高光谱侦察技术特点及其对地面军事目标威胁分析

麻永平,张 炜,刘东旭

(1.国防科学技术大学 航天与材料工程学院,湖南 长沙 410073;2.内蒙动力机械研究所,内蒙古 呼和浩特 010010)

0 引言

在现代信息化战争中,指挥、控制、通信、计算机、毁伤、监视、侦察(C4KISR)等技术实现了一体化融合,正逐步实现“被发现”即“被歼灭”。在以卫星、预警机、无人机、高空高速侦察机为主的全天候、全天时的侦察条件下,在远程精确制导导弹、智能炸弹等多种打击手段下,地面军事目标面临异常严峻的战场生存环境条件。

卫星高光谱技术通过分析、处理目标的高光谱数据,参照背景光谱数据库能轻易显示与背景环境不同的目标。目前地面军事目标伪装隐身主要针对光学、热红外、宽波段雷达侦察。高光谱成像因其丰富的物质光谱特性及其独特谱像表示方式使原本在宽波段侦察中不易探测的伪装隐身军事目标在高光谱侦察中能被探测,对地面军事目标有很强的侦察威胁能力[1]。因此,卫星高光谱技术对现有伪装隐身技术、方法、材料和装备等提出了严峻挑战,对地面军事目标的生存构成了新的威胁,并成为地面军事目标伪装隐身技术研究中的一个新课题。为此,本文对高光谱侦察技术及其威胁进行了综述。

1 原理及特点

高光谱成像技术是在可见光至短波红外(0.4～2.5μm)波段范围内,以数纳米的光谱分辨率采样,在数十至数百个波段同时对目标成像,每个波段成1幅二维空间图像,可形成由多个二维空间图像按光谱维叠加而成的三维高光谱图像(数据)立方体。高光谱成像技术特点有：

a)光谱响应范围广,光谱分辨率高,识别能力强。高成像光谱仪响应的电磁波长从可见光至近红外,甚至到中红外,光谱分辨率达到纳米级。

b)光谱信息与图像信息有机结合。在高光谱成像数据中,每个像元对应1条光谱曲线,整个数据是光谱影像的立方体,具有空间图像维和光谱维。

c)数据描述模型多,分析更灵活。高光谱成像技术常用的描述模型有图像模型、光谱模型与特征模型三种。

d)数据量大,信息冗余多。高光谱成像数据量大、相关性强[2]。

高光谱成像的上述特点,使其作为新型侦察技术而具有不同于传统(全色、多光谱)侦察技术的优势。研究表明,许多地表目标的吸收特征在吸收峰深度一半处的宽度为20～40 nm[1]。由于高成像光谱系统获得的连续波段宽度一般小于10 nm,因此能以足够的光谱分辨率区分出具诊断性光谱特征的地面目标,而传统光学传感器的波段宽度一般为100～200 nm,且在光谱上并不连续,无法探测这些有诊断性光谱吸收特征的目标。高光谱成像仪能在连续光谱段上对同一目标同时成像,可直接反映被观测物体的光谱特征,甚至物体表面物质的成分,使目标检测识别能力显著提高,且目标的探测由定性分析转为定量分析成为可能。

2 发展现状及趋势

2.1 发展现状

自1983年美国喷气推进实验室研制出世界上第一台机载成像光谱仪原型机AIS-1以来,许多国家对该技术进行了大量研究。近年较典型的机载、星载高成像光谱仪的基本性能指标见表1、2。由表可知：目前国际上典型的高成像光谱仪光谱分辨率均优于5～20 nm,基本满足精细分类的要求。如美国2001年发射的Orbview-4卫星平台对地分辨率已达最高8 m,未来可能达到5 m,辅之高光谱亚像元探测识别技术,将逐步形成航天高光谱成像对地面军事目标的较强侦察能力。

2.2 国外主要计划项目

作为高光谱侦察技术研究领先的国家,美国防部正在大力发展高光谱侦察技术,欲使之在昼夜均具备快速精确的威胁鉴别能力,可精确定位、动态跟踪、准确识别太空、空中及地面军事目标。美空军于2001年实施空间试验计划,以评估卫星高光谱成像(HIS)揭露和定位敌方用伪装隐身和其他诱骗措施隐藏的目标的能力。从1990年开始,美海军实验室开展研究高光谱成像在目标侦察中的应用,制定了高光谱日夜辐射评估(HYDRA)计划。项目主要目的是积累大量军事目标的机载高光谱成像侦察的原始数据,建立目标光谱成像特征库,形成高光谱侦察技术,并建立军事目标发现和探测的评估准则,为星载高光谱侦察提供类比的研究手段。

表1 典型机载成像光谱仪Tab.1 Typical airborne imaging spectrometer

表2 典型星载成像光谱仪Tab.2 Typical satellite-borne imaging spectrometer

2003年欧洲太空政策绿皮书表明其太空政策明显向太空军事用途倾斜,其中涵盖了军事C4KISR系统的主要组成,具军民用途双重功效,而欧洲太空雷达计划对新成像技术尤其是雷达与高光谱成像有极大的兴趣。欧航局于2001年10月发射的PROBA-1卫星携载的最先进设备是CHRIS传感器。2002年3月～2005年2月,法国、德国、意大利、荷兰、挪威、瑞典和英国共同参与开发了JP8.10系统,其目标是分析现有的从可见至红外波段的谱信息、分析高光谱图像目标的识别等。利用该系统可清晰地显示伪装隐身的目标。

