衛(wèi)星偵察術(shù):嘆為觀止的“第三只眼”

□劉進(jìn)軍

衛(wèi)星偵察術(shù):嘆為觀止的“第三只眼”

□劉進(jìn)軍

照相偵察衛(wèi)星已經(jīng)成為戰(zhàn)略武器不可缺少的伙伴。衛(wèi)星成像技術(shù)能產(chǎn)生詳細(xì)的三維立體圖像，并監(jiān)測無形的信息。衛(wèi)星采用合成孔徑雷達(dá)，能辨別真假目標(biāo)、地下目標(biāo)和多個(gè)目標(biāo)。如果利用多光譜傳感器，還可進(jìn)行熱測量，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)彈釋放出的熱量。中國人常說：“不給你點(diǎn)顏色看看，你就不知道馬王爺有三只眼。”照相偵察衛(wèi)星擁有許多空間偵察秘密技術(shù)，就像“馬王爺?shù)牡谌谎邸薄?/p>

衛(wèi)星成像技術(shù)與衛(wèi)星偵察技術(shù)密切相關(guān)。在設(shè)計(jì)制造偵察衛(wèi)星的過程中，設(shè)計(jì)師曾經(jīng)遇上了遠(yuǎn)超想象的困難，碰到許多技術(shù)問題。當(dāng)年，判圖專家發(fā)現(xiàn)美國“日冕”衛(wèi)星返回的電影膠片上，蒙著一層朦朦朧朧的霧和明亮的條紋。各方面專家都嘗試分析、判斷、解釋這一奇怪現(xiàn)象，甚至認(rèn)為是空間干擾造成的。最后，一個(gè)包括科學(xué)家路易斯·阿爾瓦雷斯組成的4人團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了問題的關(guān)鍵所在。原來，衛(wèi)星上的一些橡膠零件在工作時(shí)產(chǎn)生靜電放電，引起攝像機(jī)膠片曝光。為解決這一問題，衛(wèi)星在組件和測試之前便消除靜電，在真空的狀況下組裝鏡頭，這些做法一直沿用至今。

伸縮的眼睛

怎樣獲得高清晰的圖像情報(bào)，是空間偵察的一大難題。地面分辨率與衛(wèi)星的光學(xué)系統(tǒng)、飛行高度有關(guān)。有兩種方法可獲取高清晰的圖像情報(bào)：首先是降低衛(wèi)星飛行高度；其次是提高衛(wèi)星的光學(xué)系統(tǒng)性能。

如果衛(wèi)星飛行軌道高度為590千米，衛(wèi)星照片顯示物體不會小于16厘米。美國“鎖眼-11號”照相偵察衛(wèi)星有幾項(xiàng)絕招。它既可進(jìn)行軌道機(jī)動，變換軌道，對重要目標(biāo)詳查時(shí)又可降低高度，直至降到120千米的高度，獲得最高大約10厘米的地面分辨率。這意味著，它還不能清晰地讀取報(bào)紙的頭版頭條。

在空間拍攝圖像過程中，由于遙感相機(jī)與地面目標(biāo)之間存在相對運(yùn)動，導(dǎo)致目標(biāo)圖像產(chǎn)生像移，圖像模糊不清。衛(wèi)星專家通過建立像移的數(shù)學(xué)模型，對產(chǎn)生像移的各種因素進(jìn)行定量分析，利用像移補(bǔ)償技術(shù)提高成像質(zhì)量和分辨率。

衛(wèi)星技術(shù)越來越先進(jìn)，但麻煩也接踵而來。美國“鎖眼-12號”衛(wèi)星能夠執(zhí)行普查和詳查兩項(xiàng)任務(wù)，但分辨率與覆蓋率成了一對矛盾?！版i眼-12號”衛(wèi)星很聰明，擁有一個(gè)會伸縮的瞳孔。攝像機(jī)在計(jì)算機(jī)控制下改變鏡頭焦距，自動調(diào)節(jié)鏡面曲率，能夠更好地聚集光線，補(bǔ)償因大氣層變化造成的影響。在遠(yuǎn)地點(diǎn)執(zhí)行普查任務(wù)時(shí)調(diào)大焦距，獲得較寬的寬幅圖像，在近地點(diǎn)執(zhí)行詳查任務(wù)時(shí)，縮小焦距獲得高分辨率的圖像。

