlantic 公司開發(fā)了RADARSAT 海洋檢視工作站、法國(guó)的CLS 和BOOST 公司開發(fā)了SAR tool 系統(tǒng)，通過遙感手段進(jìn)行水下目標(biāo)尾跡檢測(cè)與識(shí)別［26］。

水下航行體在SAR 影像中一般形成高亮區(qū)域，尾跡具有單臂或者雙臂的線性特征［27-29］。但是由于海洋風(fēng)場(chǎng)、洋流、相干斑等因素影響，導(dǎo)致影像存在噪聲，進(jìn)而對(duì)目標(biāo)檢測(cè)與目標(biāo)解譯有強(qiáng)烈的干擾。因此，采用線性特征檢測(cè)方法可以有效識(shí)別SAR 影像中的尾跡，主要的算法有Radon 變換算法、Hough變換算法和恒虛警率檢測(cè)算法（constant false alarm rate detector，CFAR）。

Radon 變換算法是一個(gè)積分變換，它是定義在二維平面上的一個(gè)函數(shù)沿著平面上任意一條直線做線性積分，變換后成為一個(gè)亮或暗的峰值。因此，在變換區(qū)域中的亮斑或者暗斑對(duì)應(yīng)原始圖像中的一條亮線或者暗線，即為尾跡。但是Radon 變換難以區(qū)分帶有曲線的尾跡和尾跡的起點(diǎn)、終點(diǎn)，并且海面風(fēng)場(chǎng)、波浪等造成的噪聲容易產(chǎn)生虛警，難以精準(zhǔn)識(shí)別。針對(duì)算法的固有缺陷，一些學(xué)者進(jìn)行了改進(jìn)。文獻(xiàn)［30］基于Radon 變換和低秩稀疏分解模型利用極化信息減少影像干擾，突出尾跡特征，提升目標(biāo)識(shí)別率；文獻(xiàn)［31］利用結(jié)合梯度的歸一化Radon 變換增強(qiáng)了變換域中的峰谷值，采用成對(duì)搜索算法提取峰谷值，得到真實(shí)的尾跡，并確定了尾跡的起點(diǎn)和方向；文獻(xiàn)［32］將尾跡特征提取視為Radon 變換的逆問題，采用稀疏化的廣義最小最大凹（generalized minimax concave，GMC）提升尾跡識(shí)別率。

Hough 變換是一種特征提取技術(shù)，主要用于檢測(cè)二值圖像中的直線和曲線。該算法運(yùn)用2 個(gè)坐標(biāo)之間的變換，將圖像空間中的線條映射到參數(shù)空間形成點(diǎn)，從而把形狀問題轉(zhuǎn)化為統(tǒng)計(jì)問題［33］。但是SAR 影像受環(huán)境因素影響較大，難以自適應(yīng)閾值，導(dǎo)致算法魯棒性差［34］。因此，文獻(xiàn)［35］對(duì)Hough 變換進(jìn)行了改進(jìn)，通過切割窗口圖像，將目標(biāo)以窗口灰度均值代替，有效識(shí)別SAR 影像尾跡；文獻(xiàn)［36］基于遞歸修正Hough 變化域檢測(cè)尾跡，該方法能夠有效地區(qū)分具有圖像特征差異的多直線尾跡。

恒虛警率檢測(cè)算法是當(dāng)前SAR 尾跡檢測(cè)的主流算法，該算法是恒定虛警概率下的檢測(cè)器，主要判斷在含有噪聲的情況下，尾跡信號(hào)是否存在。艦船目標(biāo)相對(duì)于海雜波而言有較強(qiáng)的散射回波，能夠產(chǎn)生較好的檢測(cè)結(jié)果。后續(xù)在其基礎(chǔ)上，衍生出了多種尾跡檢測(cè)算法。文獻(xiàn)［37］提出了一種自適應(yīng)參數(shù)變換恒虛警率算法，該方法基于自適應(yīng)變換，通過恒虛警率算法篩選虛假候選目標(biāo)像素，利用歸一化Hough 變換檢測(cè)二值圖像尾跡；文獻(xiàn)［38］通過海雜波建模，減少影像雜波后，利用恒虛警率算法識(shí)別尾跡。

雖然基于SAR 影像的尾跡識(shí)別算法卓有成效，但是現(xiàn)如今基于SAR 提取潛艇尾跡的方法受風(fēng)速影響嚴(yán)重，并且在入射角、方位角差別大的情況下，同一目標(biāo)在SAR 影像中呈現(xiàn)的特點(diǎn)會(huì)迥然不同，難以做到精準(zhǔn)識(shí)別。

4 基于熱紅外影像尾跡識(shí)別技術(shù)

由于成像原理以及探測(cè)設(shè)備的特性，紅外影像噪聲不可避免，具有背景雜波不確定性強(qiáng)、脈沖噪聲較多等特點(diǎn)［39］。尤其是風(fēng)力較大的天氣，水體翻騰，散熱過快，影像信噪比低，尾跡信號(hào)被背景和噪聲淹沒，難以捕捉。并且實(shí)體實(shí)驗(yàn)成本較高，有一定的敏感性，因此國(guó)內(nèi)外學(xué)者以縮比模擬實(shí)驗(yàn)為主。

