高光谱侦察技术的发展

王建成,朱 猛

(天津津航技术物理研究所, 天津 300308)

0 引言

为了对抗未来战争中先进侦察技术和精确打击武器的威胁，各类武器装备的防御功能已从单一谱段，向多功能、多频谱隐身技术发展，目标与背景之间能够在一定波长范围内接近“同色同谱”，使得传统的探测手段难以有效识别。在高空间分辨率成像条件下，高光谱成像具有获取景物每个像元光谱细微差别的能力，通过对光谱特性的定量分析, 实现对真假目标、目标和伪装物、覆盖物与周围正常环境之间的光谱特征微弱变化的检测并确定目标位置，已成为侦察及打击效果评估的一种新型重要手段。

自20世纪80年代高光谱成像技术出现后，以美国为首的西方国家在开展高光谱探测系统性能研究的同时，投入了大量的力量，探索其在军事探测中的应用。有计划地开展一系列的测试试验、验证试验、数据采集及算法研究等工作，逐步完善高光谱侦察技术，并形成武器装备。

1 高光谱军用探测技术

1.1 伪装目标的探测研究

1987年机载对地观测高光谱成像光谱仪AVIRIS研制成功后，美国军方对其在军事领域的应用发展高度关注。第一次海湾战争期间，在打击部署在伊拉克西部、西南部的载有“飞毛腿”弹道导弹的移动发射车时，由于这些装备处于隐藏和伪装状态，并与假目标混在一起，美军遇到了极大困难，这促使美军开始探索高光谱成像探测技术在军事战术层面的应用。

基于对目标的实时监控、搜索、侦察以提高战场情况的感知能力及提供打击效果评估的需要，美军希望利用高光谱成像具有较高空间分辨率及高光谱分辨率的特点，通过高光谱融合信息探测出可疑目标位置，引导高空间分辨率成像载荷对目标进行详细分类确认，开展了高光谱军事应用研究项目HYMSMO(Hyperspectral MASINT Support to Military Operations)。1994年10月—1995年10月美国先后进行了白沙导弹试验场沙漠辐射Ⅰ、Ⅱ试验，森林、城市辐射试验，岛屿辐射试验。以沙漠、森林、城市和岛屿等具有典型地貌的场景为背景环境，研究证实了高光谱成像对目标的可探测性。在进行真假目标、隐藏试验时，高光谱谱段数210个，波段范围0.42～5 μm，光谱分辨率10 nm，地面像元分辨率范围0.75～3 m。图1为沙漠背景环境下，机载侦察试验对伪装的“飞毛腿”导弹发射车(图1(a)所示)拍摄的全色图(图1(b)所示)及高光谱图像(图1(c)所示)，全色图像难以确定目标，但是高光谱图像特征明显。

图1 机载侦察试验图像

1994年，美国海军研究实验室采用Bass(Broadband Array Spectrograph System) 中波、长波红外高光谱成像系统，开展了机载探测试验。飞行高度700英尺，空间分辨率9英寸，为提高信噪比，采取整机液体氦制冷，工作在10 K温度。图2为试验场景，图3(a)为导弹阵地的光谱曲线，箭头指向为控制台(左)和帆布卡车的光谱响应(右)。图3(b)为导弹阵地光谱曲线，箭头为导弹反射车(左)、控制台(中)、帆布卡车(右)的光谱响应。图3(c)为隐藏在树丛中坦克的光谱曲线，箭头为坦克的光谱响应。

图2 地空导弹(SAM)发射台及隐藏在树丛中的坦克

图3 光谱曲线图

1998年美军开始Dark Horse计划，旨在发展实时高光谱探测目标位置的能力。在Dark Horse1阶段证实了400～850 μm，64个谱段可见光高光谱可实时探测飞机和地面军事目标。继Bass系统后，研制了SEBass高光谱成像光谱仪，包括一台中波(2.5～5.3 μm)/128个波段、一台长波(7.8～13.4 μm) /128个波段红外高光谱成像光谱仪，图像数据处理算法采取了两种异常探测算法(S-RX、LBG)，用于Dark Horse2阶段开展机载侦察试验，验证了长波红外高光谱成像光谱仪具有同样的探测目标能力。

