地表未爆子弹药检测与识别定位技术研究综述

摘 要：现代战争中，具有侦察、识别、打击、评估多种功能于一体的远程多用途子母弹被广泛应用，随之将在地表产生大量的未爆子弹药，对战场机动、疏散展开及纵深攻击等作战行动产生极大的阻碍作用。 地表未爆子弹药因其特殊的可视特性，利用成像技术和深度学习技术进行远距离、大面积、无接触式快速准确检测与识别，在军事上具有重要的应用价值。论文介绍了未爆子弹药检测常用方法及优缺点，概述了未爆子弹药在不同成像技术条件下的成像特点及其识别定位方法，分析了深度学习在未爆子弹药检测与识别领域的显著优势， 并提出一种基于深度学习的无人机载式地表未爆子弹药快速检测与识别定位方法。

关键词：未爆弹药； 深度学习； 成像技术； 识别定位

中图分类号：TJ760

文献标识码： A

文章编号：1673-5048（2023）05-0001-10

DOI： 10.12132/ISSN.1673-5048.2023.0069

0 引  言

对落弹区产生的未爆弹药识别与定位方式多采用人工搜寻，受作业人员训练水平、心理因素和作业环境等影响较大。作业人员需要穿戴头盔、防弹衣等厚重的防护性装备，进行地毯式搜索，工作量较大，搜寻要求高，且具有较高的风险性。由于靶场附近居住的平民对未爆弹药的类型形状及其危险性不了解，未爆弹药排除不彻底出现平民误拾、误操作导致被炸身亡的事故案例屡见不鲜。根据国际禁止地雷运动（ICBL）发布的年度报告《2022年地雷监测》指出，2021年至少有5 544人因地雷或其他战争遗留下的未爆弹造成受伤或死亡，大多数为平民，其中一半是儿童。

因此，迫切需要研制安全、高效的未爆弹药识别与定位设备，以提高作业人员效率和降低人工搜寻未爆弹药的危险性，确保部队作业人员和人民群众的生命财产安全。

1 未爆弹药的定义及分类

1.1 未爆弹药的定义

未爆弹药（Unexploded Ordnance， UXO）是指在实施各种军事活动过程中采用投掷、发射、布设等方式遗留在自然环境中没有发生爆炸的炸弹、地雷、炮弹、导弹等武器装备，如图1所示。这些武器遍布于世界上参与各种战争和武装冲突的大多数国家和地区的领土上，在和平时期，各国军队在组织实施军事演习、实弹训练或武器装备研发试验中也会产生各种类型不同性能的未爆弹药，由于这些弹药中仍有爆炸性物质存在，且因为有良好的外壳保护极有可能没有失效，仍具有爆炸的可能性，危险系数极高，因此对部队基地化训练、演习试验和人民生命安全产生了极大的安全隐患。

子弹药是子母弹中用以杀伤有生力量、毁伤装甲目标、布设地雷等完成毁伤目标或其他战斗任务的主体部分。根据其尾翼结构及用途不同可以分为刚性尾翼子弹和柔性尾翼子弹两种类型，其中柔性尾翼子弹又可细分为降落伞尾翼子弹和飘带尾翼子弹。降落伞尾翼子弹主要由战斗部、引信、稳定装置等部件组成，当子母弹飞到目标上空时，引信按装定的时间发火，点燃抛射药，依靠抛射药气体的压力打开弹底，抛出子弹弹体，子弹在飞行的过程中稳定装置被打开，使子弹按照预设的姿态稳定地飞向目标，在引信的作用下引爆战斗部［1］。

未爆子弹药是未爆弹药的一种，属于集束弹药中的子弹药。集束弹药是一种以战斗部壳体为母弹，壳体内部装有两个及以上的子弹，到达目标上空后母弹爆炸抛出子弹，以击毁或杀伤集群目标的常规弹药。由于子母弹的特殊结构和用途，在使用过程中其未爆炸率较高。美国是世界上使用子母弹较多的国家之一，2000年美国的一项研究发现，平均14%的子弹药没有爆炸，2018年以后受《特定常规武器公约》约束才有所改善［2］。虽然国际上已经对集束弹药的子弹引信发火率提出了高于99%的要求，但是对于一枚装有几千枚子弹的集束弹药，1%的未爆弹率仍可能产生大量的未爆弹药，极易造成人员伤亡。尤其是一些长时间锈蚀可能造成可靠性降低、性能不稳定的未爆子弹药，在检测、识别、挖掘、转运、销毁等过程中如果操作不规范，可能会造成重大的安全事故，甚至会造成严重的负面影响。

