复杂背景下反无人机的智能光电搜索跟踪技术研究

【摘要】：随着国际反恐和安保形式的变化,必须对来自空中的“低慢小”目标进行有效的防范。城市空中安保面临的空中威胁多为“低慢小”目标,固定翼目标机动飞行的速度可达30～50m/s,飞行角速度较大,且存在机动。在目标机动情况下,高精度拦截系统需要光电搜索跟踪系统的激光测距光轴实时照准目标,以获取目标位置信息,并实时估计目标机动运动参数,这对光电搜索跟踪系统的跟踪精度提出了很高的要求。另一方面,由于城市环境楼宇及建筑物众多,背景复杂,相对于常规净空背景下的无人机目标跟踪,对光电搜索跟踪系统复杂背景下的目标探测及图像跟踪能力也提出了新的要求。智能光电搜索跟踪系统能够实现城市复杂背景下对空中“低慢小”目标的实时搜索、捕获和跟踪,以便为高精度的拦截系统提供目标运动参数。针对复杂背景下“低慢小”目标探测及高精度跟踪的难点,本文分析了目标和复杂背景成像特点,提出了多光谱多元探测光学系统设计方案,将目标信息获取从常规的单一通道扩展为多个通道,使目标和背景可以在不同的波段上进行区分。在多光谱成像探测的基础上重点研究了复杂背景下的目标图像搜索跟踪技术和高精度伺服跟踪技术。在多光谱成像探测的基础上,对于目标机动情况下的高精度伺服跟踪技术,针对多种类型的“低慢小”目标机动能力和典型飞行方式的不同,提出了基于神经网络的IMM卡尔曼滤波前馈补偿跟踪方法。该方法将各种类型目标的机动特性建模后加入IMM卡尔曼滤波机动模型中,并采用神经网络目标识别模型来对搜索到的空中目标进行识别,根据识别到的目标类型自动调整IMM卡尔曼滤波参数,使滤波器对目标的机动特性获得最佳估计。从而为前馈补偿控制算法提供精确的前馈补偿控制量。高精度的伺服控制可保证在目标机动情况下,光学系统光轴仍可以稳定对准目标,使得测距激光可实时连续对目标进行测距。对于城市复杂背景下的目标图像搜索跟踪技术,提出了基于多光谱探测的多模复合TLD目标跟踪算法。在实际系统应用中,TLD算法存在耗时较长,容易产生跟踪漂移等缺点。因此,为了获得实时稳定的跟踪算法,本文提出了改进的复合TLD目标跟踪算法,一方面,图像处理前端首先对获取的图像进行融合处理,融合后的视频帧一路经过抽取(原始50Hz,抽取后为10Hz),之后送入TLD目标跟踪算法,另一路直接送入KCF目标跟踪算法中,KCF算法实时性高,运算速度快,在运行正常的情况下,TLD算法会对KCF样本进行更新,以弥补KCF算法不能适应目标尺度变化及局部遮挡的情况,最外层采用基于先验信息的神经网络目标识别技术,在内层算法丢失目标后重新捕获目标,复合跟踪算法将三种算法进行优势互补,提高了跟踪稳定性和可靠性。对于城市复杂背景下建筑物对无人机的遮挡情况,通过IMM卡尔曼滤波技术来解决目标进入遮挡区域后对其运动轨迹的预测问题。无人机在进入遮挡区域后,其轨迹预测误差随时间的增长而增加。在短时间内,IMM卡尔曼滤波器的预测精度较高,随着时间的增长,目标出现各种机动的概率增加。提出了抗长时遮挡的IMM卡尔曼滤波-TLD目标跟踪算法,并进行了单机试验验证。对多机联合跟踪情况进行了仿真。本章算法根据目标出现区域的概率来自适应的调整跟踪波门,以使目标脱离遮挡区域后能够以较大概率重新进入跟踪视场。本文对以上关键技术在理论分析的基础上,进行了相关试验验证,证明了其算法的有效性。对于机动目标的跟踪精度验证,在实验室环境采用目标模拟器模拟各种目标机动,采用光电搜索跟踪系统实时跟踪并评估其跟踪精度,采用基于神经网络的IMM卡尔曼滤波前馈补偿控制器较常规控制器精度可提高3倍以上,实际系统在外场验证目标典型机动跟踪精度优于0.5mrad;在外场环境验证了多模复合TLD目标跟踪算法,较常规KCF或TLD算法,包含复杂背景下测试视频集的平均测试精度评估为0.9。单次抗遮挡跟踪试验中,基于IMM卡尔曼滤波将轨迹预测误差从常规预测的53m减小到15m。提高光电搜索跟踪系统的智能化水平、抗遮挡能力和精确跟踪能力是未来城市复杂背景反无人机系统的发展方向。对反无人机相关关键技术进行深入研究无论是军用还是民用反恐都将具有重要意义。