一種多傳感器信息融合的目標(biāo)識別方法

一種多傳感器信息融合的目標(biāo)識別方法

1實(shí)時(shí)的戰(zhàn)役識別能力我們的敵人識別（iff）是自動目標(biāo)識別技術(shù)的重要應(yīng)用之一。在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中,敵我識別問題變得至關(guān)重要,而且日趨復(fù)雜、日益突出并愈益迫切。特別對空間戰(zhàn)場而言,由于現(xiàn)代化戰(zhàn)爭具有突發(fā)性、快速性、大縱深、全方位、空地海一體化、持續(xù)時(shí)間短的特點(diǎn),戰(zhàn)場的瞬息萬變,要求指揮員在最短的時(shí)間內(nèi)作出最準(zhǔn)確的判斷是一件非常復(fù)雜的工作。沒有自動化的數(shù)據(jù)處理,再高明的軍事指揮員也會被戰(zhàn)時(shí)大量數(shù)據(jù)的海洋所淹沒,從而導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。故快速、準(zhǔn)確及可靠地識別戰(zhàn)場目標(biāo)顯得十分重要。1991年海灣戰(zhàn)爭期間,美軍誤傷友軍的概率高達(dá)18%,令美軍方上層大為震驚。為避免類似悲劇重演,戰(zhàn)后,美軍將裝備新型敵我識別系統(tǒng)視為當(dāng)務(wù)之急。經(jīng)近10年的努力,美軍在近幾年內(nèi)裝備了敵我識別系統(tǒng)。該系統(tǒng)能向各種武器系統(tǒng)(包括單兵武器系統(tǒng))提供敵我識別的能力。美軍將敵我識別納入C4I系統(tǒng)內(nèi),其作用不僅可減少誤傷,同時(shí)還能增強(qiáng)態(tài)勢感知的應(yīng)戰(zhàn)能力及摧毀敵方目標(biāo)的能力,從而大大地提高作戰(zhàn)的生存能力和戰(zhàn)斗力。在未來的數(shù)字化戰(zhàn)場上,敵我界限模糊,敵我雙方部隊(duì)交錯活動,我中有敵,敵中有我,這使實(shí)時(shí)的敵我識別顯得尤為重要。為適應(yīng)未來數(shù)字化戰(zhàn)場的作戰(zhàn)需求,具有敵我識別能力的系統(tǒng),已成為21世紀(jì)戰(zhàn)場數(shù)字化系統(tǒng)的基本功能單元之一。目前美軍正研制普通單兵間識別用的“徒步式單兵作戰(zhàn)識別系統(tǒng)”(CIDDS)、數(shù)字化單兵作戰(zhàn)用的“陸地武士作戰(zhàn)識別系統(tǒng)”(LW-CIDS)及武裝直升機(jī)對單兵作戰(zhàn)識別的系統(tǒng)(HDSIDS)。美陸軍為裝甲部隊(duì)提供的“戰(zhàn)場戰(zhàn)斗識別系統(tǒng)”(BCIS)已于1993年8月至1994年11月間研制成功,將在2000~2003年間正式裝備部隊(duì),該系統(tǒng)屬于一種采用毫米波技術(shù)的詢問應(yīng)答系統(tǒng)。2目標(biāo)識別的有效性目標(biāo)識別目前有目標(biāo)特征識別、目標(biāo)成像識別、無源探測識別、激光雷達(dá)識別、毫米波識別、多傳感器數(shù)據(jù)融合識別等多種有效途徑。2.1進(jìn)行識別目標(biāo)特征識別是指利用目標(biāo)某些信號特征進(jìn)行識別。如對目標(biāo)回波進(jìn)行相參處理,利用目標(biāo)回波信號的多普勒頻譜,根據(jù)目標(biāo)頻率、響應(yīng)、極化特征及諧波等,進(jìn)行識別。2.2主導(dǎo)成像識別為能在導(dǎo)彈飛行中段識別出彈道導(dǎo)彈突防系統(tǒng)的真假目標(biāo),迄今已進(jìn)行近40年的研究。