王建成,朱 猛
(天津津航技術物理研究所, 天津 300308)
為了對抗未來戰爭中先進偵察技術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、多頻譜隱身技術發展,目標與背景之間能夠在一定波長范圍內接近“同色同譜”,使得傳統的探測手段難以有效識別。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像元光譜細微差別的能力,通過對光譜特性的定量分析, 實現對真假目標、目標和偽裝物、覆蓋物與周圍正常環境之間的光譜特征微弱變化的檢測并確定目標位置,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80年代高光譜成像技術出現后,以美國為首的西方國家在開展高光譜探測系統性能研究的同時,投入了大量的力量,探索其在軍事探測中的應用。有計劃地開展一系列的測試試驗、驗證試驗、數據采集及算法研究等工作,逐步完善高光譜偵察技術,并形成武器裝備。
1987年機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域的應用發展高度關注。第一次海灣戰爭期間,在打擊部署在伊拉克西部、西南部的載有“飛毛腿”彈道導彈的移動發射車時,由于這些裝備處于隱藏和偽裝狀態,并與假目標混在一起,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在軍事戰術層面的應用。
基于對目標的實時監控、搜索、偵察以提高戰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,通過高光譜融合信息探測出可疑目標位置,引導高空間分辨率成像載荷對目標進行詳細分類確認,開展了高光譜軍事應用研究項目HYMSMO(Hyperspectral MASINT Support to Military Operations)。1994年10月—1995年10月美國先后進行了白沙導彈試驗場沙漠輻射Ⅰ、Ⅱ試驗,森林、城市輻射試驗,島嶼輻射試驗。以沙漠、森林、城市和島嶼等具有典型地貌的場景為背景環境,研究證實了高光譜成像對目標的可探測性。在進行真假目標、隱藏試驗時,高光譜譜段數210個,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為沙漠背景環境下,機載偵察試驗對偽裝的“飛毛腿”導彈發射車(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,但是高光譜圖像特征明顯。

圖1 機載偵察試驗圖像
1994年,美國海軍研究實驗室采用Bass(Broadband Array Spectrograph System) 中波、長波紅外高光譜成像系統,開展了機載探測試驗。飛行高度700英尺,空間分辨率9英寸,為提高信噪比,采取整機液體氦制冷,工作在10 K溫度。圖2為試驗場景,圖3(a)為導彈陣地的光譜曲線,箭頭指向為控制臺(左)和帆布卡車的光譜響應(右)。圖3(b)為導彈陣地光譜曲線,箭頭為導彈反射車(左)、控制臺(中)、帆布卡車(右)的光譜響應。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。

圖2 地空導彈(SAM)發射臺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計劃,旨在發展實時高光譜探測目標位置的能力。在Dark Horse1階段證實了400~850 μm,64個譜段可見光高光譜可實時探測飛機和地面軍事目標。繼Bass系統后,研制了SEBass高光譜成像光譜儀,包括一臺中波(2.5~5.3 μm)/128個波段、一臺長波(7.8~13.4 μm) /128個波段紅外高光譜成像光譜儀,圖像數據處理算法采取了兩種異常探測算法(S-RX、LBG),用于Dark Horse2階段開展機載偵察試驗,驗證了長波紅外高光譜成像光譜儀具有同樣的探測目標能力。
2002年,美國空軍針對無人機平臺開展了大范圍高光譜空中實時監視偵察試驗WAR HORSE、Iron Horse計劃,與Dark Horse、MOVIES計劃一起,研究高光譜實時探測、引導、確定目標位置等能力。試驗基于“捕食者”無人機平臺,重點驗證高光譜載荷性能及算法處理能力。WAR HORSE試驗裝置包括一個空間分辨率為43 μrad的可見光相機和一個高光譜成像光譜儀,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 時地面像元分辨率為1 m,在亞利桑那州約100 km2自然環境開展實驗。

圖4 WAR HORSE所用高光譜載荷
在Iron Horse 項目中,探測系統由一個短波紅外高光譜成像光譜儀和一個普通可見光相機組成(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區域開展了一周多的飛行試驗。