2002年，美国空军针对无人机平台开展了大范围高光谱空中实时监视侦察试验WAR HORSE、Iron Horse计划，与Dark Horse、MOVIES计划一起，研究高光谱实时探测、引导、确定目标位置等能力。试验基于“捕食者”无人机平台，重点验证高光谱载荷性能及算法处理能力。WAR HORSE试验装置包括一个空间分辨率为43 μrad的可见光相机和一个高光谱成像光谱仪，如图4所示，高光谱成像仪工作在450～900 nm，光谱分辨率1.4～11.2 nm(采用binning，可调光谱分辨率)，空间分辨率0.26 mrad，视场角为9.3°，典型飞行高度3 km 时地面像元分辨率为1 m，在亚利桑那州约100 km2自然环境开展实验。

图4 WAR HORSE所用高光谱载荷

在Iron Horse 项目中，探测系统由一个短波红外高光谱成像光谱仪和一个普通可见光相机组成(如图5 所示)，短波红外高光谱成像光谱仪使用1024×1024HgCdTe探测器，成像波长范围0.9～2.35 μm，168个谱段，光谱分辨率17 nm，空间分辨率0.28 mrad，视场16.4°，在密西西比州60 km2区域开展了一周多的飞行试验。

图5 Iron HORSE试验场景

2001年，美国四家研究机构(Army Research Laboratory、Topographic Engineering Center of ERDC、Night Vision Electronic Sensors Directorate of CECOM、Space Missile Defense Command Technical Center)签署了联合研究协议，目的是发挥在高光谱探测领域各自的优势，共同研究高光谱军用反伪探测技术，进一步将已取得的高光谱基础研究和应用研究成果推向实用。

2002-2005年，法国、德国、意大利、荷兰、瑞典、英国等国联合开展了CEPA JP 8.10项目，目的是评估光谱成像技术在军事方面的潜在应用。试验中使用了大量的军用车辆、假目标及在森林、田地背景中各种不同程度隐藏和伪装的目标。分析了从可见到红外波段各种可用的光谱图像信息，研究了高光谱对目标包括低特征目标的探测、识别、确认的有效性。研究试验工作证实了光谱成像可以极大提高探测目标的性能，并提出了未来需要发展的高光谱成像系统和关键技术。图6为试验场景，图7(a)为高光谱数据得到的图像，图7(b)为对所有高光谱数据处理后提取的目标特征，图7(c)为将提取的目标标色。整个过程为自动处理。

图6 CEPA JP 8.10 项目试验场景

图7 高光谱数据图像及目标特征

2010年前后，美国用机载SEBASS长波红外高光谱载荷开展了探测地下洞穴(如图8所示)、废弃的矿井口等隐藏目标的研究工作。传统的依赖红外成像温度探测方法存在较大的虚警，而红外高光谱成像探测，不仅有温度信息，而且获取了整个红外辐射光谱曲线，如图9所示，洞穴中空气含水量与周边不一致，因此，辐射特征在12.55 μm处有一个强吸收峰。

图8 试验中的洞穴

图9 试验中探测到的洞穴与周边环境的光谱曲线

同样道理，如果洞穴中有人，通过长波红外高光谱成像，由温度特征和人呼吸出的二氧化碳吸收峰光谱特征，可以对其进行探测确认。美国在阿富汗采取24小时昼夜2次高光谱探测方法，依据昼夜洞穴周边环境变化大、而洞穴自身相对变化较小，作为探测洞穴的依据。

1.2 地雷及爆炸物探测研究

由于武装冲突，地雷等隐藏爆炸物始终严重威胁人类的安全。据统计，截止到2015年全球有61个国家和地区受地雷威胁。20世纪80年代末，美国、英国、法国、加拿大、比利时、瑞典等国家相继开展了高光谱探雷技术研究。

1994年DARPA制定了HMD(Hyperspectral Mine Detection)计划，旨在研究高光谱成像探测地雷技术，研究证实了从可见光至长波红外都具备探测能力。其中在长波范围，采用了机载AHI长波红外高光谱成像光谱仪开展了试验，空间分辨率0.5 mrad,谱段数256个，研究了埋在土壤下的地雷附近的红外辐射光谱变化，进行实时处理算法研究。试验数据处理直方图如图10所示，地雷与周边环境的直方图可明显区别。

