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

為了對抗未來戰(zhàn)爭中先進(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范圍內(nèi)接近“同色同譜”，使得傳統(tǒng)的探測手段難以有效識(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，通過對光譜特性的定量分析, 實(shí)現(xiàn)對真假目標(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并確定目標(biāo)位置，已成為偵察及打擊效果評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，以美國為首的西方國家在開展高光譜探測系統(tǒng)性能研究的同時(shí)，投入了大量的力量，探索其在軍事探測中的應(yīng)用。有計(jì)劃地開展一系列的測試試驗(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 高光譜軍用探測技術(shù)

1.1 偽裝目標(biāo)的探測研究

1987年機(jī)載對地觀測高光譜成像光譜儀AVIRIS研制成功后，美國軍方對其在軍事領(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，這促使美軍開始探索高光譜成像探測技術(shù)在軍事戰(zhàn)術(shù)層面的應(yīng)用。

基于對目標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、搜索、偵察以提高戰(zhàn)場情況的感知能力及提供打擊效果評估的需要，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)，通過高光譜融合信息探測出可疑目標(biāo)位置，引導(dǎo)高空間分辨率成像載荷對目標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)分類確認(rèn)，開展了高光譜軍事應(yīng)用研究項(xiàng)目HYMSMO(Hyperspectral MASINT Support to Military Operations)。1994年10月—1995年10月美國先后進(jìn)行了白沙導(dǎo)彈試驗(yàn)場沙漠輻射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景為背景環(huán)境，研究證實(shí)了高光譜成像對目標(biāo)的可探測性。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，美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室采用Bass(Broadband Array Spectrograph System) 中波、長波紅外高光譜成像系統(tǒng)，開展了機(jī)載探測試驗(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)及隱藏在樹叢中的坦克

圖3 光譜曲線圖

1998年美軍開始Dark Horse計(jì)劃，旨在發(fā)展實(shí)時(shí)高光譜探測目標(biāo)位置的能力。在Dark Horse1階段證實(shí)了400～850 μm，64個(gè)譜段可見光高光譜可實(shí)時(shí)探測飛機(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算法(S-RX、LBG)，用于Dark Horse2階段開展機(jī)載偵察試驗(yàn)，驗(yàn)證了長波紅外高光譜成像光譜儀具有同樣的探測目標(biāo)能力。

2002年，美國空軍針對無人機(jī)平臺(tái)開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、引導(dǎo)、確定目標(biāo)位置等能力。試驗(yàn)基于“捕食者”無人機(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探測器，成像波長范圍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16.4°，在密西西比州60 km2區(qū)域開展了一周多的飛行試驗(yàn)。

圖5 Iron HORSE試驗(yàn)場景

2001年，美國四家研究機(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)揮在高光譜探測領(lǐng)域各自的優(yōu)勢，共同研究高光譜軍用反偽探測技術(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、德國、意大利、荷蘭、瑞典、英國等國聯(lián)合開展了CEPA JP 8.10項(xiàng)目，目的是評估光譜成像技術(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)。分析了從可見到紅外波段各種可用的光譜圖像信息，研究了高光譜對目標(biāo)包括低特征目標(biāo)的探測、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目標(biāo)的性能，并提出了未來需要發(fā)展的高光譜成像系統(tǒng)和關(guān)鍵技術(shù)。圖6為試驗(yàn)場景，圖7(a)為高光譜數(shù)據(jù)得到的圖像，圖7(b)為對所有高光譜數(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)過程為自動(dòng)處理。

圖6 CEPA JP 8.10 項(xiàng)目試驗(yàn)場景

圖7 高光譜數(shù)據(jù)圖像及目標(biāo)特征

2010年前后，美國用機(jī)載SEBASS長波紅外高光譜載荷開展了探測地下洞穴(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方法存在較大的虛警，而紅外高光譜成像探測，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，通過長波紅外高光譜成像，由溫度特征和人呼吸出的二氧化碳吸收峰光譜特征，可以對其進(jìn)行探測確認(rèn)。美國在阿富汗采取24小時(shí)晝夜2次高光譜探測方法，依據(jù)晝夜洞穴周邊環(huán)境變化大、而洞穴自身相對變化較小，作為探測洞穴的依據(jù)。

