多體制協(xié)同目標(biāo)智能識(shí)別技術(shù)發(fā)展綜述*

石釗銘

（武漢市江夏區(qū)藏龍大道709號(hào) 武漢 430205）

1 引言

隨著體系化作戰(zhàn)概念的不斷深化，作戰(zhàn)兵力預(yù)警范圍不斷擴(kuò)大，對(duì)來(lái)襲導(dǎo)彈的干擾手段和能力不斷增強(qiáng)，在對(duì)重點(diǎn)目標(biāo)的大范圍高效打擊過(guò)程中，僅依靠單一體系進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)和識(shí)別，很容易受到電子對(duì)抗與欺騙，以及海雜波、地理氣象環(huán)境等因素的干擾，幾乎無(wú)法滿足武器高效打擊需求。隨著衛(wèi)星輔助偵察手段的加入，一定程度上提升了目標(biāo)探測(cè)與識(shí)別能力，但因戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境多變性、待打擊目標(biāo)的復(fù)雜性、及彈載和星載信息處理的局限性，仍無(wú)法在打擊時(shí)間窗口內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)航母、驅(qū)逐艦等目標(biāo)的高效融合識(shí)別以及關(guān)鍵部位的精細(xì)化檢測(cè)。而智能化技術(shù)的引入，能夠有效提升作戰(zhàn)系統(tǒng)對(duì)敵智能化殺傷的技術(shù)水平[1]，因此多體制協(xié)同目標(biāo)智能識(shí)別，作為現(xiàn)代武器高效打擊的關(guān)鍵前提，對(duì)提升打擊效能具有十分重要的意義。

2 國(guó)內(nèi)外研究概況

在多體制協(xié)同方面，美國(guó)海軍于20世紀(jì)70年代開(kāi)始開(kāi)發(fā)協(xié)同作戰(zhàn)能力（Cooperative Engagement Capability，CEC）[2]。通過(guò)專用的視距數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)（DDS）在作戰(zhàn)編隊(duì)的艦艇之間共享雷達(dá)未經(jīng)濾波處理的、低時(shí)延、高精度量測(cè)數(shù)據(jù)，由協(xié)同作戰(zhàn)處理器進(jìn)行目標(biāo)復(fù)合跟蹤與識(shí)別處理，形成飛機(jī)和導(dǎo)彈的連續(xù)跟蹤航跡。在CEC條件下，所有傳感器資源組成了一個(gè)遠(yuǎn)、中、近，高、中、低以及不同精度滿足不同需求的傳感器網(wǎng)絡(luò)，從而可以有效發(fā)揮各平臺(tái)傳感器的優(yōu)勢(shì)[3]。俄羅斯20世紀(jì)研制并裝備于現(xiàn)代級(jí)驅(qū)逐艦的米涅拉爾雷達(dá)，具有對(duì)海協(xié)同探測(cè)工作模式，參與協(xié)同工作的雷達(dá)可接近10部，它們之間通過(guò)專用的微波通信鏈路共享偵聽(tīng)或主動(dòng)量測(cè)數(shù)據(jù)，各雷達(dá)之間也沒(méi)有實(shí)現(xiàn)信號(hào)級(jí)協(xié)同處理。對(duì)于處于不同空間的協(xié)作成員，要達(dá)到良好的協(xié)作效果，離不開(kāi)協(xié)同過(guò)程中成員之間工作狀態(tài)和意圖的感知。

在目標(biāo)智能識(shí)別方面，美國(guó)早在2015年就開(kāi)始了基于深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)識(shí)別的研究及應(yīng)用。深度學(xué)習(xí)分析專家利用降低運(yùn)行時(shí)間復(fù)雜性的新識(shí)別算法和新移動(dòng)處理器增加的計(jì)算效率，以減少雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別算法運(yùn)行時(shí)的尺寸、重量和功率（SWAP）。利用較少的訓(xùn)練數(shù)據(jù)快速學(xué)習(xí)識(shí)別新的目標(biāo)是一個(gè)重要研究方向。BAE系統(tǒng)公司通過(guò)引入機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能技術(shù)，用以提升其自動(dòng)目標(biāo)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的性能。

目前國(guó)內(nèi)在多體制協(xié)同感知架構(gòu)方面的研究主要集中在態(tài)勢(shì)感知方面，例如非結(jié)構(gòu)化感知方法、復(fù)雜環(huán)境感知與認(rèn)識(shí)算法、基于生物視覺(jué)認(rèn)知機(jī)理的目標(biāo)識(shí)別與環(huán)境建模等[4]。此外，由于深度學(xué)習(xí)技術(shù)的不斷發(fā)展，基于深度學(xué)習(xí)的態(tài)勢(shì)感知與認(rèn)知技術(shù)已成為主要的研究熱點(diǎn)[5]，能夠提高態(tài)勢(shì)感知的快速性、準(zhǔn)確性和智能化水平。

