DE102009009571B4

DE102009009571B4 - Verfahren zur Identifizierung und Klassifizierung eines Objekts

Info

Publication number: DE102009009571B4
Application number: DE102009009571.3A
Authority: DE
Inventors: Manfred Hiebl
Original assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2009-02-19
Filing date: 2009-02-19
Publication date: 2019-05-09
Anticipated expiration: 2029-02-20
Also published as: BRPI1008914A2; WO2010094261A1; RU2541158C2; US9542464B2; EP2399226A1; DE102009009571A1; RU2011138069A; AU2010214932A1; US20120054183A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Identifizierung und Klassifizierung eines Objekts, wobei
- ein Gegenstand von mindestens einem auf diesen abgestimmten physikalischen Detektor erfasst wird
- aus dem Ausgangssignal des mindestens einen Detektors sowie einer Auswerteeinrichtung mindestens ein Objekt ermittelt wird,
- das Objekt identifiziert und/oder klassifiziert wird anhand von vorgebbaren Eigenschaften aus dem Ausgangssignal,
- für das Objekt eine Anzahl von unterschiedlichen physikalischen Merkmalen aus dem Ausgangssignal abgeleitet werden, dadurch gekennzeichnet, dass
- das Objekt anhand der abgeleiteten physikalischen Merkmale mindestens einer von N vorgegebenen Basisklassen zugeordnet wird,
- die N Basisklassen in einer vorgegebenen Reihenfolge zu einem N-dimensionalen Vektor V angeordnet werden, welcher dem Objekt zugeordnet wird, wobei die Elemente v₁,...,v_N des Vektors V die Zugehörigkeit des Objekts zu der jeweiligen Basisklasse angeben,
- in Abhängigkeit des Vektors V das Objekt einer abgeleiteten Klasse zugeordnet wird, welche einer Referenzdatenbank entnommen wird.

