【摘要】：天基光學(xué)監(jiān)視系統(tǒng)通過部署在天基平臺的傳感器及時探測、跟蹤并識別對國家安全構(gòu)成威脅的敵方彈道導(dǎo)彈、航空器與航天器等來襲目標(biāo),對增強(qiáng)我國的戰(zhàn)略威懾能力與戰(zhàn)略防御能力,維護(hù)國家安全具有重大意義。目標(biāo)檢測與跟蹤技術(shù)是天基光學(xué)監(jiān)視系統(tǒng)信息處理的核心技術(shù),是實(shí)現(xiàn)對導(dǎo)彈目標(biāo)彈道估計與識別的前提,對天基光學(xué)監(jiān)視系統(tǒng)的探測能力有著重要的影響,一直以來是監(jiān)視探測中的重點(diǎn)與難點(diǎn)。天基光學(xué)監(jiān)視衛(wèi)星需進(jìn)行不間斷地全天候監(jiān)視,且采用大面陣傳感器成像體制具有探測范圍廣、星上下傳數(shù)據(jù)率大等工作特點(diǎn)。信息處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)檢測、目標(biāo)跟蹤的計算規(guī)模大、處理性能與可靠性的要求高。目標(biāo)檢測與跟蹤的實(shí)時性要求更是對系統(tǒng)軟硬件架構(gòu)設(shè)計、并行算法設(shè)計與可靠性設(shè)計等方面提出新的更高挑戰(zhàn)。因此高性能高可用并行計算的實(shí)時目標(biāo)檢測與跟蹤技術(shù)同樣是信息處理的關(guān)鍵技術(shù)。第二章開展針對面陣傳感器成像弱小運(yùn)動目標(biāo)檢測問題的研究。單幀圖像背景抑制采用有限變分模型合理估計背景圖像中的云層邊緣等細(xì)節(jié)信息,提升背景抑制的效果。在此基礎(chǔ)上,針對序列圖像運(yùn)動目標(biāo)檢測問題構(gòu)建最優(yōu)化模型,以充分利用歷史幀的序列圖像數(shù)據(jù)。針對傳統(tǒng)批處理算法計算效率低的問題,基于單幀圖像背景抑制模型與有限變分模型進(jìn)行了相關(guān)的理論推導(dǎo),并提出改進(jìn)的序貫處理算法�；谟邢拮兎掷碚摰男蛄袌D像運(yùn)動目標(biāo)檢測算法能夠在利用多幀圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行背景抑制的同時,給出弱小運(yùn)動目標(biāo)的檢測結(jié)果。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文所提序列圖像運(yùn)動檢測算法對幀間亞像元運(yùn)動的弱小目標(biāo)可取得較好的檢測性能。第三章研究基于背景抑制殘差圖像進(jìn)行點(diǎn)目標(biāo)的像平面跟蹤問題,以充分發(fā)揮面陣成像點(diǎn)擴(kuò)散模型相對穩(wěn)定的優(yōu)勢。并專門對于圖像量測中目標(biāo)交叉、臨近飛行時出現(xiàn)的成像重疊現(xiàn)象,以及傳統(tǒng)多目標(biāo)濾波算法無法合理建模的局限,開展相關(guān)研究�；诳芍苯咏贫嗄繕�(biāo)狀態(tài)分布函數(shù)的多目標(biāo)粒子濾波器與帶標(biāo)簽隨機(jī)有限集模型及相關(guān)理論,提出帶標(biāo)簽的多目標(biāo)粒子濾波算法。詳細(xì)闡述相關(guān)理論推導(dǎo)與數(shù)值實(shí)現(xiàn)方法,實(shí)現(xiàn)了圖像量測下多目標(biāo)狀態(tài)的高階矩迭代濾波。直接采用圖像量測進(jìn)行多目標(biāo)跟蹤,可充分利用圖像數(shù)據(jù),避免了備選點(diǎn)提取等硬判決造成的信息損失,因此基于圖像量測的多目標(biāo)濾波器可達(dá)到較高的跟蹤性能。第四章則進(jìn)一步將研究工作擴(kuò)展到面目標(biāo)的跟蹤問題,同時引入多目標(biāo)狀態(tài)平滑,以充分發(fā)揮大面陣傳感器高幀頻成像的優(yōu)勢�；诘烷T限融合檢測提取的有限集量測,針對量測集合中雜波源出現(xiàn)的時間與空間分布特性,研究雜波參數(shù)未知觀測模型下的多目標(biāo)平滑算法。通過在線估計目標(biāo)狀態(tài)與雜波源分布情況,可對未知雜波分布具有一定的自適應(yīng)能力。所提目標(biāo)特征提取方法與自適應(yīng)雜波狀態(tài)估計多目標(biāo)平滑算法適用于點(diǎn)、斑、面等各類形態(tài)目標(biāo),克服了圖像量測多目標(biāo)跟蹤中穩(wěn)健性不高、觀測模型建模精度要求高等局限。可使信息處理系統(tǒng)形成在線回溯能力,僅在短時群延遲后給出更為精確的目標(biāo)狀態(tài)估計,有效提升高幀頻成像系統(tǒng)的多目標(biāo)跟蹤性能。第五章重點(diǎn)關(guān)注高幀頻大面陣成像弱小運(yùn)動目標(biāo)檢測與跟蹤實(shí)時處理的高性能并行計算技術(shù)。在對大視場光學(xué)圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)并行的基礎(chǔ)上,結(jié)合OpenMP并行工具,在集群架構(gòu)上開展基于共享內(nèi)存模型的并行圖像處理算法研究。對于弱小運(yùn)動目標(biāo)融合檢測形成的有限集量測,基于MPI并行工具開發(fā)并行粒子PHD平滑器�？梢愿∫�(guī)模的硬件設(shè)備實(shí)現(xiàn)大視場低門限的弱小目標(biāo)實(shí)時跟蹤,且具備對背景雜波的自適應(yīng)能力,跟蹤性能與圖像量測下的檢測前跟蹤算法相當(dāng),為PHD平滑器等多目標(biāo)跟蹤算法應(yīng)用于實(shí)際系統(tǒng)提供了技術(shù)支持。本文立足天基光學(xué)大面陣成像體制下信息處理的應(yīng)用需求,提出了適用于弱有形目標(biāo)檢測與跟蹤的實(shí)時處理算法。論文研究成果完善了弱小運(yùn)動目標(biāo)檢測與跟蹤理論,為天基光學(xué)大面陣成像體制下信息處理的系統(tǒng)設(shè)計提供理論指導(dǎo),并為其工程化實(shí)現(xiàn)提供高性能并行計算的技術(shù)支撐。
【學(xué)位授予單位】：國防科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：V52;TP391.41
【圖文】：

