多光譜成像技術(shù)在彈道導(dǎo)彈中段攔截過(guò)程中的應(yīng)用

王洪波 王中偉

國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，長(zhǎng)沙410073

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多光譜成像技術(shù)在彈道導(dǎo)彈中段攔截過(guò)程中的應(yīng)用

王洪波 王中偉

國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，長(zhǎng)沙410073

以美國(guó)IFT-1A和IFT-2兩次綜合飛行試驗(yàn)的數(shù)據(jù)為例，分析了目前紅外探測(cè)技術(shù)利用空間和時(shí)間信息在彈道導(dǎo)彈中段攔截過(guò)程中面臨的問(wèn)題。鑒于多光譜信息融合技術(shù)在目標(biāo)探測(cè)、識(shí)別等方面所體現(xiàn)出的巨大優(yōu)勢(shì)，本文對(duì)空間彈道目標(biāo)多光譜融合識(shí)別的可行性進(jìn)行了分析，并就如何利用多光譜信息提取空間彈道目標(biāo)的動(dòng)態(tài)特征進(jìn)行了初步分析。

彈道導(dǎo)彈中段攔截; 紅外多光譜; 特征提取

彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng)通常可劃分為助推段防御系統(tǒng)、中段防御系統(tǒng)和末段防御系統(tǒng)3大類，彈道中段是彈道最長(zhǎng)、運(yùn)行最為穩(wěn)定的部分，因此這一階段最適合攔截。反導(dǎo)系統(tǒng)計(jì)算出它的彈道后，就可以準(zhǔn)確引導(dǎo)攔截導(dǎo)彈進(jìn)行一次或多次攔截，同時(shí)在該階段進(jìn)行攔截還可以避免大氣傳輸以及氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)對(duì)紅外導(dǎo)引頭的干擾，最大限度的發(fā)揮紅外成像制導(dǎo)的優(yōu)勢(shì)。

許多彈道導(dǎo)彈為了提高自身的中段突防能力都應(yīng)用誘餌，以吸引反導(dǎo)防御系統(tǒng)的注意力并分散攔截火力，從而提高彈頭的突防概率。一般而言，彈道導(dǎo)彈所攜帶的反識(shí)別只占其有效載荷的5%～10%，絕大多數(shù)假目標(biāo)為干擾雷達(dá)的玻璃絲或箔條，它們的輻射面積小，紅外輻射非常微弱，不構(gòu)成可視紅外目標(biāo)，經(jīng)系統(tǒng)初選處理后可基本排除，剩下的目標(biāo)主要是彈頭、導(dǎo)彈碎片和氣球誘餌。根據(jù)攔截來(lái)襲導(dǎo)彈任務(wù)的實(shí)時(shí)性，如何在有干擾的情況下，在盡可能遠(yuǎn)的距離快速有效的對(duì)紅外圖像序列中的上述目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)識(shí)別，進(jìn)一步提高成像系統(tǒng)的作用距離，為防御方爭(zhēng)取足夠長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間，是現(xiàn)代導(dǎo)彈防御系統(tǒng)需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

1 傳統(tǒng)寬帶探測(cè)體制存在的問(wèn)題

為驗(yàn)證NMD系統(tǒng)的技術(shù)可行性并評(píng)估其作戰(zhàn)效果，美國(guó)彈道導(dǎo)彈防御局共進(jìn)行了12次綜合飛行試驗(yàn)(IFT)。下面以其中2次綜合飛行試驗(yàn)的數(shù)據(jù)為例，分析利用現(xiàn)有寬帶探測(cè)技術(shù)識(shí)別空間彈道目標(biāo)的困難[1-2]。在這2次綜合飛行試驗(yàn)中，每次靶彈上都搭載有9個(gè)試驗(yàn)用靶標(biāo)，其中包括民兵Ⅲ Mark 12A型模擬彈頭(1個(gè))，圓錐體仿真誘餌(3個(gè))，大型充氣氣球(1個(gè)，其紅外信號(hào)強(qiáng)度大于模擬彈頭)，中型充氣氣球(2個(gè)，其紅外信號(hào)強(qiáng)度與模擬彈頭相當(dāng))以及小型充氣氣球(2個(gè)，其紅外信號(hào)強(qiáng)度弱于模擬彈頭)。

