高光譜偵察技術特點及其對地面軍事目標威脅分析

麻永平,張 煒,劉東旭

(1.國防科學技術大學 航天與材料工程學院,湖南 長沙 410073;2.內蒙動力機械研究所,內蒙古 呼和浩特 010010)

0 引言

在現代信息化戰爭中,指揮、控制、通信、計算機、毀傷、監視、偵察(C4KISR)等技術實現了一體化融合,正逐步實現“被發現”即“被殲滅”。在以衛星、預警機、無人機、高空高速偵察機為主的全天候、全天時的偵察條件下,在遠程精確制導導彈、智能炸彈等多種打擊手段下,地面軍事目標面臨異常嚴峻的戰場生存環境條件。

衛星高光譜技術通過分析、處理目標的高光譜數據,參照背景光譜數據庫能輕易顯示與背景環境不同的目標。目前地面軍事目標偽裝隱身主要針對光學、熱紅外、寬波段雷達偵察。高光譜成像因其豐富的物質光譜特性及其獨特譜像表示方式使原本在寬波段偵察中不易探測的偽裝隱身軍事目標在高光譜偵察中能被探測,對地面軍事目標有很強的偵察威脅能力[1]。因此,衛星高光譜技術對現有偽裝隱身技術、方法、材料和裝備等提出了嚴峻挑戰,對地面軍事目標的生存構成了新的威脅,并成為地面軍事目標偽裝隱身技術研究中的一個新課題。為此,本文對高光譜偵察技術及其威脅進行了綜述。

1 原理及特點

高光譜成像技術是在可見光至短波紅外(0.4～2.5μm)波段范圍內,以數納米的光譜分辨率采樣,在數十至數百個波段同時對目標成像,每個波段成1幅二維空間圖像,可形成由多個二維空間圖像按光譜維疊加而成的三維高光譜圖像(數據)立方體。高光譜成像技術特點有：

a)光譜響應范圍廣,光譜分辨率高,識別能力強。高成像光譜儀響應的電磁波長從可見光至近紅外,甚至到中紅外,光譜分辨率達到納米級。

b)光譜信息與圖像信息有機結合。在高光譜成像數據中,每個像元對應1條光譜曲線,整個數據是光譜影像的立方體,具有空間圖像維和光譜維。

c)數據描述模型多,分析更靈活。高光譜成像技術常用的描述模型有圖像模型、光譜模型與特征模型三種。

d)數據量大,信息冗余多。高光譜成像數據量大、相關性強[2]。

高光譜成像的上述特點,使其作為新型偵察技術而具有不同于傳統(全色、多光譜)偵察技術的優勢。研究表明,許多地表目標的吸收特征在吸收峰深度一半處的寬度為20～40 nm[1]。由于高成像光譜系統獲得的連續波段寬度一般小于10 nm,因此能以足夠的光譜分辨率區分出具診斷性光譜特征的地面目標,而傳統光學傳感器的波段寬度一般為100～200 nm,且在光譜上并不連續,無法探測這些有診斷性光譜吸收特征的目標。高光譜成像儀能在連續光譜段上對同一目標同時成像,可直接反映被觀測物體的光譜特征,甚至物體表面物質的成分,使目標檢測識別能力顯著提高,且目標的探測由定性分析轉為定量分析成為可能。

2 發展現狀及趨勢

2.1 發展現狀

自1983年美國噴氣推進實驗室研制出世界上第一臺機載成像光譜儀原型機AIS-1以來,許多國家對該技術進行了大量研究。近年較典型的機載、星載高成像光譜儀的基本性能指標見表1、2。由表可知：目前國際上典型的高成像光譜儀光譜分辨率均優于5～20 nm,基本滿足精細分類的要求。如美國2001年發射的Orbview-4衛星平臺對地分辨率已達最高8 m,未來可能達到5 m,輔之高光譜亞像元探測識別技術,將逐步形成航天高光譜成像對地面軍事目標的較強偵察能力。

2.2 國外主要計劃項目

作為高光譜偵察技術研究領先的國家,美國防部正在大力發展高光譜偵察技術,欲使之在晝夜均具備快速精確的威脅鑒別能力,可精確定位、動態跟蹤、準確識別太空、空中及地面軍事目標。美空軍于2001年實施空間試驗計劃,以評估衛星高光譜成像(HIS)揭露和定位敵方用偽裝隱身和其他誘騙措施隱藏的目標的能力。從1990年開始,美海軍實驗室開展研究高光譜成像在目標偵察中的應用,制定了高光譜日夜輻射評估(HYDRA)計劃。項目主要目的是積累大量軍事目標的機載高光譜成像偵察的原始數據,建立目標光譜成像特征庫,形成高光譜偵察技術,并建立軍事目標發現和探測的評估準則,為星載高光譜偵察提供類比的研究手段。

表1 典型機載成像光譜儀Tab.1 Typical airborne imaging spectrometer

表2 典型星載成像光譜儀Tab.2 Typical satellite-borne imaging spectrometer

2003年歐洲太空政策綠皮書表明其太空政策明顯向太空軍事用途傾斜,其中涵蓋了軍事C4KISR系統的主要組成,具軍民用途雙重功效,而歐洲太空雷達計劃對新成像技術尤其是雷達與高光譜成像有極大的興趣。歐航局于2001年10月發射的PROBA-1衛星攜載的最先進設備是CHRIS傳感器。2002年3月～2005年2月,法國、德國、意大利、荷蘭、挪威、瑞典和英國共同參與開發了JP8.10系統,其目標是分析現有的從可見至紅外波段的譜信息、分析高光譜圖像目標的識別等。利用該系統可清晰地顯示偽裝隱身的目標。

