一種BCI與SAR融合的目標(biāo)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

任立恒+++李德峰+++王寧+++丁成義+++劉學(xué)文

摘 要：合成孔徑雷達(dá)（Synthetic Aperture Radar， SAR）是一種主動(dòng)式微波成像傳感器，工作不受大氣傳播和氣候影響，穿透力強(qiáng)、識(shí)別能力強(qiáng)，成像清晰并且覆蓋面積大，應(yīng)用于軍事偵察、資源勘探、災(zāi)害預(yù)警及地圖測(cè)繪等領(lǐng)域。目前的SAR圖像自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別（Automatic Target Recognition，ATR）技術(shù)可以較為有效的獲取目標(biāo)信息，但是該方法需要對(duì)目標(biāo)特性有大量的數(shù)據(jù)積累，并且識(shí)別率具有一定的不確定性。為了提高對(duì)SAR圖像的識(shí)別效率與準(zhǔn)確率，文章設(shè)計(jì)一種BCI（腦-機(jī)接口Brain-Computer Interface）與SAR融合的目標(biāo)檢測(cè)應(yīng)用系統(tǒng)，融合人類大腦與機(jī)器圖像自動(dòng)識(shí)別各自的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步提高目標(biāo)識(shí)別效率與準(zhǔn)確率，提高部隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力與自動(dòng)化水平。

關(guān)鍵詞：腦機(jī)接口；合成孔徑雷達(dá)；目標(biāo)識(shí)別

1 概述

合成孔徑雷達(dá)（Synthetic Aperture Radar， SAR）是一種主動(dòng)式微波成像傳感器，融合了合成孔徑技術(shù)、脈沖壓縮技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)，以較小的孔徑天線獲得較高的分辨率，且工作不受大氣傳播和氣候影響，穿透力強(qiáng)、識(shí)別能力強(qiáng)，成像清晰并且覆蓋面積大，是當(dāng)前對(duì)地觀測(cè)的重要手段之一，主要搭載于衛(wèi)星平臺(tái)以及機(jī)載平臺(tái)。由于SAR具有機(jī)動(dòng)靈活、全天候、全天時(shí)和一定的穿透成像能力的特點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于軍事偵察、情報(bào)獲取、資源勘探、災(zāi)害預(yù)警及地圖測(cè)繪等領(lǐng)域。目前的SAR圖像自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別（Automatic Target Recognition， ATR）技術(shù)可以較為有效的獲取目標(biāo)信息，但是該方法需要對(duì)目標(biāo)特性有大量的數(shù)據(jù)積累，并且識(shí)別率具有一定的不確定性。

腦電信號(hào)（Electroencephalograph， EEG）是一種產(chǎn)生自腦神經(jīng)細(xì)胞活動(dòng)的極其微弱的電位反映，同時(shí)也是一種非平穩(wěn)、非線性的電信號(hào)。EEG可反映情報(bào)操作人員對(duì)刺激的接受、處理以及反應(yīng)等認(rèn)知過程，其波幅和潛伏期能客觀地反映受試者的認(rèn)知能力。腦-機(jī)接口（Brain-Computer Interface， BCI）[1]是一種不依賴于大腦外周神經(jīng)與肌肉組成的正常輸出通路的腦-機(jī)通訊系統(tǒng)，是一種新型的人機(jī)交互系統(tǒng)，它在人體與計(jì)算機(jī)之間建立連接，利用從人腦采集到的腦電信號(hào)控制計(jì)算機(jī)或者其他外部電子設(shè)備從而實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。腦-機(jī)接口系統(tǒng)的研究使得大腦與外界直接進(jìn)行交互成為可能，在醫(yī)學(xué)、智能控制和軍事等領(lǐng)域都有著廣泛的潛在應(yīng)用。

為了提高對(duì)SAR圖像的識(shí)別效率與準(zhǔn)確率，本文設(shè)計(jì)一種BCI與SAR融合的目標(biāo)檢測(cè)應(yīng)用系統(tǒng)，融合人類大腦與機(jī)器圖像自動(dòng)識(shí)別各自的優(yōu)勢(shì)，為高分辨SAR圖像的應(yīng)用提供一種新思路。

