xingkong星空-推荐阅读 | 光电成像末制导智能化技术研究与展望

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导读

跟着人工智能技能的成长与前进，最近几年来，各军事强国正踊跃将人工智能技能应用到切确制导兵器中，并取患了必然的技能冲破。于实现切确制导兵器智能化的历程中，繁杂疆场情况自立感知、主动方针截获（ATA）、主动方针辨认（ATR）以和自顺应扶引等成像末制导技能机能的年夜幅晋升依靠在人工智能技能的深度交融运用。举行成像末制导智能化技能与将来成长标的目的研究，对于在紧跟制导模式成长趋向，实现兵器作战机能的革命性晋升具备主要参考义。近日，西北工业年夜学李少毅教员团队于《红外与激光工程》收集首发“光电成像末制导智能化技能研究与瞻望”论文。

1 光电成像末制导成长近况

1.1 对于海成像末制导成长近况

外洋典型对于海作战兵器重要包括空射、岸射、舰射等差别发射情势的反舰导弹，如“飞鱼”、“捕鲸叉”、“花岗岩”等，年夜多采用 雷达末制导，部门采用成像末制导作为辅助末制导方式。跟着舰船隐身技能以和有源滋扰、无源滋扰等“软”杀伤技能的成长，使患上对于海切确制导兵器面对着日趋繁杂的电磁情况，差遣新一代兵器末制导方式由单一探测体系体例转向包罗光电成像探测的多模复合末制导方式。

反舰导弹等对于海作战兵器于成像末制导阶段面对繁杂的海配景情况与强电磁匹敌情况，其作战方针类型重要为舰船等慢速运动方针。一般地，其成像末制导采用人于回路与智能信息处置惩罚交融的方式实现捕捉、跟踪，智能信息处置惩罚可按照进犯使命及方针特征年夜致划分为三个阶段：①远距方针截获阶段，重要面对海杂波、海亮带、鱼鳞光、海天线、海地线等繁杂配景带来的方针检测问题；②中近距方针跟踪阶段，重要面对海亮带、鱼鳞光、舰船倒影和尾浪、平易近用船舶、岸岛配景、烟幕匹敌等带来的疑似方针与多方针辨认、方针遮挡、跟踪点漂移等抗遮挡、抗滋扰跟踪问题；③近距方针要害部位辨认冲击阶段，重要面对方针相对于标准变化、烟幕匹敌、方针布满探测器视场等带来的局部要害部位辨认、跟踪点选择等切确不变跟踪问题。

同时，陪同着人工智能的成长，新一代的对于海切确制导兵器，如LRASM反舰导弹、NSM反舰导弹等更多的采用智能化的多模扶引头，经由过程采用主动方针辨认（ATR）、自立导航计划等技能，晋升了反舰导弹的突防能力与作战效能，使其具有了智能化的雏形。值患上一提的是2011年以色列的“拉斐尔进步前辈防备体系”有限公司推出的第五代长途、自立、切确制导兵器体系“海上粉碎者”反舰导弹，撑持对于静止及运动方针的主动捕捉（ATA）及辨认（ATR），利用颠末练习的人工智能（AI）及呆板进修（ML）处置惩罚搜刮者得到的年夜数据资源，可以或许对于各类高价值的海上及陆地方针，提供显著的进犯机能。

图1(a) LRASM反舰导弹；(b) SM反舰导弹；(c) “海上粉碎者”导弹兵器体系

图2舰船方针差别阶段红外成像

1.2 对于地成像末制导成长近况

外洋典型对于地进犯兵器重要包括空射、舰射、陆基等差别发射情势的空隙导弹、巡航导弹、反坦克导弹等，如“小牛”空隙导弹、“战斧”巡航导弹以和“标枪”反坦克导弹等，多采用电视、红外等成像制导作为末制导方式。同时，也成长了多型电视/红外、红外/雷达等多模复合末制导技能的对于地兵器。