1.2 地雷及爆炸物探測研究

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)國家和地區(qū)受地雷威脅。20世紀(jì)80年代末，美國、英國、法國、加拿大、比利時(shí)、瑞典等國家相繼開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地雷技術(shù)，研究證實(shí)了從可見光至長波紅外都具備探測能力。其中在長波范圍，采用了機(jī)載AHI長波紅外高光譜成像光譜儀開展了試驗(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、長草及地雷的直方圖

此后美國軍方于1998年開展了HDMP計(jì)劃，希望確定存在探測地雷需要的光譜差異。在美國國內(nèi)選定的4個(gè)區(qū)域及國外薩拉熱窩、波斯尼亞、約旦等地區(qū)，對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)行了測量，探測波長范圍在0.35～14 μm，篩選出了7000條有效的光譜數(shù)據(jù)，部分測量結(jié)果如圖11所示。對數(shù)據(jù)處理證實(shí)了埋藏地雷及翻開土壤存在特征光譜，為機(jī)載探測系統(tǒng)提供光譜差異信息。

圖11 測量結(jié)果

加拿大Defence Research &Development Canada (DRDC)將CASI高光譜成像光譜儀裝在車上，通過研究地表土壤及植被的光譜特征變化，進(jìn)行探測地雷的研究工作。探測波長范圍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)探測布置在地表的地雷。2005年開展了可見近紅外、短波紅外高光譜探測試驗(yàn)，地雷與環(huán)境有明顯的光譜特征差異，測量的光譜曲線如圖12所示。2006年，DRDC成功地完成了機(jī)載實(shí)時(shí)探測地表地雷試驗(yàn)。隨后，進(jìn)一步研究表明，在可見近紅外波段及熱紅外都具有探測地雷的能力。在熱輻射區(qū)最佳探測波段為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

美國軍方繼HMDP計(jì)劃后，開展了環(huán)境更加復(fù)雜的近海沙灘埋藏反坦克地雷探測的研究。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技術(shù)或某一個(gè)波段很難探測地下埋藏的地雷。

2002—2003年，美國開展了機(jī)載高光譜成像探測地雷試驗(yàn)，采用可見近紅外/短波紅外COMPASS高光譜載荷，譜段數(shù)250個(gè)，飛行高度4000英尺。英國同期開展了DSTL反地雷對抗計(jì)劃，在可見近紅外波段開展了機(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地雷附近的植被或土壤所具有光譜特征，試驗(yàn)場景如圖13所示。

圖13 試驗(yàn)現(xiàn)場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)開展了多傳感器融合探測地雷研究工作，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，評估基于多機(jī)載平臺(tái)、多傳感器融合探測技術(shù)及算法。研究結(jié)果表明，在多變條件下，融合系統(tǒng)在決策級輸出對反地雷探測系統(tǒng)更加有力。

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

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

1.3 對近海探測的研究

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

自1990年為支持美國海軍作戰(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)開展研究，驗(yàn)證了高光譜成像可從海底反射信號中分離葉綠素、識(shí)別近海混濁水、探測懸浮沉積和溶解有機(jī)物的光譜信號等，這些結(jié)果為光譜信號的驗(yàn)證建立了半分析模型。

20世紀(jì)90年代中期，美國海軍研究辦公室(ONR)和海軍研究實(shí)驗(yàn)室(NRL)開展了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、海底結(jié)構(gòu)類型、水下危險(xiǎn)事件探測、海水清晰度和能見度等信息，同時(shí)為研制星載對地觀測高光譜成像載荷，開發(fā)數(shù)據(jù)處理技術(shù)提供支撐。

為了將高光譜圖像與測量細(xì)節(jié)建立聯(lián)系，并發(fā)展相關(guān)算法，進(jìn)而通過獲得的高光譜數(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)對弱信號的探測，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，后來擴(kuò)展到包括探測地雷及其它的應(yīng)用。LASH采取推掃成像，視場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、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瓜到y(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前已經(jīng)將雜散信號從場景中剔除，在沒有增加時(shí)間的情況下卻取得了令人吃驚的結(jié)果。2003 年, 美國海軍使用可見光波段海岸機(jī)載高光譜成像光譜儀LASH在日本海進(jìn)行了淺海潛艇探測的實(shí)驗(yàn), 試圖通過高光譜技術(shù)克服淺海區(qū)域因存在復(fù)雜背景雜波給聲納探測潛艇帶來的困難。2003年，STI與美國軍方簽署了小型化LASH系統(tǒng)的合同。

