高光譜偵察技術(shù)的發(fā)展

王建成,朱 猛

(天津津航技術(shù)物理研究所, 天津 300308)

0 引言

為了對(duì)抗未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)中先進(jìn)偵察技術(shù)和精確打擊武器的威脅，各類武器裝備的防御功能已從單一譜段，向多功能、多頻譜隱身技術(shù)發(fā)展，目標(biāo)與背景之間能夠在一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)接近“同色同譜”，使得傳統(tǒng)的探測(cè)手段難以有效識(shí)別。在高空間分辨率成像條件下，高光譜成像具有獲取景物每個(gè)像元光譜細(xì)微差別的能力，通過(guò)對(duì)光譜特性的定量分析, 實(shí)現(xiàn)對(duì)真假目標(biāo)、目標(biāo)和偽裝物、覆蓋物與周圍正常環(huán)境之間的光譜特征微弱變化的檢測(cè)并確定目標(biāo)位置，已成為偵察及打擊效果評(píng)估的一種新型重要手段。

自20世紀(jì)80年代高光譜成像技術(shù)出現(xiàn)后，以美國(guó)為首的西方國(guó)家在開(kāi)展高光譜探測(cè)系統(tǒng)性能研究的同時(shí)，投入了大量的力量，探索其在軍事探測(cè)中的應(yīng)用。有計(jì)劃地開(kāi)展一系列的測(cè)試試驗(yàn)、驗(yàn)證試驗(yàn)、數(shù)據(jù)采集及算法研究等工作，逐步完善高光譜偵察技術(shù)，并形成武器裝備。

1 高光譜軍用探測(cè)技術(shù)

1.1 偽裝目標(biāo)的探測(cè)研究

1987年機(jī)載對(duì)地觀測(cè)高光譜成像光譜儀AVIRIS研制成功后，美國(guó)軍方對(duì)其在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展高度關(guān)注。第一次海灣戰(zhàn)爭(zhēng)期間，在打擊部署在伊拉克西部、西南部的載有“飛毛腿”彈道導(dǎo)彈的移動(dòng)發(fā)射車時(shí)，由于這些裝備處于隱藏和偽裝狀態(tài)，并與假目標(biāo)混在一起，美軍遇到了極大困難，這促使美軍開(kāi)始探索高光譜成像探測(cè)技術(shù)在軍事戰(zhàn)術(shù)層面的應(yīng)用。

基于對(duì)目標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、搜索、偵察以提高戰(zhàn)場(chǎng)情況的感知能力及提供打擊效果評(píng)估的需要，美軍希望利用高光譜成像具有較高空間分辨率及高光譜分辨率的特點(diǎn)，通過(guò)高光譜融合信息探測(cè)出可疑目標(biāo)位置，引導(dǎo)高空間分辨率成像載荷對(duì)目標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)分類確認(rèn)，開(kāi)展了高光譜軍事應(yīng)用研究項(xiàng)目HYMSMO(Hyperspectral MASINT Support to Military Operations)。1994年10月—1995年10月美國(guó)先后進(jìn)行了白沙導(dǎo)彈試驗(yàn)場(chǎng)沙漠輻射Ⅰ、Ⅱ試驗(yàn)，森林、城市輻射試驗(yàn)，島嶼輻射試驗(yàn)。以沙漠、森林、城市和島嶼等具有典型地貌的場(chǎng)景為背景環(huán)境，研究證實(shí)了高光譜成像對(duì)目標(biāo)的可探測(cè)性。在進(jìn)行真假目標(biāo)、隱藏試驗(yàn)時(shí)，高光譜譜段數(shù)210個(gè)，波段范圍0.42～5 μm，光譜分辨率10 nm，地面像元分辨率范圍0.75～3 m。圖1為沙漠背景環(huán)境下，機(jī)載偵察試驗(yàn)對(duì)偽裝的“飛毛腿”導(dǎo)彈發(fā)射車(圖1(a)所示)拍攝的全色圖(圖1(b)所示)及高光譜圖像(圖1(c)所示)，全色圖像難以確定目標(biāo)，但是高光譜圖像特征明顯。

圖1 機(jī)載偵察試驗(yàn)圖像

1994年，美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室采用Bass(Broadband Array Spectrograph System) 中波、長(zhǎng)波紅外高光譜成像系統(tǒng)，開(kāi)展了機(jī)載探測(cè)試驗(yàn)。飛行高度700英尺，空間分辨率9英寸，為提高信噪比，采取整機(jī)液體氦制冷，工作在10 K溫度。圖2為試驗(yàn)場(chǎng)景，圖3(a)為導(dǎo)彈陣地的光譜曲線，箭頭指向?yàn)榭刂婆_(tái)(左)和帆布卡車的光譜響應(yīng)(右)。圖3(b)為導(dǎo)彈陣地光譜曲線，箭頭為導(dǎo)彈反射車(左)、控制臺(tái)(中)、帆布卡車(右)的光譜響應(yīng)。圖3(c)為隱藏在樹(shù)叢中坦克的光譜曲線，箭頭為坦克的光譜響應(yīng)。

