面向天基預警的紅外壓縮成像探測跟蹤技術研究.pdf

1、彈道導彈(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，作為導彈防御系統(tǒng)一環(huán)的天基紅外早期預警系統(tǒng)一直受到各軍事大國的關注。然而，當前天基紅外預警系統(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、半導體材料合成技術、大規(guī)模集成電路制造技術的發(fā)展；而大規(guī)格、多色傳感器的應用將帶來更大的數(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，簡稱為壓縮成像技術，其從根本上區(qū)別于傳統(tǒng)成像機理，是一種從前端設計就考慮光學成像與壓縮信息處理的最優(yōu)化設計方案，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的天基紅外成像系統(tǒng)，以

3、及基于無需重構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，以應對我國紅外探測器件性能嚴重不足導致的諸多問題。
　　本文圍繞天基紅外早期預警系統(tǒng)這一應用背景，以助推段彈道導彈為跟蹤對象，針對壓縮成像信號傳遞理論、天基紅外壓縮成像探測技術、天基紅外壓縮成像目標跟蹤技術以及三維空間目標跟蹤技術等展開了深入研究，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方法選擇。其次，總結了當前壓縮成像的兩種典型結構：順序結構壓縮成像和并行結構壓縮成像，并利用并行壓縮成像結構，建立了光學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)和圖像后處理任務的角度出發(fā)，基于“按列處理”思想提出了光學壓縮成像系統(tǒng)的測量模型和重構模型，并針對此成像方案可能出現(xiàn)的條紋效應

5、提出了改進的重構方法；
　　(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彈目標和背景輻射特性的基礎上，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計，并提出了基于多路技術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計。仿真結果表明，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；
　　(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。仿真結果表明，壓縮背景差分自適應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，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，不僅無需重構圖像，也無需執(zhí)行壓縮感知運動目標檢測過程。仿真結果表明，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，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)的助推段導彈的彈道跟蹤算法。首先，根據(jù)導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)生變化后的適應性問題。此外，融合多模型算法與