EKV導(dǎo)引頭的角分辨率大約在150μ～300μrad范圍內(nèi)，以民兵Ⅲ Mark 12A型模擬彈頭大小的目標(biāo)為例(底面直徑約0.56m，長(zhǎng)約1.83m)，只有當(dāng)EKV距目標(biāo)3～6km時(shí)，目標(biāo)在探測(cè)器上所成的像才剛充滿一個(gè)像元，而此時(shí)EKV僅剩不到0.5s的時(shí)間用于機(jī)動(dòng)飛行，難以重新選擇攻擊目標(biāo)。為確保攔截成功，EKV一般需要在碰撞前幾十秒就能從彈頭、誘餌以及導(dǎo)彈碎片所組成的目標(biāo)群中探測(cè)和識(shí)別出來(lái)襲彈頭，而此時(shí)目標(biāo)群距EKV幾百公里，目標(biāo)在探測(cè)器上所成的像僅為亮點(diǎn)。顯然在遠(yuǎn)距離點(diǎn)目標(biāo)階段，EKV無(wú)法通過(guò)提取目標(biāo)空間幾何特征量進(jìn)行有效識(shí)別。

由紅外輻射基本理論易知，EKV導(dǎo)引頭接收到的目標(biāo)信號(hào)強(qiáng)度與其投影面積成正比，當(dāng)目標(biāo)在空間做各種運(yùn)動(dòng)(進(jìn)動(dòng)、自旋和翻滾)時(shí)，目標(biāo)的投影面積呈周期性變化，進(jìn)而導(dǎo)致傳感器接收到的目標(biāo)信號(hào)強(qiáng)度也隨之呈周期性變化。試驗(yàn)前，研究人員在計(jì)算機(jī)模擬分析中曾假定輕重物體的運(yùn)動(dòng)特性存在較大差異，即彈頭的運(yùn)動(dòng)必然會(huì)產(chǎn)生一個(gè)固屬于彈頭的特有振動(dòng)頻率，該振動(dòng)頻率有別于其它誘餌的特有頻率，從而利用該頻率可有效區(qū)分彈頭與誘餌。然而試驗(yàn)結(jié)果顯示在近似真空的環(huán)境中，如果輕重物體具有相同的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比，則其空間動(dòng)力學(xué)特性基本相似，因此無(wú)法通過(guò)不同目標(biāo)時(shí)序紅外信號(hào)的差異進(jìn)行有效識(shí)別。

2 多光譜探測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)及其發(fā)展

通過(guò)前述分析可知，單純利用空間彈道目標(biāo)的空間信息和時(shí)間信息已不能有效解決彈道導(dǎo)彈中段攔截過(guò)程中點(diǎn)源成像目標(biāo)的識(shí)別問(wèn)題，上述問(wèn)題的存在嚴(yán)重制約著現(xiàn)有寬帶紅外成像探測(cè)識(shí)別體制的應(yīng)用效果。近年來(lái)，多傳感器信息融合技術(shù)越來(lái)越受到人們的普遍關(guān)注，在海上和空間監(jiān)視、空-空和地-空防御、戰(zhàn)場(chǎng)情報(bào)、戰(zhàn)略預(yù)警和防御等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。多傳感器信息融合[3-6]把多個(gè)傳感器在不同維度上的冗余或互補(bǔ)信息依據(jù)某種準(zhǔn)則進(jìn)行組合，從而獲得對(duì)觀測(cè)對(duì)象的一致性解釋或描述，能夠進(jìn)一步提高系統(tǒng)獲取信息的準(zhǔn)確度與可信度，增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力和環(huán)境適應(yīng)能力。

紅外多光譜成像探測(cè)系統(tǒng)是一種典型的同質(zhì)多傳感器系統(tǒng)，其突出特點(diǎn)是在獲得二維空間景象信息的同時(shí)，還能獲得各目標(biāo)的光譜信息，即圖譜合一。多光譜圖像的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是一個(gè)三維立方體(如圖1所示)，其每一層圖像對(duì)應(yīng)于一個(gè)光譜波段，每個(gè)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)于一條光譜曲線。由于各個(gè)通道之間的數(shù)據(jù)類型相同，避免了一般圖像融合處理涉及到的圖像配準(zhǔn)問(wèn)題(如圖像時(shí)序的同步、不同光軸的平行性測(cè)量與校準(zhǔn)、圖像的高精度亞像元配準(zhǔn)等)，為實(shí)施多傳感器數(shù)據(jù)融合提供了良好的條件。由于光譜信息本身是由物質(zhì)內(nèi)在的性質(zhì)決定的，因此對(duì)物質(zhì)的光譜信息進(jìn)行分析可以獲得其它通常的方法不能獲得的目標(biāo)固有屬性，進(jìn)而可以成為目標(biāo)識(shí)別的一種重要手段，有著非常廣闊的應(yīng)用前景。

