面向天基预警的红外压缩成像探测跟踪技术研究.docx

面向天基预警的红外压缩成像探测跟踪技术研究作者 李少毅学科、专业 导航、制导与控制指导教师 闫杰申请学位日期 2015年01月西北工业大学博士学位论文(学位研究生)题目:面向天基预警的红外压缩成像 探测跟踪技术研究作 者: 李少毅学科专业:导航、制导与控制指导教师: 闫杰2015年01月Title:pressiveimagingLookingtowardsSpace-basedInfraredWarningByLiShao-yiUndertheSupervisionofProfessorYanJieADissertationSubmittedtoNorthwesternPolytechnicalUniversityInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofNavigation,GuidanceandControlXi’ 要弹道导弹(ballisticmissile)因射程远、精度高、再入速度快、突防能力强等特点,受到越来越多欲发展军事能力国家的青睐。因此,作为导弹防御系统一环的天基红外早期预警系统一直受到各军事大国的关注。然而,当前天基红外预警系统探测与跟踪性能的提高严重依赖于器件规模与制作工艺、半导体材料合成技术、大规模集成电路制造技术的发展;而大规格、多色传感器的应用将带来更大的数据存储需求、更高的数据传输带宽需求及更大的信息融合处理难度。另一方面,基于压缩感知理论的计算成像技术,简称为压缩成像技术,其从根本上区别于传统成像机理,是一种从前端设计就考虑光学成像与压缩信息处理的最优化设计方案,以低分辨率器件、非均匀采样方式成像具备更少的数据采集、传输及存储容量,并能实现大范围探测和高分辨率成像功能。同时,无需重构图像并且直接基于压缩成像测量的目标检测、跟踪等数据处理过程使得能在更小的图像处理规模下获得更高的计算效率。因此,本文将重点研究基于压缩感知计算成像技术的天基红外成像系统,以及基于无需重构图像的目标检测与跟踪方法,从而不再只追求器件性能不断提升,以应对我国红外探测器件性能严重不足导致的诸多问题。本文围绕天基红外早期预警系统这一应用背景,以助推段弹道导弹为跟踪对象,针对压缩成像信号传递理论、天基红外压缩成像探测技术、天基红外压缩成像目标跟踪技术以及三维空间目标跟踪技术等展开了深入研究,本文取得的一些主要研究成果和主要内容可以概括为:(1)首先,在分析压缩感知理论已有成果的前提下,针对二维图像信号处理方法并兼顾计算复杂度,着重分析红外图像信号的稀疏表示,测量矩阵的选取及稀疏约束下的二维图像重构方法选择。其次,总结了当前压缩成像的两种典型结构:顺序结构压缩成像和并行结构压缩成像,并利用并行压缩成像结构,建立了光学压缩成像信号传递模型,从而解释了压缩成像像平面能量分布及像混叠的机理。最后,从系统实现和图像后处理任务的角度出发,基于“按列处理”思想提出了光学压缩成像系统的测量模型和重构模型,并针对此成像方案可能出现的条纹效应提出了改进的重构方法;(2)研究了天基红外压缩成像探测系统的适用性、实现形式及观测模型问题。首先,在分析了助推段弹道导弹目标和背景辐射特性的基础上,建立了红外压缩成像系统作用距离模型,以分析天基红外探测系统的探测能力,指出编码模板的引入将影响红外成像系统的最大作用距离,但可通过综合系统设计的其它因素进行补偿。其次,分析了压缩编码孔径成像原理及给出了两种实用的编码掩模设计,并提出了基于多路技术的红外压缩编码孔径成像系统方案,以实现大范围探测和高分辨率成像两种功能的一体化设计。仿真结果表明,此方案可以有效地解决大视场与高分辨率成像矛盾的问题,当采用2×2透镜组时,在保证大视场的同时,对局部区域的成像分辨率可提高4倍。最后,建立了天基红外压缩成像观测模型,为后续的三维空间目标跟踪提供了理论基础;(3)针对探测器像平面压缩域目标跟踪问题,提出了一种压缩域检测后跟踪方法。首先,研究了基于压缩感知时域差分的目标检测方法,包括帧间差分和背景差分方法,其中重点研究了背景差分方法,并提出了6种压缩域的背景建模方法,以实现背景和前景的分离。仿真结果表明,压缩背景差分自适应混合处理方法的效果较好。其次,首次提出了一种从压缩域到空间域的映射模型,以实现从压缩测量中直接提取目标空间位置信息,进而达到运动目标检测的目的。仿真结果表明,这种方法能正确地从压缩测量中提取目标空间位置信息。最后,提出了在压缩成像框架下的目标跟踪流程,包括杂波环境下的单目标、多目标滤波跟踪算法。仿真结果表明,此算法对于压缩成像像平面目标跟踪可以取得良好的跟踪性能,在文中仿真