前蘇聯(lián)和俄羅斯都宣稱：“琥珀”衛(wèi)星是史上貢獻(xiàn)最大的光學(xué)偵察衛(wèi)星艦隊(duì)。典型的“琥珀”衛(wèi)星照相機(jī)鏡頭直徑60厘米，可伸縮調(diào)焦距，折光焦距約30～40米，地面分辨率優(yōu)于0.5米，標(biāo)準(zhǔn)工作壽命為30天?！扮辍币话惚３衷诮攸c(diǎn)約170～180千米，遠(yuǎn)地點(diǎn)約320～350千米的軌道上執(zhí)行詳查任務(wù)。必要時(shí)，衛(wèi)星通過機(jī)動變軌，可“俯沖”到160千米的極限高度，對特定目標(biāo)做成像偵察。

放大的瞳孔

地面分辨率與衛(wèi)星的光學(xué)系統(tǒng)有關(guān)。如何提高衛(wèi)星的光學(xué)系統(tǒng)性能呢？法國“昴宿星”照相衛(wèi)星的高分辨率成像儀設(shè)計(jì)采用新技術(shù)，如碳-碳結(jié)構(gòu)與微晶玻璃反射鏡。因碳-碳結(jié)構(gòu)材料對濕度變化不敏感,熱膨脹系數(shù)極小，增強(qiáng)了儀器的空間穩(wěn)定性。為優(yōu)化飛行性能，成像儀使用了新型熱調(diào)焦系統(tǒng)，省卻了復(fù)雜的機(jī)械裝置。

為了提高分辨率，衛(wèi)星專家在衛(wèi)星上裝載微晶玻璃反射鏡。微晶玻璃反射鏡是高科技望遠(yuǎn)鏡，最大的直徑可達(dá)2.7米，由一個(gè)個(gè)幾何狀的特殊玻璃組成，一般用于天文望遠(yuǎn)鏡，內(nèi)部成蜂窩狀結(jié)構(gòu)，為減輕重量，采用了中空的結(jié)構(gòu)。在保護(hù)罩和背景燈的照射下，它呈現(xiàn)出迷人的藍(lán)色和黃色光芒。如果望遠(yuǎn)鏡裝在衛(wèi)星上成為太空望遠(yuǎn)鏡，可探索宇宙空間，洞悉星星的出生與死亡、太陽系的形成，以及其它星系的黑洞。

斗雞眼的凝視

“大鳥”是美國的一種照相偵察衛(wèi)星。早期的偵察衛(wèi)星分為大范圍的普查偵察衛(wèi)星和重要目標(biāo)的詳查偵察衛(wèi)星。美國“大鳥”照相偵察衛(wèi)星身兼數(shù)職，既對地球表面做普查偵察，也對重要目標(biāo)做詳查偵察；既要對目標(biāo)進(jìn)行照像，又要對各地的電磁波進(jìn)行監(jiān)收。

“大鳥”是專業(yè)的間諜衛(wèi)星，長著三只明察秋毫的“大眼睛”：一只“眼睛”是一架新型膠卷掃描普查照相機(jī)，用來進(jìn)行地面大面積普查照相；一只“眼睛”是一架采用凝視成像技術(shù)、分辨力極高的詳查照相機(jī)，可以進(jìn)行“特寫”拍照，經(jīng)常用于看清軍艦上配置了什么導(dǎo)彈等用途；第三只“眼睛”是紅外線眼睛，能分辨0.001度溫度的差別，如在黑夜里觀察坦克如何潛行。

“大鳥”衛(wèi)星好像是個(gè)“斗雞眼”，具有“凝視”功能?！岸冯u眼”的凝視成像功能不是一般衛(wèi)星所能模仿的。凝視成像是采用大量陣列凝視探測器偵察的系統(tǒng)。一般可見光或紅外成像系統(tǒng)，大多采用單個(gè)或多 >>“大鳥”衛(wèi)星凝視目標(biāo)個(gè)線列探測器，并通過機(jī)械掃描獲取目標(biāo)的輻射數(shù)據(jù)?？茖W(xué)家設(shè)想：如果大大增加探測器數(shù)量，成像系統(tǒng)就變成凝視型系統(tǒng)，探測器陣列就稱為凝視探測器。凝視探測器是由大量光敏元件構(gòu)成的，不需掃描裝置就能成像的焦平面陣探測器。

