本科毕业设计(论文)开题报告

华中科技大学本科生毕业设计（论文）开题报告1一、课题来源、目的及意义随着全球范围内导弹威胁的逐渐升温，建设和拥有一套导弹防御系统(MDS,MissileDefenseSystem)己成为各国军事战略需求，同时也是国家防御的现实需求。以美俄为首的军事大国，在提升导弹攻击能力的同时，也在不断研发、完善和部署全方位多层次的导弹防御系统。通过天基预警卫星、空中预警机、陆基和海基预警系统等多样化协同探测手段，实现对战略和战术弹道导弹的早期预警、跟踪和拦截f1-sl(如图1.1所示)。其中，搭载光学探测器的天基预警卫星以其全天候、多谱段、作用范围广和观测距离远等优势，在防御系统的地位和作用日益凸显f6-gl伊拉克战争中，美国通过“国防支援计划”CDSP,DefenseSupportProgram)预警卫星成功监测伊拉克发射的弹道导弹，并将预测的弹道数据及时传送至地面指挥控制中心，引导“爱国者”导弹实施拦截，作战反应时间可达近实时。目前，美国正在规划和部署的天基预警系统主要有“天基红外系统”(SBIRS,Space-basedInfraredSystem)和“空间跟踪与监视系统”CSTSS,SpaceTrackingandSurveillanceSystem)。其中，SBIRS空间段部分包括2颗大椭圆轨道(HEO}HighlyEllipticalOrbit)卫星和4颗地球静止轨道(GEO}GeostationaryOrbit)卫星，用于接替DSP卫星，实现对弹道导弹助推段的探测f9_lll;而“真正意义上的全球导弹防御传感器系统”STSS}12]则是通过2030颗低轨道(LEO}LowEarthOrbit卫星组网的方式，监测全球范围发射的弹道导弹，其星载传感器和处理器不仅能够捕获和跟踪处于任意飞行阶段的弹道导弹，还能够对导弹助推器分类，跟踪中段低温再入飞行器(RVs,Re-entryVehicles)和伴飞诱饵，并从诱饵中识别威胁目标，引导拦截后评估毁伤效果「12-14]oSBIRS和STSS的配合探测(如图1.2)将弥补地基和海基雷达系统受地球曲率限制而存在的探测盲区，实现对弹道导弹全生命周期(助推段、中段和再入段)的探测与精确跟踪，满足导弹防御系统不同阶段拦截需求。据报道，SBIRSHEO-1和HEO-2己经于2006年和2008年发射升空，并成功发回拍摄的图像数据，其有效载荷性能超过预计指标;在2011年_5月和2013年3月，GEO-1和GEO-2依次由Arlas-_5运载火箭送入轨道;2009年9月，搭载两颗STSS技术演示验证卫星的Delta-7290-1OC运华中科技大学本科生毕业设计（论文）开题报告2载火箭发射上天，并从2010年7月至今不断验证这两颗试验星的探测、跟踪和交接性能「13]。随着SBIRS和STSS的逐步建成，美国弹道导弹防御系统的作战效能将提升到一个前所未有的高度。除美国外，俄罗斯也正在发射部署第二代“预报”预警卫星，可监视美国东海岸至中国，对战略导弹的预警时间达30分钟[}s}综上所述，天基预警卫星己成为导弹防御系统最重要的组成部分，在近现代战争中起着其他武器装备无法替代的作用，对国家安全具有重大战略意义，而低轨道预警卫星全程探测和精确跟踪能力更是其他轨道卫星所无法媲美的。相比于其他国家，我国面临的导弹威胁更为严重，与我国陆地毗邻的14个国家中有8个拥有弹道导弹武器装备;且我国幅员辽阔，边境线绵长，地形地势复杂，仅通过地基和海基雷达系统无法满足我国对弹道导弹早期预警的需求，因此迫切需要自主研发天基预警卫星，以增强国土安全防御能力。从sTSs系统功能设计上可以看出，具有中段突防措施的弹道导弹己成为导弹防御系统的“心腹大患”[15l。