成像引信联合变换相关目标识别关键技术

邓甲昊

（1.机电动态控制重点实验室，北京 100081；2.北京理工大学机电学院，北京 100081）

0 引言

现代战争越来越向着信息化、立体化、快速、多变的方向发展，从而对引信及导航、制导等武器系统的智能化、精确化、抗干扰能力及实时性等方面提出了新要求。成像能使武器系统有效获取所探测目标的几何形状及表面特征，从而有利于可靠识别目标及其易损部位、改善引战配合性能、提高对目标的探测精度和毁伤效率，故它是精打武器中引信及导航、制导等系统目标探测技术的重要方向。鉴于激光高亮度、高定向性、高单色性及高相干性，使得激光成像体制具有相干性好、分辨率高、抗干扰和抗隐身能力强的优点。该体制不仅可对目标成二维强度像而且还可成三维距离像，特别适于对非合作目标的图像识别。

然而，面对复杂背景和高速弹目交会条件下的非合作目标识别，在精确化和实时性方面的要求该体制均难满足。这是因为传统的三维激光成像图像识别方法，其图像信息数据量大，难以解决高分辨、高鉴别率与快速识别的矛盾。而应用三维光电联合变换相关技术可有效解决这一难题，因为就激光图像识别而言，联合变换相关不仅具有平移不变性，而且由于激光的高速并行性使识别可在瞬间完成，其信息处理速度与图像信息量大小无关。同时，将国际上刚刚兴起的三维联合变换相关技术（取代传统二维）应用于三维激光成像的目标识别势必会显著提高其识别精度，故将三维光电联合变换相关器用于激光成像探测系统，可显著提高引信及导航、制导等武器系统目标探测的准确性和实时性。因此开展“基于三维联合变换相关的非合作目标激光成像识别”研究对解决目前困扰我军激光体制终端武器系统精确成像探测与实时图像识别的重要问题，从而提高我军武器系统的实战效能，具有重要战略意义及工程应用价值。基于此前提，本文针对终端毁伤武器目标探测系统（如引信等）的应用，提出了复杂战场环境下基于三维联合变换相关非合作目标（如坦克、飞机、导弹等）识别的关键技术。

1 激光成像探测技术国内外研究状况

目前适于引信及导航、制导等武器系统的激光成像探测模式主要有三种［1］：一是光机扫描式；二是面阵凝视式；三是介于两者之间的线阵推扫式。下面分别对它们进行讨论。

1.1 光机扫描式

该探测模式采用单元探测器，每发射一个激光脉冲仅可获得一个像素的距离和回波强度数据，通过光机扫描机构及平台运动实现所有像素数据的采集，最终得到目标的距离像和强度像。该模式国外自20世纪80年代以来至今得到了广泛研究和在导航、制导及引信领域的工程应用。近十几年来具有代表性的，如美国开展了CMAG（巡航导弹先进制导）和ATLAS（先进技术激光主动成像导引头）计划，研制了用于AGM－129和AGM－130空射巡航导弹避障、导航和末制导的CO2激光成像雷达，显著提高了制导精度；国内一些单位都开展了光机扫描式激光成像探测技术研究［2－5］。目前，光机扫描式激光成像探测技术已较为成熟，但存在着成像速率低、体积功耗大和可靠性差的缺点。