紅外探測器將景物紅外輻射的空間分布，轉(zhuǎn)換成時(shí)間序列信號，獲取景像紅外圖像信息。凝視成像對景物的偵察效率比掃描成像高萬倍以上，它無運(yùn)動部件，可實(shí)現(xiàn)高幀速成像，性能高、結(jié)構(gòu)簡單、體積輕小、可靠性高。

凝視探測器一般用作目標(biāo)詳查。凝視探測器是凝視系統(tǒng)最基本的元件之一。探測單元數(shù)越多，以凝視方式攝取的圖像就越逼真。在凝視過程中，每個(gè)探測光敏元接收相應(yīng)景物單元上的輻射，光積分的時(shí)間越長，分辨率就越高。衛(wèi)星凝視成像技術(shù)是一種具有高靈敏度和高分辨率的光學(xué)成像技術(shù)。凝視探測器的“凝視”功能與合成孔徑成像雷達(dá)的“聚光燈”功能具有某種相同之處。

超視距的斜視

海灣戰(zhàn)爭爆發(fā)前5個(gè)月，美國就已經(jīng)有多顆間諜衛(wèi)星在海灣上空300至600千米的空間軌道上運(yùn)行。1990年7-8月間，當(dāng)美國發(fā)現(xiàn)伊拉克有入侵科威特跡象時(shí)，美國國家偵察局開始調(diào)整部分衛(wèi)星軌道和位置。在海灣危機(jī)及戰(zhàn)爭期間，美國國家偵察局向海灣地區(qū)變軌、發(fā)射偵察衛(wèi)星達(dá)28顆之多。

“鎖眼-11號”照相偵察衛(wèi)星具有“斜視”功能?！靶币暋惫δ懿皇且话阈l(wèi)星所能模仿的。“鎖眼-11號”照相偵察衛(wèi)星裝載了紅外相機(jī)和側(cè)視雷達(dá)。側(cè)視雷達(dá)是一種探測衛(wèi)星兩側(cè)地帶的合成孔徑雷達(dá)，具有覆蓋面積大、提供信息快的特點(diǎn)，能夠斜視地面任意一側(cè)寬達(dá)1800千米范圍內(nèi)的任何目標(biāo)，地面分辨率不足2米，可靈活地執(zhí)行廣域普查

監(jiān)視任務(wù)。當(dāng)衛(wèi)星不能直接飛越偵察地區(qū)上空時(shí)，能利用側(cè)視雷達(dá)完成偵察任務(wù)。衛(wèi)星可以實(shí)時(shí)處理成像，向地面?zhèn)魉蛨D像數(shù)據(jù)，也可以將圖像數(shù)據(jù)信息傳送到地面處理成像。

海灣危機(jī)爆發(fā)后，美國國防部發(fā)出指令：“鎖眼-11號”照相偵察衛(wèi)星改變運(yùn)行軌道，從較低的太空軌道上對海灣地區(qū)的每一區(qū)域進(jìn)行詳查性的照相偵察。衛(wèi)星傳輸回來的圖像表明，伊拉克軍隊(duì)在10個(gè)小時(shí)內(nèi)占領(lǐng)了科威特全境。

1991年1月17日，以美國為首的多國部隊(duì)開始了代號為“沙漠風(fēng)暴”的作戰(zhàn)行動。1991年2月24日，在經(jīng)過38天的大規(guī)?？找u之后，多國部隊(duì)對伊拉克軍隊(duì)發(fā)起了地面進(jìn)攻。2月28日，雙方停止軍事行動。海灣戰(zhàn)爭中，以美國為首的多國部隊(duì)共擊毀和繳獲了伊軍3847輛坦克、1450輛裝甲車、2917門火炮，俘獲伊軍官兵約8.6萬人。多國部隊(duì)的損失極其輕微。

