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

水下目標(biāo)識別; 發(fā)展分析

ClassNumberTN97

1 引言

水下目標(biāo)識別技術(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、海底考察、管道鋪設(shè)、水下設(shè)備的維護與維修等。鑒于水下機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,所以對水下機器人的圖像采集,水下目標(biāo)的圖像處理與識別就顯得越來越重要,是水下機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)識別技術(shù)

目標(biāo)識別技術(shù)是智能化設(shè)備不可缺少的必備能力,是實現(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

要準(zhǔn)確對水下目標(biāo)進行識別,需要考慮方方面面的因素,首先要對待識別目標(biāo)所處的水下大環(huán)境有一個充分了解。為了保證圖像蘊含足夠多的信息量,需要有穩(wěn)定均勻的光源照射,但是因為水對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。試驗表明水這種傳輸介質(zhì)對于光的衰減程度是光波長的復(fù)函數(shù),它是由吸收和散射這兩個互不相關(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光的散射組成和水對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,可以得到m=0.4c,n=0.6c。

此外,在水的散射作用下,水對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,常會產(chǎn)生圖像多重陰影、噪點加多和對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)識別的流程

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

圖1 目標(biāo)識別的流程框圖

從流程圖中可以看出,一個圖像處理與模式識別系統(tǒng)一般可分為兩個主要部分。第一部分主要是對獲取的圖像信息進行加工、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行判決有直接關(guān)系;第二部分主要是針對所采用的識別方法對預(yù)處理后的圖像信息進行特征選取,然后把得到的特征量輸入到所設(shè)計好的識別系統(tǒng)中,按照約定的規(guī)則進行目標(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)與前面各個處理階段的工作密不可分,所以力求每個處理環(huán)節(jié)都能達到科學(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

混淆在有用信號里的無用的會產(chǎn)生干擾的信號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)情況是隨機產(chǎn)生的,因此具有分布和強度不規(guī)律的特點。這些噪聲對以后的處理過程產(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,去噪處理對圖像預(yù)處理而言就顯得尤為重要。現(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、小波域濾波等。

1)鄰域均值濾波。均值濾波是一種線性濾波方法,用這種方法對圖像進行處理,其優(yōu)點是分析簡單、易于實現(xiàn)。均值濾波原理是用均值代替原圖像中的各個像素值,是一種直接的空間域濾波方法。

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)置好的一個局部加權(quán)模板與待處理信號進行迭代卷積,令加權(quán)系數(shù)在每次迭代卷積時隨著不同的像素點進行改變,把它構(gòu)造成像素點的梯度函數(shù)。同時設(shè)定一個恒定參數(shù),使濾波器的加權(quán)系數(shù)對其具有依賴性,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)小波域濾波。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,就是對待處理圖像的小波系數(shù)預(yù)先設(shè)置一個閾值,當(dāng)小波系數(shù)大于這個閾值時,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,這類小波系數(shù)的幅值一般都比較大,而當(dāng)小波系數(shù)小于這個閾值時,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)展動向

1)美國海軍啟動反潛/反艦聲學(xué)和圖像信號處理長期研究項目。美國《海軍觀察》2013年3月29日報道:美國海軍研究機構(gòu)已經(jīng)啟動針對先進聲學(xué)和圖像信息處理(用于探測、跟蹤和攻擊敵方艦艇)的長期項目[3]。

美國海軍海上系統(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)信號處理項目有關(guān)的先進水下技術(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)界介紹項目的詳細情況,介紹內(nèi)容為保密內(nèi)容。項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。

項目將圍繞與成像、主/被動信號處理、自動化、接觸管理、接觸跟隨、目標(biāo)動作分析、信息管理、嵌入式訓(xùn)練、任務(wù)計劃、聲納戰(zhàn)術(shù)決策輔助、直觀的操作員界面/人機接口、艦上實時重建工具、魚雷探測、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,在通過采辦項目將這些有應(yīng)用前景的技術(shù)提交給艦隊之前,他們計劃先進行系統(tǒng)原型測試。

該項目將分為兩個階段,第一階段將邀請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。根據(jù)其白皮書的情況,海軍將選擇公司參與項目第二階段,第二階段最長為期5年,包括完善技術(shù)和開發(fā)用于實驗室和海試的系統(tǒng)原型。