地基預(yù)警、�；A(yù)警與天基預(yù)警。圖 1.1 所示為美國成與任務(wù)分工，可用于中段監(jiān)視、末段攔截的反導(dǎo)系陣?yán)走_(dá)、海基 X 波段雷達(dá)、宙斯盾驅(qū)逐艦等。其中天、發(fā)現(xiàn)與跟蹤敵方助推段戰(zhàn)略彈道導(dǎo)彈的天基紅外預(yù)導(dǎo)彈/火箭等的發(fā)射事件，可提供發(fā)射點(diǎn)、射向與落點(diǎn)導(dǎo)系統(tǒng)整體作戰(zhàn)效能具有重要的意義。

支援計劃”（Defense Support Program，DS地面發(fā)送一次圖像，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后則每 1 至 時根據(jù)圖像中目標(biāo)的形狀與灰度變化輔助進(jìn)警率高、預(yù)警時間短等問題，美國于 1995 年nfrared System，SBIRS）逐步取代 DSP 系統(tǒng)

(a) 態(tài)勢示意圖 (b) 公開圖像圖 1.3 HEO-2 在軌拍攝的 Delta II 火箭發(fā)射情況由于光學(xué)面陣成像設(shè)備過于敏感，其他國家在技術(shù)上對我國進(jìn)行封鎖，從國外進(jìn)口 1024×1024 等規(guī)格的光學(xué)面陣傳感器是不可能的，只能進(jìn)行自主研發(fā)。國內(nèi)已有一批單位專門從事光學(xué)面陣傳感器的研制工作。國內(nèi)光學(xué)探測技術(shù)已由第一代的線列成像技術(shù)發(fā)展到時間延遲積分（Time Delay Integration，TDI）掃描成像技術(shù)與小規(guī)模的凝視技術(shù)。目前，國內(nèi)某科研機(jī)構(gòu)已研制出一定規(guī)模像元的面陣傳感器，且通過環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)并完成工程樣機(jī)的研制[6]。凝視型面陣相機(jī)正在由第二代陣列成像技術(shù)向新一代微型化、高密度、高性能的面陣成像技術(shù)發(fā)展。更多像元以及更大尺寸的面陣傳感器的研制，目前已進(jìn)入預(yù)研階段。天基光學(xué)大面陣傳感器探測新技術(shù)的采用，可提供大視場、高幀頻的實(shí)時圖像序列，探測數(shù)據(jù)規(guī)模的進(jìn)一步擴(kuò)大也促使信息處理系統(tǒng)采用更多新的目標(biāo)檢測與跟蹤技術(shù)。運(yùn)載火箭發(fā)射時目標(biāo)的成像特征更為明顯，可以更充分地利用獲取到的監(jiān)視圖像數(shù)據(jù)，提取更多的目標(biāo)特征信息以不斷豐富目標(biāo)特征庫。由于導(dǎo)彈目標(biāo)仍呈現(xiàn)弱小目標(biāo)的成像特征，高幀頻的成像使得運(yùn)動信息的提取與處理成為有效檢測與跟蹤的關(guān)鍵。

本文編號：2791228