由于海灣戰(zhàn)爭的特殊性，在情報(bào)偵察方面，各種偵察衛(wèi)星發(fā)揮了主導(dǎo)作用。2顆“鎖眼-11號”衛(wèi)星利用斜視功能，完全覆蓋海灣及地中海地區(qū)，每次可提供數(shù)百張地面分辨率高達(dá)0.15米的可見光圖像，紅外多光譜掃描儀則實(shí)施全天候照相偵察。側(cè)視雷達(dá)可拍下云霧遮擋下的目標(biāo)并實(shí)時(shí)向地面?zhèn)鬏攬D像。多國部隊(duì)的飛行員執(zhí)行任務(wù)前，均會仔細(xì)觀看和分析衛(wèi)星拍攝的目標(biāo)照片，保證了空中打擊的最佳效果。

毛骨悚然的透視

2003年3月20日，第二次海灣戰(zhàn)爭“自由伊拉克”行動開始了。為順利攻克巴格達(dá)，美軍根據(jù)照相偵察衛(wèi)星拍攝的圖片，繪制了大量“數(shù)字化巴格達(dá)地圖”。數(shù)字化地圖幫助戰(zhàn)斗機(jī)和武裝直升機(jī)駕駛員進(jìn)行一次次效果逼真的模擬攻擊演習(xí)，大大減少了對這座城市的“陌生感”。

照相偵察衛(wèi)星裝載合成孔徑雷達(dá)，利用電磁波探測偵察目標(biāo)，能以標(biāo)準(zhǔn)、寬掃、精掃和試驗(yàn)等多種掃描方式進(jìn)行全天候偵察。合成孔徑雷達(dá)是將一臺較小尺寸的真實(shí)孔徑天線用數(shù)據(jù)處理的方法，合成為一個(gè)虛擬的較大的等效天線孔徑的雷達(dá)，所以稱為合成孔徑雷達(dá)。當(dāng)星載合成孔徑雷達(dá)發(fā)射電磁波對目標(biāo)進(jìn)行照射并接收回波時(shí)，就會獲得衛(wèi)星與目標(biāo)的高速相對運(yùn)動信息以及目標(biāo)的距離、距離變化率、方位、高度等數(shù)字成像信息。

合成孔徑雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)是分辨率高，能夠?qū)崿F(xiàn)全天時(shí)、全天候跟蹤移動目標(biāo)，能識別隱蔽、偽裝目標(biāo)和穿透掩蓋物。合成孔徑雷達(dá)得到的高方位分辨力，相當(dāng)于一個(gè)大孔徑天線所能提供的方位分辨力。雷達(dá)成像突破了經(jīng)典分辨力的限制，獲得極高分辨力，具有很高的優(yōu)越性，號稱“聚光燈”。

照相偵察衛(wèi)星在各種間諜衛(wèi)星中最為風(fēng)光。伊拉克前總統(tǒng)薩達(dá)姆在巴格達(dá)修建了100多千米長的非常復(fù)雜的多層地道網(wǎng)，深達(dá)300米的地道通往薩達(dá)姆的宮殿和親戚的住所，甚至學(xué)校和醫(yī)院。據(jù)說，一位英國人在薩達(dá)姆的地下掩體與他見面時(shí)，高速電梯下降了20秒之久。地下掩體內(nèi)有一條能開汽車的地道，從薩達(dá)姆的一個(gè)宮殿直通薩達(dá)姆國際機(jī)場，還有一條逃生的地道通往底格里斯河。這是薩達(dá)姆為自己安排的最后逃跑的秘密地道。巴格達(dá)城區(qū)地道十分神秘復(fù)雜。美軍為了避免巷戰(zhàn)和地道戰(zhàn)，“長曲棍球”等衛(wèi)星仔細(xì)探測了這些“地下迷宮”。當(dāng)美軍士兵看見巴格達(dá)地道圖時(shí)驚嘆：“哪個(gè)間諜搞來那么詳細(xì)的地圖？”