图10 短草、长草及地雷的直方图

此后美国军方于1998年开展了HDMP计划，希望确定存在探测地雷需要的光谱差异。在美国国内选定的4个区域及国外萨拉热窝、波斯尼亚、约旦等地区，对300多个自然环境下埋藏天数从1天到5周的M-20反坦克地雷替代品进行了测量，探测波长范围在0.35～14 μm，筛选出了7000条有效的光谱数据，部分测量结果如图11所示。对数据处理证实了埋藏地雷及翻开土壤存在特征光谱，为机载探测系统提供光谱差异信息。

图11 测量结果

加拿大Defence Research &Development Canada (DRDC)将CASI高光谱成像光谱仪装在车上，通过研究地表土壤及植被的光谱特征变化，进行探测地雷的研究工作。探测波长范围0.4～0.95 μm，光谱分辨率达到2 nm，空间方向512个像素。至2000年，首次研究证实，高光谱成像可以实时探测布置在地表的地雷。2005年开展了可见近红外、短波红外高光谱探测试验，地雷与环境有明显的光谱特征差异，测量的光谱曲线如图12所示。2006年，DRDC成功地完成了机载实时探测地表地雷试验。随后，进一步研究表明，在可见近红外波段及热红外都具有探测地雷的能力。在热辐射区最佳探测波段为4.2～5 μm、8～9.5 μm，白天为3～4.2 μm。

图12 PMN6AP地雷及绊网、植被背景光谱

美国军方继HMDP计划后，开展了环境更加复杂的近海沙滩埋藏反坦克地雷探测的研究。研究了各种复杂环境条件下，背景的光谱特征。研究结果表明，在如近海这样复杂的自然环境条件下，采用单一的传感器探测技术或某一个波段很难探测地下埋藏的地雷。

2002—2003年，美国开展了机载高光谱成像探测地雷试验，采用可见近红外/短波红外COMPASS高光谱载荷，谱段数250个，飞行高度4000英尺。英国同期开展了DSTL反地雷对抗计划，在可见近红外波段开展了机载及地面高光谱成像试验，证实了采用高光谱可以探测地雷附近的植被或土壤所具有光谱特征，试验场景如图13所示。

图13 试验现场散布在土壤和草丛中的各种类型的地雷

美军NVESD(Night Vision and Electronic Sensors Directorate)开展了多传感器融合探测地雷研究工作，分别于2002年秋季、2003年春季、2004年夏季、2005年夏季开展了4次大规模的高光谱和雷达数据采集工作，评估基于多机载平台、多传感器融合探测技术及算法。研究结果表明，在多变条件下，融合系统在决策级输出对反地雷探测系统更加有力。

比利时对包括高光谱成像在内多传感器探测地雷进行了研究，至2010年证实采用多传感器进行探测比单一传感器探测可获得更好的探测结果。2015年，加拿大开展了TELOPS试验，验证了机载长波红外高光谱成像光谱仪探测埋藏在地下地雷的可能性。

针对地雷这种特殊目标，国际上开展了多年的研究工作，研发了多种高光谱探测技术及处理算法，但目前尚未见到成熟的高光谱探测系统。

1.3 对近海探测的研究

出于对海洋资源的争夺以及对海洋军事活动的监测，美国、日本、澳大利亚等国家都在积极地研发专门用于海岸海洋探测的高光谱探测技术。

自1990年为支持美国海军作战战略从深海作战向近海联合作战的转移，海军研究实验室用机载可见光/红外成像光谱仪AVIRIS(10 nm光谱分辨率、20 m空间分辨率，0.4～2.4 μm)开展研究，验证了高光谱成像可从海底反射信号中分离叶绿素、识别近海混浊水、探测悬浮沉积和溶解有机物的光谱信号等，这些结果为光谱信号的验证建立了半分析模型。

20世纪90年代中期，美国海军研究办公室(ONR)和海军研究实验室(NRL)开展了HRST计划，为海军和潜艇部队提供更加精确的涉及到浅水区探测、海底结构类型、水下危险事件探测、海水清晰度和能见度等信息，同时为研制星载对地观测高光谱成像载荷，开发数据处理技术提供支撑。

