多光譜、超光譜成像技術(shù)在軍事上的應(yīng)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(cè)技 術(shù)，興起于2O世紀(jì)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(cè)的優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于陸地海洋地理遙感，大 氣、土壤和水體的污染物遙感監(jiān)測(cè)，醫(yī)療光譜成像診 斷，軍事目標(biāo)偵查探測(cè)、監(jiān)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(yīng)用于軍事領(lǐng)域，超光譜 成像技術(shù)也是為滿足軍事上的需求而發(fā)展起來(lái)的，軍 事技術(shù)較發(fā)達(dá)的國(guó)家對(duì)此傾注了大量資金和人力，使 該技術(shù)達(dá)到了一定的應(yīng)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(tǒng)的單一寬波 段成像技術(shù)，而是將成像技術(shù)和光譜測(cè)量技術(shù)相結(jié)合， 獲取的信息不僅包括二維空『白J信息，還包含隨波長(zhǎng)分 布的光譜輻射信息，形成所謂的“數(shù)據(jù)立方”，如圖l所 示。豐富的目標(biāo)光譜信息結(jié)合目標(biāo)空間影像極大提高 了目標(biāo)探測(cè)的準(zhǔn)確性、擴(kuò)展了傳統(tǒng)探測(cè)技術(shù)的功能。 導(dǎo)師簡(jiǎn)介：王向軍(1955一)，男，黑龍江哈爾濱人，博士生導(dǎo)師，主要從事精密測(cè)試技術(shù)及儀器、光電探測(cè)技術(shù)，影像與視覺(jué)測(cè)量方面的研 圖1超光譜成像的“數(shù)據(jù)立方” Fig．1 Hyperspectral data cube
1．2 技術(shù)劃分和內(nèi)在聯(lián)系 多光譜探測(cè)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AA／A=O．1左右。超光譜探測(cè)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AA／A=O．01左右。隨著技術(shù)的進(jìn)步，已經(jīng)出現(xiàn)了超 高光譜探測(cè)技術(shù)的概念，即工作波段達(dá)到約l 000個(gè)， A)t／A≤o．001。 超光譜探測(cè)技術(shù)的工作波段比多光譜探測(cè)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(cè)設(shè)備往往為特定的應(yīng)用而設(shè)計(jì)，工作波 段數(shù)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(shè)備通常不適用其他場(chǎng)合。超光譜探測(cè)設(shè)備有 更高的光譜分辨率，可用于多種工作場(chǎng)合，有更強(qiáng)的適 應(yīng)性，可作為多光譜探測(cè)設(shè)備波段選擇的研究工具。但 是，對(duì)于特定的工作環(huán)境和對(duì)象，采用多光譜探測(cè)技術(shù) 更經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)便，信噪比更高，數(shù)據(jù)處理更簡(jiǎn)單。
l_3 工作光譜區(qū)的應(yīng)用 光譜成像技術(shù)可根據(jù)不同的需要應(yīng)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(zhǎng) 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(qū)，在該波段 探測(cè)地表物體的反射可以獲取土壤類型、水體特性、 植被分布及軍事裝備、軍隊(duì)部署等信息；中波紅外波 段可用于探測(cè)飛機(jī)尾噴氣流、爆炸氣體等高溫物體的 輻射光譜特征；長(zhǎng)波紅外波段則是實(shí)現(xiàn)晝夜戰(zhàn)場(chǎng)偵 查、監(jiān)視，識(shí)別偽目標(biāo)、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(qū)， 可用于生化戰(zhàn)劑的探測(cè)。