圖2 地空導(dǎo)彈(SAM)發(fā)射臺(tái)及隱藏在樹(shù)叢中的坦克

圖3 光譜曲線圖

1998年美軍開(kāi)始Dark Horse計(jì)劃，旨在發(fā)展實(shí)時(shí)高光譜探測(cè)目標(biāo)位置的能力。在Dark Horse1階段證實(shí)了400～850 μm，64個(gè)譜段可見(jiàn)光高光譜可實(shí)時(shí)探測(cè)飛機(jī)和地面軍事目標(biāo)。繼Bass系統(tǒng)后，研制了SEBass高光譜成像光譜儀，包括一臺(tái)中波(2.5～5.3 μm)/128個(gè)波段、一臺(tái)長(zhǎng)波(7.8～13.4 μm) /128個(gè)波段紅外高光譜成像光譜儀，圖像數(shù)據(jù)處理算法采取了兩種異常探測(cè)算法(S-RX、LBG)，用于Dark Horse2階段開(kāi)展機(jī)載偵察試驗(yàn)，驗(yàn)證了長(zhǎng)波紅外高光譜成像光譜儀具有同樣的探測(cè)目標(biāo)能力。

2002年，美國(guó)空軍針對(duì)無(wú)人機(jī)平臺(tái)開(kāi)展了大范圍高光譜空中實(shí)時(shí)監(jiān)視偵察試驗(yàn)WAR HORSE、Iron Horse計(jì)劃，與Dark Horse、MOVIES計(jì)劃一起，研究高光譜實(shí)時(shí)探測(cè)、引導(dǎo)、確定目標(biāo)位置等能力。試驗(yàn)基于“捕食者”無(wú)人機(jī)平臺(tái)，重點(diǎn)驗(yàn)證高光譜載荷性能及算法處理能力。WAR HORSE試驗(yàn)裝置包括一個(gè)空間分辨率為43 μrad的可見(jiàn)光相機(jī)和一個(gè)高光譜成像光譜儀，如圖4所示，高光譜成像儀工作在450～900 nm，光譜分辨率1.4～11.2 nm(采用binning，可調(diào)光譜分辨率)，空間分辨率0.26 mrad，視場(chǎng)角為9.3°，典型飛行高度3 km 時(shí)地面像元分辨率為1 m，在亞利桑那州約100 km2自然環(huán)境開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。

圖4 WAR HORSE所用高光譜載荷

在Iron Horse 項(xiàng)目中，探測(cè)系統(tǒng)由一個(gè)短波紅外高光譜成像光譜儀和一個(gè)普通可見(jiàn)光相機(jī)組成(如圖5 所示)，短波紅外高光譜成像光譜儀使用1024×1024HgCdTe探測(cè)器，成像波長(zhǎng)范圍0.9～2.35 μm，168個(gè)譜段，光譜分辨率17 nm，空間分辨率0.28 mrad，視場(chǎng)16.4°，在密西西比州60 km2區(qū)域開(kāi)展了一周多的飛行試驗(yàn)。

圖5 Iron HORSE試驗(yàn)場(chǎng)景

2001年，美國(guó)四家研究機(jī)構(gòu)(Army Research Laboratory、Topographic Engineering Center of ERDC、Night Vision Electronic Sensors Directorate of CECOM、Space Missile Defense Command Technical Center)簽署了聯(lián)合研究協(xié)議，目的是發(fā)揮在高光譜探測(cè)領(lǐng)域各自的優(yōu)勢(shì)，共同研究高光譜軍用反偽探測(cè)技術(shù)，進(jìn)一步將已取得的高光譜基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究成果推向?qū)嵱谩?/p>

2002-2005年，法國(guó)、德國(guó)、意大利、荷蘭、瑞典、英國(guó)等國(guó)聯(lián)合開(kāi)展了CEPA JP 8.10項(xiàng)目，目的是評(píng)估光譜成像技術(shù)在軍事方面的潛在應(yīng)用。試驗(yàn)中使用了大量的軍用車輛、假目標(biāo)及在森林、田地背景中各種不同程度隱藏和偽裝的目標(biāo)。分析了從可見(jiàn)到紅外波段各種可用的光譜圖像信息，研究了高光譜對(duì)目標(biāo)包括低特征目標(biāo)的探測(cè)、識(shí)別、確認(rèn)的有效性。研究試驗(yàn)工作證實(shí)了光譜成像可以極大提高探測(cè)目標(biāo)的性能，并提出了未來(lái)需要發(fā)展的高光譜成像系統(tǒng)和關(guān)鍵技術(shù)。圖6為試驗(yàn)場(chǎng)景，圖7(a)為高光譜數(shù)據(jù)得到的圖像，圖7(b)為對(duì)所有高光譜數(shù)據(jù)處理后提取的目標(biāo)特征，圖7(c)為將提取的目標(biāo)標(biāo)色。整個(gè)過(guò)程為自動(dòng)處理。