在目標(biāo)識(shí)別理論研究上距國(guó)外水平更近一步，在基于單平臺(tái)和單信源的檢測(cè)識(shí)別已經(jīng)有了一定的研究基礎(chǔ)，尤其在圖像方面有了較大發(fā)展。但是基于多平臺(tái)協(xié)同的目標(biāo)識(shí)別能力還不成熟，面對(duì)復(fù)雜干擾環(huán)境下的目標(biāo)檢測(cè)識(shí)別能力還較為不足，缺乏通過(guò)多種印證手段不斷提高識(shí)別準(zhǔn)確度的能力，目標(biāo)識(shí)別的智能化水平不高。

3 關(guān)鍵技術(shù)

多體制協(xié)同目標(biāo)智能識(shí)別旨在利用天基節(jié)點(diǎn)、海基節(jié)點(diǎn)、導(dǎo)彈等探測(cè)分析平臺(tái)，完成對(duì)待打擊目標(biāo)的協(xié)同探測(cè)、異構(gòu)信息關(guān)聯(lián)與融合、目標(biāo)檢測(cè)識(shí)別，為武器打擊提供及時(shí)精確可靠的目標(biāo)信息。一種多體制協(xié)同設(shè)想如圖1所示。本文將從協(xié)同探測(cè)任務(wù)規(guī)劃技術(shù)、多傳感器信息融合技術(shù)、目標(biāo)智能識(shí)別技術(shù)三個(gè)方面簡(jiǎn)要分析多體制協(xié)同目標(biāo)智能識(shí)別關(guān)鍵技術(shù)。

圖1 一種多平臺(tái)協(xié)同設(shè)想示意圖

3.1 協(xié)同探測(cè)任務(wù)規(guī)劃技術(shù)

在利用導(dǎo)彈打擊目標(biāo)的任務(wù)中，在預(yù)警探測(cè)階段，通過(guò)多探測(cè)節(jié)點(diǎn)協(xié)同探測(cè)，可拓寬目標(biāo)探測(cè)時(shí)空覆蓋范圍，提升目標(biāo)信息融合精度，提高對(duì)目標(biāo)的復(fù)合跟蹤能力和傳感器抗干擾能力，從而增強(qiáng)目標(biāo)識(shí)別效果。

協(xié)同探測(cè)任務(wù)規(guī)劃技術(shù)主要包含探測(cè)節(jié)點(diǎn)在搜索、跟蹤過(guò)程中的規(guī)劃分配、調(diào)度優(yōu)化、組合使用等技術(shù)，通過(guò)建立傳感器探測(cè)特性模型，分析傳感器在不同環(huán)境下執(zhí)行不同任務(wù)的效用，形成支撐各探測(cè)節(jié)點(diǎn)相互引導(dǎo)和協(xié)同使用的規(guī)則并實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)資源合理規(guī)劃和動(dòng)態(tài)管控。

在執(zhí)行探測(cè)節(jié)點(diǎn)的協(xié)同規(guī)劃前，需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定前置協(xié)同準(zhǔn)則，以規(guī)則的方式指導(dǎo)系統(tǒng)完成協(xié)同探測(cè)智能規(guī)劃的整個(gè)過(guò)程；智能規(guī)劃是根據(jù)當(dāng)前的任務(wù)內(nèi)容，實(shí)際的戰(zhàn)場(chǎng)情況生成協(xié)同探測(cè)感知方案下達(dá)至各個(gè)探測(cè)感知節(jié)點(diǎn)；探測(cè)感知節(jié)點(diǎn)根據(jù)智能規(guī)劃的方案以集中式、分散式或者分布式的方式指揮各自的傳感器完成協(xié)同探測(cè)感知的內(nèi)容，并將執(zhí)行反饋的結(jié)果發(fā)送至系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)結(jié)果修正優(yōu)化協(xié)同準(zhǔn)則，提升下一次的協(xié)同探測(cè)智能規(guī)劃方案的有效性。這一過(guò)程如圖2所示。

圖2 協(xié)同探測(cè)任務(wù)規(guī)劃過(guò)程

3.2 多傳感器信息融合技術(shù)

與單傳感器相比，多傳感器信息技術(shù)在解決探測(cè)、跟蹤和目標(biāo)識(shí)別等問(wèn)題時(shí)，能夠通過(guò)多傳感器的多維度、多層次信息信息處理，提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、正確性、準(zhǔn)確性、魯棒性[6～7]，為后續(xù)識(shí)別提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。實(shí)現(xiàn)多源信息融合與目標(biāo)的穩(wěn)定跟蹤需要解決的問(wèn)題主要包括三個(gè)，分別是數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)和數(shù)據(jù)融合[8]。

