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1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上 《圖像檢測、跟蹤與識別技術》論文 論文題目： 圖像檢測、跟蹤與識別技術與現(xiàn)代戰(zhàn)爭 專業(yè)：探測制導與控制技術 學號： 姓名： 劉孝孝 目標檢測、跟蹤與識別技術與現(xiàn)代戰(zhàn)爭 【摘要】 本文討論目標檢測、跟蹤與識別技術在現(xiàn)代戰(zhàn)爭各個領域中的應用，總結目標識別技術的發(fā)展方向，提出目標識別技術工程化實現(xiàn)方法，同時本文介紹了國外目標識別的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，提出了現(xiàn)代戰(zhàn)爭應采用綜合識別系統(tǒng)解決目標識別問題的建議。 關鍵詞 目標檢測；目標跟蹤；目標識別

2、；雷達；人工神經(jīng)網(wǎng)絡；精確制導 1． 引言 隨著現(xiàn)代科學技術的飛速發(fā)展及其在軍事領域內(nèi)日益廣泛的應用，傳統(tǒng)的作戰(zhàn)思想、作戰(zhàn)方式已發(fā)生根本性的變化。從第一次海灣戰(zhàn)爭到科索沃戰(zhàn)爭，特別是剛剛結束的海灣戰(zhàn)爭，空中精確打擊和空地一體化作戰(zhàn)已經(jīng)成為最重要的作戰(zhàn)形式。集指揮、控制、通信、計算機、情報、監(jiān)視偵察于一體的C ISR 已成為取得戰(zhàn)場主動權，贏得最后勝利的關鍵因素。目標識別技術是雷達智能化、信息化的重要技術支撐手段。在現(xiàn)代化戰(zhàn)爭中，目標識別技術在預警探測、精確制導、戰(zhàn)場指揮和偵察、敵我識別等軍事領域都有廣泛的應用前景，已受到了世界各國的關注。 現(xiàn)代戰(zhàn)爭中取得戰(zhàn)場制信息權的關鍵之一是目標屬性識

3、別?，F(xiàn)代戰(zhàn)爭的作戰(zhàn)環(huán)境十分復雜，作戰(zhàn)雙方都在采用相應的偽裝、隱蔽、欺騙和干擾等手段和技術，進行識別和反識別斗爭。因此僅僅依靠一種或少數(shù)幾種識別手段很難準確地進行目標識別，必須利用多個和多類傳感器所收集到的多種目標屬性信息，綜合出準確的目標屬性，進行目標檢測，跟蹤后進行識別。 2． 目標檢測、跟蹤與識別技術在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中的應用 2．1 目標檢測、跟蹤與識別技術在預警探測上的應用 目標檢測、跟蹤與識別技術對于彈道導彈的預警工作有重要的作用。彈道導彈一般攜帶多個彈頭，其中可能包含核彈頭或大規(guī)模殺傷的彈頭以及常規(guī)彈頭，預警雷達必須具備對目標進行分類和識別真假彈頭的能力，將核彈頭或大規(guī)模殺傷的彈頭分

4、離出來，為彈道導彈防御(BMD)系統(tǒng)進行目標攻擊和火力分配提供依據(jù)。早期的BMD系統(tǒng)假設只有一個核彈頭，多彈頭分導技術的出現(xiàn)，使問題轉化為雷達的多目標識別問題，加上電子對抗技術的廣泛使用，給目標識別技術帶來很大困難。另外，預警雷達還要對空中目標或低空目標進行探測，對來襲目標群進行分類識別。利用星載雷達以及遠程光學望遠鏡等觀測設備，可以對外空目標進行探測，對外空來襲目標進行分類和識別，達到早期預警的工作。 2．2 目標檢測、跟蹤與識別技術在精確制導上的應用 精確制導方式很多，包括主動式、半主動式和被動式尋的制導方式，通過設在精確制導武器外部的制導站的遙控制導方式，利用地形(高度)匹配和景像(