2 軍事應(yīng)用 2．1 熱紅外多光譜目標(biāo)，背景探測(cè)技術(shù) 20世紀(jì)90年代的海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中，美軍很難探測(cè)到 處于中、高沙漠熱背景中偽裝的“飛毛腿”導(dǎo)彈發(fā)射 車、坦克等軍事目標(biāo)。工作于單一寬波段的熱紅外探 測(cè)器經(jīng)常會(huì)受到背景熱雜波信號(hào)干擾，并且在晝夜、 夜晝交替的兩個(gè)溫度變化時(shí)刻，目標(biāo)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(duì)此類問(wèn)題，美軍提出了熱紅外(3—12 m)波 段多光譜探測(cè)的概念，由空軍、海軍、陸軍和國(guó)防部高 級(jí)計(jì)劃署等部門協(xié)同啟動(dòng)了“聯(lián)合多光譜計(jì)劃 (JMSP)”，有關(guān)情況可見(jiàn)參考文獻(xiàn)[1—4]。 1993~1994年，分別在紅石兵工廠、賴特·帕特森 空軍基地和陸軍白沙導(dǎo)彈試驗(yàn)場(chǎng)等地進(jìn)行了一系列 紅外超光譜現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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， 在樹冠、草地、雪地和沙漠等背景中，對(duì)涂有軍用涂料 的靶板、軍用和民用車輛進(jìn)行了試驗(yàn)。結(jié)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(cè)譜段區(qū)分目標(biāo)和背景，即使在晝夜、夜晝交 替時(shí)刻探測(cè)性能也不受影響。 該項(xiàng)目包括試驗(yàn)論證、超光譜成像光譜儀論證設(shè) 計(jì)和機(jī)載超光譜成像驗(yàn)證三個(gè)階段。試驗(yàn)論證階段，使 用傅里葉變換紅外光譜儀，在約300 m 的觀測(cè)塔上對(duì)目 標(biāo)、背景進(jìn)行觀測(cè)，如圖2所示。超光譜成像光譜儀的設(shè) 圖2傅星葉變換光譜儀構(gòu)造的光譜數(shù)據(jù)采集設(shè)備 Fig．2 Hyperspectral data collection system constituted by FTS 計(jì)中，設(shè)計(jì)制造了中波、長(zhǎng)波雙焦平面陣列棱鏡色散式 成像光譜儀SEBASS系統(tǒng)，如圖3所示，中波分辨率為 圖3中波、長(zhǎng)波紅外超光譜成像光譜儀SEBASS系統(tǒng) Fig．3 MWIR／LW IR hyperspectral imaging spectrometer SEBASS 0．025 m、長(zhǎng)波分辨率為0．04 m。第三階段中，在大范 圍的場(chǎng)景中對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了機(jī)載超光譜成像驗(yàn)證。 經(jīng)過(guò)對(duì)目標(biāo)、背景光譜特征數(shù)據(jù)分析，確定200 nm 帶寬，中心波長(zhǎng)為8．7、9．15、9．35 m 的三個(gè)波段為熱紅 外探測(cè)最佳組合波段，成為推薦的機(jī)載前視紅外系統(tǒng)的 探測(cè)波段同，基本結(jié)構(gòu)如圖4所示。 圖4多光譜探測(cè)前視紅外系統(tǒng)(pLm)通用組件 Hg．4 Common multispectral FLIR

2．2 智能導(dǎo)彈導(dǎo)引頭和飛機(jī)、導(dǎo)彈告警 隨著紅外對(duì)抗措施和誘餌技術(shù)的發(fā)展，空一空或 地一空導(dǎo)彈的導(dǎo)引頭需要具備自主識(shí)別目標(biāo)和誘餌的 能力，該問(wèn)題同樣存在于飛機(jī)、導(dǎo)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(biāo)的圖像和光譜信息，有可能得到具有目標(biāo)，誘餌 高度自主識(shí)別能力的智能導(dǎo)引頭。 美國(guó)OKSl公司在1992年左右，對(duì)超光譜成像技 術(shù)在智能導(dǎo)引頭上的應(yīng)用進(jìn)行了研究，試驗(yàn)裝置如圖5 所示。由于飛機(jī)尾噴、引擎外壁等目標(biāo)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(qū)及 中波紅外光譜區(qū)。卡塞格林物鏡會(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(yīng)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(dǎo)彈導(dǎo)引頭(IMS)超光譜實(shí)驗(yàn)裝置 Fig．5 Intelligent Missile Seeker(IMS)hyperspectral experimental apparatus 為了實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理的實(shí)時(shí)化，開發(fā)了一項(xiàng)稱之為 “偽光譜”的技術(shù)，從原來(lái)的超光譜信號(hào)數(shù)據(jù)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(shù) 據(jù)集，從而可以滿足實(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(dǎo)彈導(dǎo)引頭已申請(qǐng)專利f6】。 在告警技術(shù)研究中，荷蘭TNO 國(guó)防、保密與安全 研究機(jī)構(gòu)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(cè)距離，而且還可以區(qū)分多種導(dǎo) 彈推進(jìn)劑。

