直升机多源目标信息融合探测评估方法

直升机多源目标信息融合探测评估方法

张爽,曾瑞文,苏萌

中国飞行试验研究院 陕西省西安市 710089

摘 要  针对直升机多种任务传感器的协同探测方式和人工智能为航电系统赋能的现状，本文提出了一种基于多源目标信息融合探测的试验验证评估方法，从航电系统任务综合的各个单源传感器探测机理出发，结合多源信息交互融合的逻辑判定，以作用距离和综合正确识别率的核心指标试验验证作为切入点，设定试验方法和评判准则并开展了飞行试验，采用真实环境的试验数据验证了评估方法的可行性，试验数据表明，多源融合的探测能力相对单源探测在距离量程和差准率方面均有一定优势。

关键词 多源传感器目标 信息融合 探测评估  试验方法

引言

随着航空电子产品的技术进步，直升机的任务传感器越来越丰富，典型的有毫米波雷达、预警雷达、气象防撞雷达、激光雷达、光电搜索跟踪系统、瞄准吊舱、分布式光电探测以及夜视成像识别等系统。为了能够准确地对某重点区域的目标进行探测，直升机一般会采用多传感器协同探测，每个传感器单独工作，再结合障碍物库以及地图信息，进行全任务系统的智能融合。多源目标信息智能融合作为未来航电系统任务综合的新质技术，是OODA全任务流程赋能的首要环节，也是目前新型战机应用的前沿探索，主要包括：1.光电图像和高清地图以及合成视景的融合是基于惯导信息坐标转化为地理系的图像融合，可以增强飞行员的态势感知；2.基于智能防撞雷达和光电智能识别等目标探测的点迹关联是将多源探测的障碍物目标信息进行数据融合，融合图像和融合数据都是为飞行员提供更全面、更准确战术决策的重要信息。

在直升机“一树之高”作战使用场景中，低空目标的探测能力就是载机的生命线，要求直升机能提前发现威胁源、准确定位障碍物，信息融合能力是超低空复杂环境态势感知能力和快速响应能力就是生命线的延长线，是直升机综合任务系统智能化的重要体现。那么直升机任务综合的多源目标信息探测融合试验验证就成了智能航电鉴定领域的新课题，不同于以往单个传感器的鉴定作业，多源目标信息融合的评估不仅需要对单源传感器的探测能力进行常规试验确定，确保多源融合的数据来源是否准确有效，还需要在单源探测能力基础上关注多源融合带来的能力增量，比如在一定查准率保障下的作用距离提升等融合能力的具体显性表达。本文从作战使用出发验证融合逻辑、从多源探测器性能底数出发设计飞行试验、从性能鉴定出发评估试验结果，由内涵到外化开展直升机多源目标信息融合探测评估方法研究。

1 多传感器智能目标信息融合

对于直升机新质任务系统而言，智能防撞雷达、光电智能识别作为主要探测类传感器，是目标信息融合的重要数据源。智能防撞雷达是在防撞雷达基础上进行人工智能训练，通过典型高压线/塔等障碍物目标进行距离回波图像特征提取分析，再进行人工智能的模型训练，以此来提高防撞雷达障碍物检出能力，包括检出时序的优化、角度解算分辨的提高，即能有效地拓展探测距离，又能通过人工智能算法训练降低虚警提高定位精度。而光电智能识别是基于传统直升机光电成像系统的微光、夜视图像障碍物目标的自动检出，充分发挥成像类传感器“所见即所得”的直观优势，通过高压线/塔等典型目标的图像标注、特征提取进行人工智能障碍物库的模型算法训练，从而在探测过程中对障碍物进行匹配识别。

雷达、光电的异构类传感器探测障碍物信息融合是复杂的系统工程，在可探测目标的交集范畴内进行信息的融合，包括方位交集、俯仰交集、距离交集和类型交集。在确定探测障碍物目标后，两类传感器目标融合首先面临的是信息维度的不对称，智能防撞雷达可以获取目标方位、俯仰、距离、类别的完备信息且作用距离远，而光电智能识别的目标是基于光电图像的目标标注检测，不仅作用距离近，而且距离信息缺失更是光电类探测器的天然短板，但是红外和微光波长的直观成像可以提供目标的良好分辨，有利于虚警和漏警的确定。

2 探测融合试验设计

多源障碍物目标信息融合是以雷达为光电提供距离和光电为雷达滤除虚警为双维度展开的全方位策略融合，一般会伴随融合作用距离这一核心指标的验证要求。从任务系统目标融合的作战效能出发，评估多源传感器信息融合“1+1>1”的使用要求。多源传感器信息融合后探索距离、定位精度、虚警率等目标查全、查准的综合能力的指标考核需要从评估角度出发，对直升机多源障碍物目标的智能信息融合提出系统的试验设计。

鉴于直升机上多源障碍物融合主要围绕智能防撞雷达和光电智能识别，结合直升机对地作战的使用环境，确定高压线/塔和孤立障碍物是直升机飞行安全的重要威胁，试验场景的配试目标选择要具备该两类传感器探测属性的典型性。光电智能识别的数据本源是光电红外热像仪对温度场的感知，但是高压线的线性结构不满足光学系统最小可探测温差和最小分辨力的联合要求，光电智能识别无法捕获高压线的微弱像素、无法识别感压线，所以多源目标信息融合试验场景选择智能防撞雷达和光电智能识别都可探测的孤立障碍物作为试验区配试目标。结合智能防撞雷达和光电智能识别的视场可探测区域的交集在试验区内设计飞行航线，确保直升机在不同高度、速度下飞行姿态的方位、俯仰角度均能实现对目标1.2倍作用距离的余量探测，将机体坐标系智能防撞雷达和光电智能识别对孤立障碍物进行探测识别，再根据测试系统记录的总线数据、视频画面以及孤立障碍物的地面位置信息，进行分析比对和评估。