5、灰度)匹配制導方式，只依靠彈上慣性部件提供制導數(shù)據(jù)，而不依賴外部信息的慣性制導方式，利用衛(wèi)星定位(GPS)系統(tǒng)的GPS制導方式。任何一種制導方式都有其優(yōu)缺點，一般來講，遠程精確制導武器都采用兩種以上的制導方式構成復合制導系統(tǒng)，這樣不僅能提高制導精度而且也能增強抗干擾能力。在導彈飛行中對目標進行識別，然后進行攻擊的技術已經(jīng)成為這個領域的一個研究熱點，目標成像識別技術將是當前的發(fā)展方向。大量的研究試驗表明，采用高分辨率雷達獲得目標的一維或二維圖像，可使目標識別變得簡易而清晰。如美軍研制的反導系統(tǒng)陸基相控陣雷達，采用寬帶逆合成孔徑(ISAR)技術，即利用“距離一多普勒”的原理，實現(xiàn)對活動目標的雷達成

6、像，然后對成像后的目標進行識別 。 2．3 目標檢測、跟蹤與識別技術在戰(zhàn)場偵察中的應用 目前，美國、英國、法國、俄羅斯等都研制了不同功能的戰(zhàn)場偵察傳感器系統(tǒng)，許多型號已經(jīng)大量裝備部隊并應用于實戰(zhàn)中。地面戰(zhàn)場傳感系統(tǒng)的主要功能是完成目標識別和目標定位、跟蹤等。對目標的定位、跟蹤技術，在復雜的戰(zhàn)場環(huán)境下，一直是研究的難點之一 j。利用二維圖像目標識別中的圖像分割和目標分類技術，確定興趣區(qū)不但可有效提高系統(tǒng)的處理速度，而且還可能提高識別準確度。首先根據(jù)目標的模型知識確定目標的顯著特征，對于地面建筑物，如橋梁、機場和電廠等，通過對目標模型及已有的圖像分析可知，對于人的視覺來講，直線邊緣是地面建筑物

7、區(qū)別于其它自然地物的一種較顯著特征，因此，在機場目標識別中，一般選取邊緣線段作為興趣區(qū)檢測所用的特征，興趣區(qū)的確定可根據(jù)邊緣特征的顯著性來確定。確定不同目標的特征后，通過邊緣提取算子提取圖像中的邊緣，并根據(jù)目標的幾何結構、傳感器的視場大小、傳感器距目標的距離等方面的知識，對邊緣圖像進行選擇和分類 。 2．4 目標檢測、跟蹤與識別技術在敵我識別上的應用 現(xiàn)代高技術戰(zhàn)爭中，正確識別敵我已成為取得戰(zhàn)爭勝利所要考慮的首要問題之一，世界各國都在加緊研制新型敵我識別武器系統(tǒng)。目前采用的識別技術主要有協(xié)作識別技術、非協(xié)作目標識別技術以及兩者相結合而成的綜合敵我識別技術 。雷達敵我識別器(IFF)是協(xié)作識

8、別技術的典型代表，它需要雷達上的詢問機和目標上的應答器配合工作才能完成我方目標識別。由于要求所有參戰(zhàn)單元都配置相應的敵我識別器，因此系統(tǒng)龐大，且容易被敵人欺騙和利用。非協(xié)作目標識別技術并不要求來自對方的回答，而是對監(jiān)視目標的專有特性進行分析，通過目標識別技術，做出正確的判別。由于不需要協(xié)同工作，可單獨配套，故獨立性強，不僅可識別友方，也可識別敵方或中立方，這是它突出的優(yōu)點。綜合敵我識別技術是把協(xié)作式目標識別和非協(xié)作式目標識別綜合起來通過數(shù)據(jù)融合技術實現(xiàn)目標屬性的最終判決。實現(xiàn)的核心技術是目標識別和數(shù)據(jù)融合技術。不僅僅是一個簡單的問答系統(tǒng)，而是一個多傳感器、多層面的綜合識別系統(tǒng)，圖1給出了這個系