2.3 發展趨勢

2.3.1 從航空到航天

高成像光譜儀正從機載遙感應用為主趨向航天遙感齊頭并進。相同的地面分辨率,星載儀器靈敏度需要高百倍,這是目前的技術難點。在描繪21世紀航空航天力量太空藍圖時,美國將高光譜(超光譜)遙感器及算法研究作為關鍵技術之一,美國防部《軍事關鍵技術清單》針對星載光譜儀的光譜處理能力提出了需研發新的軟件及算法。

2.3.2 總體技術指標提高

高光譜成像技術的方向發展是“三高”(高空間分辨率、高光譜分辨率、高時相分辨率)和“三多”(多傳感器、多平臺、多角度),各種新材料、新技術的應用導致新的高成像光譜儀體積更小,性能更高。

2.3.3 從定性探測到定量探測

高成像光譜儀的光譜和輻射定標與數據的定量化反演,對遙感數據從定性解釋轉為定量計算有重要作用。美國于1993年召開了第一屆國際機載成像儀定標討論會,制定了“定標指南”。

3 對地面軍事目標威脅

3.1 戰場情報偵察

在對復雜戰場進行詳細偵察時,高光譜能在連續工作波段同時對重點目標進行探測,可直接反映被測物體的精細光譜特征,分辨目標表面的成分與狀態[3]。高光譜的成像在偽裝隱身效果監測等領域有其應用優勢和潛力,如圖1所示。提高光譜分辨率能增強探測目標的能力。

如圖2所示,通過高光譜成像偵察,利用高光譜圖像記錄的豐富信息對軍事目標進行翻譯,能一一顯示普通彩色照片中無法區分的目標,成為戰場態勢情報偵察與打擊效果評估的一種新型重要手段。

圖1 高光譜對低可探測目標的探測Fig.1 Detectionofhyperspectraltolow detectabilitytarget

圖2 高光譜對戰場詳細偵察Fig.2 Detailsofhyperspectralreconnaissance onbattlefield

3.2 地面偽裝隱身目標探測

目前常用的對抗從可見光到雷達波多波段偵察的偽裝隱身材料(偽裝隱身網和迷彩涂層),其光譜反射曲線僅在波長0.4～1.2μm與典型林地型植被背景融合較好,而在1.2～2.5μm波段與植被背景有明顯差距,導致了其反射光譜雖能在可見光和近紅外波段實現與背景總體相似,但無法實現完全精細的光譜匹配(即同色同譜),如圖3所示。高光譜偵察技術能從復雜背景中提取出偽裝隱身目標,分析偽裝隱身材料與背景(天然植被或土壤)光譜的差異,了解這種差異的光譜表現與產生機理,有目的地檢測這些特征波段,從而分辨出綠色植被、沙漠背景中經偽裝隱身后的真實軍事目標(軍用車輛和導彈發射架等),實現對當前偽裝隱身目標的探測和識別,(如圖4、5所示)。這對地面軍事目標構成了嚴重威脅。

圖3 偽裝隱身材料與典型林地型植被的光譜反射特性Fig.3 Typical woodland camouflagestealth materials and vegetation spectral reflectance

3.3 機動目標追蹤識別

軍事行動中常需克服背景中多種移動目標的影響,準確地在復雜背景中捕獲、跟蹤重點目標。但對目標狀態變化迅速,不易被追蹤,且與被追蹤目標相似的物體干擾追蹤,普通偵察技術常不能發揮作用。高光譜偵察技術能克服背景目標狀態變化迅速和其他相似物體干擾的影響,利用基于抓取目標輪廓的追蹤方法,在某抓取區域中去除噪聲信號而獲得目標,并最終鎖定跟蹤目標(如圖6所示)[4]。

圖4 偽裝隱身目標的高光譜識別Fig.4 Hyperspectral recognition of camouflage stealth target

圖5 偽裝隱身的軍事車輛的高光譜探測Fig.5 Hyperspectral detection of stealth camouflagemilitary vehicles

圖6 高光譜偵察機動目標Fig.6 Hyperspectral reconnaissance of moving target

4 結束語

本文對高光譜偵察技術特點及其對地面軍事目標威脅進行了綜述。高光譜偵察技術的發展具有天地一體化、定量化、空間光譜寬覆蓋、高精度等特點,對地面軍事目標偽裝隱身提出了嚴峻的挑戰。面對高光譜偵察威脅,需要對偽裝隱身目標及其特征光譜進行深入研究,形成對抗高光譜成像偵察綜合防御能力,同時,也必須具備高光譜成像檢測、分析和效果評價的手段,突破關鍵技術,提升地面軍事目標在未來戰爭中的生存能力。

[1]VAGNI F.Survey of hyperspectral and multispectral imaging technologies[R].RTO Technical Report,TR-SET-065-P3：Es-1.

[2]童慶禧.高光譜遙感[M].北京：高等教育出版社,2006

[3]王家營,黃 軼.高光譜遙感及其對導彈陣地偽裝的威脅[A].中國土木工程學會防護工程分會第五屆理事會暨第九次學術年會論文集(下冊)[C].長春：2004：1233-1234.

[4]MERSEREAU R M.Hyperspectral imaging based persistent surveillance[R].AIAA,2008-7098.