为了将高光谱图像与测量细节建立联系，并发展相关算法，进而通过获得的高光谱数据得到近岸海域情况，1994年，NRL研制了海洋 Portable Hyperspectral Imager for Low-Light Spectroscopy (PHILLS)机载成像光谱仪， PHILLS采用了全反射式凸面光栅Offner分光结构，该结构具有固有像差小的特点，使用背照式CCD，实现对弱信号的探测，工作波段400～1000 nm，谱段数64/128个。高光谱图像及部分分析结果如图14所示。

图14 高光谱图像及部分分析结果

1999年，ONR与STI (Science and Technology International)签订了5千万美元、5年以上的合同，研发系列近海机载高光谱成像传感器(LASH)计划，该计划最初瞄向反潜战应用，后来扩展到包括探测地雷及其它的应用。LASH采取推扫成像，视场40°，具有三轴稳定功能，光谱分辨率6.7 nm，光谱范围410～730 nm，装在P-3反潜飞机和“海鹰”直升机上进行反潜大范围试验，如图15所示。试验证实在近海战术深度具有探测、定位和分类水下潜艇的能力，而在这个深度声纳常常受限。2001年8月，LASH装载在飞艇上在美国东海岸进行了多种试验。

图15 装载在P-3上的LASH系统

LASH的另一种变形，称为近海快速侦察地雷对抗系统，装载在直升机上，2000年8月参加了舰艇作战试验，2001年3月的试验证明其在海浪带具有探测地雷的能力，这些地雷严重影响两栖登陆任务。为解决各种干扰引起的探测困难，LASH在目标提取算法中，采取了两种杂散剔除方式，一种是完全基于统计方法，另一种是基于高光谱探测深水目标的线性解混处理算法，这种算法在进行图像分割和异常探测前已经将杂散信号从场景中剔除，在没有增加时间的情况下却取得了令人吃惊的结果。2003 年, 美国海军使用可见光波段海岸机载高光谱成像光谱仪LASH在日本海进行了浅海潜艇探测的实验, 试图通过高光谱技术克服浅海区域因存在复杂背景杂波给声纳探测潜艇带来的困难。2003年，STI与美国军方签署了小型化LASH系统的合同。

2008年，澳大利亚在悉尼南北180 km基维斯海湾开展了机载高光谱浅海海底构造探测试验，为两栖作战登陆提供信息。采用机载HyMap高光谱成像光谱仪，波段范围在0.4～2.5 μm，126个谱段，地面分辨率3 m。试验证明它在20m以内的水深，可有效地探测到海底的构造，如图16所示。

图16 基维斯海湾高光谱图像

2009年5月18至29日，美国在澳大利亚昆士兰州海岸用机载HyMap高光谱成像光谱仪采集了近海海域的光谱数据，绘制了等深图和通航路线图，用于6月13至16日开展的“护身刀”(Talisman-Saber)2009军事演习制定计划。

1.4 验证的军事应用

从20世纪90年代开始，美军进行了一系列研究试验，进行了多次数据采集实验, 获取了大量军事目标的特征光谱，评估各类典型地貌背景条件下, 高光谱成像对军事目标检测的有效性。实验以沙漠、森林、城市和岛屿、近海海洋、海岸等具有典型地貌的场景为背景环境，证实了高光谱成像在不同场景中对多种不同大小、不同方向、完全暴露、部分暴露或隐藏的军事目标，包括军事车辆、诱饵、伪装网、喷漆的木头、金属物和布制面板等，都体现出有效的可探测性能，为高光谱的军事应用打下了很好的基础。证明了高光谱成像技术在军用方面具有如下应用：获取战场信息、区别真假目标、揭露伪装、空间监视及远程导弹的早期告警、大规模杀伤武器的探测、水下探测、地雷探测、有害气体探测、打击效果评估、监督国际条约履行情况等。