圖6 CEPA JP 8.10 項(xiàng)目試驗(yàn)場(chǎng)景

圖7 高光譜數(shù)據(jù)圖像及目標(biāo)特征

2010年前后，美國(guó)用機(jī)載SEBASS長(zhǎng)波紅外高光譜載荷開(kāi)展了探測(cè)地下洞穴(如圖8所示)、廢棄的礦井口等隱藏目標(biāo)的研究工作。傳統(tǒng)的依賴紅外成像溫度探測(cè)方法存在較大的虛警，而紅外高光譜成像探測(cè)，不僅有溫度信息，而且獲取了整個(gè)紅外輻射光譜曲線，如圖9所示，洞穴中空氣含水量與周邊不一致，因此，輻射特征在12.55 μm處有一個(gè)強(qiáng)吸收峰。

圖8 試驗(yàn)中的洞穴

圖9 試驗(yàn)中探測(cè)到的洞穴與周邊環(huán)境的光譜曲線

同樣道理，如果洞穴中有人，通過(guò)長(zhǎng)波紅外高光譜成像，由溫度特征和人呼吸出的二氧化碳吸收峰光譜特征，可以對(duì)其進(jìn)行探測(cè)確認(rèn)。美國(guó)在阿富汗采取24小時(shí)晝夜2次高光譜探測(cè)方法，依據(jù)晝夜洞穴周邊環(huán)境變化大、而洞穴自身相對(duì)變化較小，作為探測(cè)洞穴的依據(jù)。

1.2 地雷及爆炸物探測(cè)研究

由于武裝沖突，地雷等隱藏爆炸物始終嚴(yán)重威脅人類的安全。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止到2015年全球有61個(gè)國(guó)家和地區(qū)受地雷威脅。20世紀(jì)80年代末，美國(guó)、英國(guó)、法國(guó)、加拿大、比利時(shí)、瑞典等國(guó)家相繼開(kāi)展了高光譜探雷技術(shù)研究。

1994年DARPA制定了HMD(Hyperspectral Mine Detection)計(jì)劃，旨在研究高光譜成像探測(cè)地雷技術(shù)，研究證實(shí)了從可見(jiàn)光至長(zhǎng)波紅外都具備探測(cè)能力。其中在長(zhǎng)波范圍，采用了機(jī)載AHI長(zhǎng)波紅外高光譜成像光譜儀開(kāi)展了試驗(yàn)，空間分辨率0.5 mrad,譜段數(shù)256個(gè)，研究了埋在土壤下的地雷附近的紅外輻射光譜變化，進(jìn)行實(shí)時(shí)處理算法研究。試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理直方圖如圖10所示，地雷與周邊環(huán)境的直方圖可明顯區(qū)別。

圖10 短草、長(zhǎng)草及地雷的直方圖

此后美國(guó)軍方于1998年開(kāi)展了HDMP計(jì)劃，希望確定存在探測(cè)地雷需要的光譜差異。在美國(guó)國(guó)內(nèi)選定的4個(gè)區(qū)域及國(guó)外薩拉熱窩、波斯尼亞、約旦等地區(qū)，對(duì)300多個(gè)自然環(huán)境下埋藏天數(shù)從1天到5周的M-20反坦克地雷替代品進(jìn)行了測(cè)量，探測(cè)波長(zhǎng)范圍在0.35～14 μm，篩選出了7000條有效的光譜數(shù)據(jù)，部分測(cè)量結(jié)果如圖11所示。對(duì)數(shù)據(jù)處理證實(shí)了埋藏地雷及翻開(kāi)土壤存在特征光譜，為機(jī)載探測(cè)系統(tǒng)提供光譜差異信息。