2)美國海軍科學(xué)家開發(fā)加強水下成像的新方法。美國《海軍技術(shù)》2013年5月9日報道:美國海軍空戰(zhàn)中心飛機部(NAWCAD)的工程師正在開發(fā)和驗證一種新的方法,以加強水下成像系統(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行雷達脈沖編碼,以改進成像質(zhì)量,該方法可加強艦隊在探測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)備放在同一個平臺上不同,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上。遠程接收設(shè)備可以放置在飛機、艦船或其他水下平臺上,將以無線方式接收發(fā)射設(shè)備產(chǎn)生的雷達編碼激光信息進行解碼,再由成像處理器對數(shù)字信號進行解碼并生成圖像。

獨立平臺的方法還使設(shè)備可以放置在更小型的平臺上,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,可以從一個方向發(fā)起探測。目前,海軍空戰(zhàn)中心飛機部正在尋求工業(yè)伙伴來商業(yè)化該項新技術(shù)。

3)美國防高級研究計劃局開發(fā)水下無人網(wǎng)絡(luò)平臺用以支持有人操作艦艇。美國國防高級研究計劃局網(wǎng)站2013年8月22日報道:目前美海軍作戰(zhàn)主要依靠多功能有人操作平臺,但即使最先進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間特定地點的戰(zhàn)備狀態(tài)。由于部隊削減計劃和財政限制,海軍艦艇數(shù)量持續(xù)減少,試圖覆蓋全球廣大區(qū)域時愈發(fā)感到力不從心。為維持對敵作戰(zhàn)優(yōu)勢,美海軍需要找到同時在多個地點投送關(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,美國防高級研究計劃局(DARPA)已經(jīng)開展“九頭蛇”(Hydra)項目。該項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的分布式水下網(wǎng)絡(luò),以補充有人操作艦艇。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)是增強軍力,實現(xiàn)快速、可擴展和性價比高的資產(chǎn)部署。

DARPA項目經(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)及國防技術(shù)的擴散。水下無人技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施能緩解一定財政壓力,并在日益具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中增強軍事能力。

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、監(jiān)視和偵察(ISR)以及掃雷等關(guān)鍵能力。每個有效載荷模塊將插入一個標(biāo)準(zhǔn)化的外殼,能安全運輸、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?！熬蓬^蛇”系統(tǒng)注重有效載荷的可擴展性、快速重置和能力最大化。艦艇、潛艇或飛機可將“九頭蛇”系統(tǒng)放置在瀕海區(qū)域(海岸線附近的國際淺水區(qū)域)。

“九頭蛇”通信系統(tǒng)設(shè)備將與有人操作平臺協(xié)同作用,增強有人操作平臺的效用,也可在視距外進行遠程控制,擴大作戰(zhàn)范圍。此外,該系統(tǒng)還能實現(xiàn)其他目前有人操作平臺不能執(zhí)行的新能力,例如為機載ISR的前線部署提供低成本平臺,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)美國海軍作戰(zhàn)部長批準(zhǔn)水下作戰(zhàn)概念。美國全球安全網(wǎng)2013年9月9日報道]美海軍作戰(zhàn)部長最近批準(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[6]。

UDOC是由美海軍作戰(zhàn)發(fā)展司令部(NWDC)、指揮官、潛艇部隊和其他相關(guān)部門共同開發(fā)的,用來激勵創(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)用以促進跨域協(xié)同,提供重要的聯(lián)合作戰(zhàn)優(yōu)勢。

UDOC提出了一個概念性的框架,高級軍事領(lǐng)導(dǎo)人可以在聯(lián)合作戰(zhàn)中更好地認(rèn)識和應(yīng)用水下作戰(zhàn)效用及其能力。UDOC還探索了幾個具體的水下作戰(zhàn)策略,以及一些延伸水下作戰(zhàn)領(lǐng)域應(yīng)用的能力。附帶的行動計劃包括對此概念的綜合、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,國家以及盟友的安全越來越取決于我們在海域的優(yōu)勢。水下作戰(zhàn)概念為保護我們在海域的自由行動提供了一種新方法。

5)美國進行新型水下無人機航母項目演示。澳大利亞空間戰(zhàn)網(wǎng)站2013年9月10日報道:美國國防部高級研究計劃局(DARPA)正在考慮一項水下無人機航母項目[7]。

新水螅水下無人機航母項目的演示:美國國防高級研究計劃局(DARPA)最近在約翰霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實驗室舉行了一次新水螅水下無人機航母項目的演示。該項目將開發(fā)和演示一個無人水下操作系統(tǒng),提供一個新穎的輸送裝置將無人機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,可快速進行部署”。

