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    邢陽陽:水下目標探測與跟蹤關鍵技術研究

    時間:2019-07-03 來源:科學技術創新 點擊:
    一、概 

    海洋科技是海洋開發過程中的第一生產力,也是挖掘海洋經濟的重要手段,海洋高新技術是全球學者公認的新科技革命中最重要的領域之一,海洋科技的涵蓋面極廣,包含多種學科和多種技術,例如海洋學科包括海洋基礎科學、海洋物理科學、海洋化學科學、海底地質學、海洋氣候學和海洋生物學等;與海洋有關的技術包括海洋測量、海洋水聲、海洋能源開發、海洋運輸和海洋結構等等;我們知道海洋科技發展程度的高低,不僅僅體現了一個國家的科技、經濟和社會的發展程度,還體現了國家的綜合國力,本文進行水下目標探測和跟蹤問題的研究正是在此背景下展開的。

    水下目標的探測和跟蹤由于同時具有商業和軍事上的重要價值而被越來越多的專家學者以及生產技術人員重視,水下目標的探測和跟蹤是未來發展海下微小無人探測器的重要基礎和前提。對于水下探測器來說,視覺系統具有極高的地位和作用,視覺系統可以說就是水下探測器的眼耳,通過視覺系統,水下探測器能夠對水下環境信息進行快速收集和分析,根據分析結果為其在水下的運動和作業提供相應的指導。在特定的水環境中,例如在海洋環境中,聲波傳遞是唯一可以進行遠距離信息傳送的方法,因此要想對海洋環境進行充分的開發和利用就必須對水下目標探測技術以及水下目標跟蹤技術進行研究。

    基于此,本文首先對水下目標探測的聲成像技術進行了介紹,包括海洋水聲環境,聲、視覺系統,聲納成像技術和水聲圖像處理技術;接著重點研究了水下目標探測與跟蹤技術,包括運動目標檢測技術,運動目標跟蹤技術和水下目標的識別與跟蹤等,希望通過本文的研究,能夠讓讀者對水下目標探測與跟蹤的關鍵技術有一個總體的了解,并為我國水下探測事業貢獻應有的力量。

    二、聲成像技術

    ⒈海洋水聲環境

    在水中進行遠程傳輸的最佳媒體就是聲波,因此水聲技術是進行水中探測和水中通訊最常用的技術手段之一,雖然近年來水聲技術得到了迅速的發展和進步,但受限于海洋水聲環境的復雜性,人類對水中聲波技術的認識和了解仍逗留于表層,其內部潛力還遠遠沒有得到充分的發揮。通常來說,無損的均勻介質被公認為是最理想的聲音傳輸信道,聲音在其中能夠順利的傳輸避免發生任何畸變。但是在海洋中,尤其是淺海海域,水中具有十分復雜的變化特征,對在其中傳播的聲音產生了巨大的影響。

    ⒉聲視覺系統

    通過對海洋進行長期的研究和探索,人來逐漸意識到聲波是在海洋中唯一一種可以進行長距離信息傳輸的媒體,因此人類如果想要探測、識別、定位、跟蹤海洋中的物體,就必須具有功能強大的水聲探測系統。其中成像聲納是水下探測系統的主要傳感設備,其主要作用是對周圍出現的目標物體進行識別、定位和成像,類似于人類的視覺感官系統,我們稱之為聲視覺系統,聲視覺系統在水下目標探測中起著不可或缺的作用。良好的聲視覺系統應該具備以下特點:靈敏度高、抗干擾能力強,隱蔽性好,另外該系統應該能夠在脫離人為干預情況下根據實際海洋情況和探測情況對系統的參數加以調節,自主的完成數據獲取、分析和跟蹤等工作。

    ⒊聲納成像技術

    隨著海洋探測工作的日益完善和深入,海洋水下探測技術也越來越受到人們的廣泛關注,其中聲納成像技術作為海洋探測的一個重要組成部分,在很多重要場合中發揮著不可替代的作用。舉例來說,近距離高分辨成像技術能夠幫助人類對水下物體的表面情況進行全面的了解。雖然在近距離內一些光學設備的成像更為直觀,但光學成像技術會受到多種因素的影響,甚至如果遇到復雜的水下環境光學成像技術會不能正常使用,相比而言,聲納成像技術在水下具有更大的優勢。近年來,聲納成像技術得到了飛速發展,其中側掃聲納系統和扇掃聲納系統是發展比較成熟,應用面比較廣泛的聲納系統。其中側掃聲納是一種高頻拖曳聲納,它一般被安裝在水下拖曳體的兩側,側掃聲納的工作頻率較高,解像度相對較強,能夠清晰的反映出海底的地形地貌以及海底的沉船飛機殘骸等,自上世紀六十年代以來,側掃聲納系統就在海底目標探測、海底測繪和海底探索、海洋資源開發等領域得到了廣泛的應用。相對于側掃聲納來說,扇掃聲納開發的時間較靠后,但扇掃聲納的發展速度極快,目前被廣泛的應用于水下定位和水下避障工作中。