圖11 測(cè)量結(jié)果

加拿大Defence Research &Development Canada (DRDC)將CASI高光譜成像光譜儀裝在車上，通過(guò)研究地表土壤及植被的光譜特征變化，進(jìn)行探測(cè)地雷的研究工作。探測(cè)波長(zhǎng)范圍0.4～0.95 μm，光譜分辨率達(dá)到2 nm，空間方向512個(gè)像素。至2000年，首次研究證實(shí)，高光譜成像可以實(shí)時(shí)探測(cè)布置在地表的地雷。2005年開(kāi)展了可見(jiàn)近紅外、短波紅外高光譜探測(cè)試驗(yàn)，地雷與環(huán)境有明顯的光譜特征差異，測(cè)量的光譜曲線如圖12所示。2006年，DRDC成功地完成了機(jī)載實(shí)時(shí)探測(cè)地表地雷試驗(yàn)。隨后，進(jìn)一步研究表明，在可見(jiàn)近紅外波段及熱紅外都具有探測(cè)地雷的能力。在熱輻射區(qū)最佳探測(cè)波段為4.2～5 μm、8～9.5 μm，白天為3～4.2 μm。

圖12 PMN6AP地雷及絆網(wǎng)、植被背景光譜

美國(guó)軍方繼HMDP計(jì)劃后，開(kāi)展了環(huán)境更加復(fù)雜的近海沙灘埋藏反坦克地雷探測(cè)的研究。研究了各種復(fù)雜環(huán)境條件下，背景的光譜特征。研究結(jié)果表明，在如近海這樣復(fù)雜的自然環(huán)境條件下，采用單一的傳感器探測(cè)技術(shù)或某一個(gè)波段很難探測(cè)地下埋藏的地雷。

2002—2003年，美國(guó)開(kāi)展了機(jī)載高光譜成像探測(cè)地雷試驗(yàn)，采用可見(jiàn)近紅外/短波紅外COMPASS高光譜載荷，譜段數(shù)250個(gè)，飛行高度4000英尺。英國(guó)同期開(kāi)展了DSTL反地雷對(duì)抗計(jì)劃，在可見(jiàn)近紅外波段開(kāi)展了機(jī)載及地面高光譜成像試驗(yàn)，證實(shí)了采用高光譜可以探測(cè)地雷附近的植被或土壤所具有光譜特征，試驗(yàn)場(chǎng)景如圖13所示。

圖13 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)散布在土壤和草叢中的各種類型的地雷

美軍NVESD(Night Vision and Electronic Sensors Directorate)開(kāi)展了多傳感器融合探測(cè)地雷研究工作，分別于2002年秋季、2003年春季、2004年夏季、2005年夏季開(kāi)展了4次大規(guī)模的高光譜和雷達(dá)數(shù)據(jù)采集工作，評(píng)估基于多機(jī)載平臺(tái)、多傳感器融合探測(cè)技術(shù)及算法。研究結(jié)果表明，在多變條件下，融合系統(tǒng)在決策級(jí)輸出對(duì)反地雷探測(cè)系統(tǒng)更加有力。

比利時(shí)對(duì)包括高光譜成像在內(nèi)多傳感器探測(cè)地雷進(jìn)行了研究，至2010年證實(shí)采用多傳感器進(jìn)行探測(cè)比單一傳感器探測(cè)可獲得更好的探測(cè)結(jié)果。2015年，加拿大開(kāi)展了TELOPS試驗(yàn)，驗(yàn)證了機(jī)載長(zhǎng)波紅外高光譜成像光譜儀探測(cè)埋藏在地下地雷的可能性。

針對(duì)地雷這種特殊目標(biāo)，國(guó)際上開(kāi)展了多年的研究工作，研發(fā)了多種高光譜探測(cè)技術(shù)及處理算法，但目前尚未見(jiàn)到成熟的高光譜探測(cè)系統(tǒng)。

1.3 對(duì)近海探測(cè)的研究

出于對(duì)海洋資源的爭(zhēng)奪以及對(duì)海洋軍事活動(dòng)的監(jiān)測(cè)，美國(guó)、日本、澳大利亞等國(guó)家都在積極地研發(fā)專門用于海岸海洋探測(cè)的高光譜探測(cè)技術(shù)。

自1990年為支持美國(guó)海軍作戰(zhàn)戰(zhàn)略從深海作戰(zhàn)向近海聯(lián)合作戰(zhàn)的轉(zhuǎn)移，海軍研究實(shí)驗(yàn)室用機(jī)載可見(jiàn)光/紅外成像光譜儀AVIRIS(10 nm光譜分辨率、20 m空間分辨率，0.4～2.4 μm)開(kāi)展研究，驗(yàn)證了高光譜成像可從海底反射信號(hào)中分離葉綠素、識(shí)別近?；鞚崴⑻綔y(cè)懸浮沉積和溶解有機(jī)物的光譜信號(hào)等，這些結(jié)果為光譜信號(hào)的驗(yàn)證建立了半分析模型。

