多光譜、超光譜成像技術(shù)在軍事上的應用-紅外與激光工程

 0 引言 多光譜、超光譜成像技術(shù)是新一代光電探測技 術(shù)，興起于2O世紀8O年代，90年代后形成研發(fā)熱潮， 至今仍在迅速發(fā)展之中。由于其特有的兼具成像和光 譜探測的優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應用于陸地海洋地理遙感，大 氣、土壤和水體的污染物遙感監測，醫療光譜成像診 斷，軍事目標偵查探測、監視等多個(gè)軍事和民用領(lǐng)域。 任何先進(jìn)技術(shù)總是優(yōu)先應用于軍事領(lǐng)域，超光譜 成像技術(shù)也是為滿(mǎn)足軍事上的需求而發(fā)展起來(lái)的，軍 事技術(shù)較發(fā)達的國家對此傾注了大量資金和人力，使 該技術(shù)達到了一定的應用水平。

1 原理
1．1 光譜成像技術(shù)原理和特點(diǎn) 多光譜、超光譜成像技術(shù)不同于傳統的單一寬波 段成像技術(shù)，而是將成像技術(shù)和光譜測量技術(shù)相結合， 獲取的信息不僅包括二維空『白J信息，還包含隨波長(cháng)分 布的光譜輻射信息，形成所謂的“數據立方”，如圖l所 示。豐富的目標光譜信息結合目標空間影像極大提高 了目標探測的準確性、擴展了傳統探測技術(shù)的功能。 導師簡(jiǎn)介：王向軍(1955一)，男，黑龍江哈爾濱人，博士生導師，主要從事精密測試技術(shù)及儀器、光電探測技術(shù)，影像與視覺(jué)測量方面的研 圖1超光譜成像的“數據立方” Fig．1 Hyperspectral data cube
1．2 技術(shù)劃分和內在聯(lián)系 多光譜探測技術(shù)采用的工作波段較少，一般為 10~20個(gè)，光譜分辨率在A(yíng)A／A=O．1左右。超光譜探測技 術(shù)采用更多的工作波段，一般為100-200個(gè)，光譜分辨 率在A(yíng)A／A=O．01左右。隨著(zhù)技術(shù)的進(jìn)步，已經(jīng)出現了超 高光譜探測技術(shù)的概念，即工作波段達到約l 000個(gè)， A)t／A≤o．001。 超光譜探測技術(shù)的工作波段比多光譜探測技術(shù) 多，但并不意味前者優(yōu)于后者，它們各有不同的適用場(chǎng) 合。多光譜探測設備往往為特定的應用而設計，工作波 段數目和寬度都是經(jīng)過(guò)事先優(yōu)化選擇的，適用于一個(gè) 場(chǎng)合的設備通常不適用其他場(chǎng)合。超光譜探測設備有 更高的光譜分辨率，可用于多種工作場(chǎng)合，有更強的適 應性，可作為多光譜探測設備波段選擇的研究工具。但 是，對于特定的工作環(huán)境和對象，采用多光譜探測技術(shù) 更經(jīng)濟、簡(jiǎn)便，信噪比更高，數據處理更簡(jiǎn)單。
l_3 工作光譜區的應用 光譜成像技術(shù)可根據不同的需要應用于可見(jiàn)／近 紅外波段(0．35-2．5 p,m)、中波紅外波段(3-5 p,m)、長(cháng) 波紅外波段(8-14 m)等光譜范圍。 可見(jiàn)／近紅外波段是太陽(yáng)反射光譜區，在該波段 探測地表物體的反射可以獲取土壤類(lèi)型、水體特性、 植被分布及軍事裝備、軍隊部署等信息；中波紅外波 段可用于探測飛機尾噴氣流、爆炸氣體等高溫物體的 輻射光譜特征；長(cháng)波紅外波段則是實(shí)現晝夜戰場(chǎng)偵 查、監視，識別偽目標、消除背景干擾的主要工作波 段，并且也是多種化學(xué)物質(zhì)的特征吸收光譜所在區， 可用于生化戰劑的探測。