空隙导弹等对于地冲击兵器于成像末制导阶段面对繁杂地面配景情况与强电磁匹敌情况，其作战方针类型包括坦克车等快速运动方针、阵地等固定工事。一般地，与反舰导弹近似，其成像末制导采用人于回路与智能信息处置惩罚交融的方式实现捕捉、跟踪，智能信息处置惩罚可按照进犯使命及方针特征年夜致划分为三个阶段：①远距方针截获阶段，重要面对丛林、戈壁、草地、都会、村落、六合线等繁杂地物配景带来的方针检测问题；②中近距方针跟踪阶段，重要面对树林、修建物、烟尘、平易近用车辆、假装、烟幕与钓饵匹敌等带来的疑似方针与多方针辨认、方针遮挡、跟踪点漂移等抗遮挡、抗滋扰跟踪问题；③近距方针要害部位辨认冲击阶段，重要面对方针相对于标准变化、烟幕匹敌、方针布满探测器视场等带来的局部要害部位辨认、跟踪点选择等切确不变跟踪问题。

图3(a) 小牛空隙导弹；(b) MMP反坦克导弹；(c) JDAM红外制导炸弹

图4坦克方针差别阶段红外成像

1.3 对于空成像末制导成长近况

外洋典型对于空方针作战兵器重要包括空空、舰空、地空等差别发射情势的空空导弹、防空导弹等，好比“AIM-9X”空空导弹、“尺度”系列防空导弹等，中近距肉搏弹多采用红外成像制导作为末制导方式，中长途空空、防空导弹多采用雷达制导方式。同时，为有用应答空中方针的威逼，各军事强国踊跃成长了红外双/ 多波段、红外/雷达等末制导体系体例的新型空空、防空导弹等切确制导兵器。

空空导弹等对于空方针作战兵器于成像末制导阶段面对繁杂的配景情况与强电磁匹敌情况，其作战方针类型包括战斗机、轰炸机、导弹等高速、超高速运动方针。一般地，其成像末制导采用智能信息处置惩罚方式实现自立捕捉、主动 辨认与跟踪，智能信息处置惩罚可按照进犯使命及方针特征年夜致划分为三个阶段：①远距方针截获阶段，重要面对亮云、海亮带、鱼鳞光、海天线、戈壁、六合线等上视或者下视繁杂配景带来的方针检测问题；②中近距方针跟踪阶段，重要面对亮云、海亮带、鱼鳞光、红外点源/面源钓饵匹敌等带来的多疑似方针辨认、滋扰严峻遮挡、跟踪点漂移等抗遮挡、抗滋扰跟踪问题；③近距方针要害部位辨认冲击阶段，重要面对方针相对于标准急巨变化、钓饵匹敌、方针布满探测器视场等带来的局部要害部位辨认、跟踪点选择等切确不变跟踪问题。

空中方针与地面以和海面等方针冲击使命比拟，天空配景与地面、海面等配景比拟较为简朴，但作战方针具备更高的速率与机动性，对于成像末制导体系提出更高的及时性要求。

图5(a) AIM-9X空空导弹；(b) Python-5空空导弹；(c) “尺度-3”反导阻挡弹

图6空中方针差别阶段红外成像

综上，外洋各军事强国为应答不停呈现的高机能方针、日趋繁杂的匹敌情况，为确保切确制导兵器的掷中精度及作战效能，对于在成像末制导的成长标的目的重要包括如下几个方面。

（1）不停提高单模成像制导的疆场情况顺应性与抗滋扰能力。经由过程不停晋升电视CCD、红外焦平面阵列等成像元件的空间分辩率、敏捷度等机能，为成像末制导体系提供更多的方针信息，使患上切确制导兵器可以更为有用的应答繁杂配景和强滋扰情况。

