淺談偽裝目標(biāo)光學(xué)偵察方法

邱守義+張玉榮

摘 要：介紹了偽裝目標(biāo)偵察中常用的三種光學(xué)偵察技術(shù)，即高分辨率成像技術(shù)、紅外成像技術(shù)和多光譜成像技術(shù)。針對(duì)目前出現(xiàn)的新型偽裝技術(shù)，討論了光學(xué)偵察技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，重點(diǎn)介紹了一種新型光學(xué)偵察技術(shù)——高光譜成像技術(shù)。

關(guān)鍵詞：偽裝目標(biāo)；光學(xué)成像技術(shù)；紅外成像技術(shù)；高光譜成像技術(shù)

中圖分類號(hào)：O433 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.11.127

文章編號(hào)：2095-6835（2016）11-0127-02

在以信息化為主導(dǎo)的現(xiàn)代作戰(zhàn)模式中，高精度的軍事偵察技術(shù)能夠有效提供敵方重點(diǎn)軍事目標(biāo)的方位信息，進(jìn)而實(shí)施“外科手術(shù)”式精確打擊，以較短的時(shí)間、較低的消耗重創(chuàng)敵方的作戰(zhàn)體系。光學(xué)成像技術(shù)作為最直觀的偵察手段，日益受到世界軍事強(qiáng)國(guó)的重視。目前，常用的光學(xué)偵察技術(shù)主要有高分辨率成像技術(shù)、紅外成像技術(shù)和多光譜成像技術(shù)等。隨著現(xiàn)代偽裝技術(shù)的發(fā)展，常規(guī)光學(xué)偵察技術(shù)效能逐漸降低，以高光譜成像技術(shù)為代表的新型光學(xué)偵測(cè)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，并在未來(lái)的戰(zhàn)場(chǎng)上發(fā)揮更高的效能。

1 常規(guī)光學(xué)偵察技術(shù)

1.1 高分辨率成像技術(shù)

高分辨率成像技術(shù)主要是利用大口徑光學(xué)系統(tǒng)，在可見(jiàn)光波段配合高效能探測(cè)相機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)偵察目標(biāo)高空間分辨率的觀測(cè)。該技術(shù)作為人眼視覺(jué)的精細(xì)延伸，能夠較為直觀和真實(shí)地反映目標(biāo)的外部特征。高分辨率成像技術(shù)的典型代表是美國(guó)“鎖眼”系列偵察衛(wèi)星攜帶的高分辨率空間相機(jī)。其中，最先進(jìn)的KH-12“鎖眼”偵察衛(wèi)星采用自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)，可有效抑制大氣湍流對(duì)成像質(zhì)量的影響，在外太空對(duì)地面成像的空間分辨率可達(dá)到0.1 m，能夠?qū)Φ孛孳娛略O(shè)施和大型軍用器件的部署進(jìn)行有效偵察。

1.2 紅外成像技術(shù)

紅外成像技術(shù)采用紅外敏感探測(cè)器探測(cè)目標(biāo)場(chǎng)景，工作波段波長(zhǎng)比可見(jiàn)光波段大，包括近紅外波段（0.8～2.5 μm）、中紅外波段（3.5～5.5 μm）和遠(yuǎn)紅外波段（8～14 μm）。紅外成像技術(shù)主要用于對(duì)可見(jiàn)光譜段偽裝的目標(biāo)進(jìn)行偵察，利用軍事目標(biāo)和背景場(chǎng)景在紅外波段輻射特性上的差別對(duì)目標(biāo)進(jìn)行有效的識(shí)別。常用的紅外成像探測(cè)儀為遠(yuǎn)紅外成像儀，又稱熱成像儀，主要探測(cè)目標(biāo)的自發(fā)輻射特性，而非反射輻射特性，因而能夠在夜間或者微光條件下對(duì)軍事目標(biāo)進(jìn)行有效偵察。遠(yuǎn)紅外成像探測(cè)相機(jī)多用于航天遙感偵察和地面軍事偵察中，利用美國(guó)的“掠奪者”無(wú)人偵察機(jī)、“陸地勇士”輔助偵察。未來(lái)單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)等都會(huì)配備紅外成像儀。

1.3 多光譜成像技術(shù)