2 军用高光谱载荷装备

2.1 机载探测装备

鉴于无人机在军事侦察中的优势，美军在完成一系列的高光谱成像试验之后，制定了相应的无人机载高光谱成像技术展线路。在《无人机系统路线图2005-2030》中，将高光谱成像传感器技术作为2010-2015年重点发展的无人机载静态图像传感器系统，用以替代前期发展的全色成像传感器和多光谱成像传感器技术，计划装配超过100个谱带的高光谱成像载荷；2015-2020年计划装配1000个谱带以上的光谱成像载荷。

共享侦察吊仓SHARP(SHAred Reconnaissance Pod)是美国海军2001年开展的战术侦察发展计划，采取多功能侦察仓，适应F/A-18 E/F等多种飞机平台使用，舱内包括可见光、红外、高光谱、SAR等多种侦察传感器。2007年BAE公司签订了230万美元的合同，给仓内的SPIRITT光学侦察系统提供高光谱成像设备，用于基于光谱特征进行自动探测、分类并确认伪装和隐藏的目标。

2004年美国NRL和AFRL联合研制的机载实时高光谱探测侦察系统ARCHER(Airborne Real-time Cueing Hyperspectral Enhanced Reconnaissance)装配在GA-8飞机上，如图17所示，用于搜素和救援任务。高光谱成像系统视场37.9°，谱段数52个，工作在可见近红外波段。

图17 装置在CA-8飞机上的ARCHER高光谱成像系统

2006年，美国军方从BAE系统公司采购5套高光谱成像载荷，装备在军用RQ-7隐形无人机上，用于巴尔干半岛冲突中的智能、监控、侦察(ISR)任务，对伪装识别和寻找隐藏的装备等。2006年在WB-57F飞机上装载加拿大Itres公司的可见近红外高光谱成像光谱仪CASI-1500，在阿富汗进行为期两年的军事和民用探测任务，如图18所示。

图18 高光谱成像载荷装配WB-57F高空侦察飞机在阿富汗进行军事侦察

NASA在2009年9月研制机载Portable Remote Imaging Spectrometer (PRISM) 可见近红外的成像光谱仪，前置物镜采用两反结构，分光系统采用Dyson结构，波带宽度分别为20 nm和40 nm。2012年投入使用。PRISM 集两台独立的成像光谱仪与一体，一台光谱范围从可见光到近红外350～1050 nm，另一台为双波段(1240 nm，1610 nm)短波红外成像光谱仪。系统具有高信噪比、高均匀性、低偏振灵敏度特点。它可以对近岸海域进行高空间分辨率和高时间分辨率的光谱测量，以弥补低轨卫星测量的不足。

2012年美国空军将雷神公司的AN/DSQ-68 ACES HY 机载战术红外高光谱载荷，装配在MQ-1“捕食者”，用于探测地面化学物质和地表变化。2012年以色列的埃尔比特(Elbit)系统公司在Hermes 450和Hermes 900无人机上，装配智能化高光谱成像侦察系统，可自动解译高光谱图像数据，基于目标的材质特性进行探测、跟踪。由于哈马斯和真主党经常利用地道和地下堡垒攻击以色列，因此该系统在加沙地带和黎巴嫩开展了探测地下通道及隐蔽掩体试验，可以通过测量草丛中与周边环境背景不匹配的地方确定地下可能的隐藏。

2.2 星载探测装备

2000年NASA发射星载军民两用高光谱成像光谱仪Hyperion，波长范围0.4～2.5 μm，光谱分辨率10 nm，地面像元分辨率30 m，如图19所示。

图19 Hyperion 对海水中珊瑚礁探测的高光谱图像及数据

2009年发射的Tacsat-3星上的先进的快速响应战术军用高光谱成像光谱仪ARTEMIS，成像波长范围0.4～2.5 μm，在空间分辨率大约10 μrad下，其光谱分辨率高达5 nm。用于发现伪装目标、威胁，隐藏爆炸装置、隐藏的洞口、坑道。通过分析探测物光谱，并与存储的数据库比较可以发现潜在的匹配目标。具有实时处理高光谱数据能力，提取出目标信息，发送到战场满足一线指挥官对信息的要求，也可将数据传输到地面详细分析。

