軍用UUV光電探測(cè)技術(shù)的應(yīng)用方向*

肖 勝 張路青 許中勝

(海軍駐中南地區(qū)光電系統(tǒng)軍事代表室 武漢 430223)

軍用UUV光電探測(cè)技術(shù)的應(yīng)用方向*

肖 勝 張路青 許中勝

(海軍駐中南地區(qū)光電系統(tǒng)軍事代表室 武漢 430223)

國(guó)外軍用水下無(wú)人航行器向“大型化、多用途”的方向發(fā)展,為滿足情報(bào)、監(jiān)視、偵察,反水雷戰(zhàn),反潛戰(zhàn)和時(shí)敏打擊的軍事需求,國(guó)外UUV光電探測(cè)裝備開(kāi)展了大量的目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別等智能化、遠(yuǎn)距離激光掃描成像等新技術(shù)的研究,最后給出了我國(guó)UUV光電探測(cè)裝備的發(fā)展建議。

水下無(wú)人航行器; 光電探測(cè); 目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別; 激光掃描成像

Class Number TN247

1 引言

為了在未來(lái)海戰(zhàn)場(chǎng)中取得優(yōu)勢(shì),世界海洋軍事大國(guó)都在開(kāi)發(fā)各種用途的軍用水下無(wú)人航行器(UUV),美國(guó)、俄羅斯、歐洲和日本居于世界先進(jìn)水平,研制了包括偵察型水下航行器、攻擊型水下航行器、探雷型水下航行器等各類不同用途的軍用UUV裝備,美國(guó)海軍2004年制定的《水下無(wú)人航行器總體規(guī)劃》列出了未來(lái)UUV研究的重點(diǎn)方向?yàn)檫\(yùn)載器、能源、傳感器、導(dǎo)航與控制、通信等五個(gè)技術(shù)領(lǐng)域[1],分步實(shí)施的作戰(zhàn)使命任務(wù)的路線圖和優(yōu)先級(jí)依次為：1) 情報(bào)、監(jiān)視、偵察; 2) 反水雷戰(zhàn); 3) 反潛戰(zhàn); 4) 時(shí)敏打擊。

UUV光電探測(cè)技術(shù)(裝備)特指適裝UUV平臺(tái)的,直觀獲取水面、水下各種目標(biāo)和場(chǎng)景圖像信息的,小型化、自動(dòng)化、智能化光電探測(cè)裝備,是潛用光電裝備的重要分支之一。國(guó)外軍用UUV平臺(tái)向“大型化、多用途”方向發(fā)展,軍用UUV光電探測(cè)裝備主要可完成UUV賦予的水下航路探測(cè)、情報(bào)收集、偵察監(jiān)視等使命任務(wù),主要包括水面光電偵察設(shè)備、水下電視攝像系統(tǒng)及水下激光掃描成像系統(tǒng)等裝備,其中水面光電偵察設(shè)備在UUV上浮至海面時(shí)工作,通常配有電視、紅外傳感器,可對(duì)大中型水面艦船、空中目標(biāo)和海岸目標(biāo)進(jìn)行晝夜偵察與識(shí)別,具有被動(dòng)工作、隱蔽性好、信息直觀、分辨率高的特點(diǎn);水下電視攝像系統(tǒng)及水下激光成像系統(tǒng)在UUV潛航時(shí)工作,雖然受水體對(duì)光線吸收和散射的影響,其作用距離受到一定程度限制,但獲得的目標(biāo)圖像直觀可靠,分辨率遠(yuǎn)高于聲納,與聲納組合探測(cè)可有效增強(qiáng)UUV的水下目標(biāo)探測(cè)能力[2～4]。

為適應(yīng)UUV總體的發(fā)展要求,國(guó)外UUV光電探測(cè)技術(shù)發(fā)展方向是水面光電偵察設(shè)備智能化和水下光電設(shè)備遠(yuǎn)距離探測(cè)的方向發(fā)展,為大型多用途UUV平臺(tái)完成反水雷戰(zhàn)、反潛戰(zhàn)、時(shí)敏打擊等作戰(zhàn)任務(wù)提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支持[5～7]。