9、統(tǒng)核心處理過程。通過戰(zhàn)術技術及訓練的綜合性手段，具體地說便是利用敵我識別器、熱源、視覺及紅外的數(shù)據(jù)，應用數(shù)據(jù)融合、專家系統(tǒng)、模糊理論及神經(jīng)網(wǎng)絡等新技術，并配合嚴密的空間管理及通信聯(lián)絡。 3. 國外目標檢測、跟蹤與識別技術的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 現(xiàn)代戰(zhàn)爭中多次發(fā)生的誤傷己方作戰(zhàn)力量的悲劇，使人們認識到在作戰(zhàn)中目標識別特別是敵我目標識別的重要性，目前，各國所研究和采用的解決目標識別的方法主要有以下幾種： 3．1 雷達識別 3．1．1 雷達敵我識別(IFF)系統(tǒng) 國外大量采用雷達敵我識別系統(tǒng)作為敵我目標識別的主要手段之一，目前已經(jīng)發(fā)展到第三代。美國等主要西方國家針對其正在使用的敵我識別系統(tǒng)(Ma

10、rk一12)存在的工作頻率是固定點頻、抗干擾能力差、工作頻率偏低、詢問波束所占空間大、較難識別密集目標等問題，先后進行下一代敵我識別系統(tǒng)(即北約新的敵我識別系統(tǒng)，簡稱“尼斯(NIS)”)的研究。西歐各國想提高詢問機頻率以減小詢問波束寬度以及相互之間的干擾，并提高識別精度。但美國為了使NS能兼容現(xiàn)有的FF系統(tǒng)，堅持繼續(xù)采用L波段去開發(fā)下一代FF系統(tǒng)即Mark-15。最后，各國達成協(xié)議，在美國Mark一15的頻段基礎上增加3cm和10cm頻段的雷達詢問模式。 3．1．2 雷達目標識別技術 現(xiàn)有雷達主要是提取目標位置以及運動方面的信息，而目標的物理性質(zhì)，諸如形狀、尺寸、材料和組成等特征信息，只有

11、依靠成象識別和分類識別或特征識別才能獲得。目標識別過程基本上包括目標特征提取、模式分析和模式分類等。目標識別的方法大致可分為下列幾種： a．根據(jù)回波信號的多普勒頻譜分析進行識別。這種方法只適用于目標上有相對運動部分現(xiàn)代戰(zhàn)爭目標識別方法研究的情況，已用于對直升飛機類的目標進行識別； b．利用毫米波雷達、激光雷達以及光電系統(tǒng)成像的方法進行識別。由于大氣衰減， 目前只適于近距離目標識別； c．利用寬帶／超寬帶雷達、準連續(xù)波雷達的高分辨力對目標進行識別； d．根據(jù)目標極化特性進行識別； e．根據(jù)目標頻率響應進行識別； f．根據(jù)對目標回波進行空間相干處理進行識別，即利用逆合成孔徑成象原理實現(xiàn)

12、目標識別： g．根據(jù)諧波特性進行識別，這種方法需要在雷達接收機中增加若干個諧波接收通道，且要求天線必須有足夠寬的頻帶。 上述各種識別方法各有其特點。若綜合應用兩種或多種方法對目標進行分類識別，將會使目標的識別更為準確。因此，隨著雷達技術、自適應多維處理技術和雷達網(wǎng)的發(fā)展，這種綜合的目標識別技術將是今后的發(fā)展方向。 3．2 無源雷達識別 無源雷達系統(tǒng)是通過接收目標的電磁輻射信號實現(xiàn)對目標的探測定位、跟蹤及識別，可彌補當前常規(guī)雷達不能準確進行機型、架數(shù)識別的不足。這種系統(tǒng)具有較強的“四抗”能力，國際上已有實用裝備。 3．3 光電識別手段 目前，國外正大力發(fā)展激光、紅外、電視攝像等光電技