圖1 多光譜圖像的基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

2009年，受美國(guó)導(dǎo)彈防御局資助，Spectral Sciences公司利用現(xiàn)有的紅外傳感器開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了包含中波紅外(3～5μm)和長(zhǎng)波紅外(7～13μm)的多光譜傳感器，該裝置可以部署在導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星或下一代外大氣層動(dòng)能殺傷攔截器(EKV)的導(dǎo)引頭上，通過(guò)光譜成像確定物質(zhì)的溫度和組成成分，從而有效區(qū)分彈頭和誘餌[7-8]。目前國(guó)內(nèi)也已開(kāi)展相關(guān)多光譜導(dǎo)引頭的研制工作。

3 空間彈道目標(biāo)的動(dòng)態(tài)特征提取

空間彈道目標(biāo)的自動(dòng)識(shí)別具有以下特點(diǎn)：

1)中段飛行過(guò)程中，由于彈頭、誘餌以及導(dǎo)彈碎片的輻射特性是隨時(shí)間變化的，因此用于目標(biāo)識(shí)別的特征也是隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化的；

2)系統(tǒng)噪聲對(duì)識(shí)別特征具有較大的干擾；

3)彈頭、誘餌以及導(dǎo)彈碎片的模型難以確定。

由于彈頭、導(dǎo)彈碎片和氣球誘餌在表面材料、內(nèi)熱和質(zhì)量等方面的不同，導(dǎo)致其在彈道中段飛行過(guò)程中的溫度變化速率和亮度變化幅度存在差異，因此可以利用這些差異對(duì)上述目標(biāo)進(jìn)行有效識(shí)別。如采用溫度變化率和有效輻射面積變化范圍作為空間目標(biāo)聚類識(shí)別的基本特征(見(jiàn)表1)，只要紅外探測(cè)器測(cè)量出每個(gè)空間目標(biāo)的表面溫度變化率和有效輻射面積變化范圍，就可通過(guò)上述2種特征對(duì)包括彈頭、導(dǎo)彈碎片和氣球誘餌在內(nèi)的空間目標(biāo)進(jìn)行有效區(qū)分，目標(biāo)群中表面溫度變化率慢，有效輻射面積變化范圍很小的目標(biāo)是彈頭；表面溫度變化率快，有效輻射面積變化范圍較大的目標(biāo)是導(dǎo)彈碎片；表面溫度變化率快，有效輻射面積變化范圍小的目標(biāo)是氣球誘餌。

表1 空間目標(biāo)特征參數(shù)變化范圍

若空間目標(biāo)的表面平均溫度為T，目標(biāo)對(duì)探測(cè)方向的投影面積為AP，則在紅外波段λi～(λi+Δλi)內(nèi)(假設(shè)Δλi足夠小)，空間目標(biāo)在紅外探測(cè)系統(tǒng)處產(chǎn)生的輻照度為

(1)

式中,τa(λi)為目標(biāo)至紅外探測(cè)系統(tǒng)的大氣光譜透過(guò)率，R為目標(biāo)至紅外探測(cè)系統(tǒng)的距離，ε(λi,T)為該物體的光譜發(fā)射率，Mb(λi,T)是溫度為T的黑體光譜輻射出射度。

針對(duì)目前EKV上裝備的紅外雙模導(dǎo)引頭，空間目標(biāo)的溫度測(cè)量通常采用比色測(cè)溫法，以此消除時(shí)變探測(cè)距離R和時(shí)變投影面積AP對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的擾動(dòng)影響。定義在紅外雙波段λi～(λi+Δλi)和λj～(λj+Δλj)內(nèi)入射到探測(cè)器上的光譜輻照度分別為E(λi,T)和E(λj,T)(假設(shè)Δλi，Δλj足夠小且λi<λj)，由式(1)易知，上述2個(gè)輻射功率的比值可以表示為

(2)

為了簡(jiǎn)化分析，不妨設(shè)

τa(λi)=τa(λj)
Δλi=Δλj

(3)

因此式(2)可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為

(4)

當(dāng)exp(c2/λT)?1時(shí)，普朗克黑體輻射定律可以近似表示為

(5)

上式又稱為維恩輻射定律。為便于計(jì)算，比色測(cè)溫法中通常采用維恩輻射定律代替普朗克黑體輻射定律，進(jìn)而有

(6)

等式兩邊同時(shí)取自然對(duì)數(shù)，整理后得到

(7)

如果進(jìn)一步假設(shè)空間目標(biāo)為灰體，即ε(λi,T)=ε(λj,T)，則目標(biāo)的比色溫度TC(λi,λj)可以表示為

(8)