當(dāng)前,從提出的數(shù)十種技術(shù)中,確定目標(biāo)成像識別技術(shù)為主攻方向。大量的研究試驗(yàn)表明,采用高分辨率的雷達(dá),獲得目標(biāo)的一維或兩維圖像,可使飽和攻擊下的目標(biāo)識別變得簡易而清晰。典型的實(shí)例是美軍研制的反導(dǎo)系統(tǒng)陸基相控陣?yán)走_(dá),它采用寬帶逆合成孔徑(ISAR)技術(shù),即利用“距離-多普勒”的原理,實(shí)現(xiàn)對活動目標(biāo)的雷達(dá)成像。此種雷達(dá)在X波段工作,其距離和方位的分辨率皆頗高。近幾年來,目標(biāo)成像識別方法有了長足的進(jìn)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(dá),可增強(qiáng)顯示目標(biāo)類別、距離、方位角及俯仰角等數(shù)字信息的性能,具有綜合的敵我識別能力,借助定位報(bào)告系統(tǒng)(PLRS),實(shí)施空中交通管制(ATC),并向各作戰(zhàn)分隊(duì)顯示出有關(guān)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(biāo),亦可避免誤傷己方的飛機(jī)。又如德國的西門子-普萊賽公司研制的“指揮者”(Commander)系列遠(yuǎn)程三坐標(biāo)雷達(dá),目標(biāo)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(jī)目標(biāo)專有信號特征或圖形,與信息庫中已知的己方飛機(jī)數(shù)據(jù)或圖形相比較,即可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)識別。2.3非協(xié)作式目標(biāo)識別無源探測識別是利用敵方各種機(jī)載電子設(shè)備,如導(dǎo)航雷達(dá)、目標(biāo)識別裝置、通信設(shè)備、保障低空飛行安全裝置及目標(biāo)定位設(shè)備等的輻射信號、飛機(jī)發(fā)動機(jī)的熱與噪聲信號等,進(jìn)行搜索、跟蹤、截獲、定位及識別。因其工作隱蔽,故常被用于非協(xié)作式的目標(biāo)識別。如美軍的AN/VSX-2型非協(xié)作式目標(biāo)識別系統(tǒng),它采用無源干涉儀傳感器,可探測并報(bào)告選定頻段內(nèi)出現(xiàn)的射頻信號特征,如頻率特性、脈寬、脈沖間隔及調(diào)制方式等,并將其標(biāo)入圖表內(nèi)。此種360°全方位探測的系統(tǒng),能將其輸入信號數(shù)據(jù)庫,以便提供識別參數(shù)和到達(dá)角數(shù)據(jù)。美陸軍已將近300套該系統(tǒng)裝至“復(fù)仇者”(Avenger)彈炮結(jié)合的武器系統(tǒng)。俄羅斯的“卡爾秋塔”無源探測目標(biāo)識別系統(tǒng),可識別出100多種空、艦及陸基電子設(shè)備的信號特征。2.4具有精確跟蹤功能的程序激光雷達(dá)分辨率高、信號穩(wěn)定,可迅速產(chǎn)生出三維立體圖像,能將其用于對彈道導(dǎo)彈及其他目標(biāo)的識別與精確跟蹤,且不易被敵方探測到,既安全也可靠。其缺點(diǎn)是目前還無法在惡劣的氣象條件下使用,探測距離還不及微波雷達(dá)遠(yuǎn)。2.5突出事件,提出了應(yīng)對突發(fā)事件的新方法毫米波信息帶寬,抗干擾性能強(qiáng),采用編碼波形后可進(jìn)一步提高其抗欺騙干擾的性能。故毫米波技術(shù)在敵我識別系統(tǒng)中有著寬闊的應(yīng)用前景,發(fā)展?jié)摿︻H大。