（2）成长多模复合制导方式，获取更多维度的信息。一方面，成长双色/多模复合成像制导，于填补单模成像制导不足的同时，阐扬差别成像元件于差别波段及光谱，对于差别配景、方针及滋扰的选择性探测及按捺的上风，于能量信息、空间信息的基础上引入光谱信息，晋升辨认探测能力；另外一方面，成长成像/雷达复合制导，充实阐扬成像制导与雷达制导的长处，弥合两者的缺陷，晋升切确制导兵器的全天气全天时顺应能力以和繁杂疆场抗滋扰机能。

（3）踊跃将人工智能技能引入成像末制导，晋升巨量疆场信息的处置惩罚与应答能力。跟着人工智能的成长，将方针检测、航迹计划等深度进修算法运用到成像末制导中，充实使用海量的疆场信息，阐扬自立进修与自立推理能力，打破现有的人工设计准则与已经知纪律的统计处置惩罚模式，使患上切确制导兵器的作战效能得到年夜幅晋升。

2 光电成像末制导智能化技能研究近况

最近几年来，跟着人工智能技能的成长与运用，已经经于很年夜水平上转变了原本的运作模式，甚至带来了倾覆性效应。以美国为首的各军事强国于新一代兵器设备中踊跃引入人工智能技能，而且跟着基在人工智能的成像末制导技能研究结果的涌现，使患上切确制导兵器智能化水平愈来愈高。

2.1 美国成像末制导技能智能化成长近况

美 国 新 一 代 反 舰 导 弹 AGM-158C（LRASM），结尾制导采用多模复合制导（红外成像+被动雷达）。LRASM冲破了多传感器信息探测与交融、弹载高机能信息处置惩罚、主动方针辨认等技能，具备多交融制导、自立航路计划与伤害规避、结尾自立方针筛选与辨认及要害部位冲击等智能化特性。依附自身的多维信息探测、交融以和处置惩罚技能，使患上LRASM一方面可以举行远间隔舰船方针的自立辨认与捕捉，并可以或许经由过程人工智能技能于浩繁舰艇中剔除了虚伪方针；另外一方面，使其可以或许于无任何中继制导信息的撑持下，举行彻底自立导航及进犯。面临电子匹敌日趋激烈的疆场情况，LRASM使用被动雷达举行电子频谱的检测定位，可以或许于岛岸配景下确定威逼位置与区域，并按照威逼水平及方针编队状况，自立举行航迹计划，实现高效突防；于间隔方针较近时，依赖宽视场、全天候的注视红外成像扶引头，经由过程及时红外图片与预存基准图片举行相干匹配，辨认出方针的要害部位举行冲击。

美国雷声公司研制的SDB-II小直径炸弹（GBU-53），采用了世界上首款三模扶引头，具有卑劣天然情况下全天时、全天候进犯地脸孔标的能力。SDB-II的三模扶引头包括半自动激光传感器、非制冷红外成像传感器及毫米波雷达。该三模扶引头联合了激光制导的高掷中精度、红外成像的高方针辨认率、毫米波雷达的高穿透性等长处，为弹药的智能化提供了优秀的传感器，并联合智能信息处置惩罚技能，使患上SDB-II可以于繁杂地物配景下对于坦克、坦克车辆等方针举行快速自立分类、辨认及跟踪，进而实现全天时全天候前提下对于地面固定或者挪动方针的冲击。

2.2 以色列成像末制导技能智能化成长近况

以色列拉斐尔进步前辈防务体系公司研制的“海上粉碎者”第五代导弹兵器体系，具有人工智能、场景匹配、主动方针辨认等怪异功效。“海上粉碎者”配备有进步前辈红外成像扶引头， 可以或许经由过程弹载计较机使用深度进修，实现场景匹配，使其可以于卫星导航拒止区域正常履行冲击使命；并经由过程基在人工智能的主动方针辨认技能，从进犯航路上呈现的浩繁相似方针中，正确辨认真实方针，并对于方针要害部位实现切确冲击。此外，该导弹配备有进步前辈的数据链，撑持“人于回路”的及时决议计划及使命计划，具备多向、同步进犯能力。