为了配合sTSs的研制任务，美国陆基中段防御系统CGMDS}Ground-BasedMidcourseDefenseSystem)从1997年至今公开执行的17次拦截试验中[f2,16l，四次综合飞行试验(IFT-4,5,8,9)使用了带有少量简单诱饵(1}3个球型诱饵)的导弹，然而仅IFT-8拦截成功;其他20次非拦截试验中，IFT-1A,2和CMCM-2A,2B试验测试了复杂诱饵的特性，诱饵个数己达到10个。由此可见，诱饵作为一种有效的突防手段，将大大降低防御系统的可靠性，是防御的重难点问题之一。对于天基预警卫星而言，大量密集目标的出现将影响星上处理器对各目标状态的提取，降低跟踪精度和稳定性，同时，目标和诱饵通过伪装处理，还会进一步阻滞系统对威胁目标的识别，消耗拦截资源。因此，论文将针对天基低轨红外传感器系统对弹道导弹中段跟踪方面面临的信息处理难点、热点和前沿发展方向展开系统的理论研究，提出相应的处理技术。二、国内外研究现况及发展趋势（文献综述）技术背景中段弹道目标群的天基红外传感器跟踪问题研究，起源于1989年美国发起的战略防御倡议(StrategicDefenseInitiation，SDI)计划，该计划的目的是保护美国免遭大规模核武器打击，根据最初的建议，一个SDI系统需要跟踪几万甚至华中科技大学本科生毕业设计（论文）开题报告3几十万个目标，即弹头、诱饵、碎片等，这些目标飞行速度达到每秒7km~8km，针对的是前苏联强大的洲际弹道导弹的饱和攻击[31,32,33]。尽管随着冷战的结束，发生如此大规模的弹道导弹攻击几乎难以出现，但各个国家发展的新型战略弹道导弹已部分具有或努力发展中段诱饵抛撒等突防技术[4]；对中段弹道目标群的跟踪仍是弹道导弹防御研究的热点，美国的SDI报告将对中段弹道目标群的跟踪视为弹道导弹防御的关键技术[19,31]。文献[102,103]将中段弹道目标群作为一个整体进行跟踪，将目标群视为一个椭球跟踪其质心和外形，但仅保持对目标群的整体跟踪，并没有实现对群中各个目标的跟踪。文献[104]研究MHT在中段弹道目标群跟踪中的可行性。美国“雷神”公司(RatheonCompany)的科学家Blackman，研究并设计基于MHT的弹道目标跟踪处理系统，在文献[34]中探讨MHT方法在天基红外传感器弹道目标跟踪中的应用，并以分布式被动多传感器多目标跟踪角度展开探讨，给出部分仿真结果，但相关的详细技术手段和结果并未给出，仅在文献[46,47]中给出MHT在分布式红外多传感器跟踪结构中的多目标跟踪应用方面的综述性描述。进入20世纪以来，对中段弹道目标群跟踪问题的研究，最具代表性的当属美国Nemerica公司以PooreBoore教授为首的科学团队，该公司与美国弹道导弹防御空间系统开发商“诺思罗普·格鲁曼”(NorthropGrumman)公司签订合同，研究基于STSS背景下的中段弹道目标群跟踪方法，取得了一系列成果[12,20,21,22,105,106,107]。该团队以PooreBoore在1990年代开发的基于拉格朗日松弛的多维分配方法为基础展开研究，称之为多帧分配法(MultipleFrameAssignment，MFA)。MHT和MFA是两种典型的多目标跟踪方法，其同时利用多帧数据实现局部最优的关联决策，在多目标跟踪领域应用广泛，但在密集多目标情况下适用性不强，正如1.2.2.1节分析的，主要原因是其难以确定密集目标的个数，特别是其启发式的航迹起始运算量与目标数目成指数关系，在密集目标情况下将造成计算的组合爆炸，无法实际运用，文献[20,21,22,106]研究出发点就是避免MFA和MHT对密集目标在航迹起始和数据关联时引起的巨量运算量问题，其通过对传感器输出的邻近量测进行智能动态聚类，并以聚类结果作为伪量测执行多目标跟踪处理，达到减低量测数目、提高量测稀疏性目的，缓解密集多目标跟踪起始及华中科技大学本科生毕业设计（论文）开题报告4关联运算的指数级运算量负担。然而，该处理方式囿于传统的多目标跟踪框架，一方面在多目标跟踪基础上引入了复杂的多假设量测的智能聚类问题，另一方面造成目标跟踪起始时间上的滞后及不准确的目标个数估计结果。