第1章　概述

1.1　水下目标检测与跟踪的意义

随着科技发展和社会进步，海洋因其经济上的巨大潜力和军事战略上的重要地位越来越受到人们的重视［1］。海洋为人类提供了丰富的水产、航运和矿藏，同时还蕴藏着巨大的能源，全球石油资源总量中的34%来自海洋。尤其进入21世纪以来，鉴于海洋对世界各国的重要性，针对水下地形地貌和水中物体探测的强烈需求，极大促进了水声探测技术的发展。

在经济建设领域，海洋资源勘探、研究和开发需要进行工程勘测和水下探测，如海底测量，以及探测海洋深度、鱼群和虾群、海底沉船、礁石、海底电缆、水下管道等；在极具争议的海洋划界谈判中，清晰的海底地貌资料会成为有力的谈判支撑。航道疏浚工程和护岸工程也需要地形地貌测量和工程量评估，重要港口、码头更需要对相关海域的水下情况进行监控［2］。

在国防建设领域，水声探测技术的发展可以有效进行水下爆炸物检测识别、舰艇安全防御、地形匹配导航、航线封锁和战场侦察；对重要水上活动区域、钻井平台、洞库、水下设施进行警戒，防范小型潜器（如微型潜艇）和“蛙人”的非对称攻击。水下“蛙人”可在夜色的掩护下抵近侦察我方公务船只，布放渔网、漂浮物等障碍物，对我方船只安全造成严重的威胁［3］。特别是在现阶段，已建成使用的南沙岛礁不仅实现了国防力量的战略前伸，而且大幅提高了我国海洋资源的可开发性，但随之而来的是，各类抵近侦察和水下监视活动不计其数。通过查阅资料［4］发现，大国在崛起过程中尤其易遭受非对称攻击，美、英、法等国的军舰和货轮均出现过被“蛙人”携带爆炸物炸沉的事件，利用水声探测技术可以自动、有效地进行监视报警，甚至引导攻击。在利用这些水域资源进行经济活动的同时，必须提高对水下环境的监视和预警能力，以保障国家财产安全和国防建设成果。

水下目标检测可通过不同的成像技术实现，声呐可以在低能见度条件下可靠运行，是目前最常用的检测手段。声呐设备主要包括前视声呐［5］、侧扫声呐［6］和合成孔径声呐［7］，通常安装在自主或非自主水下航行器上，在航行器行进过程中不断发射和接收声呐信号，从而实现检测。前视声呐分为单波束和多波束两种，其中单波束前视声呐形成一个波束，利用基阵的自然方向性进行定向，一次收发过程只能观察一个波束所覆盖的空间。在探测较大的固定区域时，需要转动波束使其覆盖整个区域；多波束前视声呐可同时发射多个波束，形成扇形探测区，从而进行条带式测量。侧扫声呐基于目标物对入射声波的反向散射原理探测水下目标形态，将声呐回波数据逐行排列，能够直观地提供水下目标物形态的声成像［8］。合成孔径声呐是将合成孔径雷达原理推广到水声领域而形成的一种新型高分辨率水下成像声呐，它利用小孔径基阵的移动，通过对不同位置接收信号的相关处理，获得移动方向上的合成孔径，从而得到方位方向的高分辨力［9］。这种分辨力与水下探测距离无关，距离越大，合成孔径长度越长，合成阵的角分辨率越高，从而抵消距离的影响，保持分辨力不变。

水下图像目标检测主要是指对成像声呐所获取的水下图像进行图像处理、图像分析与图像理解的过程。众所周知，由于声信息传输信道的复杂性和多样性、声波本身的传播特性和声呐设备成像的非线性，因此形成的声呐图像在很多方面与光学图像有所不同，存在图像质量差、目标物与背景之间对比度低等特点。通过数字图像处理技术结合声呐图像的物理特性，研究能够满足高性能应用需求的水下图像目标检测算法，是当前水声探测技术的重要环节之一，也是水声对抗领域中一个亟待解决的问题。

本书撰写的目的在于：以水下目标检测与识别为出发点，基于侧扫声呐和合成孔径声呐成像平台，研究涉及的关键技术，如图像预处理、图像分割、目标检测、目标识别等，从理论上提出或改进相关算法，提高处理的精度和实时性，实现远距离的粗略目标分类能力和近距离的精确目标识别能力；结合不同的应用背景，分析、梳理并解决相关算法的环境适应性修正，为工程化应用提供必要的技术基础和有价值的参考。

本书撰写的意义在于：在理论上，通过对图像中目标自身及其运动特征的分析，改进和提出适用声呐图像预处理、图像分割、目标检测与识别的算法，提高算法的实时性和鲁棒性，研究成果具有较好的理论意义；在应用上，在水声对抗中，可实现复杂环境下基于声呐图像的动目标检测与识别，有助于提高水下预警能力和战场防护能力。因此，本书的研究成果对于水下情报信息的侦察、搜集与处理等都具有非常重要的现实意义。