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
Im Rahmen dieser Patentanmeldung wird ein Objekt definiert als ein einen vorgebbaren Schwellwert überschreitendes Ausgangssignal eines Detektors, beispielsweise eines akustischen oder optischen Detektors oder eines Radardetektors (Radaranlage) oder einer Kombination aus solchen Detektoren.
Aus DE 197 31 111 B4 ist ein gattungsgemäßes Verfahren zur Identifizierung und Klassifizierung eines Objekts bekannt, bei welchem das Objekt identifiziert und/oder klassifiziert wird anhand von vorgebbaren Eigenschaften aus dem Ausgangssignal sowie einer vektoriell arbeitenden Anordnung.
Das in DE 197 31 111 B4 offenbarte Verfahren beruht auf der Verwendung sogenannter Indikatoren. Diese sind weitgehend unabhängig von den Ausgangssignalen der verwendeten physikalischen Detektoren. Ein Indikator ist ein abstrakter Begriff für eine vorgebbare Eigenschaft und/oder ein vorgebbares Verhalten eines tatsächlichen Gegenstandes, beispielsweise eines Flugzeuges oder eines Schiffes, der von mindestens einem darauf abgestimmten Detektor, beispielsweise einer Radaranlage, als Objekt erfasst wird. Ein Indikator ist also ein abstrakter Begriff für eine vorgebbare qualitative und quantitative identifizierungsrelevante Information. Jedem Indikator wird anschließend eine Tendenz zugeordnet, welche der Basis-Identität des Indikators entspricht. Die Indikatoren werden anschließend als Vektoren in einem mehrdimensionalen Vektorraum dargestellt.
Die Identifizierung von Objekten ist mit diesem Verfahren sehr rechenintensiv, da ein mehrdimensionaler Vektorraum vorliegt.
US 6 757 668 B1 beschreibt eine Vorrichtung zum Handhaben von Ergebnissen mehrerer Klassifikationsinstrumente, welche redundante Informationen liefern und wie mit der aus der Verwendung unterschiedlicher Klassifikationsinstrumente resultierenden Unsicherheit umgegangen wird. Sodann wird ein Klassifikationsinstrument gewählt, dessen Ergebnis für die weitere Verarbeitung als maßgeblich herangezogen wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren anzugeben, welches im Gegensatz zum Stand der Technik weniger rechenintensiv und somit schneller ausführbar ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Verfahrensschritte. Vorteilhafte Ausführungen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben.
Gemäß der Erfindung werden für das Objekt eine Anzahl von unterschiedlichen physikalischen Merkmalen aus dem Ausgangssignal der ein oder mehreren Detektoren abgeleitet. Anschließend wird das Objekt anhand der abgeleiteten physikalischen Merkmale mindestens einer von N vorgegebenen Basisklassen zugeordnet. Die N Basisklassen werden in einer vorgegebenen Reihenfolge zu einem N-dimensionalen Vektor V angeordnet, welcher dem Objekt zugeordnet wird. Die Elemente v₁,...,v_N des Vektors V geben dabei die Zugehörigkeit des Objekts zu der jeweiligen Basisklasse an und der N-dimensionale Vektor stellt eine aus den Basisklassen abgeleitete Klasse zur Identifizierung eines Objekts dar. Die Identifizierung des Objekts erfolgt anschließend dadurch, dass in Abhängigkeit des Vektors V das Objekt mittels eines Vergleichs physikalischer Merkmale des Objekts mit Merkmalen aus einer Referenzdatenbank einer abgeleiteten Klasse zugeordnet wird, wobei die abgeleitete Klasse in der Referenzdatenbank hinterlegt und aus dieser entnommen wird.
Es ist ersichtlich, dass ein Objekt auf mehrere, z.B. 8-12 seiner physikalischen Eigenschaften hin untersucht wird. Grundsätzlich wird ein Objekt definiert als ein einfach zusammenhängendes Gebiet, welches definierte physikalische Eigenschaften aufweist, die es eindeutig von anderen Objekten unterscheiden. Diese physikalischen Eigenschaften können z.B. die Randeigenschaften, Oberflächenbeschaffenheit, Grenzflächen oder Ausdehnung des Objekts sein.
Anhand der untersuchten und ermittelten physikalischen Eigenschaften wird das Objekt in eine Anzahl N vorgegebener Basisklassen eingeteilt. Ein Objekt kann dabei einer oder mehreren Basisklassen zugeteilt werden. Als Basisklassen können z.B. die Klasse der Radarquellen, die Klasse der Sendequellen, die Klasse der Wärmequellen, die Klasse der Objekte mit einem Radarrückstreuquerschnitt, die Klasse der Objekte, die einen Dopplereffekt verursachen, die Klasse der lichtemittierenden Objekte, die Klasse der Spektralobjekte, die Klasse der Schallquellen oder die Klasse der Konturziele. Selbstverständlich kann die Erfindung auch um weitere Basisklassen erweitert werden.
Für jedes Objekt werden die N Basisklassen in einer vorgegebenen Reihenfolge zu einem N-dimensionalen Vektor V angeordnet. Die Elemente des Vektors V sind v₁,...,v_N. Jedem Vektorelement v₁,...,v_N wird somit in einer fest vorgegebenen Reihenfolge jeweils eine Basisklasse zugeordnet. Die einzelnen Elemente v₁,...,v_N des Vektors V geben somit Auskunft darüber, ob das jeweilige Objekt der entsprechenden Basisklasse angehört oder nicht.
In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung wird je nach Zugehörigkeit des Objekts zu der entsprechenden Basisklasse dem Vektorelement v₁,...,v_N der binäre Wert 1 oder 0 zugewiesen wird. Der binäre Wert 1 wird dabei einem Vektorelement v₁,...,v_N dann zugewiesen, wenn das Objekt der dem jeweiligen Vektorelement v₁,...,v_N zugeordneten Basisklasse angehört.
Jedem Objekt wird somit durch die Vektorelemente v₁,...,v_N des Vektors V ein für das jeweilige Ziel typischer Code zugewiesen. Mittels diesen Codes kann das Objekt einer abgeleiteten Klasse zugeordnet werden. Durch Vergleichen des Vektors V und damit des Codes mit entsprechenden Einträgen in einer Referenzdatenbank kann das Objekt eindeutig identifiziert werden.

Zweckmäßig können z.B. „Pkw“, „Flugabwehrsysteme“, „Kraftwerk“, „Rundfunksender“ als abgeleitete Klassen definiert werden. Folgende Tabelle zeigt beispielhaft die Einträge des Vektors V für verschiedene Basisklassen und abgeleiteten Klassen:

	abgeleitete Klassen
Basisklasse	Pkw	Flugabwehrsystem	Kraftwerk	Rundfunksender
Radarquelle	0	1	0	0
Radioquelle	0	0	0	1
Wärmequelle	1	1	1	0
RCS-Quelle	1	1	1	1
Doppler -Quelle	(1 oder 0)	(0 oder 1)	0	0
Lichtquelle	1	0	1	0
Farbquelle	1	0	0	1
Schallquelle	1	1	1	0
Kontur	1	1	1	1