13、術與裝備，主要是對目標成象進行識別。如美國在海灣戰(zhàn)爭中投入使用了一種近紅外裝置(“達帕”燈)．安裝在地面作戰(zhàn)運載工具上，從而較好地解決了在掌握制空權的情況下．空中對地面目標進行敵我屬性識別的問題。 3．4 通信、導航和識別(CNI)系統(tǒng) 通信、導航和識別系統(tǒng)可使已方大系統(tǒng)內(nèi)的各作戰(zhàn)單位準確、適時地得到自己的位置等信息，還能迅速讓其它系統(tǒng)成員了解這些信息，掌握己方作戰(zhàn)力量的分布情況，從而可以準確判明我方，區(qū)分敵我。比較典型的通信、導航和識別綜合系統(tǒng)是美軍用于三軍聯(lián)合作戰(zhàn)的c I系統(tǒng)中的聯(lián)合戰(zhàn)術信息分布系統(tǒng)(JTIDS)。這種系統(tǒng)采用時分多址和碼分多網(wǎng)工作方式，廣播高度格式化的信息，能在眾多的

14、系統(tǒng)用戶之間進行大容量的數(shù)據(jù)發(fā)布，同時，使只有系統(tǒng)成員之間才能互相通信和導航定位．這就把系統(tǒng)成員和非成員區(qū)分開來．使系統(tǒng)具有識別功能，且把眾多的CNI作戰(zhàn)單位聯(lián)成一體，該系統(tǒng)特別適合于多種聯(lián)合作戰(zhàn)．受到世界各國軍方的高度重視。除了JTIDS之外．屬于通信、導航和識別系統(tǒng)的．還有用于師一級或海軍陸戰(zhàn)隊旅一級陸空聯(lián)合作戰(zhàn)CNI用的位置報告系統(tǒng)(PLRS)， 及法國的SINTAC系統(tǒng)。 3．5 偵察識別手段 國外也很重視偵察識別裝備的發(fā)展，包括無線電技術偵察、光電偵察、聲學偵察等設各。其中，無線電技術偵察包括通信信號偵察和非通信信號偵察。先進的無線電電子裝備在現(xiàn)代化軍隊中的大量使用，為實現(xiàn)無線電

15、技術偵察創(chuàng)造了有利條件，因此許多國家的要隊都非常重視運用無線電技術偵察手段獲取情報。如美國、前蘇聯(lián)等國均在師以上部隊編配了專門的無線電技術偵察部隊、分隊。 3．6 綜合識別系統(tǒng) 綜合識別系統(tǒng)是指除了通過敵我識別器進行敵我識別之外，還把利用其它方法得到的目標識別信息同直接回答得來的識別信息綜合起來進行目標識別的系統(tǒng)。這種系統(tǒng)可充分利用多方面的識剝信息，有利于系統(tǒng)容錯，提高識別的準確性和可靠性。 4． 目標識別技術研究方向 目前對目標識別領域的研究，主要有下面幾個方向： 4．1 基于低分辨率雷達信號 對于低分辨率雷達信號的目標識別，主要依靠極化信息、回波波形、多普勒等信息對目標進行粗略

16、的識別，如進行快速、慢速、大目標、小目標、空中目標、水上和地面目標的簡單分類，但不能夠進行具體型號目標的識別 。VHF雷達利用諧振頻率，根據(jù)數(shù)據(jù)庫中存儲的目標參數(shù)，理論上可以進一步進行分類識別，但是構造目標諧振參數(shù)的數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)起來比較困難?？傤}來講，基于低分辨率雷達目標識別技術，由于只是對目標的簡單分類，實現(xiàn)起來比較容易，目前這種技術在國內(nèi)外已被工程化，并在具體型號的雷達上得到了實現(xiàn)。 4．2 基于高分辨率雷達信號 近年來，基于高分辨率雷達的目標成像識別方法有了長足的進步，并有綜合采用多種識別方法之趨勢。如美軍“前沿地域防空系統(tǒng)”(FAADS)中的雷達，可增強顯示目標類別、距離、方位角及