目標(biāo)的絕對(duì)溫度T可以用其比色溫度來(lái)近似估計(jì)，兩者之間的偏差為

(9)

由式(9)易知，若ε(λi,T)>ε(λj,T)，即目標(biāo)的發(fā)射率隨波長(zhǎng)的增大而減小，則通過(guò)上述方法測(cè)量后得到的比色溫度高于目標(biāo)的絕對(duì)溫度；反之，則相反。

綜上所述，通過(guò)比色測(cè)溫法估計(jì)空間目標(biāo)的溫度，其精確度不僅取決于信噪比的大小，還取決于目標(biāo)溫度的波動(dòng)范圍以及目標(biāo)發(fā)射率在所測(cè)量波段的變化差異(變化差異越小，則目標(biāo)越近似于灰體，其測(cè)量精確度也越高)，而目標(biāo)發(fā)射率的大小與波長(zhǎng)、溫度及其表面狀態(tài)息息相關(guān)，即使相當(dāng)小的波段變化也可能會(huì)造成發(fā)射率的大幅度波動(dòng)。一般而言，金屬材料在溫度較低時(shí)其發(fā)射率也較小，然而當(dāng)高溫下金屬表面形成氧化層后，其發(fā)射率會(huì)大幅度增加，同樣金屬表面的光潔度以及氧化程度也能影響發(fā)射率的大小。例如，表面形成氧化層后的鋼的發(fā)射率比表面經(jīng)過(guò)拋光的鋼的發(fā)射率高出10倍以上。非金屬材料的發(fā)射率一般比金屬材料的發(fā)射率高，且隨溫度的升高而降低。

由于比色測(cè)溫法無(wú)法從根本上消除目標(biāo)發(fā)射率在不同測(cè)量波段變化所引起的誤差，本文提出了一種基于比色測(cè)溫的多色測(cè)溫方法，通過(guò)對(duì)目標(biāo)發(fā)射率比的自然對(duì)數(shù)進(jìn)行建模，進(jìn)一步提高其溫度測(cè)量的精確度。具體來(lái)說(shuō)，通過(guò)對(duì)式(9)整理可以得到

(10)

在傳統(tǒng)的多光譜輻射測(cè)溫方法中，發(fā)射率通常用一個(gè)含有未知參數(shù)的關(guān)于波長(zhǎng)的平滑函數(shù)來(lái)描述，常見(jiàn)的假設(shè)模型有

(11)

發(fā)射率雖然是波長(zhǎng)和溫度的函數(shù)，但在某一測(cè)量時(shí)刻，目標(biāo)的溫度可認(rèn)為是不變的，因此目標(biāo)發(fā)射率比的自然對(duì)數(shù)可用一個(gè)關(guān)于波長(zhǎng)的多項(xiàng)式函數(shù)來(lái)描述，即

(12)

當(dāng)λi→λj時(shí)，lim ln [ε(λi,T)/ε(λj,T)]=0，因此易知a0=0。將式(12)代入(10)，進(jìn)而可得到

(13)

針對(duì)L個(gè)探測(cè)波段，存在L(L-1)/2個(gè)輻射功率比，從而能夠得到L(L-1)/2個(gè)形如式(13)的方程構(gòu)成方程組。這里視系數(shù)al(1≤l≤L-2)和目標(biāo)的絕對(duì)溫度T為未知變量，共L-1個(gè)。當(dāng)L>2時(shí)，由于方程組所含方程個(gè)數(shù)大于其未知變量個(gè)數(shù)，方程組為超定非一致的。針對(duì)這種方程組，不存在嚴(yán)格意義上的解，換言之，只能求得其近似解。通常希望尋找一個(gè)使誤差函數(shù)為最小的解。為了便于描述問(wèn)題，定義

(14)

誤差函數(shù)一般用誤差平方和來(lái)表示，即

(15)

其中‖‖2代表2范數(shù)。由此得到的解稱為非一致方程組的最小二乘解，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

xLS= (ATA)-1ATb

(16)

通過(guò)減小未知目標(biāo)發(fā)射率的不確定性，上述方法能進(jìn)一步提高溫度測(cè)量的精確度。一旦獲取了空間目標(biāo)的絕對(duì)溫度，利用空間目標(biāo)測(cè)軌所提供的距離信息，還可以得到另一個(gè)識(shí)別特征量——目標(biāo)的有效輻射面積ε(λi,T)AC，由式(1)易知

(17)