1.2 面阵凝视式

该探测模式采用面阵探测器，激光发射光束覆盖整个目标区，面阵探测器同时接收目标反射回来的光信号，经处理后可同时得到所有像素的距离和强度信息，进而得到目标的距离像和强度像。该模式国外自20世纪90年代开始研究以来，先后出现了连续波线性调频（FMCW）测距、相位测距、多狭缝条纹管、距离选通和脉冲测距“闪光”（flash imaging）等成像体制。在FMCW测距成像体制，目前美国陆军研究实验室具有技术优势［6］。而在相位测距成像体制，美国Sandia国家实验室特色明显，我国也开展了相关研究。多狭缝条纹管成像体制目前美国AretéAssociates公司、国内有关单位［7］均从事该体制研究，其成果各有千秋。距离选通成像体制目前丹麦国防研究实验室和瑞典国家防卫研究所（FOI）主要从事该体制3D成像研究［8］，而国内则主要开展其强度成像研究。脉冲测距“闪光”成像体制因具有作用距离远、成像速率及距离分辨率高，动态范围广，并可穿透一定遮盖物等优点，成为各国研究热点，也是凝视激光成像探测技术的发展方向。美国在该领域世界领先［9］，而国内由于受微电子工业技术水平制约，在该领域的研究还处于起步阶段。总之，由于面阵凝视式激光成像模式其技术核心在于面阵探测器及读出处理电路。与光机扫描式成像模式比，虽具有成像速率高、结构紧凑、体积小的优点，但受面阵探测器阵元大小及读出处理电路的限制，难以获得高分辨率或大视场的目标图像。

1.3 线阵推扫式

该探测模式采用线阵探测器，照射扇形激光光束，目标回波信号经探测器接收后，获得目标上一窄带的距离和回波强度数据（对应图像上一行），依靠弹目相对运动完成列推扫，从而实现对整个目标区的覆盖，最终获得距离和强度像。该模式出现早于面阵凝视式，先后出现了FMCW测距、单狭缝条纹管和脉冲测距成像体制。同样，美国陆军研究实验室在FMCW 测距成像方面具有优势［10］。而美国AretéAssociates公司和国内在单狭缝条纹管成像体制方面具有特色。脉冲测距成像原理与脉冲测距“闪光”成像相同，只是探测器是线阵光电二极管（PIN／APD）阵列；目前该体制是研究热点，如美日联合开展了CELRAP研究计划，以研制适合多种平台的激光成像雷达［11］，其分别采用了1×32的APD阵列和1×128的InGaAs PIN阵列；国内有关单位［12－13］均开展了该体制激光成像引信技术研究，并开展了机载推帚式对地观测激光成像研究。与前两种模式比，线阵推扫式更适于导弹等运动平台及大视场探测，其成像速率远高于光机扫描式，且由于线阵探测器阵列产品丰富、阵元数目多（目前已有1024元），能获得高分辨率图像，是一种颇具优势和潜能的激光成像探测模式。

由于尖端武器技术的保密性，上述三种激光成像探测模式的详细技术资料十分鲜见，国内相关技术研究均处于起步阶段。对于复杂背景下的非合作目标识别，无论对于何种激光成像探测模式均主要面临以下共性技术问题：1）探测器所获目标原始参量（数据）的准确性；2）成像及识别的准确性；3）成像及识别的实时性；4）满足武器系统要求的体积和功耗。根据国内外激光成像探测技术的发展现状、趋势及诸成像体制的优缺点，结合引信及导航、制导等武器系统的体积、功耗及成像要求，本文着重选择线阵推扫式脉冲测距激光成像体制为对象进行讨论，以解决该类武器系统在复杂背景下对非合作目标（如坦克、飞机、导弹等）识别的前提：成像的准确性与实时性。

2 联合变换相关目标识别技术国内外研究状况

联合变换相关识别技术是用光学器件对目标和参考图像同时进行傅里叶变换实现相关的一种图像识别技术，是目前光学图像识别研究中最活跃的领域之一［14］。由于光的高速并行性，其处理速度与图像信息量大小无关。与数字相关识别技术比，其在高鉴别率和实时性方面有明显优势。近年来，随着各种实时光电探测、调制及接口器件的出现，联合变换相关识别技术得到了不断发展。目前光电混合的可编程联合变换相关器，在导航、制导、自动目标识别与跟踪等军事领域［15］以及车辆自动驾驶、医用图像处理，安检系统中指纹、面容及车牌识别等领域［16］得到了不同程度的应用，且前景广阔。

