面向天基預(yù)警的紅外壓縮成像探測跟蹤技術(shù)研究.pdf

1、彈道導(dǎo)彈(ballistic missile)因射程遠、精度高、再入速度快、突防能力強等特點，受到越來越多欲發(fā)展軍事能力國家的青睞。因此，作為導(dǎo)彈防御系統(tǒng)一環(huán)的天基紅外早期預(yù)警系統(tǒng)一直受到各軍事大國的關(guān)注。然而，當前天基紅外預(yù)警系統(tǒng)探測與跟蹤性能的提高嚴重依賴于器件規(guī)模與制作工藝、半導(dǎo)體材料合成技術(shù)、大規(guī)模集成電路制造技術(shù)的發(fā)展；而大規(guī)格、多色傳感器的應(yīng)用將帶來更大的數(shù)據(jù)存儲需求、更高的數(shù)據(jù)傳輸帶寬需求及更大的信息融合處理難度。另一方面

2、，基于壓縮感知理論的計算成像技術(shù)，簡稱為壓縮成像技術(shù)，其從根本上區(qū)別于傳統(tǒng)成像機理，是一種從前端設(shè)計就考慮光學(xué)成像與壓縮信息處理的最優(yōu)化設(shè)計方案，以低分辨率器件、非均勻采樣方式成像具備更少的數(shù)據(jù)采集、傳輸及存儲容量，并能實現(xiàn)大范圍探測和高分辨率成像功能。同時，無需重構(gòu)圖像并且直接基于壓縮成像測量的目標檢測、跟蹤等數(shù)據(jù)處理過程使得能在更小的圖像處理規(guī)模下獲得更高的計算效率。因此，本文將重點研究基于壓縮感知計算成像技術(shù)的天基紅外成像系統(tǒng)，以

3、及基于無需重構(gòu)圖像的目標檢測與跟蹤方法，從而不再只追求器件性能不斷提升，以應(yīng)對我國紅外探測器件性能嚴重不足導(dǎo)致的諸多問題。
　　本文圍繞天基紅外早期預(yù)警系統(tǒng)這一應(yīng)用背景，以助推段彈道導(dǎo)彈為跟蹤對象，針對壓縮成像信號傳遞理論、天基紅外壓縮成像探測技術(shù)、天基紅外壓縮成像目標跟蹤技術(shù)以及三維空間目標跟蹤技術(shù)等展開了深入研究，本文取得的一些主要研究成果和主要內(nèi)容可以概括為：
　　(1)首先，在分析壓縮感知理論已有成果的前提下，針對二

4、維圖像信號處理方法并兼顧計算復(fù)雜度，著重分析紅外圖像信號的稀疏表示，測量矩陣的選取及稀疏約束下的二維圖像重構(gòu)方法選擇。其次，總結(jié)了當前壓縮成像的兩種典型結(jié)構(gòu)：順序結(jié)構(gòu)壓縮成像和并行結(jié)構(gòu)壓縮成像，并利用并行壓縮成像結(jié)構(gòu)，建立了光學(xué)壓縮成像信號傳遞模型，從而解釋了壓縮成像像平面能量分布及像混疊的機理。最后，從系統(tǒng)實現(xiàn)和圖像后處理任務(wù)的角度出發(fā)，基于“按列處理”思想提出了光學(xué)壓縮成像系統(tǒng)的測量模型和重構(gòu)模型，并針對此成像方案可能出現(xiàn)的條紋效應(yīng)

5、提出了改進的重構(gòu)方法；
　　(2)研究了天基紅外壓縮成像探測系統(tǒng)的適用性、實現(xiàn)形式及觀測模型問題。首先，在分析了助推段彈道導(dǎo)彈目標和背景輻射特性的基礎(chǔ)上，建立了紅外壓縮成像系統(tǒng)作用距離模型，以分析天基紅外探測系統(tǒng)的探測能力，指出編碼模板的引入將影響紅外成像系統(tǒng)的最大作用距離，但可通過綜合系統(tǒng)設(shè)計的其它因素進行補償。其次，分析了壓縮編碼孔徑成像原理及給出了兩種實用的編碼掩模設(shè)計，并提出了基于多路技術(shù)的紅外壓縮編碼孔徑成像系統(tǒng)方案，以

6、實現(xiàn)大范圍探測和高分辨率成像兩種功能的一體化設(shè)計。仿真結(jié)果表明，此方案可以有效地解決大視場與高分辨率成像矛盾的問題，當采用2×2透鏡組時，在保證大視場的同時，對局部區(qū)域的成像分辨率可提高4倍。最后，建立了天基紅外壓縮成像觀測模型，為后續(xù)的三維空間目標跟蹤提供了理論基礎(chǔ)；
　　(3)針對探測器像平面壓縮域目標跟蹤問題，提出了一種壓縮域檢測后跟蹤方法。首先，研究了基于壓縮感知時域差分的目標檢測方法，包括幀間差分和背景差分方法，其中重點

7、研究了背景差分方法，并提出了6種壓縮域的背景建模方法，以實現(xiàn)背景和前景的分離。仿真結(jié)果表明，壓縮背景差分自適應(yīng)混合處理方法的效果較好。其次，首次提出了一種從壓縮域到空間域的映射模型，以實現(xiàn)從壓縮測量中直接提取目標空間位置信息，進而達到運動目標檢測的目的。仿真結(jié)果表明，這種方法能正確地從壓縮測量中提取目標空間位置信息。最后，提出了在壓縮成像框架下的目標跟蹤流程，包括雜波環(huán)境下的單目標、多目標濾波跟蹤算法。仿真結(jié)果表明，此算法對于壓縮成像像

8、平面目標跟蹤可以取得良好的跟蹤性能，在文中仿真條件下，跟蹤精度均收斂在1個像素內(nèi)，且相比傳統(tǒng)成像系統(tǒng)目標跟蹤處理，具有能減小圖像處理規(guī)模，在壓縮采樣比為0.1875時，單目標跟蹤的計算效率提高了3倍；
　　(4)針對探測器像平面壓縮域目標跟蹤問題，提出了另一種壓縮域跟蹤后檢測方法。這是一種基于壓縮成像粒子濾波的點目標跟蹤方法，不僅無需重構(gòu)圖像，也無需執(zhí)行壓縮感知運動目標檢測過程。仿真結(jié)果表明，此方法能有效地實現(xiàn)單個、多點目標的跟蹤

9、，在文中仿真條件下，跟蹤精度均收斂在1個像素內(nèi)，且在壓縮采樣比為0.5時，單目標跟蹤的計算速度近似5Hz；
　　(5)針對助推段三維空間目標跟蹤問題，提出了一種融合交互多模型(IMM)和無跡卡爾曼濾波(UKF)的助推段導(dǎo)彈的彈道跟蹤算法。首先，根據(jù)導(dǎo)彈在助推段的運動特性差異，將多模型算法引入到彈道跟蹤過程中，提出了一種包括零攻角和恒攻角動力學(xué)助推模型的多模型算法，以解決助推段各階段攻角發(fā)生變化后的適應(yīng)性問題。此外，融合多模型算法與