水螅項目的應(yīng)用:水螅項目預(yù)計將部署無人潛航器(UUV)和“常規(guī)”無人機(UAV)。DARPA的工程師也在考慮開發(fā)能潛水的一個特殊的船艙用于秘密水下運輸部隊?！霸絹碓蕉嗖皇芗s束的國家行為、海盜行為和敵對國家日漸增強的海上防御能力嚴(yán)重地影響了目前的資源和國家進行特種作戰(zhàn)和應(yīng)急任務(wù)的能力,”DARPA的提案文件表示。從廣義上說,水螅項目意味著建立一個無人潛航器以確保監(jiān)視、后勤和進攻能力在任何給定時間,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)計如果能獲得足夠的資金,2018年他們將擁有一個水下水螅無人機網(wǎng)絡(luò)的功能演示。

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

上行下降的有效載荷(UFPs)概念:去年1月美國國防部高級研究計劃局(DARPA)還宣布了另一個項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用防水材料集裝箱裝載的必需品物資。然而DARPA發(fā)言人強調(diào),上行下降的有效載荷(UFPs)和水螅是兩個單獨的項目。

上行下降的有效載荷(UFPs)和水螅項目的區(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,而水螅項目則每次計劃在淺水中數(shù)周或數(shù)月。水螅平臺也存在應(yīng)對自然災(zāi)害的需求,無人機能將應(yīng)急設(shè)備運抵受災(zāi)地區(qū)的海岸線附近。

“水螅項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未來戰(zhàn)略核潛艇設(shè)計水下信號發(fā)射器。美國《海軍技術(shù)》網(wǎng)站2013年10月7日報道:巴布科克公司從BAE系統(tǒng)公司獲得一份合同,為英國海軍未來戰(zhàn)略核潛艇開發(fā)新型Mk12水下信號發(fā)射器(SSE)[8]。

Mk12 SSE采用模塊化設(shè)計,可以保證該裝置的研制進度,從而保證潛艇的建造周期。由于SSE能夠為潛艇逃生和救援提供支持,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,增強抗震水平等。

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

7)美國海軍完成近海水下持續(xù)監(jiān)視項目初始試驗?！逗喪戏绖?wù)周刊》2013年10月29日報道:美國海軍已完成對非機載水下監(jiān)視系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)原型的初始水下試驗,該原型在近海水下持續(xù)監(jiān)視(PLUS)項目下研發(fā)。美國海軍海上系統(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?zāi)繕?biāo)得以實現(xiàn),近海水下持續(xù)監(jiān)視系統(tǒng)計劃如期進行[9]。

近海水下持續(xù)監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)計用于為近海水域的多個安靜型目標(biāo)提供自適應(yīng)和持續(xù)監(jiān)視。該系統(tǒng)是由美國海軍海上系統(tǒng)司令部近海戰(zhàn)斗艦計劃執(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)部長辦公室(OPNAY)、海軍海上系統(tǒng)司令部(NAVSEA)、海軍第五艦隊指揮官、艦隊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探測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個海洋滑翔器(由華盛頓大學(xué)應(yīng)用物理實驗室研發(fā))和6個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型無人潛航器長時間水下停留,充當(dāng)深海傳感器節(jié)點,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。

初始試驗于9月23日～27日在美國羅得島紐波特的海軍水下作戰(zhàn)中心進行。試驗?zāi)康氖球炞C和證實最近對原型硬件軟件的升級增強了系統(tǒng)在反潛戰(zhàn)任務(wù)中的功能和性能。第五潛艇發(fā)展中隊無人潛航器支隊和近海戰(zhàn)斗艦中隊反潛戰(zhàn)任務(wù)支隊的成員參與試驗,幫助設(shè)置任務(wù)場景并進行試驗。試驗為負責(zé)近海水下持續(xù)監(jiān)視系統(tǒng)運作和維護的海軍人員提供了寶貴的訓(xùn)練機會。