20世紀(jì)90年代以來,毫米波器件取得了長足的發(fā)展,促進(jìn)了毫米波技術(shù)在敵我識別系統(tǒng)中的應(yīng)用。據(jù)報(bào)道,美陸軍在未來數(shù)年內(nèi),將對19種武器平臺裝上協(xié)作式毫米波或激光敵我識別系統(tǒng),其中包括M1A1與M1A2主戰(zhàn)坦克、“布雷德利”戰(zhàn)車、偵察車、作戰(zhàn)工程車、野戰(zhàn)炮兵平臺、“阿帕奇”與“響尾蛇”武裝直升機(jī)及OH-58D偵察直升機(jī)等。當(dāng)前,美英等國都在大力研制毫米波傳感器,在戰(zhàn)場煙塵滾滾及惡劣的氣象條件下,它仍能正常工作,具有優(yōu)異的抗干擾性能。采用此種裝置,射手可在不到1秒鐘內(nèi)便能判明敵我。故可將其逐步裝至坦克、裝甲車、運(yùn)輸戰(zhàn)車、武裝直升機(jī)及攻擊機(jī)等。2.6高頻寬頻雷達(dá)僅憑單一技術(shù)的識別途徑,總有某些缺陷。采用綜合性識別途徑,則可揚(yáng)長避短,可更快、更準(zhǔn)確地監(jiān)視、識別、瞄準(zhǔn)及攻擊時(shí)敏性頗強(qiáng)的目標(biāo)。故以不同平臺上的毫米波合成孔徑雷達(dá)、高頻、甚高頻、超高頻寬頻段雷達(dá)、激光雷達(dá)、新一代紅外監(jiān)視裝置及可視監(jiān)視設(shè)備,構(gòu)成陸、海、空及多層次的探測網(wǎng)絡(luò),并將所獲取的信息,以多傳感器數(shù)據(jù)融合的方法進(jìn)行處理,迅速地對目標(biāo)進(jìn)行搜索、跟蹤、定位及識別,及時(shí)地提供攻擊所需的準(zhǔn)確信息。這樣便避免了單一識別途徑所帶來的弊端,從總體上統(tǒng)籌解決了對戰(zhàn)術(shù)彈道導(dǎo)彈、空空導(dǎo)彈、空地導(dǎo)彈、地空導(dǎo)彈、艦空導(dǎo)彈、空艦導(dǎo)彈、巡航導(dǎo)彈、反輻射導(dǎo)彈、戰(zhàn)車、戰(zhàn)機(jī)及戰(zhàn)艦等的整個作戰(zhàn)過程的識別問題。如美軍的“多傳感器目標(biāo)識別系統(tǒng)”(MUSTRS)的研制計(jì)劃,要求該系統(tǒng)能從千余個目標(biāo)中,識別出5類關(guān)鍵性威脅目標(biāo),而誤識別率僅低于1%。2.7協(xié)作式目標(biāo)識別采用裝上“全球定位系統(tǒng)”(GPS)接收機(jī)的熱設(shè)備、紅外激光信標(biāo)、激光反射器及以激光測距儀為基礎(chǔ)的詢問應(yīng)答機(jī)等,亦有一定的應(yīng)用前景。另外,現(xiàn)役的協(xié)作式目標(biāo)敵我識別器,易被敵方截獲或偵測。若將微機(jī)電系統(tǒng),分布敷設(shè)于飛機(jī)的蒙皮上或戰(zhàn)車與戰(zhàn)艦的外表面,以較低的功率自動地對詢問信號作出應(yīng)答,則可克服該弱點(diǎn)。對協(xié)作式目標(biāo)識別與非協(xié)作式目標(biāo)識別系統(tǒng),各軍兵種應(yīng)有所側(cè)重。作戰(zhàn)飛機(jī)不僅裝上應(yīng)答機(jī),而且還需配備詢問機(jī),使其具備完善的敵我識別性能,以執(zhí)行多種的作戰(zhàn)任務(wù)。3數(shù)據(jù)集成技術(shù)可以提高敵我識別系統(tǒng)的效率3.1理論研究的情況采用各種高新技術(shù)來提高敵我識別系統(tǒng)抗干擾、抗欺騙的能力及安全保密性能,是研制新一代敵我識別系統(tǒng)所必需充分考慮的問題。