    ⒋水聲圖像處理技術

    與光學圖像一樣,聲納圖像在本質上也是物體能量的平面和空間分布圖,但是由于水聲信道的復雜性以及海水的多變性使得水聲圖像與光學圖像也存在著大量的不同。在早期人們主要通過傳統的光學成像技術對水聲圖像進行分析和總結,近年來隨著計算機技術的發展,數字圖像處理方法逐漸走進了人們的視野,借助于數字圖像處理技術,水聲圖像的發展也進入了嶄新的階段,水聲圖像處理技術的研究方向主要包括:⑴圖像效果的增強,即改善圖像的成像效果,減弱對圖像產生的相關干擾,對圖像中的有用信息加以擴大;⑵圖像效果恢復,即把原本模糊的圖像進行還原;⑶圖像的編碼,即對圖像進行簡化表示,壓縮表示數據后進行儲存和傳遞;⑷圖像的重建,即將原本的二維圖像建設成三維圖像。

    三、水下目標探測與跟蹤技術

    ⒈運動目標檢測技術

     
     

    ⑴光流法。光流法是傳統的運動目標探測方法之一。其檢測原理是當物體發生移動時,在圖像上該物體的亮度模式也在進行運動,因此可以稱為光流法。光流法主要是通過對向量光流場的位移進行計算進而對目標體的輪廓進行初始化,使人們能夠有效的跟蹤和檢測目標物體。采用光流法對運動目標進行檢測的主要優點是目標在幀間運動的限制較少,主要缺點是該種方法計算相對復雜,且不具備良好的抗噪性。要想獲得準確的檢測數據需要有強大的硬件條件進行支持。

     
     

    ⑵幀間差分法。幀間差分法是監測相鄰兩幀之間圖像變化的最直接的方法,它對兩幀圖像的像素點的灰度進行比較,通過計算閾值對序列圖像中的運動區域進行檢測。幀間差分檢測法的缺點是它不能提取出全部相關特征的像素點,因此這種方法檢測出的物體位置準確度相對較低,尤其是如果物體運動速度很快時會極大程度的影響運動目標位置的準確度。

     
     

    ⑶背景消減法。背景消減法也是一種常用的水下運動目標檢測方法,它將當前幀圖像與儲存的或者實時得到的背景圖像相減,通過對差分圖像中像素值進行判斷進而推斷出像素點運動目標的范圍、背景消減法操作較簡單,檢測的位置準確且效率較高,但這種方法也存在一定的缺點,因為它對光線天氣的要求較高,一旦光線出現明顯變化,檢測結果會形成巨大的誤差,另外如果運動目標自身存在陰影也經常被誤認為是運動目標的一部分,會對檢測結果造成影響。因此這種方法對于攝像頭存在運動或者背景灰度變化程度大的情況檢測意義不大。

    ⒉運動目標跟蹤技術

    對運動目標進行跟蹤時,需要對目標的特征進行選擇并且保證所選擇的特征能夠將目標物體與周圍背景進行明顯的區分,因此對運動目標進行跟蹤的主要任務就是選擇適當合理的目標特征并找到適用的搜索算法,F階段水下跟蹤技術最常用搜索算法包括絕對平衡搜索法和歸一化相關法。在運動目標跟蹤過程中要進行嚴格的特征匹配,其中最為直觀的做法就是在下一幀圖像中找到與目標圖像相似度最大的目標位置,但是這種算法的搜索量巨大耗時較多,因此濾波器被應用在預測目標出現位置工作中,通過濾波器的預測,可以很大程度的縮小搜索范圍,進行目標定位時,只需要在劃定的領域范圍內進行目標相似性檢測即可。

    ⒊水下目標的識別與跟蹤

    水下目標的識別通俗來講就是通過對水下水聲信號進行判別,分析出水下物體的特性并進行識別的技術。例如可以識別水下的船體、魚群和海底地貌地形等。水下目標的識別可以分為瞬態回波信號識別和水聲圖像信號識別,其中瞬態回波信號識別是對運動的物體的識別,與語音識別較為相似,而水聲圖像信號識別則多應用于識別靜態物體。水下目標的識別和跟蹤是通過對圖像的序列進行研究,從復雜的背景中找到運動目標,運用相應的方法對目標的運動規律進行總結和預測進而達到對目標物體進行準確跟蹤的目的。因此想要跟蹤水下物體就必須對應和套準多個目標不同時刻的聲納圖像,跟據目標瞄準點進行精準跟蹤。

    【作者簡介】/邢陽陽,來自中國人民解放軍91439 部隊;文章來自《科學技術創新》(2019年第14期),參考文獻略,轉載自“溪流之海洋人生”微信公眾平臺。

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