多光譜成像技術(shù)一般在成像系統(tǒng)中加入分光元件，通過(guò)探測(cè)目標(biāo)場(chǎng)景3～10個(gè)光譜波段的圖像來(lái)細(xì)化探測(cè)場(chǎng)景圖像，并通過(guò)對(duì)比處理多幅不同波段的圖像識(shí)別軍事目標(biāo)。多光譜成像技術(shù)在一定程度上打破了單一譜段成像探測(cè)的局限性。目前，大多軍用偵察衛(wèi)星內(nèi)都搭載多光譜成像儀，例如“鎖眼”KH-12型衛(wèi)星上搭載一臺(tái)多光譜成像儀，其空間分辨率低于高分辨率成像儀，但是能夠顯示探測(cè)目標(biāo)的光譜維度信息，與高分辨率成像儀配合使用能夠有效提高偵測(cè)能力。

隨著新材料和新技術(shù)的發(fā)展，各種新型偽裝技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，例如各種迷彩涂裝，可以大大降低軍事目標(biāo)的可視度；各種偽裝涂料，能夠?qū)崿F(xiàn)變色、吸收探測(cè)波段等技術(shù)；植物葉片仿生偽裝網(wǎng)，能夠模擬可見(jiàn)光和紅外譜段植被的輻射能量特性等。新偽裝技術(shù)的出現(xiàn)及應(yīng)用對(duì)軍事偵察技術(shù)提出了更高的要求，使偵察技術(shù)逐漸向多維度、精細(xì)化方向發(fā)展。

2 高光譜成像技術(shù)

高光譜成像技術(shù)作為一種新型的偽裝偵察技術(shù)，日益受到各國(guó)的重視。

2.1 高光譜成像技術(shù)機(jī)理

高光譜成像技術(shù)是在多光譜成像技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新型偵察、探測(cè)技術(shù)，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)探測(cè)目標(biāo)場(chǎng)景的精細(xì)光譜探測(cè)，探測(cè)譜段從十幾個(gè)波段延伸到幾十甚至上百個(gè)波段，實(shí)現(xiàn)對(duì)探測(cè)目標(biāo)場(chǎng)景三維數(shù)據(jù)立方體的探測(cè)，如圖1所示。

通過(guò)探測(cè)目標(biāo)場(chǎng)景各點(diǎn)的精細(xì)光譜曲線，根據(jù)不同物質(zhì)的光譜“指紋”效應(yīng)，利用多種匹配方法，可以實(shí)現(xiàn)偽裝目標(biāo)識(shí)別。常用的匹配算法有投影法、約束法、掩膜法等。隨著高光譜成像技術(shù)的發(fā)展，其在戰(zhàn)場(chǎng)上的作用日益凸顯。

高光譜成像技術(shù)可用于仿生偽裝網(wǎng)探測(cè)。綠色偽裝材料檢測(cè)的一種重要手段就是利用植物的“紅邊”效應(yīng)。在680～720 nm的波段內(nèi)，植被光譜反射率急劇升高，通過(guò)檢測(cè)光譜曲線在該波段的波動(dòng)，可以有效區(qū)分人造仿生偽裝網(wǎng)和背景植被。而采用傳統(tǒng)的多光譜探測(cè)手段時(shí)，由于單個(gè)波段覆蓋光譜范圍廣，無(wú)法進(jìn)行有效識(shí)別。

高光譜成像技術(shù)還可以用于軍事真假載具的識(shí)別。假目標(biāo)通過(guò)模擬軍用載具的外形、顏色和熱紅外特性來(lái)進(jìn)行軍事欺騙。采用譜段的成像相機(jī)或者熱紅外成像儀較難區(qū)分假目標(biāo)和真實(shí)軍事目標(biāo)；而采用高光譜成像技術(shù)，通過(guò)探測(cè)熱紅外波段的詳細(xì)光譜輻射特性，可以計(jì)算出目標(biāo)表面的真實(shí)文圖和發(fā)射率，突破假設(shè)溫度測(cè)量的局限性，使得溫度測(cè)量更加準(zhǔn)確，從而有效識(shí)別偽裝目標(biāo)與背景。

2.2 高光譜成像技術(shù)分類

根據(jù)系統(tǒng)中分光元件的不同，高光譜成像技術(shù)主要分為三大類，即色散型、濾光型和干涉型。

2.2.1 色散型高光譜成像技術(shù)

色散型高光譜成像儀包括前端成像鏡、狹縫、準(zhǔn)直鏡、色散元件成像物鏡和探測(cè)相機(jī)，其基本原理如圖2所示。目標(biāo)光束首先經(jīng)過(guò)前端成像物鏡成像，隨后被入射狹縫過(guò)濾；接著單個(gè)狹縫的光束被準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直成平行光束；進(jìn)入色散元件后，光束角度隨波束的變化而變化，再經(jīng)過(guò)成像物鏡后在探測(cè)相機(jī)中形成二維色散圖像。通過(guò)系統(tǒng)推掃，可以獲取完整的三維光譜圖像數(shù)據(jù)立方體。