多源障碍物融合的飞行试验结果评估是有针对性地从智能防撞雷达的查准维度展开，验证飞行期间典型障碍物目标的样本识别率统计结果，并给出探测作用距离，评估机载多源障碍物信息关联融合能力。具体来讲，在多源机载传感器综合有效识别范围内，对典型障碍物目标在指标综合正确识别率下的作用距离不低于相应防撞雷达对应正确识别率下的作用距离，则试验结论评判为融合能力合格。

图1.飞行设计示意图

3 试验结果评估

3.1融合关联判断

3.1.1 融合关联误差范围判断

障碍物综合识别的多源融合探测相比防撞雷达的单源探测结果，多源障碍物探测在相同作用距离下提高了正确识别率，指标的提升本质上是由类别精度和位置精度的提升带来的：类别精度的提升导致防撞雷达中的错误类别被修正，从而提高了正确识别率；而位置精度的方位角影响目标的经纬度、俯仰角影响目标的海拔高度，光电智能识别的高分辨力角精度也可以修正防撞雷达的位置信息，从而提升固定误差范围内的探测概率，通过机体系探测器目标检出能力提升转化为地理系障碍物定位精度提高。

通过融合逻辑关联分析，试验结果性能评估核心是对总线融合探测目标进行甄别，以直升机惯导、差分GPS数据和实际目标的标定位置联合处理作为基准，传感器的探测总线记录数据与基准数据进行对比分析。首先进行目标位置关联，以实际基准距离位置为中心，探测在最小可分辨距离门和方位向角分辨距离形成扇形误差区域范围内则判断为融合定位位置正确，探测定位在扇形区域外则位置错误则为虚警，如图2所示，给出障碍物综合识别属性判定结果。

图2 定位融合误差示意图

3.1.2 试验结果

飞行试验期间，直升机以典型高度、速度飞行，以指标作用距离的1.2倍进入分别对高压线和孤立障碍物等典型目标探测，将对目标探测的数据和试验配试选定目标的方位、俯仰、距离等位置信息进行对比，甄选出配试目标的有效数据，如图所示3、4所示

图3探测位置与真实位置对比（蓝色为配试高压线，红色探测结果）

  图4探测位置与真实位置对比（“△”为配试烟囱，“○”为探测结果）

3.2. 多源融合探测作用距离评估

3.2.1多源融合探测作风距离判定分析

判断了融合目标点迹属性、定位精度后，直升机综合任务系统体系构架中的多源障碍物目标融合效果就取决于作用距离这一核心指标了。而本文以智能防撞雷达、光电智能识别两类传感器的实际数据融合为例，选择最具代表性的孤立障碍物为试验配试目标，直升机以典型高度、速度飞行，以多源传感器的进入探测，将对目标探测的数据和试验配试目标的方位、俯仰、距离等位置信息进行对比，甄选出正确目标的有效数据，再结合雷达系统参数的统计特征，选择合适函数拟合出作用距离的曲线规律，给出在要求识别率下对应的障碍物识别距离，大于指标要求则判断为合格，小于指标要求则判断为不合格。

在多源障碍物融合的作用距离试验之前，需要确保智能防撞雷达、光电智能识别的技术状态良好、设备工作正常，重点是对智能防撞雷达的作用距离进行试验评估，保证雷达在特定正确识别率下的作用距离是满足单元传感器对应指标要求，然后在多源机载传感器综合有效识别范围内，对典型障碍物目标在指标综合正确识别率下的作用距离不低于相应防撞雷达对应正确识别率下的作用距离，则试验结论评判为合格。

3.2.2 试验结果

多源障碍物融合是对孤立障碍物在综合识别率下的作用距离试验验证，甄选出正确目标的有效数据，如图5所示，选择合适函数拟合出作用距离的曲线规律，分别统计出在单源雷达要求识别率下对应的障碍物作用距离和多源融合要求识别率下对应的障碍物作用距离，再进行分析对比如图6所示，试验结果表面融合探测在提高概率的基础上还具备了更远的探测能力。

（a）雷达探测与配试目标的经纬度重合度  （b）融合探测与配试目标的经纬度重合度

图5多源目标信息智能融合识别结果

图6多源探测和雷达探测的累计检测概率对比图

4.结论

针对直升机低空对面作战的任务剖面和典型障碍物的多源协同探测方式，本文从多源融合探测的试验指标验证需要入手，通过多源探测器目标融合逻辑判定、试验设计、数据处理等维度分析，开展了直升机多源目标信息融合的试验验证评估方法研究，在以往单源探测指标验证方法的基础上完成了系统性融合探测评估方法的探索，并通过飞行试验的真实环境数据对评估方法进行贴近使用的试验验证，结果表明多源融合探测对产品能力提升具有重要意义，目标探测的信息融合为智能座舱以及数字试飞提供技术保障，也为后续智能融合类产品的系统性试验鉴定提供型号支撑。

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