20世紀(jì)90年代中期，美國(guó)海軍研究辦公室(ONR)和海軍研究實(shí)驗(yàn)室(NRL)開(kāi)展了HRST計(jì)劃，為海軍和潛艇部隊(duì)提供更加精確的涉及到淺水區(qū)探測(cè)、海底結(jié)構(gòu)類型、水下危險(xiǎn)事件探測(cè)、海水清晰度和能見(jiàn)度等信息，同時(shí)為研制星載對(duì)地觀測(cè)高光譜成像載荷，開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)處理技術(shù)提供支撐。

為了將高光譜圖像與測(cè)量細(xì)節(jié)建立聯(lián)系，并發(fā)展相關(guān)算法，進(jìn)而通過(guò)獲得的高光譜數(shù)據(jù)得到近岸海域情況，1994年，NRL研制了海洋 Portable Hyperspectral Imager for Low-Light Spectroscopy (PHILLS)機(jī)載成像光譜儀， PHILLS采用了全反射式凸面光柵Offner分光結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有固有像差小的特點(diǎn)，使用背照式CCD，實(shí)現(xiàn)對(duì)弱信號(hào)的探測(cè)，工作波段400～1000 nm，譜段數(shù)64/128個(gè)。高光譜圖像及部分分析結(jié)果如圖14所示。

圖14 高光譜圖像及部分分析結(jié)果

1999年，ONR與STI (Science and Technology International)簽訂了5千萬(wàn)美元、5年以上的合同，研發(fā)系列近海機(jī)載高光譜成像傳感器(LASH)計(jì)劃，該計(jì)劃最初瞄向反潛戰(zhàn)應(yīng)用，后來(lái)擴(kuò)展到包括探測(cè)地雷及其它的應(yīng)用。LASH采取推掃成像，視場(chǎng)40°，具有三軸穩(wěn)定功能，光譜分辨率6.7 nm，光譜范圍410～730 nm，裝在P-3反潛飛機(jī)和“海鷹”直升機(jī)上進(jìn)行反潛大范圍試驗(yàn)，如圖15所示。試驗(yàn)證實(shí)在近海戰(zhàn)術(shù)深度具有探測(cè)、定位和分類水下潛艇的能力，而在這個(gè)深度聲納常常受限。2001年8月，LASH裝載在飛艇上在美國(guó)東海岸進(jìn)行了多種試驗(yàn)。

圖15 裝載在P-3上的LASH系統(tǒng)

LASH的另一種變形，稱為近?？焖賯刹斓乩讓?duì)抗系統(tǒng)，裝載在直升機(jī)上，2000年8月參加了艦艇作戰(zhàn)試驗(yàn)，2001年3月的試驗(yàn)證明其在海浪帶具有探測(cè)地雷的能力，這些地雷嚴(yán)重影響兩棲登陸任務(wù)。為解決各種干擾引起的探測(cè)困難，LASH在目標(biāo)提取算法中，采取了兩種雜散剔除方式，一種是完全基于統(tǒng)計(jì)方法，另一種是基于高光譜探測(cè)深水目標(biāo)的線性解混處理算法，這種算法在進(jìn)行圖像分割和異常探測(cè)前已經(jīng)將雜散信號(hào)從場(chǎng)景中剔除，在沒(méi)有增加時(shí)間的情況下卻取得了令人吃驚的結(jié)果。2003 年, 美國(guó)海軍使用可見(jiàn)光波段海岸機(jī)載高光譜成像光譜儀LASH在日本海進(jìn)行了淺海潛艇探測(cè)的實(shí)驗(yàn), 試圖通過(guò)高光譜技術(shù)克服淺海區(qū)域因存在復(fù)雜背景雜波給聲納探測(cè)潛艇帶來(lái)的困難。2003年，STI與美國(guó)軍方簽署了小型化LASH系統(tǒng)的合同。

2008年，澳大利亞在悉尼南北180 km基維斯海灣開(kāi)展了機(jī)載高光譜淺海海底構(gòu)造探測(cè)試驗(yàn)，為兩棲作戰(zhàn)登陸提供信息。采用機(jī)載HyMap高光譜成像光譜儀，波段范圍在0.4～2.5 μm，126個(gè)譜段，地面分辨率3 m。試驗(yàn)證明它在20m以內(nèi)的水深，可有效地探測(cè)到海底的構(gòu)造，如圖16所示。

圖16 基維斯海灣高光譜圖像

2009年5月18至29日，美國(guó)在澳大利亞昆士蘭州海岸用機(jī)載HyMap高光譜成像光譜儀采集了近海海域的光譜數(shù)據(jù)，繪制了等深圖和通航路線圖，用于6月13至16日開(kāi)展的“護(hù)身刀”(Talisman-Saber)2009軍事演習(xí)制定計(jì)劃。