Die Angaben in der vorstehenden Tabelle sind lediglich exemplarisch und bilden keine abgeschlossene Menge zu identifizierender Ziele. Flugabwehrsysteme werden im vorstehenden Beispiel als Schallquelle gewertet, da es zu einer Lärmentwicklung bei abgehenden Raketen kommen kann. Es ist aber auch möglich, bei Flugabwehrsystemen auch eine 0 bei Schallquelle zuzulassen, wenn der Status des Flugabwehrsystems betrachtet wird. 1 bei Flugabwehrsystem in Betrieb, d.h. Rakete wird abgefeuert und 0 bei Stand-By Modus. Rundfunksender werden in der vorstehenden als Farbquelle gekennzeichnet, da Rundfunksender üblicherweise farblich gestaltete Antennenmasten aufweisen. Zudem weisen die Masten eine charakteristische Kontur auf, z.B. Obelisken- oder Parabelform. Die vorstehende Tabelle zeigt, dass sich die durch die Basisklassen gebildete Binärfolge der einzelnen abgeleiteten Klassen unterscheiden. So ist es z.B. ausgeschlossen, dass z.B. die Binärfolge eines Pkw identisch ist mit der Binärfolge eines Rundfunksenders.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können Objekte anhand des Vor- oder Nichtvorliegens von Merkmalen erkannt werden. Nachfolgende Tabelle zeigt den Fall Unterscheidung zwischen zwei Objekten anhand eines Merkmals. Das Merkmal ist entweder vorhanden (1) oder nicht vorhanden (0). Insgesamt ergeben sich hieraus 2²=4 Merkmalskombinationen. Die Wahrscheinlichkeit, dass sich zwei Objekte in einem Merkmal gleichen, ist 2^-1, also 50%.

Ziel 1 Ziel 2

Fall Merkmal Merkmal

1 1 1

2 1 0

3 0 1

4 0 0
Bei 2 Unterscheidungsmerkmalen sind insgesamt 2⁴=16 Merkmalskombinationen möglich. Die Wahrscheinlichkeit, dass sich zwei Objekte in zwei Merkmalen gleichen ist somit 2^-2, also 25%.
Bei N Unterscheidungsmerkmalen sind folglich 2^2N Merkmalskombinationen möglich. Die Wahrscheinlichkeit W, dass sich zwei Objekte in N Merkmalen gleichen ist somit 2^-N, also lim W(N→∞)=0.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden mehrere physikalische Merkmale von gefundenem und gesuchtem Objekt analysiert und verglichen. Die Aussagesicherheit hängt von der Zahl der untersuchten Merkmale ab. Wenn ein Objekt anhand der analysierten Merkmale als gesuchtes Objekt einer Basisklasse bzw. einer abgeleiteten Klasse nicht ausgeschlossen werden kann, dann ist es zugleich sehr unwahrscheinlich, dass ein anderes Objekt zufällig die gleiche Merkmalskombination trägt und ebenfalls als gesuchtes Objekt in Frage kommt. Mit anderen Worten wird ein Objekt anhand seiner Merkmale als z.B. Pkw eingestuft, dann ist es höchst unwahrscheinlich, dass ein Gebäude die gleiche Merkmalskombination aufweist.
Der Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass ein das Verfahren ausführendes System nicht eigens trainiert werden muss, weil die Objektklassen (=abgeleitete Klassen), nach denen gesucht werden soll, durch ihre ganz spezifische Codierung a priori bekannt sind. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass das Ergebnis im Wesentlichen von einer Abfolge von logischen Nullen und Einsen abhängt. Dadurch wird die auszuwertende Datenmenge erheblich reduziert.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere für im Verbund fliegende, unbemannte autonome Systeme.

Claims

Verfahren zur Identifizierung und Klassifizierung eines Objekts, wobei - ein Gegenstand von mindestens einem auf diesen abgestimmten physikalischen Detektor erfasst wird - aus einem Ausgangssignal des mindestens einen Detektors zumindest mittels einer Schwellwertbildung sowie einer Auswerteeinrichtung mindestens ein Objekt ermittelt wird, - das Objekt identifiziert und/oder klassifiziert wird anhand von vorgebbaren Eigenschaften aus dem Ausgangssignal, - für das Objekt eine Anzahl von unterschiedlichen physikalischen Merkmalen aus dem Ausgangssignal abgeleitet werden dadurch gekennzeichnet, dass - das Objekt anhand der abgeleiteten physikalischen Merkmale mindestens einer von N vorgegebenen Basisklassen zugeordnet wird, - die N Basisklassen in einer vorgegebenen Reihenfolge zu einem N-dimensionalen Vektor V angeordnet werden, welcher dem Objekt zugeordnet wird, wobei die Elemente v₁,...,v_N des Vektors V die Zugehörigkeit des Objekts zu der jeweiligen Basisklasse angeben und wobei der N-dimensionale Vektor eine aus den Basisklassen abgeleitete Klasse zur Identifizierung eines Objekts darstellt, - in Abhängigkeit des Vektors V das Objekt mittels eines Vergleichs physikalischer Merkmale des Objekts mit Merkmalen aus einer Referenzdatenbank einer abgeleiteten Klasse zugeordnet wird, welche der Referenzdatenbank entnommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass einem Element v₁,...,v_N bei Zugehörigkeit des Objekts zu der entsprechenden Basisklasse der binäre Wert 1, andernfalls der binäre Wert 0 zugewiesen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Objekt mindestens einer Basisklassen Radarquelle, Sendequelle, Wärmequelle, Radarrückstreuquelle, Dopplereffekt, Lichtquelle, Spektralquelle, Schallquelle, Kontur zugeordnet wird.