近年來(lái)，多傳感器融合技術(shù)的研究多集中在融合濾波算法領(lǐng)域，充分考慮各傳感器存在的噪聲或不確定性，采用分布式融合濾波的方式，通過(guò)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化的接口協(xié)議，提升整個(gè)全局濾波效果。主要研究包括貝葉斯一致性濾波、分布式卡爾曼濾波算法等[9]。但在多體制協(xié)同探測(cè)過(guò)程中的多尺度、大時(shí)延的異構(gòu)信息融合仍然存在目標(biāo)關(guān)聯(lián)不正確、融合精度不高、處理不及時(shí)的問(wèn)題。

3.3 目標(biāo)智能識(shí)別技術(shù)

目標(biāo)智能識(shí)別技術(shù)具備對(duì)樣本數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)能力，能夠保證識(shí)別模型的穩(wěn)健性和演化性[10]，能夠有效降低模型適配產(chǎn)生的拂面影響。目標(biāo)識(shí)別包括特征級(jí)識(shí)別和決策級(jí)識(shí)別。其中目標(biāo)識(shí)別特征參數(shù)包括空域特征、時(shí)域特征、頻域特征、能域特征等。通過(guò)目標(biāo)特征數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行匹配分析解算，利用支持向量機(jī)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和證據(jù)理論等方法的學(xué)習(xí)或訓(xùn)練優(yōu)勢(shì)，提高目標(biāo)識(shí)別效率。

以卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為主的深度學(xué)習(xí)技術(shù)的發(fā)展大大推動(dòng)了圖像識(shí)別技術(shù)的發(fā)展，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在圖像分類、圖像檢索和物體檢測(cè)等領(lǐng)域的表現(xiàn)越來(lái)越出色，針對(duì)深度學(xué)習(xí)在海戰(zhàn)場(chǎng)圖像目標(biāo)識(shí)別中應(yīng)用的研究越來(lái)越豐富[11]。小樣本條件下的遷移學(xué)習(xí)[12]、基于端到端可訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)檢測(cè)、基于區(qū)域建議的目標(biāo)檢測(cè)與識(shí)別等技術(shù)在海戰(zhàn)場(chǎng)圖像識(shí)別中的應(yīng)用提高了目標(biāo)識(shí)別正確率。但深度學(xué)習(xí)對(duì)于處在不同形態(tài)的同一物體以及具有細(xì)微差異的物體的區(qū)分能力并不夠。

4 發(fā)展建議

針對(duì)海戰(zhàn)場(chǎng)武器高效打擊信息保障需求，結(jié)合當(dāng)前國(guó)內(nèi)外多體制協(xié)同目標(biāo)智能識(shí)別關(guān)鍵技術(shù)的研究和發(fā)展情況，提出以下發(fā)展建議。

4.1 發(fā)展彈-星-艦三位一體跨域協(xié)同感知架構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)

受海戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)感知信息獲取能力及處理時(shí)效性所限，僅僅憑借單一手段難以實(shí)現(xiàn)對(duì)重點(diǎn)目標(biāo)的準(zhǔn)確識(shí)別與選擇性攻擊。充分發(fā)揮彈載探測(cè)器、天基衛(wèi)星和?；灤脚_(tái)各體制下信息處理優(yōu)勢(shì)，提升多平臺(tái)協(xié)同感知節(jié)點(diǎn)規(guī)劃效能，研究綜合各平臺(tái)的高效協(xié)同態(tài)勢(shì)自主感知技術(shù)，建立主動(dòng)（雷達(dá)、SAR）與被動(dòng)（紅外、可見(jiàn)光）等多平臺(tái)探測(cè)傳感器聯(lián)合引導(dǎo)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)預(yù)警探測(cè)-搜索識(shí)別-末端引導(dǎo)的全鏈路信息保障與快速處理能力。

4.2 發(fā)展跨域多尺度多源異構(gòu)信息關(guān)聯(lián)技術(shù)

針對(duì)海戰(zhàn)場(chǎng)目標(biāo)識(shí)別面臨的類型多、分布廣、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，以及主被動(dòng)傳感器數(shù)據(jù)定位精度差異大，異構(gòu)平臺(tái)數(shù)據(jù)獲取目標(biāo)信息時(shí)空不同步等問(wèn)題，開(kāi)展多源異構(gòu)數(shù)據(jù)（包括星載/彈載/艦載等不同平臺(tái)的各類傳感器獲取的目標(biāo)圖像、姿態(tài)、位置及特征數(shù)據(jù)）的目標(biāo)關(guān)聯(lián)技術(shù)研究。其包括多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一表示，大時(shí)延異構(gòu)數(shù)據(jù)時(shí)空對(duì)準(zhǔn)，多源信息自適應(yīng)快速關(guān)聯(lián)等多個(gè)方面的研究。