當(dāng)今有關(guān)敵我識別應(yīng)用新技術(shù)如數(shù)據(jù)融合、專家系統(tǒng)、模糊理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、激光技術(shù)、紅外技術(shù)、毫米波技術(shù)、無源探測技術(shù)、全球定位導(dǎo)航系統(tǒng)(GPS)技術(shù)及各種新型聲光電技術(shù)等對空中目標(biāo)進(jìn)行敵我識別理論的研究成果頗多,但要真正裝備部隊(duì),有效地發(fā)揮其作用目前尚有一定難度,現(xiàn)階段可尋找一種簡便而實(shí)用的識別方法。如航跡相關(guān)識別、遠(yuǎn)程情報(bào)相關(guān)識別及多源情報(bào)信息相關(guān)識別等,充分有效地利用C3I系統(tǒng)獲得的各種情報(bào)信息,如上級及友鄰單位通報(bào),轉(zhuǎn)發(fā)活動目標(biāo)信息,衛(wèi)偵、技偵等發(fā)送回來的敵情動態(tài),進(jìn)行全面綜合分析并加以判斷,準(zhǔn)確地判定出目標(biāo)的屬性,顯得非常必要。3.2機(jī)動目標(biāo)識別解決現(xiàn)代戰(zhàn)場上的敵我識別問題,屬于一項(xiàng)頗富挑戰(zhàn)性的研究工作。雷達(dá)自動目標(biāo)識別是當(dāng)前研究之重點(diǎn)。提高敵我識別系統(tǒng)的效能是一個亟待解決的問題。北約(NATO)各盟國廣泛采用MK10和MK12型敵我識別系統(tǒng)。在這些系統(tǒng)中,地面和機(jī)載設(shè)備模式、系統(tǒng)編碼及作戰(zhàn)使用的一致性問題至今尚未得到完全解決。以往高技術(shù)戰(zhàn)爭的實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)業(yè)已證明,IFF系統(tǒng)出現(xiàn)問題常會導(dǎo)致誤傷己方的飛機(jī)、軍艦和戰(zhàn)車等。敵我識別系統(tǒng)實(shí)際上屬于一種二次雷達(dá),它由詢問和應(yīng)答兩部分組成。敵我識別系統(tǒng)采用一系列抗干擾措施,如旁瓣干擾抑制、非同步干擾抑制、寬窄脈沖抑制、靈敏度時(shí)間控制(STC)和增益時(shí)間控制(GTC)等,使其抗干擾性能得到增強(qiáng)?？罩心繕?biāo)識別的理想特征矢量應(yīng)滿足如下準(zhǔn)則:目標(biāo)特征矢量在雜波環(huán)境下應(yīng)穩(wěn)定可靠、隨著目標(biāo)運(yùn)動或擾動較小時(shí)變化甚小及利用不完整的數(shù)據(jù)亦能準(zhǔn)確地識別目標(biāo)。此外,系統(tǒng)應(yīng)簡單、價(jià)格較為合理且操作簡便。將雷達(dá)截面(RCS)作為目標(biāo)特征矢量是最直觀的,但RCS對照射頻率和飛機(jī)進(jìn)入角具有頗高的相關(guān)性,故不宜將其用作特征矢量?，F(xiàn)有IFF系統(tǒng)存有許多缺點(diǎn),如混擾、竄擾、旁瓣詢問、電子欺騙、信標(biāo)副作用及可靠性差等,效能亦較低,尤其是它對敵方欺騙和干擾的對抗能力不強(qiáng),IFF系統(tǒng)的天線在飛行載體上總是由于安裝位置不妥而使其天線圖中留有空隙,從而使應(yīng)答信號受遮蔽。為避免由此而帶來的后果,為飛機(jī)設(shè)置了空中“安全”走廊,使飛機(jī)免受防空系統(tǒng)的威脅,并設(shè)置禁飛區(qū),在該區(qū)域內(nèi)不執(zhí)行空中行動。但這些措施是以降低飛機(jī)飛行的靈活性為代價(jià)的。隨著IFF系統(tǒng)的不斷改進(jìn),北約組織軍事專家認(rèn)為合理采用數(shù)據(jù)融合方法,特別是雷達(dá)識別方法,可提高這些系統(tǒng)對抗欺騙和干擾的能力?？