中段弹道目标群的密集性及其带来的未分辨量测问题，是影响天基红外传感器的目标群跟踪性能的重要因素。文献[12]针对这种未分辨量测问题，提出在融合中心识别未分辨量测并对未分辨量测进行适当分辨处理，提高多传感器对多目标观测数目上的一致性，增强对密集目标跟踪的稳定性。文献[108]也将分辨处理融入到目标群的跟踪应用中。这种将未分辨量测的分辨信号处理融入到多目标跟踪信息处理的方式，往往将大大增加传感器信号处理负担。因此，如何降低分辨处理的运算量、研究分辨能力更强的分辨算法和如何将分辨处理和谐融入到多目标跟踪应用中是这种处理方式的重点。国内尚未见到中段弹道目标群的红外传感器跟踪问题的研究文献，文献[7]研究高轨预警卫星对助推段目标的弹道估计问题，文献[16]则研究天基红外低轨星座对目标的跟踪定位问题，仅研究单个弹道目标的跟踪滤波算法，对多目标跟踪方法和中段弹道目标群的跟踪问题并未涉及。其它文献[109,110,111]研究中段弹道目标的雷达探测跟踪技术，且以中段弹道目标群为研究对象的情况并未多见。因此，本文研究天基红外传感器对中段弹道目标群的跟踪问题具有重要的意义。文献综述天基红外传感器对中段弹道目标群的跟踪与超分辨，是弹道导弹防御系统的关键技术。天基红外低轨信息处理系统为分布式被动多传感器多目标信息处理系统，论文针对该系统的结构特点，从中段弹道目标群的红外单传感器像平面跟踪、单帧红外图像空间邻近目标(CloselySpacedObjects,CSO)分辨技术、中段弹道目标群红外多传感器立体跟踪，和多帧(多传感器)红外图像的中段弹道CSO联合超分辨轨迹估计(弹道估计)四个方面进行探索和研究。a)研究中段弹道目标群的红外单传感器像平面跟踪方法。基于随机集理论的粒子概率假设密度(ProbabilityHypothesisDensity，PHD)滤波展开研究。针对传统k-means方法对大量目标和/或密集目标状态估计性能的不足，提出基于最大似然检验的粒子PHD滤波多目标状态估计新方法，华中科技大学本科生毕业设计（论文）开题报告5该方法能在降低运算量的同时提高多目标状态估计精度。针对设计融合量测信息的重要性密度函数问题，提出基于简单迭代的粒子PHD滤波方法，以预先滤波方式建立粒子与量测的关联，从而设计融合量测信息的重要性密度函数，该方法对模型误差适应性更强，能在采用更少粒子情况下获得更优的多目标状态估计精度。针对粒子PHD滤波的帧间状态连续性构建问题，考虑到目标群中CSO不可避免引起的未分辨量测和PHD滤波对漏检敏感的问题，提出基于迭代二维分配的粒子PHD滤波数据关联与航迹管理方法，提高了目标群像平面跟踪稳定性；进而提出基于联合迭代二维分配与多帧分配的粒子PHD滤波数据关联与航迹管理方法，以迭代二维分配方法输出的目标状态作为量测，执行多帧分配关联算法，能在有效解决未分辨量测问题的同时进一步抑制单帧数据关联带来的航迹中断和错误关联等密集多目标跟踪问题。b)研究单帧红外图像CSO分辨技术依据最小二乘准则构建的CSO分辨目标函数具有高维非线性特点，传统方法难以优化，为此，提出基于量子粒子群优化的CSO红外分辨方法，解决高维非线性目标函数优化问题，提高了CSO分辨性能。依据最大后验准则构建的CSO参数估计后验概率函数，其高维积分传统方法难以计算，为此，提出基于可逆跳跃马尔可夫链蒙特卡罗的CSO红外分辨方法，解决高维积分问题，提高了CSO分辨性能。最后，针对未分辨量测对目标群像平面跟踪的影响，将单帧红外图像CSO分辨技术融入到多目标跟踪框架中，进一步提高目标群红外像平面跟踪的稳定性。c)研究中段弹道目标群的红外多传感器立体跟踪技术。研究内容包括目标群的红外多传感器组跟踪和航迹关联两个方面。首先，针对杂波对组跟踪精度的影响，提出基于PHD滤波信息回馈及帧间图像配准的目标群红外多传感器组跟踪方法在提高群质心跟踪精度的同时实现了目标群红外像平面的稳定跟踪，保障天基红外后续信息处理的顺利执行。其次，针对星座跟踪资源受限、仅能调度两个传感器跟踪目标群的情况，结