以色列拉斐尔公司研制的SPICE-250制导炸弹，采用电视/红外双模成像末制导，使用光电场景匹配技能、方针主动辨认技能（ATA）以和深度进修等技能，实现对于地面固定及挪动方针的切确冲击。SPICE-250将获取的地形数据与及时光电图象相联合，使用光电场景匹配技能，于GPS拒止情况下实现自立导航；SPICE-250使用人工智能及深度进修技能，可以或许于繁杂地面配景中主动辨认出地面机动方针，实现对于其的切确冲击。

2.3 其他国度成像末制导技能智能化成长近况

挪威康斯伯格海事公司研制的NSM反舰导弹，可以通NSM兵器体系使命计划软件，基在疆场态势/场景数据及职员的战术要求，主动天生使命计划方案，并可存储200个航线点的自行数据，相较在捕鲸叉Block II的8个航线点有了质的奔腾。NSM采用进步前辈双波段（3 ～ 5及8 ～ 12）宽视场智能型红外成像（I3R）扶引头，该扶引头可以或许获取远间隔方针的高解析度双频红外图象，并经由过程基在模板数据库的主动方针辨认（ATR）技能，可以或许实现繁杂配景下的预定方针的分选及跟踪，并可以或许根据发射前选定的对准点，冲击方针的要害部位。该扶引头还有内置有钓饵参数辨认技能，可以或许从机理上晋升匹敌舰载红外电源滋扰、箔条滋扰等机能。

图7(a) SDB-II小直径炸弹；(b) SPICE-250制导炸弹

今朝，海内外还有未呈现过真正意义上的彻底智能化的切确制导兵器。LRASM反舰导弹、“海上粉碎者”导弹体系等新一代切确制导兵器，经由过程运用传统呆板进修、深度进修、强化进修等人工智能技能，于主动方针辨认、航迹计划等方面出现出必然的智能化特性。

3 将来繁杂疆场情况作战需求阐发

跟着新军事技能的不停厘革及作战理念的不停推陈出新，切确制导兵器所面对的作战方针、情况、使命发生了巨年夜变化：高速、高机动、多频谱隐身的高机能方针不停涌现；有源滋扰、无源滋扰等进步前辈滋扰手腕年夜量利用，电磁情况日益繁杂；进步前辈反导防备体系、有人机-无人机结合作战等的运用，使患上切确制导兵器的作战情况日益繁杂严苛。这就对于切确制导兵器的精准探测、切确冲击、靠得住突防等提出了较高要求，重要体现于如下几个方面。

3.1 方针保存能力年夜幅晋升

跟着隐身、假装等军事技能的成长，军事方针的保存性年夜幅提高，同时对于切确制导兵器的成像末制导提出了更高要求。新一代战机F-22使用形状隐身技能年夜幅削减红外辐射，并配备有进步前辈的推力矢量节制策动机，对于空空导弹的方针截获与快速不变跟踪提出了更高要求。德国MEKO型护卫舰舰体利用了年夜量复合质料，并经由过程冷却废气、屏蔽散热装配等办法，到达了较好的红外隐身机能，这就为反舰导弹红外末制导的方针探测与辨认带来了更年夜的挑战。迷彩技能、掩蔽技能的利用，使患上地脸孔标于光电探测方面出现出低可探测性，而使用示假技能仿制的假方针，与真实方针具备不异的光电特征，对于空隙导弹、反坦克导弹等的成像探测与方针辨认提出了严重挑战。

图8(a) F-22红外特性；(b) EF-2000红外特性

3.2匹敌情况愈加重烈

跟着各种匹敌技能的成长，使患上切确制导兵器成像末制导的匹敌日益激烈，重要体现于：

（1）光电告警技能与装备的广泛利用。F-35设备了量身定制的漫衍式孔径感知体系（EO DAS），使用“智能化威逼数据库辨认体系”，经由过程深度进修自立阐发海量的态势感知数据，自立判定辨认方针类型，辅助猜测阐发或者预警，年夜幅晋升了方针全向感知能力与防备匹敌能力。苏-35配备了进步前辈战斗机光电传感器综合体系和机载“决战体系”人工智能辅助作战体系，年夜幅加强了导弹全向告警能力，将飞机上雷达、IRST、导航体系等得到的数据举行综合阐发及治理，计较出最好的飞行及作战方案，提交给飞行员决议计划，更是年夜幅强化了滋扰自立匹敌效能。