依据联合变换相关原理，经典联合变换相关器（CJTC）存在三方面弱点，1）由于联合相关输出存在较强的零级自相关峰，使得输出面中相关输出的衍射效率较低，从而影响互相关峰的探测，使识别效率降低，特别在多目标识别和有背景噪声情况下更甚；2）联合相关输出面中零级自相关峰太宽，限制了输入面目标图像和参考图像的大小和相对位置，降低了对输入面空间带宽积的利用；3）当输入目标图像相对参考图像发生畸变时，识别效果显著下降。针对上述问题，目前国内外研究主要集中在：1）提高其相关性能，即通过削弱或去除零级自相关峰，减少对互相关峰的影响；2）提高系统的鲁棒性，以便当输入目标图像相对参考图像发生扭曲、旋转、比例变化时，保证系统仍能正确识别。在提高相关性能方面，主要采取以下措施：1）对输入图像进行增强和特征提取，如采用梯度、Roberts、Sobel、Prewitt和拉普拉斯算子及小波变换提取图像的边缘特征；2）对联合变换功率谱（JPS）进行处理，如对JPS进行二值化、微分、振幅调制、条纹调制、对消等手段［17］；3）采用相移技术，即通过改变参考图像的位相，得到无零级联合变换相关器（NOJTC）［18］；4）提高光能利用率，如位相编码调制、多通道联合变换相关器等［19］。在提高鲁棒性方面，主要方法是：1）采用圆谐变换和旋转参考图像法实现系统的旋转不变性；2）采用梅林变换实现系统的比例不变性；3）采用综合识别函数法以同时实现系统的旋转和比例不变性［20］。

需指出的是，上述改进主要是针对二维（2D）联合变换相关器，处理的目标图像主要是二维的二值或灰度图像，由于二维图像不包含距离信息，两个不相似的物体可能在二维图像中是相似的，易造成相关器误判，复杂背景情况下尤为突出。近10年来，随着目标立体图像获取技术的发展，提出了三维（3D）联合变换相关识别技术的概念，由于其利用的是目标和参考物的三维信息，可提高复杂背景下对目标的识别能力。目前，三维联合变换相关识别技术在目标三维图像的获取上采用移动CCD相机或多个CCD相机或集成成像方式［21］，需通过复杂计算来得到目标的三维坐标信息，获得3D图像的速率慢，进而影响识别速度。故本文在此着重推荐通过激光成像探测方式直接获取目标的三维信息，据此开展3D联合变换相关识别技术研究，进而探讨提高该相关器的相关性能和鲁棒性的措施，以满足复杂背景下对非合作目标识别的识别不变性、高鉴别率和实时性要求。

3 解决探测识别准确性及实时性的几个关键技术

本文讨论的基于激光成像和三维联合变换相关的非合作目标识别技术，采用线阵推扫脉冲测距成像方式直接获取目标的三维信息，再兼用三维联合变换相关器，可实现对三维目标图像的实时不变识别。上述两种颇有应用潜力技术的结合，特别适于复杂战场环境下对非合作目标立体信息特征的快速感知与可靠识别［22－23］。为使该技术尽早应用于终端毁伤武器目标探测系统（如引信等），下面阐述其解决探测识别准确性及实时性的几个关键技术。

3.1 目标距离与回波强度高精度获取

对目标距离与回波强度测量的精确与否，分别直接影响目标距离像与强度像的成像准确度，进而影响目标识别精度。线阵推扫式脉冲测距激光成像系统采用脉冲测距原理，即通过测量发射与回波脉冲的时间差计算距离。通常延时测量采用高速计数法，即以发射脉冲为计数器起始信号，以对应回波为停止信号。但由于武器用激光成像系统所探测的目标种类繁多，它们对激光的反射率差别很大。不同目标的反射率相差百倍以上，造成脉冲回波幅度大范围变化。通常高速计数器停止信号采用固定阈值，故回波脉冲的幅度变化将引起测距误差。同理，就回波强度而言，不同反射率会造成回波幅度大范围变化，往往会超出脉冲峰值检测电路的增益范围，加之激光回波脉宽窄、上升沿陡，峰值难以采到，均势必造成回波强度测不准。因此该技术是解决成像准确性的关键前提。