傊?數(shù)據(jù)融合技術(shù)是提高現(xiàn)代敵我識別系統(tǒng)可靠性的重要保障。3.3數(shù)據(jù)融合技術(shù)數(shù)據(jù)融合的研究源于雷達(dá)信息處理和軍用C3I系統(tǒng)建設(shè)的需求,其較為確切的定義是:利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對按時(shí)序獲得的若干傳感器的觀測信息在一定準(zhǔn)則下加以自動分析與綜合,以完成所需的決策及評估任務(wù)而進(jìn)行的信息處理過程。具體地說,多傳感器系統(tǒng)是數(shù)據(jù)融合技術(shù)的硬件基礎(chǔ),多源信息是數(shù)據(jù)融合的加工對象,綜合優(yōu)化是數(shù)據(jù)融合之關(guān)鍵。數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)的關(guān)鍵部分是一部中央計(jì)算機(jī),它將各分系統(tǒng)獲得的各種信息進(jìn)行融合,從而產(chǎn)生出可信度頗高的正確識別信息。IFF系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)具有如下眾多的優(yōu)點(diǎn):(1)可擴(kuò)展IFF系統(tǒng)的空域、頻域及時(shí)域的覆蓋范圍;(2)可增大IFF系統(tǒng)的信息利用率,提高整個系統(tǒng)的靈敏度;(3)可提高對威脅目標(biāo)的告警能力,降低漏報(bào)率與虛警概率,增強(qiáng)IFF系統(tǒng)目標(biāo)判定的準(zhǔn)確度與可信度;(4)利用來自多傳感器相互補(bǔ)充的數(shù)據(jù),使獲得的目標(biāo)參數(shù)有較高的精度與分辨率,從而改善IFF系統(tǒng)對目標(biāo)的探測與識別的性能(如提高距離分辨率和角分辨率等);(5)可增強(qiáng)IFF系統(tǒng)的可靠性、抗干擾性能及生存能力;(6)可真正實(shí)現(xiàn)識別敵我中立三方(IFFN-IdentificationofFriend,FoeorNeutrality)。3.4非協(xié)作式目標(biāo)識別歷次戰(zhàn)例告戒我們,無論是認(rèn)敵為我,還是認(rèn)我為敵,皆會造成重大的傷亡,故敵我識別問題引起了世界諸國軍事專家的高度重視,紛紛研制新一代IFF系統(tǒng)。從海灣戰(zhàn)爭的實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)有技術(shù)手段來看,未來解決敵我識別問題是要通過戰(zhàn)術(shù)技術(shù)及訓(xùn)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(yīng)用數(shù)據(jù)融合、專家系統(tǒng)、模糊理論及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等新技術(shù),配合嚴(yán)密的空間管理及通信聯(lián)絡(luò),目標(biāo)識別方能以較為滿意的效果獲得解決。目前,美國等西方國家正在合作研制一種新型敵我識別系統(tǒng)。該系統(tǒng)由兩部分組成:一是由用戶直接用來識別未知目標(biāo),稱為直接分系統(tǒng);另一則向用戶提供有關(guān)目標(biāo)潛在的信息,計(jì)算機(jī)通過對這些信息的分析判斷進(jìn)行識別,該部分稱為間接分系統(tǒng)。