17、俯仰角等數(shù)字信息，具有綜合的敵我識別能力，借助定位報告系統(tǒng)(PI RS)，實施空中交通管制(ATC)，并向各作戰(zhàn)分隊顯示出有關區(qū)域的空情圖，使武器系統(tǒng)能在最大射程內(nèi)攔截目標，亦可避免誤傷己方的飛機。又如德國的西門子一普萊賽公司研制的“指揮者”(Commander)系列遠程三坐標雷達，目標探測距離分辨率為0．5m，通過數(shù)據(jù)處理，將接收到的戰(zhàn)機目標專有信號特征或圖形，與信息庫中已知的己方飛機數(shù)據(jù)或圖形相比較，即可實現(xiàn)目標識別?；诟叻直媛世走_體制的目標識別技術根據(jù)利用的信號形式不同大致可分為三大類，一類是一般高分辨率雷達，利用目標高分辨一維距離像數(shù)據(jù)源上目標、檢測目標分類上 (HRRP)來進行目標

18、識別。但是，識別精度和實時性問題是這種技術工程化的制約因素，雖然已經(jīng)提出了許多識別率很高的方法，但是從實時性上考慮，離工程化實現(xiàn)還有一定距離。目前，各國在這個領域正處在從理論研究到工程實現(xiàn)的過渡階段。在國內(nèi)，國防科技大學、西安電子科技大學、清華大學、北京理工大學等最早開展高分辨雷達目標識別的工作，并在這個領域的研究中取得了很大進展，隨后各院校、研究所，相繼開展了這項工作的研究。近年來，隨著相關項目雷達體制的多樣化，我所也開展了戰(zhàn)場環(huán)境多目標識別的研究工作 。關于對目標的雷達像，包括SAR及ISAR二維像的目標識別工作，相對于一維HRRP的目標識別技術，從實現(xiàn)上要困難得多，實際上并不是識別算法本

19、身的問題，而是在數(shù)據(jù)的錄取和成像的質(zhì)量方面相關的硬件和軟件在工程上實現(xiàn)起來比較困難。我們知道，要獲得目標SAR及ISAR像，雷達平臺和目標間要有一定的轉角以獲得相應的綜合孔徑，這一要求在某些應用中不可能或較難得到滿足，如懸停直升機對地面靜止目標觀測，或目標相對于雷達平臺徑向飛行場合。此外，成像雷達系統(tǒng)復雜，不易大量裝備。所以，對二維雷達像的識別的研究起步較晚，現(xiàn)在還處在理論研究階段，但是隨著科技飛速發(fā)展，DSP芯片的處理速度迅速提高，SAR成像實時處理器已經(jīng)研制出來，已使對雷達二維像的目標識別成為可能。對于目標的三維像的識別，盡管包含的信息比一維像和二維像要多，但是實際中得到好的三維像非常困難

20、，目前具體從事目標三維像識別研究的很少，不過這也是今后的一個研究的方向。 5． 目標識別技術的實現(xiàn)方法 根據(jù)不同類型的雷達，目標識別技術有所不同，但是都離不開一個統(tǒng)一的框架，如圖z所示?？偟膩碇v，雷達目標識別主要過程分為預處理過程，特征提取和目標識別過程。其中左、右兩路是輔助識別過程，左路建立模板庫，而右路主要通過識別器訓練，確定智能規(guī)則庫或識別器參數(shù)庫，中間一路是識別過程，借助于左、右兩路提供的信息，對檢測到的目標進行識別。對于低分辨雷達目標識別，一般僅利用左路信息，而對高分辨雷達，左、右兩路信息都可能采用。 5．1 低分辨雷達的目標識別的實現(xiàn) 低分辨雷達的目標識別過程比較簡單，由于

21、分辨率較低，目標可能在一個分辨單元或在不多的幾個分辨單元中被檢測到。對于只出現(xiàn)在一個分辨單元的情況，往往不作預處理，而對出現(xiàn)在幾個分辨單元的情況，預處理過程常常采用點跡凝聚的方法。特征提取過程主要是將目標的極化、回波波形、多普勒等信息作為特征，建立模板庫，通過計算相關系數(shù)等方法對目標進行分類。 5．2 高分辨雷達目標識別的實現(xiàn) 高分辨雷達得到的距離像，包含著目標散射點沿徑向分布的強弱特征，而不同目標對應的這些特征是不同的。數(shù)據(jù)預處理過程主要是把目標從雜波中提取出來，通過找到目標的平均散射中心作為參考點，使用一定寬度的距離門套住目標信號。特征提取過程主要是個降維的過程，通過對目標信息進行變換