1.4 驗(yàn)證的軍事應(yīng)用

從20世紀(jì)90年代開(kāi)始，美軍進(jìn)行了一系列研究試驗(yàn)，進(jìn)行了多次數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn), 獲取了大量軍事目標(biāo)的特征光譜，評(píng)估各類典型地貌背景條件下, 高光譜成像對(duì)軍事目標(biāo)檢測(cè)的有效性。實(shí)驗(yàn)以沙漠、森林、城市和島嶼、近海海洋、海岸等具有典型地貌的場(chǎng)景為背景環(huán)境，證實(shí)了高光譜成像在不同場(chǎng)景中對(duì)多種不同大小、不同方向、完全暴露、部分暴露或隱藏的軍事目標(biāo)，包括軍事車輛、誘餌、偽裝網(wǎng)、噴漆的木頭、金屬物和布制面板等，都體現(xiàn)出有效的可探測(cè)性能，為高光譜的軍事應(yīng)用打下了很好的基礎(chǔ)。證明了高光譜成像技術(shù)在軍用方面具有如下應(yīng)用：獲取戰(zhàn)場(chǎng)信息、區(qū)別真假目標(biāo)、揭露偽裝、空間監(jiān)視及遠(yuǎn)程導(dǎo)彈的早期告警、大規(guī)模殺傷武器的探測(cè)、水下探測(cè)、地雷探測(cè)、有害氣體探測(cè)、打擊效果評(píng)估、監(jiān)督國(guó)際條約履行情況等。

2 軍用高光譜載荷裝備

2.1 機(jī)載探測(cè)裝備

鑒于無(wú)人機(jī)在軍事偵察中的優(yōu)勢(shì)，美軍在完成一系列的高光譜成像試驗(yàn)之后，制定了相應(yīng)的無(wú)人機(jī)載高光譜成像技術(shù)展線路。在《無(wú)人機(jī)系統(tǒng)路線圖2005-2030》中，將高光譜成像傳感器技術(shù)作為2010-2015年重點(diǎn)發(fā)展的無(wú)人機(jī)載靜態(tài)圖像傳感器系統(tǒng)，用以替代前期發(fā)展的全色成像傳感器和多光譜成像傳感器技術(shù)，計(jì)劃裝配超過(guò)100個(gè)譜帶的高光譜成像載荷；2015-2020年計(jì)劃裝配1000個(gè)譜帶以上的光譜成像載荷。

共享偵察吊倉(cāng)SHARP(SHAred Reconnaissance Pod)是美國(guó)海軍2001年開(kāi)展的戰(zhàn)術(shù)偵察發(fā)展計(jì)劃，采取多功能偵察倉(cāng)，適應(yīng)F/A-18 E/F等多種飛機(jī)平臺(tái)使用，艙內(nèi)包括可見(jiàn)光、紅外、高光譜、SAR等多種偵察傳感器。2007年BAE公司簽訂了230萬(wàn)美元的合同，給倉(cāng)內(nèi)的SPIRITT光學(xué)偵察系統(tǒng)提供高光譜成像設(shè)備，用于基于光譜特征進(jìn)行自動(dòng)探測(cè)、分類并確認(rèn)偽裝和隱藏的目標(biāo)。

2004年美國(guó)NRL和AFRL聯(lián)合研制的機(jī)載實(shí)時(shí)高光譜探測(cè)偵察系統(tǒng)ARCHER(Airborne Real-time Cueing Hyperspectral Enhanced Reconnaissance)裝配在GA-8飛機(jī)上，如圖17所示，用于搜素和救援任務(wù)。高光譜成像系統(tǒng)視場(chǎng)37.9°，譜段數(shù)52個(gè)，工作在可見(jiàn)近紅外波段。

圖17 裝置在CA-8飛機(jī)上的ARCHER高光譜成像系統(tǒng)

2006年，美國(guó)軍方從BAE系統(tǒng)公司采購(gòu)5套高光譜成像載荷，裝備在軍用RQ-7隱形無(wú)人機(jī)上，用于巴爾干半島沖突中的智能、監(jiān)控、偵察(ISR)任務(wù)，對(duì)偽裝識(shí)別和尋找隱藏的裝備等。2006年在WB-57F飛機(jī)上裝載加拿大Itres公司的可見(jiàn)近紅外高光譜成像光譜儀CASI-1500，在阿富汗進(jìn)行為期兩年的軍事和民用探測(cè)任務(wù)，如圖18所示。