2 軍事應用 2．1 熱紅外多光譜目標，背景探測技術(shù) 20世紀90年代的海灣戰爭中，美軍很難探測到 處于中、高沙漠熱背景中偽裝的“飛毛腿”導彈發(fā)射 車(chē)、坦克等軍事目標。工作于單一寬波段的熱紅外探 測器經(jīng)常會(huì )受到背景熱雜波信號干擾，并且在晝夜、 夜晝交替的兩個(gè)溫度變化時(shí)刻，目標和背景的寬波段 輻射差異基本為零，處于不可用狀態(tài)。 針對此類(lèi)問(wèn)題，美軍提出了熱紅外(3—12 m)波 段多光譜探測的概念，由空軍、海軍、陸軍和國防部高 級計劃署等部門(mén)協(xié)同啟動(dòng)了“聯(lián)合多光譜計劃 (JMSP)”，有關(guān)情況可見(jiàn)參考文獻[1—4]。 1993~1994年，分別在紅石兵工廠(chǎng)、賴(lài)特·帕特森 空軍基地和陸軍白沙導彈試驗場(chǎng)等地進(jìn)行了一系列 紅外超光譜現場(chǎng)測試，使用密歇根環(huán)境研究所的光譜 分辨率為8 cm 的高靈敏度傅里葉變換紅外光譜儀， 在樹(shù)冠、草地、雪地和沙漠等背景中，對涂有軍用涂料 的靶板、軍用和民用車(chē)輛進(jìn)行了試驗。結果表明，自然 背景的輻射譜段之間存在很高的相關(guān)性，可以選擇合 適的探測譜段區分目標和背景，即使在晝夜、夜晝交 替時(shí)刻探測性能也不受影響。 該項目包括試驗論證、超光譜成像光譜儀論證設 計和機載超光譜成像驗證三個(gè)階段。試驗論證階段，使 用傅里葉變換紅外光譜儀，在約300 m 的觀(guān)測塔上對目 標、背景進(jìn)行觀(guān)測，如圖2所示。超光譜成像光譜儀的設 圖2傅星葉變換光譜儀構造的光譜數據采集設備 Fig．2 Hyperspectral data collection system constituted by FTS 計中，設計制造了中波、長(cháng)波雙焦平面陣列棱鏡色散式 成像光譜儀SEBASS系統，如圖3所示，中波分辨率為 圖3中波、長(cháng)波紅外超光譜成像光譜儀SEBASS系統 Fig．3 MWIR／LW IR hyperspectral imaging spectrometer SEBASS 0．025 m、長(cháng)波分辨率為0．04 m。第三階段中，在大范 圍的場(chǎng)景中對該技術(shù)進(jìn)行了機載超光譜成像驗證。 經(jīng)過(guò)對目標、背景光譜特征數據分析，確定200 nm 帶寬，中心波長(cháng)為8．7、9．15、9．35 m 的三個(gè)波段為熱紅 外探測最佳組合波段，成為推薦的機載前視紅外系統的 探測波段同，基本結構如圖4所示。 圖4多光譜探測前視紅外系統(pLm)通用組件 Hg．4 Common multispectral FLIR

2．2 智能導彈導引頭和飛機、導彈告警 隨著(zhù)紅外對抗措施和誘餌技術(shù)的發(fā)展，空一空或 地一空導彈的導引頭需要具備自主識別目標和誘餌的 能力，該問(wèn)題同樣存在于飛機、導彈告警裝置中。超光 譜成像技術(shù)為此提供了有前景的解決方案，同時(shí)利用 目標的圖像和光譜信息，有可能得到具有目標，誘餌 高度自主識別能力的智能導引頭。 美國OKSl公司在1992年左右，對超光譜成像技 術(shù)在智能導引頭上的應用進(jìn)行了研究，試驗裝置如圖5 所示。由于飛機尾噴、引擎外壁等目標和紅外誘餌都是 高溫物體，該成像光譜儀工作于可見(jiàn)／近紅外光譜區及 中波紅外光譜區�？ㄈ�格林物鏡會(huì )聚入射光，分束鏡將 500～1 000 am可見(jiàn)／近紅外光反射至相應分光光路，由 256x256元CCD接收；將2．5—5 m 中波紅外輻射透射 至紅外分光光路，由160x120元InSb陣列接收。 圖5智能導彈導引頭(IMS)超光譜實(shí)驗裝置 Fig．5 Intelligent Missile Seeker(IMS)hyperspectral experimental apparatus 為了實(shí)現信號處理的實(shí)時(shí)化，開(kāi)發(fā)了一項稱(chēng)之為 “偽光譜”的技術(shù)，從原來(lái)的超光譜信號數據中去除大 氣傳輸率很低的波段，合并一些波段后，得到簡(jiǎn)化的數 據集，從而可以滿(mǎn)足實(shí)時(shí)處理的要求。采用超光譜成像 技術(shù)的新型空一空導彈導引頭已申請專(zhuān)利f6】。 在告警技術(shù)研究中，荷蘭TNO 國防、保密與安全 研究機構研究了在中波紅外范圍尋求兩個(gè)波段最佳 組合的方法盯】，該方法主波段取在4．49~4．56 p,m ，第 二波段取在3．5 m附近的一個(gè)窄帶光譜，不但可以 提高紅外傳感器的探測距離，而且還可以區分多種導 彈推進(jìn)劑。