2 理論基礎(chǔ)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 P300的產(chǎn)生條件

人類在長(zhǎng)期進(jìn)化過程中形成的EEG中的事件相關(guān)P300[2]電位是一種內(nèi)源性事件相關(guān)電位（event related potentials， ERP），一般出現(xiàn)在刺激發(fā)生后300ms左右，具有時(shí)域波形特征，通常采用Oddball范式誘發(fā)。所謂Oddball范式，是指在標(biāo)準(zhǔn)刺激（大概率刺激）的序列中，偏差刺激或靶刺激（小概率刺激）誘發(fā)的ERP。偏差刺激或靶刺激出現(xiàn)的概率越小，誘發(fā)的P300振幅越大。

P300電位的波形特點(diǎn)是位于刺激點(diǎn)后約300 ms出現(xiàn)一個(gè)正向的峰值電位，其典型波形如圖1所示。

P300的測(cè)量指標(biāo)和其他一般誘發(fā)電位一樣，主要為潛伏期和波幅。P300的頭皮分布廣泛，相對(duì)集中在中線部位（Fz，Cz，Pz，Oz），如圖2所示，其波幅在頂后部（Pz）最大，中央頂部（Cz）次之，主要特點(diǎn)是具有穩(wěn)定的時(shí)間窗，對(duì)特征識(shí)別敏感等，成分較大易于測(cè)量。

綜上所述，P300電位的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)如下：

（1）P300電位信號(hào)對(duì)于新異性目標(biāo)的出現(xiàn)有較強(qiáng)的反應(yīng)幅度，且具有鎖時(shí)鎖相的特征，較易于實(shí)現(xiàn)信號(hào)的特征識(shí)別與分類提取。

（2）P300可以通過視覺刺激誘發(fā)，具備圖像目標(biāo)識(shí)別等應(yīng)用的可能[3]。

基于P300電位的特點(diǎn)，我們?cè)O(shè)計(jì)了融合EEG與SAR的目標(biāo)檢測(cè)應(yīng)用系統(tǒng)，充分利用SAR具備的穿透成像的特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)代數(shù)字圖像識(shí)別技術(shù)與人腦長(zhǎng)期進(jìn)化形成的抽象思維和模糊推理的能力，提高現(xiàn)有系統(tǒng)的目標(biāo)探測(cè)的效率。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)包括BCI系統(tǒng)，數(shù)字圖像目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，SAR及情報(bào)判讀人員4個(gè)大的組成部分，具體系統(tǒng)組成如圖3所示：

系統(tǒng)工作流程如下：獲取原始高分辨SAR圖像后，經(jīng)數(shù)字圖像目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)進(jìn)行初步的目標(biāo)識(shí)別，將可疑目標(biāo)裁切出來，形成Oddball范式快速呈現(xiàn)給情報(bào)判讀人員，數(shù)據(jù)處理終端通過腦電放大器實(shí)時(shí)采集情報(bào)判讀人員的EEG信息，從中提取敏感目標(biāo)的P300成分，并輸出最終情報(bào)判讀結(jié)果。

3 系統(tǒng)試驗(yàn)與試驗(yàn)結(jié)果

3.1 系統(tǒng)試驗(yàn)

（1）試驗(yàn)范式

本次試驗(yàn)使用的范式是Oddball范式。Oddball范式是指采用兩種或多種不同刺激持續(xù)隨機(jī)交替出現(xiàn)，它們出現(xiàn)的概率顯著不同，經(jīng)常出現(xiàn)的刺激稱為大概率（85%）或標(biāo)準(zhǔn)刺激，偶爾出現(xiàn)的稱為小概率（15%）或偏差刺激，本次試驗(yàn)使用的范式如圖4所示：

（2）算法設(shè)計(jì)