2.3 发展趋势

2.3.1 从航空到航天

高成像光谱仪正从机载遥感应用为主趋向航天遥感齐头并进。相同的地面分辨率,星载仪器灵敏度需要高百倍,这是目前的技术难点。在描绘21世纪航空航天力量太空蓝图时,美国将高光谱(超光谱)遥感器及算法研究作为关键技术之一,美国防部《军事关键技术清单》针对星载光谱仪的光谱处理能力提出了需研发新的软件及算法。

2.3.2 总体技术指标提高

高光谱成像技术的方向发展是“三高”(高空间分辨率、高光谱分辨率、高时相分辨率)和“三多”(多传感器、多平台、多角度),各种新材料、新技术的应用导致新的高成像光谱仪体积更小,性能更高。

2.3.3 从定性探测到定量探测

高成像光谱仪的光谱和辐射定标与数据的定量化反演,对遥感数据从定性解释转为定量计算有重要作用。美国于1993年召开了第一届国际机载成像仪定标讨论会,制定了“定标指南”。

3 对地面军事目标威胁

3.1 战场情报侦察

在对复杂战场进行详细侦察时,高光谱能在连续工作波段同时对重点目标进行探测,可直接反映被测物体的精细光谱特征,分辨目标表面的成分与状态[3]。高光谱的成像在伪装隐身效果监测等领域有其应用优势和潜力,如图1所示。提高光谱分辨率能增强探测目标的能力。

如图2所示,通过高光谱成像侦察,利用高光谱图像记录的丰富信息对军事目标进行翻译,能一一显示普通彩色照片中无法区分的目标,成为战场态势情报侦察与打击效果评估的一种新型重要手段。

图1 高光谱对低可探测目标的探测Fig.1 Detectionofhyperspectraltolow detectabilitytarget

图2 高光谱对战场详细侦察Fig.2 Detailsofhyperspectralreconnaissance onbattlefield

3.2 地面伪装隐身目标探测

目前常用的对抗从可见光到雷达波多波段侦察的伪装隐身材料(伪装隐身网和迷彩涂层),其光谱反射曲线仅在波长0.4～1.2μm与典型林地型植被背景融合较好,而在1.2～2.5μm波段与植被背景有明显差距,导致了其反射光谱虽能在可见光和近红外波段实现与背景总体相似,但无法实现完全精细的光谱匹配(即同色同谱),如图3所示。高光谱侦察技术能从复杂背景中提取出伪装隐身目标,分析伪装隐身材料与背景(天然植被或土壤)光谱的差异,了解这种差异的光谱表现与产生机理,有目的地检测这些特征波段,从而分辨出绿色植被、沙漠背景中经伪装隐身后的真实军事目标(军用车辆和导弹发射架等),实现对当前伪装隐身目标的探测和识别,(如图4、5所示)。这对地面军事目标构成了严重威胁。

图3 伪装隐身材料与典型林地型植被的光谱反射特性Fig.3 Typical woodland camouflagestealth materials and vegetation spectral reflectance

3.3 机动目标追踪识别

军事行动中常需克服背景中多种移动目标的影响,准确地在复杂背景中捕获、跟踪重点目标。但对目标状态变化迅速,不易被追踪,且与被追踪目标相似的物体干扰追踪,普通侦察技术常不能发挥作用。高光谱侦察技术能克服背景目标状态变化迅速和其他相似物体干扰的影响,利用基于抓取目标轮廓的追踪方法,在某抓取区域中去除噪声信号而获得目标,并最终锁定跟踪目标(如图6所示)[4]。

图4 伪装隐身目标的高光谱识别Fig.4 Hyperspectral recognition of camouflage stealth target

图5 伪装隐身的军事车辆的高光谱探测Fig.5 Hyperspectral detection of stealth camouflagemilitary vehicles

图6 高光谱侦察机动目标Fig.6 Hyperspectral reconnaissance of moving target

4 结束语

本文对高光谱侦察技术特点及其对地面军事目标威胁进行了综述。高光谱侦察技术的发展具有天地一体化、定量化、空间光谱宽覆盖、高精度等特点,对地面军事目标伪装隐身提出了严峻的挑战。面对高光谱侦察威胁,需要对伪装隐身目标及其特征光谱进行深入研究,形成对抗高光谱成像侦察综合防御能力,同时,也必须具备高光谱成像检测、分析和效果评价的手段,突破关键技术,提升地面军事目标在未来战争中的生存能力。

[1]VAGNI F.Survey of hyperspectral and multispectral imaging technologies[R].RTO Technical Report,TR-SET-065-P3：Es-1.

[2]童庆禧.高光谱遥感[M].北京：高等教育出版社,2006

[3]王家营,黄 轶.高光谱遥感及其对导弹阵地伪装的威胁[A].中国土木工程学会防护工程分会第五届理事会暨第九次学术年会论文集(下册)[C].长春：2004：1233-1234.

[4]MERSEREAU R M.Hyperspectral imaging based persistent surveillance[R].AIAA,2008-7098.