2．3 超光譜成像技術(shù)在地雷探測中的應用 高效安全的地雷探測，特別是小體積反步兵的地雷 探測，一直是軍事領(lǐng)域中的難點(diǎn)。近年來(lái)，超光譜探測技 術(shù)在地雷探測領(lǐng)域也展現了巨大的潛力。關(guān)于超光譜成 像技術(shù)在地雷探測方面的研究町參見(jiàn)參考文獻[8-1 ol。 地雷可分為掩埋雷和地表放置雷，根據選取照明 源不同，可分為被動(dòng)或主動(dòng)探測方式。 對于掩埋雷，利用超光譜技術(shù)探測的依據為：當被 掩埋雷的表層為裸土，由于埋雷過(guò)程中的翻動(dòng)，底部小 顆粒土壤翻至表層，通常自然界中總是大顆粒土壤置 于上層，由于粗、細土壤的光譜反射率、輻射率不相同， 有雷地表和無(wú)雷地表在超光譜圖像上呈現出差異。如 果被掩埋雷表層長(cháng)有草被，由于土壤中地雷的阻隔， 上、下土層水分不流通，干旱時(shí)會(huì )導致上層缺水，由于 干旱應激反應，從而致使其反射率、輻射率發(fā)生改變， 這樣就可以通過(guò)超光譜成像技術(shù)探測到地雷。 對于投放于地表的小地雷，可以直接利用超光譜 成像技術(shù)進(jìn)行探測，并且由于地雷表面多具有一定幾 何形狀，還可利用空間圖像信息辨別地雷，但要求有 較高的空間分辨率。

2．4 毀傷效果評估、彈道導彈助推段分辨 高要求的彈藥毀傷效果評估需要對重金屬成分的 輻射光譜和爆炸火球的形態(tài)發(fā)展進(jìn)行探測；對處于助 推段的彈道導彈進(jìn)行光譜成像探測，可以準確探測到 導彈的發(fā)射地點(diǎn)，從而進(jìn)行攔截，并且通過(guò)尾焰光譜特 征還可獲知推進(jìn)劑類(lèi)型、發(fā)動(dòng)機尺寸等重要參數。這些 應用都屬于高速運動(dòng)場(chǎng)景的探測，由于物體的高速運 動(dòng)和可以探測的光譜波段數目存在矛盾，因此通常只 在少數幾個(gè)波段以凝視成像方式進(jìn)行。適應這種遠距 離、大視場(chǎng)、高速探測的、大尺寸、雙色或多色紅外焦平 面陣列器件迅速發(fā)展起來(lái)，以GaAs／A1GaAs為材料制 備的量子阱、量子點(diǎn)陣列，具有良好的像元均勻性和光 譜響應可連續調諧等優(yōu)點(diǎn)，在制作大尺寸、多色陣列上 具有優(yōu)勢，目前已制備出640~512元雙色和四色中、長(cháng) 波焦平面陣列⋯J。 在美國的“國家導彈防御計劃”中，采用了可見(jiàn) 光、短波紅外、中波紅外和長(cháng)波紅外四個(gè)光譜段對地 基動(dòng)能攔截器的大氣層外目標攔截的效果進(jìn)行觀(guān)測 評估，如圖6所示。 圖6地基 截器大氣層外目標攔截場(chǎng)景的多波段成像觀(guān)測 Fig．6 Multispectral imaging of exoatmospheric interception 處于助推階段的彈道導彈，由于尾焰大量放熱， 相對于飛行巾段和再入大氣層階段更容易探測，在最 近的試驗中，采用3-5 m 和8-12 m 的中波／長(cháng)波 量子阱雙色焦平面陣列對Atlas 5運載火箭的助推段 進(jìn)行1r成像探測 ，發(fā)現火箭彈體在8～l2 m 長(cháng)波 Ⅸ 可見(jiàn)，而在3-5 m 的中波區探測不到，這給導彈 彈體形心瞄準點(diǎn)的確定提供丁依據。

