麻永平,張 煒,劉東旭

(1.國防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 航天與材料工程學(xué)院,湖南 長沙 410073;2.內(nèi)蒙動力機械研究所,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

0 引言

在現(xiàn)代信息化戰(zhàn)爭中,指揮、控制、通信、計算機、毀傷、監(jiān)視、偵察(C4KISR)等技術(shù)實現(xiàn)了一體化融合,正逐步實現(xiàn)“被發(fā)現(xiàn)”即“被殲滅”。在以衛(wèi)星、預(yù)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(dǎo)導(dǎo)彈、智能炸彈等多種打擊手段下,地面軍事目標(biāo)面臨異常嚴(yán)峻的戰(zhàn)場生存環(huán)境條件。

衛(wèi)星高光譜技術(shù)通過分析、處理目標(biāo)的高光譜數(shù)據(jù),參照背景光譜數(shù)據(jù)庫能輕易顯示與背景環(huán)境不同的目標(biāo)。目前地面軍事目標(biāo)偽裝隱身主要針對光學(xué)、熱紅外、寬波段雷達偵察。高光譜成像因其豐富的物質(zhì)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(biāo)在高光譜偵察中能被探測,對地面軍事目標(biāo)有很強的偵察威脅能力[1]。因此,衛(wèi)星高光譜技術(shù)對現(xiàn)有偽裝隱身技術(shù)、方法、材料和裝備等提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn),對地面軍事目標(biāo)的生存構(gòu)成了新的威脅,并成為地面軍事目標(biāo)偽裝隱身技術(shù)研究中的一個新課題。為此,本文對高光譜偵察技術(shù)及其威脅進行了綜述。

1 原理及特點

高光譜成像技術(shù)是在可見光至短波紅外(0.4～2.5μm)波段范圍內(nèi),以數(shù)納米的光譜分辨率采樣,在數(shù)十至數(shù)百個波段同時對目標(biāo)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(shù)據(jù))立方體。高光譜成像技術(shù)特點有：

a)光譜響應(yīng)范圍廣,光譜分辨率高,識別能力強。高成像光譜儀響應(yīng)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(jié)合。在高光譜成像數(shù)據(jù)中,每個像元對應(yīng)1條光譜曲線,整個數(shù)據(jù)是光譜影像的立方體,具有空間圖像維和光譜維。

c)數(shù)據(jù)描述模型多,分析更靈活。高光譜成像技術(shù)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(shù)據(jù)量大,信息冗余多。高光譜成像數(shù)據(jù)量大、相關(guān)性強[2]。

高光譜成像的上述特點,使其作為新型偵察技術(shù)而具有不同于傳統(tǒng)(全色、多光譜)偵察技術(shù)的優(yōu)勢。研究表明,許多地表目標(biāo)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(tǒng)獲得的連續(xù)波段寬度一般小于10 nm,因此能以足夠的光譜分辨率區(qū)分出具診斷性光譜特征的地面目標(biāo),而傳統(tǒng)光學(xué)傳感器的波段寬度一般為100～200 nm,且在光譜上并不連續(xù),無法探測這些有診斷性光譜吸收特征的目標(biāo)。高光譜成像儀能在連續(xù)光譜段上對同一目標(biāo)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(zhì)的成分,使目標(biāo)檢測識別能力顯著提高,且目標(biāo)的探測由定性分析轉(zhuǎn)為定量分析成為可能。

2 發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

2.1 發(fā)展現(xiàn)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(shù)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(biāo)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(yōu)于5～20 nm,基本滿足精細分類的要求。如美國2001年發(fā)射的Orbview-4衛(wèi)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(shù),將逐步形成航天高光譜成像對地面軍事目標(biāo)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(shù)研究領(lǐng)先的國家,美國防部正在大力發(fā)展高光譜偵察技術(shù),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(tài)跟蹤、準(zhǔn)確識別太空、空中及地面軍事目標(biāo)。美空軍于2001年實施空間試驗計劃,以評估衛(wèi)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(biāo)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(biāo)偵察中的應(yīng)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(biāo)的機載高光譜成像偵察的原始數(shù)據(jù),建立目標(biāo)光譜成像特征庫,形成高光譜偵察技術(shù),并建立軍事目標(biāo)發(fā)現(xiàn)和探測的評估準(zhǔn)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(tǒng)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(shù)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(fā)射的PROBA-1衛(wèi)星攜載的最先進設(shè)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(fā)了JP8.10系統(tǒng),其目標(biāo)是分析現(xiàn)有的從可見至紅外波段的譜信息、分析高光譜圖像目標(biāo)的識別等。利用該系統(tǒng)可清晰地顯示偽裝隱身的目標(biāo)。

2.3 發(fā)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(yīng)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(shù)難點。在描繪21世紀(jì)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(guān)鍵技術(shù)之一,美國防部《軍事關(guān)鍵技術(shù)清單》針對星載光譜儀的光譜處理能力提出了需研發(fā)新的軟件及算法。

2.3.2 總體技術(shù)指標(biāo)提高

高光譜成像技術(shù)的方向發(fā)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(shù)的應(yīng)用導(dǎo)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(biāo)與數(shù)據(jù)的定量化反演,對遙感數(shù)據(jù)從定性解釋轉(zhuǎn)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(biāo)討論會,制定了“定標(biāo)指南”。

3 對地面軍事目標(biāo)威脅

3.1 戰(zhàn)場情報偵察

在對復(fù)雜戰(zhàn)場進行詳細偵察時,高光譜能在連續(xù)工作波段同時對重點目標(biāo)進行探測,可直接反映被測物體的精細光譜特征,分辨目標(biāo)表面的成分與狀態(tài)[3]。高光譜的成像在偽裝隱身效果監(jiān)測等領(lǐng)域有其應(yīng)用優(yōu)勢和潛力,如圖1所示。提高光譜分辨率能增強探測目標(biāo)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(biāo)進行翻譯,能一一顯示普通彩色照片中無法區(qū)分的目標(biāo),成為戰(zhàn)場態(tài)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(biāo)的探測Fig.1 Detectionofhyperspectraltolow detectabilitytarget

圖2 高光譜對戰(zhàn)場詳細偵察Fig.2 Detailsofhyperspectralreconnaissance onbattlefield

3.2 地面?zhèn)窝b隱身目標(biāo)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(wǎng)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(dǎo)致了其反射光譜雖能在可見光和近紅外波段實現(xiàn)與背景總體相似,但無法實現(xiàn)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(shù)能從復(fù)雜背景中提取出偽裝隱身目標(biāo),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(xiàn)與產(chǎn)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(jīng)偽裝隱身后的真實軍事目標(biāo)(軍用車輛和導(dǎo)彈發(fā)射架等),實現(xiàn)對當(dāng)前偽裝隱身目標(biāo)的探測和識別,(如圖4、5所示)。這對地面軍事目標(biāo)構(gòu)成了嚴(yán)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(biāo)追蹤識別

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

圖4 偽裝隱身目標(biāo)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(biāo)Fig.6 Hyperspectral reconnaissance of moving target

4 結(jié)束語

本文對高光譜偵察技術(shù)特點及其對地面軍事目標(biāo)威脅進行了綜述。高光譜偵察技術(shù)的發(fā)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(biāo)偽裝隱身提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。面對高光譜偵察威脅,需要對偽裝隱身目標(biāo)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(guān)鍵技術(shù),提升地面軍事目標(biāo)在未來戰(zhàn)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(dǎo)彈陣地偽裝的威脅[A].中國土木工程學(xué)會防護工程分會第五屆理事會暨第九次學(xué)術(shù)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.