2 智能化水面光電偵察設(shè)備在UUV時(shí)敏打擊中的應(yīng)用

傳統(tǒng)潛艇的水面光電探測(cè)設(shè)備是潛望鏡,潛望鏡的光學(xué)偵察、搜索和識(shí)別等功能均依賴于人工操控,無(wú)法滿足UUV無(wú)人操作的要求。美國(guó)科爾摩根公司于20世紀(jì)80年代提出光電桅桿的概念,光電桅桿與光電潛望鏡的主要差別在于用光電成像取代了光學(xué)成像,具有全外置安裝、全電力驅(qū)動(dòng)、計(jì)算機(jī)數(shù)字圖像處理等總體特點(diǎn)。目前西方各主要潛艇大國(guó)潛用光電裝備已呈現(xiàn)光電桅桿快速取代光電潛望鏡的趨勢(shì)[8],自2000年開(kāi)始,隨著美國(guó)弗吉尼亞級(jí)核潛艇在世界上首次完全取消潛望鏡、裝備兩具PMP型多功能光電桅桿后,采用“光電桅桿+光電桅桿”的配置模式也已成為一種趨勢(shì),如英國(guó)的機(jī)敏級(jí)核潛艇、法國(guó)最新立項(xiàng)的梭魚(yú)級(jí)攻擊核潛艇等也相繼采用了全部光電桅桿的配置模式。國(guó)外軍用UUV平臺(tái)的水面光電探測(cè)裝備采用光電桅桿的技術(shù)體制,具有鮮明的“小型化”、“自動(dòng)化”進(jìn)而發(fā)展到“智能化”的特點(diǎn),以其高分辨率和目標(biāo)識(shí)別能力強(qiáng)在整個(gè)UUV的探測(cè)傳感體系中發(fā)揮特別重要的作用。

隨著UUV技術(shù)的不斷發(fā)展,國(guó)外大型UUV將成為具有偵察打擊一體化能力的智能化武器裝備平臺(tái)。而對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)與自動(dòng)識(shí)別是實(shí)現(xiàn)UUV偵察打擊一體化的前提。UUV水面光電偵察設(shè)備獲取的電視和紅外高分辨率圖像,通過(guò)目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能化目標(biāo)搜索、檢測(cè)、識(shí)別和跟蹤功能,為遠(yuǎn)程指揮中心或作戰(zhàn)系統(tǒng)提供時(shí)敏打擊所需的精確的目標(biāo)指示信息。

光電成像目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別技術(shù)涉及目標(biāo)探測(cè)、圖像匹配識(shí)別、人工智能等多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域,由于UUV的偵察作業(yè)是在復(fù)雜多樣的海洋環(huán)境中進(jìn)行,受天氣、海浪、高光反射等諸多種因素的影響使得目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別更為困難,主要涉及以下方面關(guān)鍵技術(shù)的研究：

1) UUV光電成像水面目標(biāo)特性自動(dòng)識(shí)別技術(shù)

UUV平臺(tái)時(shí)敏打擊的作戰(zhàn)對(duì)象主要目標(biāo)是大中型水面艦船,針對(duì)這些水面目標(biāo)的特性進(jìn)行分析與研究是實(shí)現(xiàn)目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別技術(shù)的必要前提,該技術(shù)主要以UUV光電偵察設(shè)備偵察獲取的大量電視和紅外目標(biāo)圖像為基礎(chǔ),從目標(biāo)的幾何特征、輻射特征、紋理特征以及運(yùn)動(dòng)特征等方面對(duì)目標(biāo)特性進(jìn)行分析與研究,在此基礎(chǔ)上建立一個(gè)多種類型目標(biāo)樣本庫(kù),主要包括艦船(航空母艦、巡洋艦、驅(qū)逐艦、護(hù)衛(wèi)艦等)及敵方港口等,戰(zhàn)時(shí)可根據(jù)不同的任務(wù)需要選擇相應(yīng)類型的樣本庫(kù)加載到UUV平臺(tái)的光電設(shè)備的圖像處理系統(tǒng)中。

2) 復(fù)雜海天背景下目標(biāo)檢測(cè)及雙通道數(shù)據(jù)融合技術(shù)

由于移動(dòng)的海面和連綿起伏的波浪反光使UUV光電探測(cè)圖像的信噪比和對(duì)比度等隨浪高、距離和太陽(yáng)位置的不同而不斷變化,使目標(biāo)圖像中有大量浪峰的灰度強(qiáng)度接近甚至等于或大于目標(biāo)像素點(diǎn)的最大灰度值,給目標(biāo)提取帶來(lái)困難[9]。因此需要針對(duì)復(fù)雜海天背景研究合適有效的目標(biāo)檢測(cè)方法,提高單幀圖像中目標(biāo)的檢測(cè)概率,降低誤檢率,并通過(guò)對(duì)UUV水面光電探測(cè)設(shè)備的紅外和電視雙通道的不同探測(cè)波段的圖像信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合,充分利用不同灰度條件的圖像特征信息如：邊緣特征、區(qū)域特征、點(diǎn)特征、紋理特征抽象提取并基準(zhǔn)目標(biāo)樣本庫(kù)關(guān)聯(lián),增強(qiáng)目標(biāo)自動(dòng)檢測(cè)和識(shí)別的可靠性。