當(dāng)前主要的模擬方法有動(dòng)網(wǎng)格法和來流法，如表1 所示［40-46］。動(dòng)網(wǎng)格法可以用來模擬流場(chǎng)形狀由于邊界運(yùn)動(dòng)而隨時(shí)間改變的問題，實(shí)現(xiàn)水下目標(biāo)的真實(shí)運(yùn)動(dòng)過程的模擬，主要包括重疊網(wǎng)格技術(shù)和移動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)等。來流法實(shí)現(xiàn)了水下航行器與背景水體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。來流法增加了熱尾流與環(huán)境水體之間的能量交換速度，使得降溫過快，導(dǎo)致熱尾流浮升至水面時(shí)最大溫差過小且最大溫差出現(xiàn)時(shí)間明顯增長(zhǎng)［47］。

表1 熱紅外尾跡模擬算法對(duì)比Table 1 Comparison of thermal wake simulation algorithms

通過模型仿真、數(shù)值模擬，學(xué)者們對(duì)熱尾流的變化過程有了進(jìn)一步的分析。熱尾流的浮升擴(kuò)散受水下目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的速度影響較小，與速度的1/4 次方成正比［42］。但是與水體、推進(jìn)器有著密不可分的聯(lián)系。當(dāng)水體為均勻無分層的流體時(shí)，熱尾流可以無限制地浮升擴(kuò)散，并且推進(jìn)器轉(zhuǎn)速越高，水面變化區(qū)域越大，導(dǎo)致熱尾流浮升高度隨航行器移動(dòng)方向呈階梯狀分布；當(dāng)水體為垂直溫度梯度的流體時(shí)，分層會(huì)抑制熱尾流的浮升，而氣泡則有促進(jìn)作用，使得尾跡的變化過程存在一定的波動(dòng)，紅外特征明顯。最初，冷卻水浮升至尾流中線附近，在紅外影像中以熱斑的形式出現(xiàn)，形成狹窄的縫隙，后由于浮力的影響以及橫波的傳播，水波帶著暖流向四周擴(kuò)散，并且夾帶率小于均勻流體［48-49］。當(dāng)水下航行器在溫度躍層上方時(shí)，熱尾流具有明顯的浮力射流特性，會(huì)形成“冷尾跡”結(jié)構(gòu)；當(dāng)水下航行器在溫度躍層下方時(shí)，運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的內(nèi)波影響原有的結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生紅外信號(hào)，且熱信號(hào)強(qiáng)度與航速、相對(duì)躍層的位置密切相關(guān)，呈現(xiàn)出大尺度相干渦的結(jié)構(gòu)特性，溫度差通常在0.001 K 數(shù)量級(jí)［50］。

基于熱紅外影像尾跡識(shí)別技術(shù)目前研究算法較多。但是在現(xiàn)實(shí)海域中拍攝海面紅外圖像的成本高昂，工作量大并且難以在不同的工作條件下獲得圖像。

5 總結(jié)與展望

本文根據(jù)遙感影像類別，分析了光學(xué)影像、SAR影像、熱紅外影像尾跡識(shí)別技術(shù)的特點(diǎn)和算法。目前基于SAR 影像、熱紅外影像尾跡識(shí)別技術(shù)較成熟，無論是模擬仿真還是縮比實(shí)驗(yàn)都可以達(dá)到很好的效果?；诠鈱W(xué)的水下目標(biāo)尾跡識(shí)別技術(shù)目前還在發(fā)展階段，主要是由于光學(xué)影像容易受云層、海浪以及氣候干擾，難以建立背景模型。

隨著遙感技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，水下目標(biāo)尾跡探測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)如下：

（1） 充分利用高光譜影像，將光譜信息與尾跡特征相結(jié)合，發(fā)展多維度尾跡識(shí)別系統(tǒng)，有望顯著提升水下目標(biāo)檢測(cè)能力。

（2） 在環(huán)境氣候惡劣的情況下，SAR 影像中尾跡與雜波難以區(qū)分，尤其是小目標(biāo)。有針對(duì)性地進(jìn)行影像預(yù)處理，背景與目標(biāo)的分離也是未來的研究方向。

（3） 由于尾跡在不同影像中有不同特征，僅憑借單一手段難以精準(zhǔn)捕捉水下目標(biāo)蹤跡，未來的探測(cè)方法將會(huì)結(jié)合水動(dòng)力學(xué)、熱紅外特征、SAR 特征和光學(xué)特征綜合識(shí)別。

（4） 尾跡的形態(tài)通常與目標(biāo)的狀態(tài)有關(guān)，通過尾跡的擴(kuò)散程度、臂長(zhǎng)、溫度等，反演出水下目標(biāo)前進(jìn)方向、速度、水深等參數(shù)，也是未來重要的發(fā)展方向。

（5） 緊密結(jié)合深度學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)，通過少量數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)水下目標(biāo)尾跡檢測(cè)工作，不僅減少人為客觀因素的影響，同時(shí)也充分利用尾跡圖形圖像信息，進(jìn)一步增強(qiáng)水下目標(biāo)尾跡檢測(cè)能力。