軍用UUV光電探測技術的應用方向*

肖 勝 張路青 許中勝

(海軍駐中南地區光電系統軍事代表室 武漢 430223)

軍用UUV光電探測技術的應用方向*

肖 勝 張路青 許中勝

(海軍駐中南地區光電系統軍事代表室 武漢 430223)

國外軍用水下無人航行器向“大型化、多用途”的方向發展,為滿足情報、監視、偵察,反水雷戰,反潛戰和時敏打擊的軍事需求,國外UUV光電探測裝備開展了大量的目標自動識別等智能化、遠距離激光掃描成像等新技術的研究,最后給出了我國UUV光電探測裝備的發展建議。

水下無人航行器; 光電探測; 目標自動識別; 激光掃描成像

Class Number TN247

1 引言

為了在未來海戰場中取得優勢,世界海洋軍事大國都在開發各種用途的軍用水下無人航行器(UUV),美國、俄羅斯、歐洲和日本居于世界先進水平,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,美國海軍2004年制定的《水下無人航行器總體規劃》列出了未來UUV研究的重點方向為運載器、能源、傳感器、導航與控制、通信等五個技術領域[1],分步實施的作戰使命任務的路線圖和優先級依次為：1) 情報、監視、偵察; 2) 反水雷戰; 3) 反潛戰; 4) 時敏打擊。

UUV光電探測技術(裝備)特指適裝UUV平臺的,直觀獲取水面、水下各種目標和場景圖像信息的,小型化、自動化、智能化光電探測裝備,是潛用光電裝備的重要分支之一。國外軍用UUV平臺向“大型化、多用途”方向發展,軍用UUV光電探測裝備主要可完成UUV賦予的水下航路探測、情報收集、偵察監視等使命任務,主要包括水面光電偵察設備、水下電視攝像系統及水下激光掃描成像系統等裝備,其中水面光電偵察設備在UUV上浮至海面時工作,通常配有電視、紅外傳感器,可對大中型水面艦船、空中目標和海岸目標進行晝夜偵察與識別,具有被動工作、隱蔽性好、信息直觀、分辨率高的特點;水下電視攝像系統及水下激光成像系統在UUV潛航時工作,雖然受水體對光線吸收和散射的影響,其作用距離受到一定程度限制,但獲得的目標圖像直觀可靠,分辨率遠高于聲納,與聲納組合探測可有效增強UUV的水下目標探測能力[2～4]。

為適應UUV總體的發展要求,國外UUV光電探測技術發展方向是水面光電偵察設備智能化和水下光電設備遠距離探測的方向發展,為大型多用途UUV平臺完成反水雷戰、反潛戰、時敏打擊等作戰任務提供堅實的技術支持[5～7]。

2 智能化水面光電偵察設備在UUV時敏打擊中的應用

傳統潛艇的水面光電探測設備是潛望鏡,潛望鏡的光學偵察、搜索和識別等功能均依賴于人工操控,無法滿足UUV無人操作的要求。美國科爾摩根公司于20世紀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成像,具有全外置安裝、全電力驅動、計算機數字圖像處理等總體特點。目前西方各主要潛艇大國潛用光電裝備已呈現光電桅桿快速取代光電潛望鏡的趨勢[8],自2000年開始,隨著美國弗吉尼亞級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,如英國的機敏級核潛艇、法國最新立項的梭魚級攻擊核潛艇等也相繼采用了全部光電桅桿的配置模式。國外軍用UUV平臺的水面光電探測裝備采用光電桅桿的技術體制,具有鮮明的“小型化”、“自動化”進而發展到“智能化”的特點,以其高分辨率和目標識別能力強在整個UUV的探測傳感體系中發揮特別重要的作用。

隨著UUV技術的不斷發展,國外大型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。而對目標進行探測與自動識別是實現UUV偵察打擊一體化的前提。UUV水面光電偵察設備獲取的電視和紅外高分辨率圖像,通過目標自動識別技術實現智能化目標搜索、檢測、識別和跟蹤功能,為遠程指揮中心或作戰系統提供時敏打擊所需的精確的目標指示信息。

光電成像目標自動識別技術涉及目標探測、圖像匹配識別、人工智能等多個技術領域,由于UUV的偵察作業是在復雜多樣的海洋環境中進行,受天氣、海浪、高光反射等諸多種因素的影響使得目標自動識別更為困難,主要涉及以下方面關鍵技術的研究：

1) UUV光電成像水面目標特性自動識別技術

UUV平臺時敏打擊的作戰對象主要目標是大中型水面艦船,針對這些水面目標的特性進行分析與研究是實現目標自動識別技術的必要前提,該技術主要以UUV光電偵察設備偵察獲取的大量電視和紅外目標圖像為基礎,從目標的幾何特征、輻射特征、紋理特征以及運動特征等方面對目標特性進行分析與研究,在此基礎上建立一個多種類型目標樣本庫,主要包括艦船(航空母艦、巡洋艦、驅逐艦、護衛艦等)及敵方港口等,戰時可根據不同的任務需要選擇相應類型的樣本庫加載到UUV平臺的光電設備的圖像處理系統中。

2) 復雜海天背景下目標檢測及雙通道數據融合技術

由于移動的海面和連綿起伏的波浪反光使UUV光電探測圖像的信噪比和對比度等隨浪高、距離和太陽位置的不同而不斷變化,使目標圖像中有大量浪峰的灰度強度接近甚至等于或大于目標像素點的最大灰度值,給目標提取帶來困難[9]。因此需要針對復雜海天背景研究合適有效的目標檢測方法,提高單幀圖像中目標的檢測概率,降低誤檢率,并通過對UUV水面光電探測設備的紅外和電視雙通道的不同探測波段的圖像信息進行數據融合,充分利用不同灰度條件的圖像特征信息如：邊緣特征、區域特征、點特征、紋理特征抽象提取并基準目標樣本庫關聯,增強目標自動檢測和識別的可靠性。