3) 仿人類視覺(jué)系統(tǒng)的多層次結(jié)構(gòu)特征識(shí)別技術(shù)

用于表征目標(biāo)的特征很多,但不同特征對(duì)于艦船目標(biāo)的顯著程度和用于檢測(cè)識(shí)別時(shí)所需的運(yùn)行時(shí)間是有差別的。人類視覺(jué)系統(tǒng)在大幅背景光學(xué)圖像中檢測(cè)識(shí)別目標(biāo)時(shí),可以將人的注意力快速聚焦于疑似目標(biāo),這一過(guò)程對(duì)目標(biāo)的多種特征進(jìn)行了不同層次和優(yōu)先級(jí)的利用和綜合。通過(guò)借鑒人類視覺(jué)系統(tǒng)檢測(cè)識(shí)別目標(biāo)的過(guò)程,優(yōu)先使用區(qū)分能力強(qiáng)且耗時(shí)短的特征進(jìn)行粗篩選,而區(qū)分能力相對(duì)較弱但耗時(shí)較長(zhǎng)的特征用于后續(xù)的目標(biāo)分析中,實(shí)現(xiàn)不同特征的有效綜合利用。例如在對(duì)艦船目標(biāo)識(shí)別時(shí),可以將海天線特征、紅外目標(biāo)的高均值、高對(duì)比度等輻射特征等突出特征放在粗層次0目標(biāo)快速搜索,將目標(biāo)形狀特征、不變矩特征以及電視目標(biāo)的紋理特征放在細(xì)層次實(shí)現(xiàn)目標(biāo)分層識(shí)別,以提高目標(biāo)識(shí)別效率[10]。

3 水下激光掃描成像裝備在UUV掃雷中的應(yīng)用

普通民用UUV水下光電探測(cè)裝備通常采用普通照明方式的水下電視攝像系統(tǒng),但是由于海水的吸收和散射效應(yīng),使得其作用距離在清澈的海水中也最多十米左右。即便是采用激光距離選通照明技術(shù),但是由于激光照明光束必須擴(kuò)束以實(shí)現(xiàn)視場(chǎng)的全覆蓋,使得照明的有效能量下降,后向散射效應(yīng)不可避免,水下電視攝像系統(tǒng)大幅度提高作用距離的前景并不被看好。為了解決激光照明光束能量集中和照明范圍的矛盾,國(guó)外軍用UUV已出現(xiàn)采用技術(shù)更加復(fù)雜的水下激光掃描成像系統(tǒng)的配置方案。

水下激光掃描技術(shù)是國(guó)外UUV光電探測(cè)技術(shù)的熱點(diǎn)之一,目前已形成了高分辨率、大作用距離等多種性能系列化、實(shí)用化裝備。國(guó)外UUV發(fā)展激光掃描和距離同步選通的方式為核心內(nèi)容的水下激光成像探測(cè)技術(shù)的目標(biāo)是通過(guò)實(shí)現(xiàn)UUV對(duì)水下目標(biāo)的遠(yuǎn)距離探測(cè),水下激光成像裝置獲取的目標(biāo)高分辨率圖像與聲納信息結(jié)合起來(lái)使用,可形成UUV遠(yuǎn)距離發(fā)現(xiàn)和近距離分辨的綜合探測(cè)手段,為大型UUV平臺(tái)在水下突破封鎖安全航行和反水雷作戰(zhàn)方面提供有力技術(shù)保障。

20世紀(jì)90年代末期,美國(guó)威斯汀豪斯電氣公司生產(chǎn)了SM2000型同步激光線性掃描系統(tǒng),可在航道勘測(cè)和大面積搜索作業(yè)中可提供高對(duì)比度和高分辨力的圖像,相比普通水下電視攝像系統(tǒng)的作用距離提高了一倍以上[11]。水下激光同步掃描成像系統(tǒng)的原理如圖1所示。

圖1 水下激光同步掃描成像系統(tǒng)原理

激光器發(fā)射的準(zhǔn)直激光束水平地射到左邊的角錐鏡上,角錐鏡安裝在軸上并被電機(jī)驅(qū)動(dòng)連續(xù)高速旋轉(zhuǎn),反射光線會(huì)在系統(tǒng)的正下方掃描出一條橫向線段,在任一時(shí)刻,被照亮的只有一個(gè)點(diǎn),該點(diǎn)的漫反射光線經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)會(huì)聚并被安裝在軸右邊的角錐鏡反射,通過(guò)精心設(shè)計(jì)的光闌控制接收視場(chǎng)以抑制后向散射,被光電探測(cè)器接收,再經(jīng)光電轉(zhuǎn)換和信號(hào)處理,將光強(qiáng)信號(hào)變?yōu)閿?shù)字信號(hào),最后,通過(guò)復(fù)雜的圖像恢復(fù)過(guò)程得到目標(biāo)上一條線的灰度像,該圖像反映的是目標(biāo)的反射率特性。為了得到目標(biāo)的二維圖像,整個(gè)系統(tǒng)隨UUV沿軸向運(yùn)動(dòng),這樣就相當(dāng)于對(duì)目標(biāo)進(jìn)行了縱向掃描,從而恢復(fù)出目標(biāo)的平面像。重點(diǎn)研究解決水下激光行掃描成像、連續(xù)藍(lán)綠激光發(fā)射與弱光接收性能匹配以及寬動(dòng)態(tài)范圍光電信號(hào)提取等研究?jī)?nèi)容。