P300信息處理主要分為預(yù)處理、特征提取和分類三個(gè)步驟。預(yù)處理是為了減少噪聲干擾，提高信噪比，包括帶通濾波器設(shè)計(jì)、導(dǎo)聯(lián)選擇等，經(jīng)過預(yù)處理的信號(hào)更有利于進(jìn)行后續(xù)處理。因?yàn)镻300信息具備鎖時(shí)鎖相的特點(diǎn)，所以特征提取主要時(shí)域進(jìn)行處理，從腦電信號(hào)中提取反映受試者意圖的P300特征信號(hào)[4]。通過分類器對(duì)特征信號(hào)進(jìn)行分類，實(shí)現(xiàn)對(duì)P300成分的提取。具體算法流程如圖5所示：

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

采用在線系統(tǒng)的虛擬P300在線系統(tǒng)作為刺激，采樣率1000Hz，帶通濾波范圍0.5～45Hz，采集15導(dǎo)信號(hào)，總共有200trial，目標(biāo)靶刺激40trial，標(biāo)準(zhǔn)刺激160trail。各導(dǎo)EEG數(shù)據(jù)如圖6所示。

原始數(shù)據(jù)經(jīng)特征提取及分類識(shí)別后，進(jìn)行了多組試驗(yàn)，試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示：

系統(tǒng)總體偏差刺激探測(cè)率大于80%，檢測(cè)圖像速度為100幅/min。系統(tǒng)具備快速檢測(cè)目標(biāo)的能力。

4 結(jié)束語

該系統(tǒng)的核心在于將高分辨SAR圖像經(jīng)傳統(tǒng)的數(shù)字圖像目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別后，采用EEG信號(hào)進(jìn)行了快速的篩選，而不是傳統(tǒng)的情報(bào)判讀方式，從而降低了情報(bào)判讀的難度，提高了系統(tǒng)的工作效率。人機(jī)智能融合是提高人機(jī)效能的有效途徑[5]，我們?cè)O(shè)計(jì)的試驗(yàn)驗(yàn)證了基于BCI與SAR融合的目標(biāo)檢測(cè)應(yīng)用系統(tǒng)的可行性，能夠?qū)崿F(xiàn)經(jīng)由EEG提取信號(hào)，實(shí)現(xiàn)敏感目標(biāo)的檢測(cè)。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)通過和SAR及數(shù)字圖像目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的緊密配合，在敏感目標(biāo)的快速檢測(cè)方面具有較好的效果，為高分辨SAR圖像應(yīng)用提供了新技術(shù)與新思路。

參考文獻(xiàn)

[1]J. Vidal， "Toward direct brain-computer communication，" Annual review of Biophysics and Bioengineering， vol. 2， no. 1， pp.157-180，1973.

[2]J. R. Wolpaw， N. Birbaumer， D. J. McFarland， et al. Brain-computer interfaces for communication and control[J]. Clin Neurophysiol， 2002，113（6）：767-791.

[3]堯德中.腦功能探測(cè)的電學(xué)理論與方法[M].北京：科學(xué)出版社，2003.

[4]Bashashati A， Fatourechi M， Ward R K， et al. A survey of signal processing algorithms in brain-computer interfaces based on electrical brain signals[J]. Journal of Neural Engineering，2007，4（2）： R32-R57.

[5]堯德中，劉鐵軍，雷旭等.基于腦電的腦-機(jī)接口：關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用前景[J].電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，38（5）：550-554.

作者簡(jiǎn)介：任立恒（1978-），男，本科，工程師，主要研究方向：信號(hào)處理。

李德峰（1974-），男，本科，高級(jí)工程師，主要研究方向：信號(hào)處理。

王寧（1982-），男，本科，高級(jí)工程師，主要研究方向：信號(hào)處理。

丁成義（1972-），男，本科，研究員級(jí)高工，主要研究方向：信號(hào)處理。

劉學(xué)文（1983-），男，研究生，高級(jí)工程師，主要研究方向：信號(hào)處理。