3.2 复杂背景下三维联合变换相关器互相关峰提取

与民用激光成像探测不同，战场环境下具有两大突出特点，一是多个目标同时存在的几率高，二是背景噪声大。这势必会导致：1）使联合相关输出存在强零级自相关峰，使得输出面中相关输出的衍射效率低；2）使联合相关输出面中零级自相关峰太宽，限制了输入面目标图像和参考图像的大小和相对位置，降低了对输入面空间带宽积的利用；3）使互相关峰减弱。三者均会对互相关峰的获取产生影响，使识别效率大为降低。故复杂背景下三维联合变换相关器互相关峰如何有效准确提取，是解决目标识别准确性的一个关键技术。

与二维经典联合变换相关器类似，三维经典联合变换相关器也存在着较强和较宽的自相关峰，这势必影响对互相关峰的探测，特别是在复杂背景下互相关峰本身很弱，因此去除或削弱自相关峰，增强互相关峰是提高三维联合变换相关器相关性能的关键所在。

3.3 高速运动下三维联合变换相关器畸变不变识别

由于对同一目标，探测器远近不同，探测视场角度不同会造成探测目标图像的比例、旋转及倾角畸变，因此经图像预处理得到的目标图像，相对于参考图像会存在比例缩放、旋转和倾角等畸变问题，不能直接输入到空间光调制器（SLM）进行联合相关变换。高速运动条件下该畸变更为严重。由于无畸变时联合变换相关器对完全相同两幅图像的认同或对不同类别两幅图像的区分均能很好识别，而当目标图像相对参考图像存在畸变时，相关识别结果会显著降低，甚至无法识别。因此，准确实现畸变不变图像识别，是高速运动条件下激光成像识别系统实用化的关键。

在高速运动条件下，由于探测器与目标的远近不同，探测视场角度不同，造成目标图像相对于参考图像存在着比例、旋转和倾角畸变，直接进行联合变换相关识别效果很差，甚至无法识别。为提高三维联合变换器识别的鲁棒性，也需采用畸变不变识别技术。

4 应用展望

基于激光成像探测和三维联合变换相关的非合作目标识别技术，采用线阵推扫脉冲测距成像方式直接获取目标的三维信息，具有视场范围广、作用距离远、成像速率快，图像分辨率高等优点。再兼用三维联合变换相关器，可实现对三维目标图像的实时不变识别。上述两种颇有应用潜力技术的结合，特别适于复杂战场环境下对非合作目标立体信息特征的快速感知与可靠识别。该三维激光成像识别技术，不仅可为用于导弹、卫星、及其拦截器等非合作目标精确打击武器的引信及导航、制导等激光成像探测系统的设计与开发提供必要的理论与技术支持，而且对红外及可见光成像体制的目标识别也具有借鉴作用，同时还在自主机器人、机器视觉、车辆自动驾驶、人脸及车牌快速安检等需立体信息特征感知与识别领域具有广阔应用空间。

5 结论

本文以战场环境下非合作目标识别为应用背景，综述了国内外光机扫描式、面阵凝视式及线阵推扫式激光成像技术与联合变换相关成像识别技术的研究状况；针对终端毁伤武器目标探测系统，特别是引信系统的应用，讨论并指出了复杂战场环境下三维联合变换相关非合作目标识别的三个关键技术，即：1）目标距离与回波强度的高精度获取；2）复杂背景下三维联合变换相关器互相关峰的提取；3）高速运动下三维联合变换相关器畸变不变识别。为解决其探测与识别的准确性及实时性提供了前提。

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