1.2 未爆弹药的分类

未爆弹药的分类方式主要依据一般弹药的类型进行分类，因弹药作用方式、作战目的及其搭载平台的不同出现了多种多样的类型，因此未爆弹药的分类也众说纷纭。这里介绍两种比较常见的分类方式： 根据未爆弹药的投射形式不同可分为空投式、发射式、投掷式和布设式四种类型。空投式未爆弹是指从飞机或其他航空器上以散布或投放的方式发射出来但未爆炸的弹药，包括航空炸弹、子母弹和子弹药三类［3］； 发射式未爆弹是指从枪、炮或某种发射器等武器的身管发射出来但未爆炸的弹药，主要类型有炮弹、迫击炮弹、火箭弹、导弹、枪榴弹等； 投掷式未爆弹是指由作战人员通过扔、投、掷等方法使其发出但未爆炸的弹药，主要包括手榴弹、手雷等； 布设式未爆弹是指通过战场布设的方式设置但未爆炸的弹药，一般包括地雷、水雷和爆炸装置等。根据未爆弹药所处的环境状态不同可分为地表未爆弹、地下未爆弹及水下未爆弹。地表未爆子弹药是地表未爆弹药的一种，主要特点是因带有伞降结构，在战斗部飞越过弹道顶点后在伞降结构的作用下缓慢降落，落在地面上未发生爆炸而暴露在地球表面。表1为常见未爆弹分类。

2 地表未爆子弹药快速检测与识别定位技术研究现状

2.1 地表未爆子弹药检测技术

随着航空炸弹、子母弹、末敏弹等形成未爆弹武器系统的发展，结合最新技术成果，地表未爆子弹药检测技术得到了相应的发展。随着布撒弹药在战场上的广泛应用，1970年后各国普遍认识到研究可进行大面积快速检测的未爆子弹药技术的重要性，伴随着计算机技术的发展应用，基于计算机技术的智能型探测器普遍得到各国的青睐。根据检测方式的不同可将地表未爆弹药搜寻技术分为物理检测技术、生物检测技术和智能检测技术。

2.1.1 物理检测技术

物理检测技术是指利用磁场作用、电磁感应、电磁波特性进行未爆弹药检测的技术，主要有磁法检测技术、电磁法检测技术、探地雷达检测技术和红外检测技术。

（1） 磁法检测技术。磁法检测是利用地磁场的作用，铁磁性的外壳或零部件被磁化后产生感磁和剩磁，反过来在局部影响地磁场，致使实测地磁场与作为正常磁场的主磁场之间存在差异，这种差异即是磁异常，通过精确测量计算异常值可以找到目标存在的位置［4-5］。瞬变电磁检测原理［6］ 如图2所示。采用磁法检测技术设计的检测设备称为磁力仪，根据其工作原理不同，可分为基于电磁感应原理的磁通门磁力仪、基于核磁共振原理的质子磁力仪、基于电子自旋共振原理的光泵磁力仪和基于超导量子干涉原理的超导磁力仪等。加拿大的Doll W E等人与美国橡树岭国家实验室（ORNL）合作开发的航空磁测系统，当平台飞行高度为1～2 m时与地面磁测的检测效果接近，但效率相较于地面磁测要高许多［7］。该方法效率高、成本低、检测深度大，常用于检测地下或水中较深处的航空炸弹，但对目标的空间分辨率低，极易受到金属杂质的干扰，虚警率高。

（2） 电磁法检测技术。电磁法检测是利用金属外壳或零部件在检测器激励电磁场（一次场）的作用下产生涡流效应［8］，而形成二次场，二次场随时间域存在衰减特性，再利用特定的反演算法、目标识别算法等获取目标的特征［9］，如图3所示。

电磁法检测技术可分为频域电磁检测法和时域电磁检测法。金属检测器多采用频域电磁检测法，主要用于检测地下残存的地雷［4］。自20世纪末，美国一些机构另辟蹊径，开始研究时域电磁检测法，得到了很好的效果。美国橡树岭国家实验室开发的ORAGS-TEM，其以直升机平台作为载体，该系统在飞离地面1～2 m，可检测到口径为60 mm的照明弹和81 mm的迫击炮弹［10-11］。该方法具有较强的抗干扰能力，且速度快、可靠性高、操作简便； 缺点是检测距离较小，对数据算法要求较高。