3) 仿人類視覺系統的多層次結構特征識別技術

用于表征目標的特征很多,但不同特征對于艦船目標的顯著程度和用于檢測識別時所需的運行時間是有差別的。人類視覺系統在大幅背景光學圖像中檢測識別目標時,可以將人的注意力快速聚焦于疑似目標,這一過程對目標的多種特征進行了不同層次和優先級的利用和綜合。通過借鑒人類視覺系統檢測識別目標的過程,優先使用區分能力強且耗時短的特征進行粗篩選,而區分能力相對較弱但耗時較長的特征用于后續的目標分析中,實現不同特征的有效綜合利用。例如在對艦船目標識別時,可以將海天線特征、紅外目標的高均值、高對比度等輻射特征等突出特征放在粗層次0目標快速搜索,將目標形狀特征、不變矩特征以及電視目標的紋理特征放在細層次實現目標分層識別,以提高目標識別效率[10]。

3 水下激光掃描成像裝備在UUV掃雷中的應用

普通民用UUV水下光電探測裝備通常采用普通照明方式的水下電視攝像系統,但是由于海水的吸收和散射效應,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,但是由于激光照明光束必須擴束以實現視場的全覆蓋,使得照明的有效能量下降,后向散射效應不可避免,水下電視攝像系統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,國外軍用UUV已出現采用技術更加復雜的水下激光掃描成像系統的配置方案。

水下激光掃描技術是國外UUV光電探測技術的熱點之一,目前已形成了高分辨率、大作用距離等多種性能系列化、實用化裝備。國外UUV發展激光掃描和距離同步選通的方式為核心內容的水下激光成像探測技術的目標是通過實現UUV對水下目標的遠距離探測,水下激光成像裝置獲取的目標高分辨率圖像與聲納信息結合起來使用,可形成UUV遠距離發現和近距離分辨的綜合探測手段,為大型UUV平臺在水下突破封鎖安全航行和反水雷作戰方面提供有力技術保障。

20世紀90年代末期,美國威斯汀豪斯電氣公司生產了SM2000型同步激光線性掃描系統,可在航道勘測和大面積搜索作業中可提供高對比度和高分辨力的圖像,相比普通水下電視攝像系統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的原理如圖1所示。

圖1 水下激光同步掃描成像系統原理

激光器發射的準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驅動連續高速旋轉,反射光線會在系統的正下方掃描出一條橫向線段,在任一時刻,被照亮的只有一個點,該點的漫反射光線經過光學系統會聚并被安裝在軸右邊的角錐鏡反射,通過精心設計的光闌控制接收視場以抑制后向散射,被光電探測器接收,再經光電轉換和信號處理,將光強信號變為數字信號,最后,通過復雜的圖像恢復過程得到目標上一條線的灰度像,該圖像反映的是目標的反射率特性。為了得到目標的二維圖像,整個系統隨UUV沿軸向運動,這樣就相當于對目標進行了縱向掃描,從而恢復出目標的平面像。重點研究解決水下激光行掃描成像、連續藍綠激光發射與弱光接收性能匹配以及寬動態范圍光電信號提取等研究內容。

水下激光掃描選用水下光學窗口藍綠激光波段,該類激光器技術國外已經取得一定的進展,目前已有多種類型的藍綠激光器成功用于水下激光成像,例如氬離子氣體激光器、藍綠光半導體激光器、全固態藍綠激光器等等。但是由于應用在UUV平臺的水下激光成像系統對體積和功耗有嚴格要求,目前激光器的光電轉換效率和水冷系統等不能滿足要求。國外通過開展小體積、高功率、光束質量好、熱損耗低的全固態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題。

2008年,美國Arete公司報道了一種新型的激光雷達水下成像技術,該技術利用安裝在遠距離平臺上的新型條紋管器件(STIL),利用高強度的激光掃描系統實現了空域——時域分辨率極高的三維場景圖像,能很好地探測和識別出混濁水質中的物體目標,已應用在美國海軍的直升機平臺的“魔燈”掃雷系統上,該公司特別指出該STIL激光掃描技術同樣可應用在水下UUV平臺。

4 結語

我國UUV目前主要是各種專門用途的UUV平臺,如中科院沈陽自動化所研制的海洋資源探測UUV、中船重工710所研制的掃雷UUV以及哈爾濱工程大學研制的模擬潛艇水聲特征的特種UUV等,我國UUV及其光電探測裝備與國外先進水平相比,有些方面還是空白,差距明顯。借鑒國外UUV及其光電探測裝備的技術發展趨勢,我國未來UUV也必然向大型化、多用途的方向發展,應加大投入發展我國適應UUV平臺特殊要求的系列化光電探測裝備,同時特別發展UUV與遠程作戰平臺(或母船)的通信數據鏈技術,以作為UUV自主控制的補充,使得UUV把探測到的信息及時地傳回,以便及時決策和反應,為我國未來的大型多用途UUV平臺完成反水雷戰、反潛戰、時敏打擊等作戰任務提供堅實的技術支持。

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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 作者簡介:肖勝,男,博士,工程師,研究方向:光電指控,系統工程。張路青,男,碩士,高級工程師,研究方向:光電指控。許中勝,男,碩士,高級工程師,研究方向:光學與光電技術

TN247

10.3969/j.issn1672-9730.2014.11.044