直接分系統(tǒng)又分為兩種,一種是需要目標(biāo)與其協(xié)作,另一種則無需目標(biāo)的協(xié)作,如探測雷達(dá)。這種技術(shù)無需“友方”回答,而是靠分析被觀測的平臺特征(如射頻輻射、雷達(dá)調(diào)制、噴氣式發(fā)動機(jī)調(diào)制及紅外與聲頻信號特征等),從而進(jìn)行正確的識別。從某種意義上講,非協(xié)作式識別才是真正能識別敵方和友方的一種新技術(shù)。圖1是正在研制中的新型敵我識別系統(tǒng)的工作原理圖。敵我識別系統(tǒng)是各國極為保密的軍用裝備,保密性頗強(qiáng)。敵我識別系統(tǒng)實(shí)際上是一類功能特殊的電子戰(zhàn)裝備,對其進(jìn)行電子對抗有著重大的意義,而且行之有效。未來的敵我識別系統(tǒng)在重點(diǎn)發(fā)展協(xié)作式目標(biāo)識別系統(tǒng)的同時(shí),亦開展非協(xié)作式目標(biāo)識別系統(tǒng)的研究。在特定的軍事進(jìn)攻場合下,這種協(xié)作式IFF無法使用,故必需將非協(xié)作式IFF問題作為自動目標(biāo)識別問題的一部分著重加以解決。這就需要從雜波中分辨出相似的目標(biāo),這是一個僅靠單一傳感器和人的能力難以解決的復(fù)雜問題,而且由于實(shí)際上圖像雜波通常使目標(biāo)檢測非常困難,因而使問題更加復(fù)雜化。解決這一問題的一個潛在途徑是利用在現(xiàn)代戰(zhàn)場中可提供的多種傳感器。然而,多傳感器數(shù)據(jù)融合通常涉及到將多傳感器信息組合到一個一體化的戰(zhàn)場態(tài)勢圖中的融合處理,這需要解決一系列頗為復(fù)雜的問題。采用最大似然人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(MLANS)的多傳感器數(shù)據(jù)融合方法可很好地解決自動目標(biāo)識別和敵我識別的問題。迄今世界各國已形成共識,各種高精尖武器系統(tǒng)要充分發(fā)揮作用,必須有可靠的敵我識別系統(tǒng)?？梢哉f,現(xiàn)有的敵我識別技術(shù)面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),因此需采用各種高新技術(shù)來提高敵我識別系統(tǒng)的效能。未來新一代敵我識別系統(tǒng)應(yīng)是采用諸種體制、各種技術(shù)及多種設(shè)備的有機(jī)結(jié)合,同時(shí)也一定是采用多學(xué)科技術(shù)和多種手段相結(jié)合的綜合性技術(shù)。由于未來戰(zhàn)爭對IFF系統(tǒng)提出日趨增高的需求,故研制新一代IFF系統(tǒng)迫在眉睫。可以預(yù)料,IFF系統(tǒng)未來的發(fā)展道路仍十分艱難,但由于其在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中的重要性,世界各國都在花大力氣去解決。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及超大規(guī)模集成電路工藝技術(shù)等眾多高新技術(shù)的迅速發(fā)展,敵我識別問題必將會得到理想的解決。4嚴(yán)格開發(fā)單裝目標(biāo)年齡及驗(yàn)證試驗(yàn)從海灣戰(zhàn)爭的實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)及現(xiàn)有的技術(shù)手段來看,解決敵我識別問題需借助技術(shù)、程序及訓(xùn)練等綜合性手段。具體地講,就是利用敵我識別器、熱源、視覺及紅外的數(shù)據(jù),配合全球定位系統(tǒng)(