圖18 高光譜成像載荷裝配WB-57F高空偵察飛機(jī)在阿富汗進(jìn)行軍事偵察

NASA在2009年9月研制機(jī)載Portable Remote Imaging Spectrometer (PRISM) 可見(jiàn)近紅外的成像光譜儀，前置物鏡采用兩反結(jié)構(gòu)，分光系統(tǒng)采用Dyson結(jié)構(gòu)，波帶寬度分別為20 nm和40 nm。2012年投入使用。PRISM 集兩臺(tái)獨(dú)立的成像光譜儀與一體，一臺(tái)光譜范圍從可見(jiàn)光到近紅外350～1050 nm，另一臺(tái)為雙波段(1240 nm，1610 nm)短波紅外成像光譜儀。系統(tǒng)具有高信噪比、高均勻性、低偏振靈敏度特點(diǎn)。它可以對(duì)近岸海域進(jìn)行高空間分辨率和高時(shí)間分辨率的光譜測(cè)量，以彌補(bǔ)低軌衛(wèi)星測(cè)量的不足。

2012年美國(guó)空軍將雷神公司的AN/DSQ-68 ACES HY 機(jī)載戰(zhàn)術(shù)紅外高光譜載荷，裝配在MQ-1“捕食者”，用于探測(cè)地面化學(xué)物質(zhì)和地表變化。2012年以色列的埃爾比特(Elbit)系統(tǒng)公司在Hermes 450和Hermes 900無(wú)人機(jī)上，裝配智能化高光譜成像偵察系統(tǒng)，可自動(dòng)解譯高光譜圖像數(shù)據(jù)，基于目標(biāo)的材質(zhì)特性進(jìn)行探測(cè)、跟蹤。由于哈馬斯和真主黨經(jīng)常利用地道和地下堡壘攻擊以色列，因此該系統(tǒng)在加沙地帶和黎巴嫩開(kāi)展了探測(cè)地下通道及隱蔽掩體試驗(yàn)，可以通過(guò)測(cè)量草叢中與周邊環(huán)境背景不匹配的地方確定地下可能的隱藏。

2.2 星載探測(cè)裝備

2000年NASA發(fā)射星載軍民兩用高光譜成像光譜儀Hyperion，波長(zhǎng)范圍0.4～2.5 μm，光譜分辨率10 nm，地面像元分辨率30 m，如圖19所示。

圖19 Hyperion 對(duì)海水中珊瑚礁探測(cè)的高光譜圖像及數(shù)據(jù)

2009年發(fā)射的Tacsat-3星上的先進(jìn)的快速響應(yīng)戰(zhàn)術(shù)軍用高光譜成像光譜儀ARTEMIS，成像波長(zhǎng)范圍0.4～2.5 μm，在空間分辨率大約10 μrad下，其光譜分辨率高達(dá)5 nm。用于發(fā)現(xiàn)偽裝目標(biāo)、威脅，隱藏爆炸裝置、隱藏的洞口、坑道。通過(guò)分析探測(cè)物光譜，并與存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)庫(kù)比較可以發(fā)現(xiàn)潛在的匹配目標(biāo)。具有實(shí)時(shí)處理高光譜數(shù)據(jù)能力，提取出目標(biāo)信息，發(fā)送到戰(zhàn)場(chǎng)滿足一線指揮官對(duì)信息的要求，也可將數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛嬖敿?xì)分析。

2009年9月NRL將星載HICO可見(jiàn)近紅外波段高光譜成像光譜儀發(fā)射進(jìn)入國(guó)際空間站，用于海下重要的水文資料采集、濱?？烧归_(kāi)性研究、沿海淺海軍事目標(biāo)識(shí)別、偽裝識(shí)別等；給出進(jìn)入在海圖上未標(biāo)出作戰(zhàn)區(qū)域的安全出口和入口，評(píng)估淺海水質(zhì)、海底構(gòu)造、海上大氣能見(jiàn)度，以及探測(cè)水下障礙物外等。HICO的瞬時(shí)視場(chǎng) 0.01365°，視場(chǎng)6.92°，光譜分辨率1.91/5.73 nm，軌道高度350 km。圖20為其在中國(guó)南海拍攝的高光譜海底圖像，圖21為在長(zhǎng)江出口拍攝的高光譜圖像處理得到的葉綠素濃度分布圖。

圖20 2009年10月HICO拍攝的中國(guó)南海高光譜海底圖

圖21 2010年HICO拍攝得到的中國(guó)揚(yáng)子江出?？谌~綠素濃度分布

3 高光譜偵察技術(shù)展望

3.1 偽裝隱身技術(shù)的挑戰(zhàn)

目前先進(jìn)的目標(biāo)偽裝技術(shù)，如美國(guó)BEA系統(tǒng)公司研制的“變色龍”多光譜自適應(yīng)主動(dòng)式偽裝系統(tǒng)，是一種基于一系列反射層，可通過(guò)不同的電壓來(lái)控制的多光譜偽裝系統(tǒng)，如圖22(a)。美國(guó)裝甲工程公司研制的一種三維戰(zhàn)術(shù)攝像系統(tǒng)，根據(jù)場(chǎng)景的高光譜景象的圖案，由幾塊安裝在車輛裝甲上面的堅(jiān)硬的三維面板快速創(chuàng)建一種使其適應(yīng)于周圍環(huán)境的偽裝圖案，如圖22(b)所示。偽裝隱身技術(shù)的最新發(fā)展，對(duì)探測(cè)偵察技術(shù)提出了更高的要求。