4.3 發(fā)展智能目標(biāo)抗干擾檢測(cè)識(shí)別技術(shù)

待打擊目標(biāo)類型復(fù)雜多樣性，目標(biāo)所處背景地形地貌復(fù)雜多變，成像天候時(shí)相及視點(diǎn)變化，偽裝、干擾及對(duì)抗手段多變等復(fù)雜成像影響因素，增加了目標(biāo)識(shí)別的難度。尤其是干擾對(duì)抗手段，其具有不同時(shí)機(jī)、干擾空間分布和不同頻段干擾等時(shí)空譜特性。被動(dòng)探測(cè)雷達(dá)雖然探測(cè)距離遠(yuǎn)，抗干擾能力強(qiáng)，但是如果對(duì)方雷達(dá)不開(kāi)機(jī)也無(wú)法進(jìn)行探測(cè)；前視雷達(dá)雖然具有相對(duì)穩(wěn)定的強(qiáng)散射點(diǎn)特征，但易受箔條、角反射器以及電子干擾影響；紅外成像易受光照、煙霧、陰影以及背景局部變化等干擾?；谛?艦-彈協(xié)同多模探測(cè)，通過(guò)對(duì)不同信息源成像與融合以及分析復(fù)雜場(chǎng)景目標(biāo)和背景成像特性、結(jié)合圖像信息與非圖像信息融合、星基與彈基多源影像信息聯(lián)合檢測(cè)、彈載多模傳感器融合等多種多源手段，降低環(huán)境與人為干擾，提升目標(biāo)的檢測(cè)識(shí)別能力。

4.4 發(fā)展精細(xì)化目標(biāo)辨識(shí)和關(guān)鍵部位識(shí)別技術(shù)

大中型艦船編隊(duì)中目標(biāo)類型多，不同類型艦船（如航母、驅(qū)逐艦、護(hù)衛(wèi)艦、補(bǔ)給艦、登陸艦等）承擔(dān)不同的作戰(zhàn)任務(wù)，對(duì)艦船目標(biāo)細(xì)分類是構(gòu)建海戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)圖的基礎(chǔ)，也為特定目標(biāo)的精準(zhǔn)打擊提供重要指示信息。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)目標(biāo)高效毀傷，對(duì)艦船目標(biāo)識(shí)別不僅限于船體自身，還需具備關(guān)鍵部位的精確識(shí)別與跟蹤能力，節(jié)省打擊成本，提高作戰(zhàn)效率。同時(shí)隨著少樣本對(duì)象識(shí)別算法的不斷發(fā)展，識(shí)別的準(zhǔn)確率也在不斷提高，但是目前由于圖像拍攝工具和條件的原因，使得測(cè)試遙感樣本的分辨率很難于訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)的分辨率保持一致，對(duì)于大多數(shù)少樣本算法來(lái)說(shuō)，這一情況將直接導(dǎo)致新能的大幅下降，可充分利用衛(wèi)星圖像具有范圍廣、干擾較少的特點(diǎn)，著力發(fā)展少樣本條件下的目標(biāo)類型辨識(shí)與關(guān)鍵部位識(shí)別技術(shù)研究。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著武器性能的不斷提高，對(duì)目標(biāo)識(shí)別準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性、精確性的要求也越來(lái)越高，同時(shí)隨著各種新的技術(shù)平臺(tái)的加入，豐富了識(shí)別的手段，同時(shí)提高了識(shí)別技術(shù)的復(fù)雜度。多體制協(xié)同目標(biāo)智能識(shí)別技術(shù)，在立體化作戰(zhàn)的框架下，將艦船、衛(wèi)星、導(dǎo)彈有機(jī)結(jié)合起來(lái)，利用衛(wèi)星偵察系統(tǒng)、艦船分析系統(tǒng)、導(dǎo)彈識(shí)別系統(tǒng)，形成一套基于“偵-查-打”的、完整的、抗干擾能力強(qiáng)的、自主性高的智能打擊模式，為導(dǎo)彈完成大范圍、高精度、高效能武器打擊提供準(zhǔn)確、清晰、連續(xù)的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)，對(duì)提高復(fù)雜環(huán)境下大范圍打擊態(tài)勢(shì)感知的抗干擾能力和目標(biāo)態(tài)勢(shì)信息的準(zhǔn)確性，具有重大的戰(zhàn)略意義。