2008年，澳大利亞在悉尼南北180 km基維斯海灣開展了機(jī)載高光譜淺海海底構(gòu)造探測試驗(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，評估各類典型地貌背景條件下, 高光譜成像對軍事目標(biāo)檢測的有效性。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景為背景環(huán)境，證實(shí)了高光譜成像在不同場景中對多種不同大小、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、水下探測、地雷探測、有害氣體探測、打擊效果評估、監(jiān)督國際條約履行情況等。

2 軍用高光譜載荷裝備

2.1 機(jī)載探測裝備

鑒于無人機(jī)在軍事偵察中的優(yōu)勢，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)的無人機(jī)載高光譜成像技術(shù)展線路。在《無人機(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SHARP(SHAred Reconnaissance Pod)是美國海軍2001年開展的戰(zhàn)術(shù)偵察發(fā)展計(jì)劃，采取多功能偵察倉，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230萬美元的合同，給倉內(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、分類并確認(rèn)偽裝和隱藏的目標(biāo)。

2004年美國NRL和AFRL聯(lián)合研制的機(jī)載實(shí)時(shí)高光譜探測偵察系統(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37.9°，譜段數(shù)52個(gè)，工作在可見近紅外波段。

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

2006年，美國軍方從BAE系統(tǒng)公司采購5套高光譜成像載荷，裝備在軍用RQ-7隱形無人機(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)間分辨率的光譜測量，以彌補(bǔ)低軌衛(wèi)星測量的不足。

2012年美國空軍將雷神公司的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、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展了探測地下通道及隱蔽掩體試驗(yàn)，可以通過測量草叢中與周邊環(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 對海水中珊瑚礁探測的高光譜圖像及數(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。通過分析探測物光譜，并與存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)庫比較可以發(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)場滿足一線指揮官對信息的要求，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可見近紅外波段高光譜成像光譜儀發(fā)射進(jìn)入國際空間站，用于海下重要的水文資料采集、濱?？烧归_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，評估淺海水質(zhì)、海底構(gòu)造、海上大氣能見度，以及探測水下障礙物外等。HICO的瞬時(shí)視場 0.01365°，視場6.92°，光譜分辨率1.91/5.73 nm，軌道高度350 km。圖20為其在中國南海拍攝的高光譜海底圖像，圖21為在長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拍攝的中國南海高光譜海底圖

圖21 2010年HICO拍攝得到的中國揚(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，可通過不同的電壓來控制的多光譜偽裝系統(tǒng)，如圖22(a)。美國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，對探測偵察技術(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探測的需求。鑒于此，2017年夏季，北約(NATO)美國、德國、法國、澳大利亞、挪威、瑞典、捷克、愛沙尼亞等十個(gè)國家針對當(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，使用多種型號的可見近紅外、短波紅外高光譜成像光譜儀，在同樣的目標(biāo)場景進(jìn)行了大量的成像試驗(yàn)，試驗(yàn)現(xiàn)場如圖23所示。采集了各種特征光譜，并開展光譜數(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)境光譜特征測量試驗(yàn)場景

3.3 未來發(fā)展趨勢

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，由此對高光譜載荷性能的期望也越來越高。

為對抗隱身技術(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，滿足對偽裝軍用目標(biāo)搜索、偵察的需要。

美國軍方曾經(jīng)指出以往由于圖像解譯能力相對滯后，大量有價(jià)值的偵察圖像沒有及時(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)光譜成像探測技術(shù)將是未來重點(diǎn)研究方向，通過譜段數(shù)、波長、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。

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

針對復(fù)雜環(huán)境的偵察，未來的偵察將是包括高光譜、可見光、紅外、SAR等多傳感器融合探測技術(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 多傳感器融合探測多平臺(tái)共享偵察

在總體技術(shù)方面，需要開展大速高比平臺(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

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