到2015年美國海軍計劃部署近海水下持續(xù)監(jiān)視系統(tǒng)之前,原型試驗還將繼續(xù)進行。在未來幾個月內(nèi),將決定該系統(tǒng)部署于哪種近海戰(zhàn)斗艦上。試驗結(jié)果還將決定擴大該系統(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:一是發(fā)展自動識別技術(shù);二提高圖像識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)展自動識別技術(shù)。水下目標(biāo)的自動識別技術(shù)是國外列為其新世紀(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潛用聲納來進行水下目標(biāo)的捕捉和識別,隨著時間的推移和技術(shù)的進步,美軍在上世紀(jì)八十年代的時候就已經(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)識別專家系統(tǒng)等目標(biāo)識別系統(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,美國的D.F.Moore和R.H.Baran是這個領(lǐng)域應(yīng)用的先行者和專家,他們的工作對后來的人們也起到了很好的示范作用。在英國,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用是C.R.Gent和C.P.sheepard開發(fā)的被動聲納分類系統(tǒng),他們使用該系統(tǒng)把特定的目標(biāo)信號和其他類型的噪聲或者干擾信號區(qū)別開;應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來區(qū)分信號的例子還有很多,比如美國的A.P.RuSS和J.Meister等開發(fā)了一些有針對性的分類器等,他們的成果都得到了很好的推廣和應(yīng)用,實踐證明神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類方法具有比較好的應(yīng)用價值。

2)提高圖像識別和分類的有效性和可靠性。從技術(shù)水平的角度看,國外現(xiàn)有的被動識別系統(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,提高圖像識別和分類的有效性和可靠性成為現(xiàn)在國外該領(lǐng)域?qū)＜覀兊墓餐非蟮哪繕?biāo),他們的實驗也從沒有中斷過,尤其是近年來一些新興技術(shù)的發(fā)展,為該領(lǐng)域深入廣泛的進步提高了有力的保證,可以預(yù)見,下一階段的目標(biāo)識別領(lǐng)域的開發(fā)大體上也會基于模糊系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)等方面技術(shù)的成熟程度進行發(fā)展,對于水下目標(biāo)的識別、分類與跟蹤的研究更是提供一個很好的理論支撐,多個領(lǐng)域、多種技術(shù)的融合必將成為今后一個階段發(fā)展的新趨勢。

3)發(fā)展圖像的捕獲和分析。例如,美國ORCA-VII的研究成果視覺系統(tǒng)的任務(wù)就是對得到的圖像進行捕獲并分析,從而對目標(biāo)的位置及方向進行確定。ORCA-VII配套的一個彩色視頻CCD攝像機方位指向下方。再利用一個PC/l04組合圖像采集卡,把獲取到的圖像信息儲存在電腦硬盤里,接下來,系統(tǒng)的視覺算法會馬上對圖像進行分析處理,而且會將目標(biāo)的實時信息傳輸給給上一級控制模塊。通過對長方形物體的水池實驗驗證了該視覺系統(tǒng)的有效性。在我們的鄰國日本,SK-8海岸預(yù)警系統(tǒng)是一個很好的應(yīng)用例子,該系統(tǒng)采用了頻率、強度進行比較的模板匹配方法進行目標(biāo)識別的。在英國,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),所以成像能力較強成為它的顯著特點。LSI系統(tǒng)的優(yōu)勢在于彩色視頻CCD攝像機的整個可視范圍(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,能夠很方便地利用LabVIEW IMAQMT圖像處理工具包連續(xù)對圖像進行捕捉并進行實時處理,結(jié)果被送到上一層模塊,實現(xiàn)對目標(biāo)的實時跟蹤。

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

5)發(fā)展光學(xué)成像技術(shù)。水下目標(biāo)識別是目前智能機器人技術(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,又要克服噪聲。

5 結(jié)語

國外對水下目標(biāo)探測、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、算法和實驗室仿真技術(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.一種新的有效消除圖像中Gibbs噪聲的算法[J].中國激光,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,2009,29:2147-2152.

[3]美國海軍啟動反潛/反艦聲學(xué)和圖像信號處理長期研究項目[N].每日防務(wù)快訊,2013-04-14.

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

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

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

[7]美國進行新型水下無人機航母項目演示[N].每日防務(wù)快訊,2013-09-17.

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

[9]美國海軍完成近海水下持續(xù)監(jiān)視項目初始試驗[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,2013,33:826002-1.

[11]韓彪,劉繼芳,周少杰,等.檢偏角對水中光脈沖后向散射特性的影響[J].光子學(xué)報,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,高級工程師,研究方向:艦船電子系統(tǒng)。

TN97DOI:10.3969/j.issn1672-9730.2014.04.047