色散元件主要分為棱鏡和光柵兩大類。由于棱鏡色散率較低，因此，其色散光譜儀光譜波段一般僅為幾十個(gè)，且光譜分辨率隨波數(shù)變化較為明顯；而光柵色散率較高，其光譜波段有數(shù)百個(gè)。美國(guó)多顆衛(wèi)星搭載的高光譜成像儀均為光柵型。例如美國(guó)2000年發(fā)射的NEMO衛(wèi)星所攜帶的近海海洋成像光譜儀，其0.4～2.4 μm譜段共有210個(gè)通道，包含1個(gè)可見(jiàn)光譜段色散型成像光譜儀和1個(gè)近紅外譜段色散型成像光譜儀。

2.2.2 濾光型高光譜成像技術(shù)

采用濾光片濾光時(shí)，通常光譜分辨率較低，只能進(jìn)行多光譜探測(cè)。近年來(lái)，隨著電控濾光片（比如液晶調(diào)制濾光片和聲光調(diào)制濾光片）的發(fā)展，濾光型高光譜成像技術(shù)發(fā)展迅速。圖3所示為液晶調(diào)制濾光型高光譜成像儀。

該類儀器工作波段一般在可見(jiàn)光光譜近紅外譜段，探測(cè)速度快，需要對(duì)目標(biāo)進(jìn)行凝視成像，因此多被應(yīng)用于地面?zhèn)刹?，光譜分辨率一般可達(dá)5 nm。系統(tǒng)內(nèi)部無(wú)狹縫，空間分辨率較高。我國(guó)發(fā)射的月球車中搭載一臺(tái)液晶調(diào)制型高光譜成像儀，用于探測(cè)月球表面的物質(zhì)。在軍事偵察中，大多將其用于車載地面?zhèn)刹臁?/p>

2.2.3 干涉型高光譜成像技術(shù)

干涉型高光譜成像技術(shù)又稱“傅里葉變換成像光譜技術(shù)”，系統(tǒng)無(wú)法直接探測(cè)目標(biāo)場(chǎng)景光譜圖像，而是利用系統(tǒng)中的干涉儀獲取探測(cè)場(chǎng)景干涉圖像，利用傅里葉變換解調(diào)出光譜信息，其原理如圖4所示。系統(tǒng)中，干涉儀多采用邁克爾遜干涉儀、空間調(diào)制干涉儀等多種類型。干涉型高光譜成像技術(shù)在紅外波段，尤其是遠(yuǎn)紅外波段具有較高的信噪比，常被用于遠(yuǎn)紅外高光譜成像探測(cè)。例如美國(guó)2000年發(fā)射的強(qiáng)力小衛(wèi)星上搭載的一款干涉型高光譜成像儀，加拿大Telops公司近年來(lái)開(kāi)發(fā)的遠(yuǎn)紅外干涉成像光譜儀，均可用于軍用飛機(jī)尾焰探測(cè)。

3 結(jié)束語(yǔ)

在信息化作戰(zhàn)模式下，通過(guò)信息對(duì)抗奪取信息權(quán)成為戰(zhàn)場(chǎng)致勝的焦點(diǎn)，軍事偽裝與偵查日益成為信息對(duì)抗的“前沿哨”。隨著精確制導(dǎo)武器及“斬首行動(dòng)”等精確打擊方式的發(fā)展，許多國(guó)家逐漸實(shí)現(xiàn)了對(duì)多數(shù)目標(biāo)的及時(shí)發(fā)現(xiàn)和摧毀，因此，針對(duì)偽裝目標(biāo)的偵查技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要。本文簡(jiǎn)單介紹了常用的光學(xué)偵察技術(shù)，并闡明了各種技術(shù)的應(yīng)用背景及優(yōu)缺點(diǎn)，隨后重點(diǎn)介紹了高光譜成像技術(shù)這一新型的軍事偵察技術(shù)，詳細(xì)介紹了其工作原理及系統(tǒng)分類。

參考文獻(xiàn)

[1]劉增燦，鄧愛(ài)明，周學(xué)梅，等.目標(biāo)偵測(cè)與偽裝技術(shù)[J].四川兵工學(xué)報(bào)，2011，32（4）.

[2]范晉祥，岳艷軍.軍用紅外成像系統(tǒng)新概念新體制的發(fā)展[J].紅外與激光工程，2011，40（1）.

[3]袁文麟.多波段偽裝材料[J].紅外與激光工程，1994（2）.

[4]浦瑞良，宮鵬.高光譜遙感及其應(yīng)用[M].北京：高等教育出版社，2000.

〔編輯：劉曉芳〕