2009年9月NRL将星载HICO可见近红外波段高光谱成像光谱仪发射进入国际空间站，用于海下重要的水文资料采集、滨海可展开性研究、沿海浅海军事目标识别、伪装识别等；给出进入在海图上未标出作战区域的安全出口和入口，评估浅海水质、海底构造、海上大气能见度，以及探测水下障碍物外等。HICO的瞬时视场 0.01365°，视场6.92°，光谱分辨率1.91/5.73 nm，轨道高度350 km。图20为其在中国南海拍摄的高光谱海底图像，图21为在长江出口拍摄的高光谱图像处理得到的叶绿素浓度分布图。

图20 2009年10月HICO拍摄的中国南海高光谱海底图

图21 2010年HICO拍摄得到的中国扬子江出海口叶绿素浓度分布

3 高光谱侦察技术展望

3.1 伪装隐身技术的挑战

目前先进的目标伪装技术，如美国BEA系统公司研制的“变色龙”多光谱自适应主动式伪装系统，是一种基于一系列反射层，可通过不同的电压来控制的多光谱伪装系统，如图22(a)。美国装甲工程公司研制的一种三维战术摄像系统，根据场景的高光谱景象的图案，由几块安装在车辆装甲上面的坚硬的三维面板快速创建一种使其适应于周围环境的伪装图案，如图22(b)所示。伪装隐身技术的最新发展，对探测侦察技术提出了更高的要求。

图22 多光谱自适应主动式伪装系统

3.2 高光谱军用探测技术最新动态

高光谱成像特有的在高空间分辨率成像的同时获取景物每个像元光谱细微差别的能力，使其具备其它探测技术不具备的特点。21世纪初高光谱技术在许多领域尚未广泛应用，但是最近十年的迅猛发展，满足了众多军、民领域对高光谱探测的需求。鉴于此，2017年夏季，北约(NATO)美国、德国、法国、澳大利亚、挪威、瑞典、捷克、爱沙尼亚等十个国家针对当前技术状态下军事目标、伪装目标及环境等特性，在军事遥感试验场，使用多种型号的可见近红外、短波红外高光谱成像光谱仪，在同样的目标场景进行了大量的成像试验，试验现场如图23所示。采集了各种特征光谱，并开展光谱数据分析及算法研究，以保持军用目标数据库的动态更新，适应军事目标光谱特性的变化。

图23 现有各种军事目标及环境光谱特征测量试验场景

3.3 未来发展趋势

20世纪末十多年及21世纪十余年军用高光谱技术的研究发展及应用表明，其在侦察领域具有巨大应用价值及潜力，由此对高光谱载荷性能的期望也越来越高。

为对抗隐身技术最新发展的“同谱同色”，需要进一步提高光谱分辨率、信噪比等，满足对伪装军用目标搜索、侦察的需要。

美国军方曾经指出以往由于图像解译能力相对滞后，大量有价值的侦察图像没有及时得到解译，从而多次错失打击“时敏目标”的最佳战机。因此自适应光谱成像探测技术将是未来重点研究方向，通过谱段数、波长、光谱分辨率实时选择调整，实现高光谱成像实时数据处理，从复杂多变的背景中快速准确地检测判定目标，提高系统的实时性和环境适应性。

军事上对有害气体、地雷、藏兵洞穴、地下工事等军事目标探测的需要，将进一步推动热红外高光谱成像技术的发展。

针对复杂环境的侦察，未来的侦察将是包括高光谱、可见光、红外、SAR等多传感器融合探测技术，可用于机载、舰载、车载等多用途侦察载荷，如图24所示。

图24 多传感器融合探测多平台共享侦察

在总体技术方面，需要开展大速高比平台高光谱成像总体技术研究，优化总体指标设计，研究高光谱像移补偿技术，在高速飞行平台，获得高空间分辨率、高信噪的高光谱图像，满足快速高光谱成像侦察的需要。

4 结束语

本文分析了高光谱侦察技术在军事探测中的应用和发展，包括探测伪装目标、地雷及爆炸物、近海水下等，介绍了相关试验和国外军用高光谱载荷装备，并对高光谱侦察技术的发展趋势进了展望。由于高光谱成像的独特优势和巨大潜力，它必然在军事侦察领域发挥越来越大的作用。