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

用概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)空間目標(biāo)識(shí)別算法進(jìn)行驗(yàn)證，評(píng)估流程如圖2所示，首先利用目標(biāo)檢測(cè)結(jié)果，選取檢出目標(biāo)的特征像素點(diǎn)構(gòu)成樣本數(shù)據(jù)集(該數(shù)據(jù)集共有300個(gè)目標(biāo)數(shù)據(jù)，其中彈頭、導(dǎo)彈碎片和氣球誘餌各100個(gè))和驗(yàn)證數(shù)據(jù)集；其次對(duì)訓(xùn)練集中的多光譜目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取，將提取出的目標(biāo)時(shí)變溫度和時(shí)變有效輻射面積組成特征矢量送入概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，從而得到網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值矢量；最后利用訓(xùn)練好的概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)驗(yàn)證集中的數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試。

圖2 識(shí)別算法的評(píng)估流程

點(diǎn)源目標(biāo)在探測(cè)器上的投影一般只占2～9個(gè)像素，并非每個(gè)像素點(diǎn)的響應(yīng)都能夠完全體現(xiàn)目標(biāo)的光譜信號(hào)強(qiáng)度，因此有必要從中選取1個(gè)像素點(diǎn)進(jìn)行特征量提取。以上目標(biāo)像素點(diǎn)中亮度最大的像素點(diǎn)必為目標(biāo)光譜輻照度權(quán)重最大的位置，因此可將該像素點(diǎn)作為目標(biāo)的特征像素點(diǎn)。

本文將目標(biāo)特征隨時(shí)間的變化曲線視為該目標(biāo)特征的概率密度函數(shù)，從而可以利用其差異達(dá)到識(shí)別目標(biāo)的目的。為盡可能減少輸入特征矢量的維數(shù)，將提取出的目標(biāo)時(shí)變溫度和時(shí)變有效輻射面積以0.5s的時(shí)間間隔進(jìn)行采樣，共持續(xù)5s，即每個(gè)動(dòng)態(tài)特征均有11個(gè)樣本點(diǎn)用于構(gòu)建其概率密度函數(shù)，將22維的特征矢量送入概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練。

表2比較了不同單波段信噪比條件下采用概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別的結(jié)果，其中W，F(xiàn)和D分別代表彈頭、導(dǎo)彈碎片和氣球誘餌，其余參數(shù)設(shè)置同前。觀察該表可以發(fā)現(xiàn)，在低信噪比條件下，與傳統(tǒng)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相比，本文提出的概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能獲得更好的分類識(shí)別性能。

表2 2種識(shí)別方法的結(jié)果比較

5 結(jié)論

綜上所述，在發(fā)展精確制導(dǎo)技術(shù)過(guò)程中，基于多光譜特征的目標(biāo)探測(cè)識(shí)別技術(shù)具有十分重要的研究開(kāi)發(fā)價(jià)值。該技術(shù)是在紅外成像制導(dǎo)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，不僅具有紅外成像制導(dǎo)的各種優(yōu)點(diǎn)，而且能夠使制導(dǎo)武器從誘餌的干擾中分辨出所要攻擊的目標(biāo)，提高了制導(dǎo)武器的抗干擾能力，拓展了制導(dǎo)武器的戰(zhàn)術(shù)使用條件，應(yīng)用領(lǐng)域廣且具有重要的軍事意義。

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The Application of Multispectral Imaging Technology in the Mid-Course Interception of Ballistic Missiles

WANG Hongbo WANG Zhongwei

National University of Defence Technology, Changsha 410073，China

Theprobleminthemid-courseinterceptionofballisticmissileswithinfraredimagingsystembasedontraditionalspatialandtemporalinformationisanalyzedbyusingthedataofIFA-1AandIFT-2experiments.Themultispectralinformationfusionshowsthegreatpotentialuseintargetdetectionandrecognition,thereforethefeasibilityofdistinguishingspatialballistictargetbasedonmultispectralinformationfusionisfirstlyanalyzed,andthenanalgorithmofdynamicfeatureextractionusedforexo-atmospherictargetsrecognitionisproposed.

Mid-courseinterceptionofballisticmissiles;Infraredmultispectral;Featureextraction

2013-03-12

王洪波(1972-),男，黑龍江綏化人，博士研究生，主要從事飛行器未制導(dǎo)總體技術(shù)研究；王中偉(1965-)，男，湖南人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事火箭發(fā)動(dòng)機(jī)及組合推進(jìn)技術(shù)研究、飛行器設(shè)計(jì)和飛行器熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析。

TJ765.4; TP751

A

1006-3242(2014)03-0018-05