“長曲棍球”成像偵察衛(wèi)星有透視能力，能探測地下目標(biāo)。衛(wèi)星上的合成孔徑雷達(dá)掃描地面，可透過云層、暗夜、惡劣氣候進(jìn)行全天候探測，還可透過偽裝探測地下10～60多米深處隱藏的目標(biāo)，如隱蔽的飛機(jī)庫、地下掩體等。不過，地下核設(shè)施一般都深藏在離地表幾十米甚至上百米的地方，對于這個(gè)深度的地下目標(biāo)，神通廣大的“長曲棍球”也是心有余而力不足。

紅眼魔力的探視

俄羅斯的“特工”成像偵察衛(wèi)星重6.6噸，通常運(yùn)行在近地點(diǎn)1502千米、遠(yuǎn)地點(diǎn)2739千米、傾角64°的橢圓軌道上，130分鐘環(huán)繞地球一周。這個(gè)“特工”有2～5米的地面分辨力。衛(wèi)星的紅外敏感器用0.4～1.1微米的紅外光譜，在8個(gè)頻段掃描。紅外敏感器同時(shí)具備掃描型與凝視型兩種紅外探測器。掃描型探測器對全球掃描普查，發(fā)現(xiàn)可疑目標(biāo)就讓凝視型探測器盯著詳細(xì)觀察。凝視型探測器含有幾百萬個(gè)敏感元件，各自負(fù)責(zé)盯住地球表面的每個(gè)地區(qū)，它甚至能探測出一根火柴發(fā)出的光亮和溫度。

衛(wèi)星上的紅外掃描成像系統(tǒng)，進(jìn)行多次掃描成像。只要航空母艦上有飛機(jī)起飛，飛機(jī)尾部噴出的猛烈火舌便會被衛(wèi)星上某一個(gè)敏感器感應(yīng)到，于是立刻就可以預(yù)先報(bào)警了。衛(wèi)星能立即敏感精確地計(jì)算出飛機(jī)的運(yùn)動軌跡、飛行方向、時(shí)間、速度、高度等數(shù)據(jù)。它還能根據(jù)溫度和噴射速度分辨出導(dǎo)彈、自然火光和飛機(jī)尾部的熱輻射，降低虛警率。

照相偵察衛(wèi)星利用電磁波輻射特性偵察目標(biāo)，包括目標(biāo)在可見光、紅外及微波范圍內(nèi)的反射特性和輻射特性。它是多光譜空間偵察和微波空間偵察中設(shè)置譜段的重要依據(jù)。衛(wèi)星通過多光譜和微波獲取目標(biāo)的波譜特性，區(qū)分對象的屬性和變化。目標(biāo)的波譜特性不僅與目標(biāo)的固有屬性，如材料吸收率、反射率、輻射率、溫度等有關(guān)，還與目標(biāo)的表面特性、輻射源入射角度等外在因素有關(guān)，是多種因素綜合作用的結(jié)果。

照相偵察衛(wèi)星運(yùn)行在低軌道時(shí)，每天環(huán)繞地球16圈，約90分鐘一圈。當(dāng)進(jìn)入地球白晝和天氣良好的情況下，衛(wèi)星能進(jìn)行可見光拍攝；當(dāng)進(jìn)入地球夜晚一半時(shí)，可見光就無能為力。

科學(xué)家利用物體的紅外熱輻射研制成功的可見光/紅外線多光譜掃描儀，簡稱紅外相機(jī)。紅外相機(jī)很靈敏，能發(fā)現(xiàn)物體0.01度的溫度變化，但紅外相機(jī)也有一個(gè)致命弱點(diǎn)：紅外探照燈發(fā)出的紅外光會被敵人的紅外探測器發(fā)現(xiàn)。波動式熱成像儀比較先進(jìn)，不發(fā)射紅外光，不易被對方發(fā)現(xiàn)，并具有透過云霧、雨水、樹木等障礙物進(jìn)行偵察的能力。

紅外熱成像儀應(yīng)用于照相偵察衛(wèi)星，能根據(jù)各種物體紅外線輻射強(qiáng)度，精確觀測、分辨人體、動物和火炮以及地下物體等，白天與夜晚都能偵察，實(shí)時(shí)感知情報(bào)，提供戰(zhàn)場態(tài)勢。