圖22 多光譜自適應(yīng)主動(dòng)式偽裝系統(tǒng)

3.2 高光譜軍用探測(cè)技術(shù)最新動(dòng)態(tài)

高光譜成像特有的在高空間分辨率成像的同時(shí)獲取景物每個(gè)像元光譜細(xì)微差別的能力，使其具備其它探測(cè)技術(shù)不具備的特點(diǎn)。21世紀(jì)初高光譜技術(shù)在許多領(lǐng)域尚未廣泛應(yīng)用，但是最近十年的迅猛發(fā)展，滿足了眾多軍、民領(lǐng)域?qū)Ω吖庾V探測(cè)的需求。鑒于此，2017年夏季，北約(NATO)美國(guó)、德國(guó)、法國(guó)、澳大利亞、挪威、瑞典、捷克、愛(ài)沙尼亞等十個(gè)國(guó)家針對(duì)當(dāng)前技術(shù)狀態(tài)下軍事目標(biāo)、偽裝目標(biāo)及環(huán)境等特性，在軍事遙感試驗(yàn)場(chǎng)，使用多種型號(hào)的可見(jiàn)近紅外、短波紅外高光譜成像光譜儀，在同樣的目標(biāo)場(chǎng)景進(jìn)行了大量的成像試驗(yàn)，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖23所示。采集了各種特征光譜，并開(kāi)展光譜數(shù)據(jù)分析及算法研究，以保持軍用目標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)的動(dòng)態(tài)更新，適應(yīng)軍事目標(biāo)光譜特性的變化。

圖23 現(xiàn)有各種軍事目標(biāo)及環(huán)境光譜特征測(cè)量試驗(yàn)場(chǎng)景

3.3 未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

20世紀(jì)末十多年及21世紀(jì)十余年軍用高光譜技術(shù)的研究發(fā)展及應(yīng)用表明，其在偵察領(lǐng)域具有巨大應(yīng)用價(jià)值及潛力，由此對(duì)高光譜載荷性能的期望也越來(lái)越高。

為對(duì)抗隱身技術(shù)最新發(fā)展的“同譜同色”，需要進(jìn)一步提高光譜分辨率、信噪比等，滿足對(duì)偽裝軍用目標(biāo)搜索、偵察的需要。

美國(guó)軍方曾經(jīng)指出以往由于圖像解譯能力相對(duì)滯后，大量有價(jià)值的偵察圖像沒(méi)有及時(shí)得到解譯，從而多次錯(cuò)失打擊“時(shí)敏目標(biāo)”的最佳戰(zhàn)機(jī)。因此自適應(yīng)光譜成像探測(cè)技術(shù)將是未來(lái)重點(diǎn)研究方向，通過(guò)譜段數(shù)、波長(zhǎng)、光譜分辨率實(shí)時(shí)選擇調(diào)整，實(shí)現(xiàn)高光譜成像實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理，從復(fù)雜多變的背景中快速準(zhǔn)確地檢測(cè)判定目標(biāo)，提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和環(huán)境適應(yīng)性。

軍事上對(duì)有害氣體、地雷、藏兵洞穴、地下工事等軍事目標(biāo)探測(cè)的需要，將進(jìn)一步推動(dòng)熱紅外高光譜成像技術(shù)的發(fā)展。

針對(duì)復(fù)雜環(huán)境的偵察，未來(lái)的偵察將是包括高光譜、可見(jiàn)光、紅外、SAR等多傳感器融合探測(cè)技術(shù)，可用于機(jī)載、艦載、車載等多用途偵察載荷，如圖24所示。

圖24 多傳感器融合探測(cè)多平臺(tái)共享偵察

在總體技術(shù)方面，需要開(kāi)展大速高比平臺(tái)高光譜成像總體技術(shù)研究，優(yōu)化總體指標(biāo)設(shè)計(jì)，研究高光譜像移補(bǔ)償技術(shù)，在高速飛行平臺(tái)，獲得高空間分辨率、高信噪的高光譜圖像，滿足快速高光譜成像偵察的需要。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了高光譜偵察技術(shù)在軍事探測(cè)中的應(yīng)用和發(fā)展，包括探測(cè)偽裝目標(biāo)、地雷及爆炸物、近海水下等，介紹了相關(guān)試驗(yàn)和國(guó)外軍用高光譜載荷裝備，并對(duì)高光譜偵察技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)了展望。由于高光譜成像的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)和巨大潛力，它必然在軍事偵察領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越大的作用。