水下激光掃描選用水下光學(xué)窗口藍(lán)綠激光波段,該類激光器技術(shù)國(guó)外已經(jīng)取得一定的進(jìn)展,目前已有多種類型的藍(lán)綠激光器成功用于水下激光成像,例如氬離子氣體激光器、藍(lán)綠光半導(dǎo)體激光器、全固態(tài)藍(lán)綠激光器等等。但是由于應(yīng)用在UUV平臺(tái)的水下激光成像系統(tǒng)對(duì)體積和功耗有嚴(yán)格要求,目前激光器的光電轉(zhuǎn)換效率和水冷系統(tǒng)等不能滿足要求。國(guó)外通過(guò)開(kāi)展小體積、高功率、光束質(zhì)量好、熱損耗低的全固態(tài)激光器或光纖激光器的研制,有效解決水下激光掃描的高效照明問(wèn)題。

2008年,美國(guó)Arete公司報(bào)道了一種新型的激光雷達(dá)水下成像技術(shù),該技術(shù)利用安裝在遠(yuǎn)距離平臺(tái)上的新型條紋管器件(STIL),利用高強(qiáng)度的激光掃描系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了空域——時(shí)域分辨率極高的三維場(chǎng)景圖像,能很好地探測(cè)和識(shí)別出混濁水質(zhì)中的物體目標(biāo),已應(yīng)用在美國(guó)海軍的直升機(jī)平臺(tái)的“魔燈”掃雷系統(tǒng)上,該公司特別指出該STIL激光掃描技術(shù)同樣可應(yīng)用在水下UUV平臺(tái)。

4 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)UUV目前主要是各種專門(mén)用途的UUV平臺(tái),如中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化所研制的海洋資源探測(cè)UUV、中船重工710所研制的掃雷UUV以及哈爾濱工程大學(xué)研制的模擬潛艇水聲特征的特種UUV等,我國(guó)UUV及其光電探測(cè)裝備與國(guó)外先進(jìn)水平相比,有些方面還是空白,差距明顯。借鑒國(guó)外UUV及其光電探測(cè)裝備的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì),我國(guó)未來(lái)UUV也必然向大型化、多用途的方向發(fā)展,應(yīng)加大投入發(fā)展我國(guó)適應(yīng)UUV平臺(tái)特殊要求的系列化光電探測(cè)裝備,同時(shí)特別發(fā)展UUV與遠(yuǎn)程作戰(zhàn)平臺(tái)(或母船)的通信數(shù)據(jù)鏈技術(shù),以作為UUV自主控制的補(bǔ)充,使得UUV把探測(cè)到的信息及時(shí)地傳回,以便及時(shí)決策和反應(yīng),為我國(guó)未來(lái)的大型多用途UUV平臺(tái)完成反水雷戰(zhàn)、反潛戰(zhàn)、時(shí)敏打擊等作戰(zhàn)任務(wù)提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支持。

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Application of Military UUV Photoelectric Detection Technology

XIAO Sheng ZHANG Luqing XU Zhongsheng

(Military Representative Office of the Optoelectronic System in Zhongnan Area of China, Wuhan 430223)

The development of foreign military unmanned underwater vehicle features large size and multipurpose. In order to meet the military requirements of intelligence, surveillance, reconnaissance, anti-mine warfare, anti-submarine warfare and striking military, foreign UUV photoelectric detection equipment carries out research on new technology of large target recognition, intelligent, remote laser scanning imaging. At last, the UUV development suggestion of photoelectric detection equipment of our country is given.

underwater unmanned vehicle, photoelectric detection, automatic target recognition, laser scanning imaging

2014年5月1日,

2014年6月21日 作者簡(jiǎn)介:肖勝,男,博士,工程師,研究方向:光電指控,系統(tǒng)工程。張路青,男,碩士,高級(jí)工程師,研究方向:光電指控。許中勝,男,碩士,高級(jí)工程師,研究方向:光學(xué)與光電技術(shù)

TN247

10.3969/j.issn1672-9730.2014.11.044