22、，處理，將識別過程所需要的重要信息提取出來，而將冗余信息除去，使識別過程獲得的信息更可靠，同時也降低了識別器的運算量。9O年代以來，隨著小波理論的發(fā)展，小波變換被廣泛應用于目標信息的特征提取上。目標識別器的種類很多，包括用于傳統(tǒng)模式識別的基于統(tǒng)計技術的自適應算法和基于參數(shù)模型的方法。以神經(jīng)網(wǎng)絡技術為代表的智能規(guī)則庫技術，旨在將自適應學習與先驗知識結合并且從算法上得以實現(xiàn)，目前，具有代表性的目標識別器包括神經(jīng)網(wǎng)絡分類器、支持向量機(SVM)分類器、最大似然分類器、隱馬爾可夫模型(HMM)分類器等等，部分識別器在小樣本情況下，識別率可以達到9O.9﹪以上，它們的實時性問題成為制約工程化實現(xiàn)的重要因

23、素 。 5．3 二維SAR 圖像目標識別的實現(xiàn) 在二維SAR圖像目標識別中，目標存在于復雜的圖像背景之中，要從復雜背景中將需要的目標信息提取出來。在預處理過程中除了要對圖像內(nèi)容進行邊緣檢測和圖像分割以外，為了對圖像中的目標更有效地檢測和分割，往往還進行圖像的增強、濾波等處理。圖像增強是為了突出目標的特征，以區(qū)別于圖像背景，這是圖像處理中常用的技術。傳統(tǒng)圖像濾波方法用于抑制SAR圖像中的相干斑 。SAR 圖像的特征較HRRP特征信息量更大，除了目標的形狀信息，還包括紋理信息以及背景圖像的對比信息、，通過特征提取過程將識別過程所需要的重要信息提取出來，為下一步準確識別做好準備。識別過程和方法基

24、本采用HRRP識別技術。 6． 結束語 在現(xiàn)代高技術戰(zhàn)爭中，目標識別技術將融入戰(zhàn)爭的各個環(huán)節(jié)，在戰(zhàn)場指揮、防空反導、精確制導、戰(zhàn)場偵察、預警探測、敵我識別等反面，都將發(fā)揮優(yōu)勢。然而，目標識別的精度和實時性問題制約著目標識別技術的工程化實現(xiàn)，進一步深入研究易于工程化實現(xiàn)的目標識別的理論和方法，對軍隊信息化建設，對打贏高科技條件下的現(xiàn)代化戰(zhàn)爭，有著深遠的影響。 主要參考文獻： [1] 張光義，王德純．彈道導彈防御系統(tǒng)中的預警探測雷達[J]．系統(tǒng)工程與電子技術，1999． [2] 郭修煌．精確制導技術[M]．北京：國防工業(yè)出版社，1999． [3] 馬春庭等．基于小波分析技術的戰(zhàn)場地面目標定位處理技術研究[J]．探測與控制學報，2003． [4] 吳偉仁等．基于興趣區(qū)檢測的遠距離機場目標識別研究[J]．計算機測量與控制，2004． [5] 田康生等．指揮所目標識別專家系統(tǒng)的實現(xiàn)[J]．火力與指揮控制，2003． [6] 蔣慶全．數(shù)據(jù)融合與敵我識別綜述[J]．現(xiàn)代防御系統(tǒng)，2002． [7] 保錚，邢孟道，強勇．天波超視距雷達信號處理ER]．西安電子科技大學雷達信號處理重點實驗室報告，2000． [8] 黃德雙．高分辨雷達智能信號處理技術[M]．機械工業(yè)出版社，2001． ． 專心---專注---專業(yè)