（2）各种无源、有源滋扰装备广泛利用。经常使用的红外点源钓饵弹经由过程转变滋扰开释计谋，以差别压抑比的多钓饵弹向多标的目的投放来提高滋扰效果；面源型红外钓饵、烟幕装配等，可为飞机、舰船、坦克车辆等方针提供视场掩蔽；伴飞钓饵或者拖曳式钓饵，可模仿飞机的运动轨迹；新型钓饵于多光谱特征、能量特征、外形特征及运动特征上越发迫近方针，匹敌历程中，对于方针形成年夜面积、永劫间的掩蔽，分散后又形成方针与钓饵的混合；新型的多光谱烟幕装配，可以为舰船、坦克等提供可见光及多波段红外掩蔽；上述“软”杀伤手腕，对于切确制导兵器的主动方针辨认技能提出了严重磨练。

（3）激光定向能滋扰装配、近程兵器防备体系等“硬”杀伤兵器的年夜量运用。激光定向能滋扰装配，可以或许于探测到来袭导弹时向导弹发出高能量激光，使成像扶引头致盲或者致眩，从而粉碎切确制导兵器对于方针的不变跟踪造成脱靶；近程兵器防备体系可以或许对于来袭导弹等直接实行硬杀伤，对于切确制导兵器的突防能力带来了更高的挑战。

图9(a) F-35的EO DAS及时探测成果；(b) 坦克烟幕投放；(c) SYLENA钓饵发射装配

4 光电成像末制导智能化要害技能与能力阐发

面临将来“情况高繁杂、博弈强匹敌、相应高及时、信息不完备、界限不确定”的战役挑战，成像末制导技能的智能化能力特性需求以下：

（1）漫衍式/异构自立协同探测能力

切确制导冲击群（多个/多种切确冲击兵器构成）的每一个成员作为探测感知节点对于方针举行协同探测，按照差别探测体系体例传感器于差别使命情况下的效用，自立举行各探测节点于方针冲击历程中的使命分配、调理优化以和组合利用，于极年夜拓展方针探测时空感知规模的同时，提高探测感知的靠得住性。

（2）多维度信息智能交融处置惩罚能力

对于差别探测体系体例传感器、差别平台传感器等获取的多维度、多条理信息举行自立数据配准、数据联系关系及数据交融，并对于方针信息举行甄别及强化，为成像末制导提供高品质的有效信息，加强成像末制导体系的容错能力与情况顺应性。

（3）疆场情况感知与态势理解能力

于经由过程协同探测以和优秀的信息交融处置惩罚能力获取方针以和情况的多维度交融信息的同时，可以或许依据该信息，于繁杂多变的疆场情况中正确、快速、周全地相识当前的疆场态势及变化趋向，为自立决议计划等提供疆场情况信息撑持。

（4）探测制导一体化与自立决议计划能力

于对于疆场态势感知与态势理解的基础上，可以或许根据现有态势，以实现冲击效能最年夜化为目的，自立决议计划冲击群中每一个成员的作战方案，并可以或许按照及时探测信息，及时调解方案细节，确保于有用规避威逼的同时，顺遂完成冲击使命。

（5）自进修自进化自推理能力

切确制导兵器于疆场中，不时刻刻获取海量信息，于对于信息举行交融、理解的同时，可以或许基在疆场信息，自立对于疆场态势、决议计划成果等举行推理；并可以依靠自立决议计划、自立步履以和疆场的及时反馈，来举行自立进修，于不停地进修实践中，实现自我进化。