（3） 雷达检测技术。雷达检测是用高频无线电波来确定介质内部物质分布规律的一种地理物理方法［12］。利用宽带电磁波以脉冲形式检测地下目标，通过分析接收天线接收到的目标散射及反射后的电磁波，而获得目标性质、形状等特征，如图4所示。美国劳伦斯国家实验室（LLNL）［13］、日本东北大学的Sato M团队［14］使用该方法研制的检测设备在试验中取得了较好的效果。这种方法的优点是不但可以检测金属目标，还可以检测非金属目标，且检测精度高、虚警率低； 缺点是受地质条件、水分含量、地表植被影响较大。

（4） 红外检测技术。红外检测是利用目标与周围环境不断进行能量交换，检测提取目标到达传感器的热辐射通量，通过特定的算法计算分析目标的位置信息［15］。1947年，高莱发明了一种利用气体的热胀冷缩原理制成的红外探测器，也是世界上第一种实用的红外探测器（又称高莱管）。 红外检测技术的发展分为三个阶段，20世纪40年代至80年代为初级阶段，由于第二次世界大战中飞机的广泛使用，在红外检测、拦截及告警等需求的牵引下，相关理论及技术得到了快速发展，主要特征是一维信号处理［16］； 20世纪80年代到21世纪初为中级阶段，随着红外成像技术的应用，各国看到了初级阶段红外检测的良好表现，并且由于冷战军备竞争和其他军事上应用的迫切需求，各军事强国迅速将红外成像基础技术研究成果应用于军用卫星、飞机、导弹等军事领域，主要特征是进行二维和三维信号处理［17］； 21世纪初至今为高级阶段，随着红外凝视成像检测技术的发展，主动式激光雷达、偏振红外检测雷达得到广泛应用，主要特征是多维信号空间处理和多波段红外凝视检测［18］。该方法具有检测面积大、速度快等优点； 缺点是对小目标识别准确率较低，易受环境干扰。

2.1.2 生物检测技术

生物检测技术是指利用生物体的感观特性或其他生物反应变化进行未爆弹药检测的技术，主要有动物检测技术、植物检测技术和微生物检测技术等。

（1） 动物检测技术。动物检测是指利用动物灵敏的感观特性检测未爆弹药中炸药组成的技术。2018年以来，荷兰动物检测咨询公司Schoon A团队使用4只经过训练的探雷犬，在总面积1 400 000 m2的14个雷场上，找到了290个疑似地点，发现了213枚未爆炸物，其正确检测率为73.4%［19］。这种方法的优点是使用探雷犬比人工扫雷速度更快，可以在各种复杂条件下对炸药以及其他违禁物品进行检测，除可靠性高、流动性强外， 还可以对爆炸物源头进行追踪； 缺点是只能对经过训练的炸药成分进行检测，故其检测的对象有限，且对面积较大的目标群检测效率较低。

（2） 植物检测技术。植物检测是指利用植物在不同环境中的特殊反应而进行检测的技术。丹麦阿瑞莎生物技术公司在哥本哈根大学相关研究成果的基础上，经过3年的不懈努力，开发出一种转基因植物，该植物的根部遇到二氧化氮时，植物会从绿色变为红色，以此来检测泥土中的二氧化氮成分，从而判定未爆弹的位置［4］。这种检测方法的优点是检测面积大、可靠性高； 缺点是检测周期较长。

（3） 微生物检测技术。微生物检测是指利用查找寄生在特定环境条件中的微生物而进行检测的技术。20世纪90年代，美国经过数年的研究发现了一种适合在黑暗环境中生长，能以爆炸物散发出来的浓烈气味为生，同时在炸药环境中能够自然发光的细菌。这种检测方法的优点是安全性高、成本低廉； 缺点是受细菌的生存环境影响，仅限于夜暗条件下使用。

2.1.3 智能检测技术

20世纪末以来，伴随着传感器技术、计算机技术和人工智能的快速发展，各军事强国纷纷开始研究并应用能自主检测、识别、定位、跟踪和主动攻击目标的智能地雷，它们具有在不同地域内进行远距离检测、通信、控制、敌我识别、自主攻击目标，并具有根据雷场破坏情况进行自修复等功能［20-21］。研究地表未爆子弹药检测技术的科学家们把研究方向也转向了人工智能领域，为传统检测技术插上了智能的翅膀，形成了一些“人工智能+”模式的智能检测技术，并取得了较好的效果。