3 儀器與技術(shù) 按照分光的不同機理，光譜儀器主要分為濾波 式、色散式、時(shí)間型和空問(wèn)型傅里葉變換紅外光譜儀 四大類(lèi)。成像技術(shù)結合不同的光譜分光技術(shù)，形成了 相應的成像光譜儀器，由于工作原理不同，各類(lèi)儀器 有結構差異，適用于不同的使用需要。軍事上，由于色 散式和濾波式成像光譜儀往往能滿(mǎn)足惡劣的戰場(chǎng)條 件，所以應用較廣；傅里葉變換紅外成像光譜儀具有 光譜分辨率高、通光量大等優(yōu)點(diǎn)，但因為結構精密復 雜、需要穩定平臺，不適宜惡劣工作環(huán)境，所以在現場(chǎng) 中應用較少。

實(shí)踐汪明，色散式成像光譜儀是一種能很好地適應 現場(chǎng)使用的超光譜成像儀器，結構堅固緊湊、光譜分辨 率高、不怕震動(dòng)，圖3中的SEBASS系統就是其典型代 表。近來(lái)，由SSG Precision Optronics公司為美空軍研制 的用于衛星、機載遙感的中波／長(cháng)波紅外雙倍頻超光譜 成像光譜儀用一塊閃耀光柵對中波和長(cháng)波紅外輻射同 時(shí)分光，用一塊中波／長(cháng)波雙色焦平面陣列同時(shí)探測接 收，不必使用分光鏡，構成一體化光路，如圖7所示，使 得系統質(zhì)量、體積、能耗和熱性能等指標大為改善，代 表了目前色散式成像光譜儀的較高水平m】。 M 幽7紅外雙倍頻超光潛成像光譜儀的光機設計 Fig．7 Dual—Octave spectrometer opto-mechanical design 傳統的濾波片濾波方式是構造多光譜成像光譜 儀的常用手段。近十幾年來(lái)，隨著(zhù)微機電技術(shù)的發(fā)展， 開(kāi)發(fā)出了可連續調整光譜透過(guò)率、單元尺寸和像元尺 寸匹配的新型濾波器陣列。這種可調諧的濾波器陣列 置于光電傳感器陣列前方，經(jīng)過(guò)與像元配準，就可實(shí) 現一種超光譜成像光譜儀。圖8所示是一個(gè)腔長(cháng)可 吲8法一珀微腔干涉濾渡單元 Fig．8 Tunable Fabry—Parot filter 由電壓控制的法一珀微腔干涉濾波單元，通過(guò)電壓改 變腔長(cháng)，可以控制透過(guò)干涉微腔的出射光波長(cháng)。此外， 常用的可調諧濾波器還有電壓調諧晶體濾波器和聲 光調諧濾波器。 近年來(lái)，隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，出現了一些原理新穎 的紅外成像光譜儀器[14-15]，典型的有美國太平洋高級 技術(shù)公司研制的利用單個(gè)透鏡的軸向色差色散成像 的成像光譜儀，以及美國固態(tài)科學(xué)公司研制的計算層 析型超光譜成像光譜儀。

4 發(fā)展趨勢 多光譜、超光譜成像技術(shù)的發(fā)展趨勢主要為以下五 方面：
(1)多光譜、超光譜成像技術(shù)在軍事上的應用越 來(lái)越廣泛。
(2)各種目標／背景光譜特性的研究將越來(lái)越深 入，建立大量標準光譜特征數據庫。
(3)各種新材料、新技術(shù)的應用導致新的成像光 譜儀器體積更小、性能更高。
(4)大規模傳感器陣列、讀出電路、存儲介質(zhì)和信 息處理技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)該技術(shù)向更高的光譜分辨 率、更高的空間分辨率方向發(fā)展。
(5)光譜、圖像數據的處理算法將更高效、快捷， 進(jìn)一步滿(mǎn)足實(shí)時(shí)處理的需要。

5 總結 多光譜、超光譜成像技術(shù)由于其獨特的優(yōu)點(diǎn)，受 到各軍事強國的重視，該技術(shù)的掌握和運用必將對未 來(lái)高技術(shù)戰爭中掌握戰場(chǎng)信息主動(dòng)權具有重大的意 義。我國在這方面起步較晚，與先進(jìn)國家相比還有相 當差距，但相信隨著(zhù)該領(lǐng)域研究工作的展開(kāi)，相比一 定會(huì )在不久的將來(lái)逐漸縮小這一差距。