（6）协同辨认与协同抗滋扰能力

依赖协同探测能力，经由过程将差别设备自行组网，使患上各节点于获取多维信息的同时，于某些节点因“软”、“硬”杀伤滋扰致使探测机能降落甚至掉效时，可经由过程其他节点获取探测信息，包管冲击使命的继承履行。依赖疆场情况感知与态势理解能力，及时动态调解协同收集的拓扑布局，使患上各节点之间连结最好的探测、通讯与抗滋扰机能。于某些节点遭遇多种滋扰匹敌甚至丢掉时，可以或许依附自立决议计划能力，从头对于收集举行划分，形成多个自力收集，使患上集群可以有用应答多维度多标的目的滋扰的同时，具有多使命并行处置惩罚能力。

综上所述，切确制导兵器走向智能化、成像末制导智能化均是技能成长的一定，综合切确制导兵器将来作战情况、人工智能将来成长趋向、人脑认知与思维特色，缭绕切确制导兵器的运用，提出将成像末制导的智能化划分为三个阶段：功效级智能技能、体系级单体智能技能、系统级群体智能技能。

（1）功效级智能技能

以弹载运用为起点，以成像末制导历程为冲破点，安身智能化技能于主动方针辨认、自立导航、多模态信息交融等标的目的的研究，晋升切确制导兵器于疆场感知、方针辨认、自立导航、滋扰匹敌与自立突防以和自立决议计划方面的智能化程度。针对于当前的多波段、多模复合扶引头，推进多模态和多波段智能探测与交融技能、探测与制导一体化信息处置惩罚技能、深度神经收集轻量化技能等的工程化运用。开展基在场景与态势感知的自顺应智能复合/交融技能，智能收集重构与信息处置惩罚架构动态重组、智能方针辨认、云端人工智能等技能的研究，使患上成像末制导具有人类视觉的部门认知功效，到达功效级智能化程度，为实现体系级单体智能技能奠基优良的基础。

（2）体系级单体智能技能

切确制导兵器作为作战系统中自力自立的一员，对于在作战支撑系统再也不仅仅是依属瓜葛，而是可以或许自立发明方针、辨认方针、进犯方针。成像末制导具有个别对于某单一/多个方针的探知、感知、认知处置惩罚的视觉脑开导信息处置惩罚流程与特性，彻底具有人类视觉的全数认知功效。开展要害特性、要害思维模式等的自进修收集、自进化收集、自迁徙收集、自推理收集技能，影象与经验模式收集技能，个别视觉与运动联系关系收集技能，专用类脑信息处置惩罚架构与处置惩罚器等技能研究。

（3）系统级群体智能技能

切确制导兵器成长到末了，可以或许大白作战用意，并为实现作战目的，可以或许于作战集群中自立完成各作战成员的使命分配与互助，彻底具有人类的社会化分工能力。成像末制导具有群体对于某单一/多个方针的探知、感知、认知处置惩罚的视觉脑开导信息处置惩罚流程与特性，重要是开展群体要害特性、群体要害思维模式等的协同自进修收集、自进化收集、自迁徙收集、自推理收集技能，群体影象与经验模式收集技能，群体视觉与运动联系关系收集技能，专用类脑协同信息处置惩罚架构与处置惩罚器等技能研究。

5 结论

本文阐发总结了外洋对于海、对于地、对于空方针作战成像切确制导兵器的末制导技能成长近况、面对的要害难点与智能信息处置惩罚技能道理、智能化程度，以和当前外洋成像末制导智能化技能成长近况与趋向。阐发了将来高机能方针、繁杂匹敌情况、多使命需求以和新的作战模式对于成像末制导技能智能化带来的挑战。参考人工智能技能与人脑智能的对于应瓜葛，提出了实现成像末制导智能化的六个能力特性需求以和三个成长阶段。经由过程外洋成像末制导智能化技能的成长阐发，为我国光电成像末制导兵器智能化技能成长提供借鉴。

本文来由

发表在：《红外与激光工程》

论文链接：

https://kns.cnki.net/kcms/detail/12.1261.TN.20221111.1532.010.html

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