2．3 超光譜成像技術(shù)在地雷探測(cè)中的應(yīng)用 高效安全的地雷探測(cè)，特別是小體積反步兵的地雷 探測(cè)，一直是軍事領(lǐng)域中的難點(diǎn)。近年來(lái)，超光譜探測(cè)技 術(shù)在地雷探測(cè)領(lǐng)域也展現(xiàn)了巨大的潛力。關(guān)于超光譜成 像技術(shù)在地雷探測(cè)方面的研究町參見(jiàn)參考文獻(xiàn)[8-1 ol。 地雷可分為掩埋雷和地表放置雷，根據(jù)選取照明 源不同，可分為被動(dòng)或主動(dòng)探測(cè)方式。 對(duì)于掩埋雷，利用超光譜技術(shù)探測(cè)的依據(jù)為：當(dāng)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(xì)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(xiàn)出差異。如 果被掩埋雷表層長(zhǎng)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(dǎo)致上層缺水，由于 干旱應(yīng)激反應(yīng)，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(cè)到地雷。 對(duì)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(cè)，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(píng)估、彈道導(dǎo)彈助推段分辨 高要求的彈藥毀傷效果評(píng)估需要對(duì)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(cè)；對(duì)處于助 推段的彈道導(dǎo)彈進(jìn)行光譜成像探測(cè)，可以準(zhǔn)確探測(cè)到 導(dǎo)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)劑類型、發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸等重要參數(shù)。這些 應(yīng)用都屬于高速運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景的探測(cè)，由于物體的高速運(yùn) 動(dòng)和可以探測(cè)的光譜波段數(shù)目存在矛盾，因此通常只 在少數(shù)幾個(gè)波段以凝視成像方式進(jìn)行。適應(yīng)這種遠(yuǎn)距 離、大視場(chǎng)、高速探測(cè)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(yīng)可連續(xù)調(diào)諧等優(yōu)點(diǎn)，在制作大尺寸、多色陣列上 具有優(yōu)勢(shì)，目前已制備出640~512元雙色和四色中、長(zhǎng) 波焦平面陣列⋯J。 在美國(guó)的“國(guó)家導(dǎo)彈防御計(jì)劃”中，采用了可見(jiàn) 光、短波紅外、中波紅外和長(zhǎng)波紅外四個(gè)光譜段對(duì)地 基動(dòng)能攔截器的大氣層外目標(biāo)攔截的效果進(jìn)行觀測(cè) 評(píng)估，如圖6所示。 圖6地基 截器大氣層外目標(biāo)攔截場(chǎng)景的多波段成像觀測(cè) Fig．6 Multispectral imaging of exoatmospheric interception 處于助推階段的彈道導(dǎo)彈，由于尾焰大量放熱， 相對(duì)于飛行巾段和再入大氣層階段更容易探測(cè)，在最 近的試驗(yàn)中，采用3-5 m 和8-12 m 的中波／長(zhǎng)波 量子阱雙色焦平面陣列對(duì)Atlas 5運(yùn)載火箭的助推段 進(jìn)行1r成像探測(cè) ，發(fā)現(xiàn)火箭彈體在8～l2 m 長(zhǎng)波 Ⅸ 可見(jiàn)，而在3-5 m 的中波區(qū)探測(cè)不到，這給導(dǎo)彈 彈體形心瞄準(zhǔn)點(diǎn)的確定提供丁依據(jù)。

3 儀器與技術(shù) 按照分光的不同機(jī)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。成像技術(shù)結(jié)合不同的光譜分光技術(shù)，形成了 相應(yīng)的成像光譜儀器，由于工作原理不同，各類儀器 有結(jié)構(gòu)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足惡劣的戰(zhàn)場(chǎng)條 件，所以應(yīng)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?yàn)榻Y(jié)構(gòu)精密復(fù) 雜、需要穩(wěn)定平臺(tái)，不適宜惡劣工作環(huán)境，所以在現(xiàn)場(chǎng) 中應(yīng)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(yīng) 現(xiàn)場(chǎng)使用的超光譜成像儀器，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固緊湊、光譜分辨 率高、不怕震動(dòng)，圖3中的SEBASS系統(tǒng)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(wèi)星、機(jī)載遙感的中波／長(zhǎng)波紅外雙倍頻超光譜 成像光譜儀用一塊閃耀光柵對(duì)中波和長(zhǎng)波紅外輻射同 時(shí)分光，用一塊中波／長(zhǎng)波雙色焦平面陣列同時(shí)探測(cè)接 收，不必使用分光鏡，構(gòu)成一體化光路，如圖7所示，使 得系統(tǒng)質(zhì)量、體積、能耗和熱性能等指標(biāo)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(jī)設(shè)計(jì) Fig．7 Dual—Octave spectrometer opto-mechanical design 傳統(tǒng)的濾波片濾波方式是構(gòu)造多光譜成像光譜 儀的常用手段。近十幾年來(lái)，隨著微機(jī)電技術(shù)的發(fā)展， 開發(fā)出了可連續(xù)調(diào)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(diào)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(zhǔn)，就可實(shí) 現(xiàn)一種超光譜成像光譜儀。圖8所示是一個(gè)腔長(zhǎng)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(zhǎng)，可以控制透過(guò)干涉微腔的出射光波長(zhǎng)。此外， 常用的可調(diào)諧濾波器還有電壓調(diào)諧晶體濾波器和聲 光調(diào)諧濾波器。 近年來(lái)，隨著技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了一些原理新穎 的紅外成像光譜儀器[14-15]，典型的有美國(guó)太平洋高級(jí) 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(guó)固態(tài)科學(xué)公司研制的計(jì)算層 析型超光譜成像光譜儀。

4 發(fā)展趨勢(shì) 多光譜、超光譜成像技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)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(yīng)用越 來(lái)越廣泛。
(2)各種目標(biāo)／背景光譜特性的研究將越來(lái)越深 入，建立大量標(biāo)準(zhǔn)光譜特征數(shù)據(jù)庫(kù)。
(3)各種新材料、新技術(shù)的應(yīng)用導(dǎo)致新的成像光 譜儀器體積更小、性能更高。
(4)大規(guī)模傳感器陣列、讀出電路、存儲(chǔ)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(shù)據(jù)的處理算法將更高效、快捷， 進(jìn)一步滿足實(shí)時(shí)處理的需要。

5 總結(jié) 多光譜、超光譜成像技術(shù)由于其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，受 到各軍事強(qiáng)國(guó)的重視，該技術(shù)的掌握和運(yùn)用必將對(duì)未 來(lái)高技術(shù)戰(zhàn)爭(zhēng)中掌握戰(zhàn)場(chǎng)信息主動(dòng)權(quán)具有重大的意 義。我國(guó)在這方面起步較晚，與先進(jìn)國(guó)家相比還有相 當(dāng)差距，但相信隨著該領(lǐng)域研究工作的展開，相比一 定會(huì)在不久的將來(lái)逐漸縮小這一差距。