圖5 Iron HORSE試驗場景
2001年,美國四家研究機構(Army Research Laboratory、Topographic Engineering Center of ERDC、Night Vision Electronic Sensors Directorate of CECOM、Space Missile Defense Command Technical Center)簽署了聯合研究協議,目的是發揮在高光譜探測領域各自的優勢,共同研究高光譜軍用反偽探測技術,進一步將已取得的高光譜基礎研究和應用研究成果推向實用。
2002-2005年,法國、德國、意大利、荷蘭、瑞典、英國等國聯合開展了CEPA JP 8.10項目,目的是評估光譜成像技術在軍事方面的潛在應用。試驗中使用了大量的軍用車輛、假目標及在森林、田地背景中各種不同程度隱藏和偽裝的目標。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包括低特征目標的探測、識別、確認的有效性。研究試驗工作證實了光譜成像可以極大提高探測目標的性能,并提出了未來需要發展的高光譜成像系統和關鍵技術。圖6為試驗場景,圖7(a)為高光譜數據得到的圖像,圖7(b)為對所有高光譜數據處理后提取的目標特征,圖7(c)為將提取的目標標色。整個過程為自動處理。

圖6 CEPA JP 8.10 項目試驗場景

圖7 高光譜數據圖像及目標特征
2010年前后,美國用機載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的研究工作。傳統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處有一個強吸收峰。

圖8 試驗中的洞穴

圖9 試驗中探測到的洞穴與周邊環境的光譜曲線
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,可以對其進行探測確認。美國在阿富汗采取24小時晝夜2次高光譜探測方法,依據晝夜洞穴周邊環境變化大、而洞穴自身相對變化較小,作為探測洞穴的依據。
由于武裝沖突,地雷等隱藏爆炸物始終嚴重威脅人類的安全。據統計,截止到2015年全球有61個國家和地區受地雷威脅。20世紀80年代末,美國、英國、法國、加拿大、比利時、瑞典等國家相繼開展了高光譜探雷技術研究。
1994年DARPA制定了HMD(Hyperspectral Mine Detection)計劃,旨在研究高光譜成像探測地雷技術,研究證實了從可見光至長波紅外都具備探測能力。其中在長波范圍,采用了機載AHI長波紅外高光譜成像光譜儀開展了試驗,空間分辨率0.5 mrad,譜段數256個,研究了埋在土壤下的地雷附近的紅外輻射光譜變化,進行實時處理算法研究。試驗數據處理直方圖如圖10所示,地雷與周邊環境的直方圖可明顯區別。

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計劃,希望確定存在探測地雷需要的光譜差異。在美國國內選定的4個區域及國外薩拉熱窩、波斯尼亞、約旦等地區,對300多個自然環境下埋藏天數從1天到5周的M-20反坦克地雷替代品進行了測量,探測波長范圍在0.35~14 μm,篩選出了7000條有效的光譜數據,部分測量結果如圖11所示。對數據處理證實了埋藏地雷及翻開土壤存在特征光譜,為機載探測系統提供光譜差異信息。

圖11 測量結果
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,光譜分辨率達到2 nm,空間方向512個像素。至2000年,首次研究證實,高光譜成像可以實時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,地雷與環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成功地完成了機載實時探測地表地雷試驗。隨后,進一步研究表明,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、植被背景光譜
美國軍方繼HMDP計劃后,開展了環境更加復雜的近海沙灘埋藏反坦克地雷探測的研究。研究了各種復雜環境條件下,背景的光譜特征。研究結果表明,在如近海這樣復雜的自然環境條件下,采用單一的傳感器探測技術或某一個波段很難探測地下埋藏的地雷。
2002—2003年,美國開展了機載高光譜成像探測地雷試驗,采用可見近紅外/短波紅外COMPASS高光譜載荷,譜段數250個,飛行高度4000英尺。英國同期開展了DSTL反地雷對抗計劃,在可見近紅外波段開展了機載及地面高光譜成像試驗,證實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,試驗場景如圖13所示。

圖13 試驗現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次大規模的高光譜和雷達數據采集工作,評估基于多機載平臺、多傳感器融合探測技術及算法。研究結果表明,在多變條件下,融合系統在決策級輸出對反地雷探測系統更加有力。
比利時對包括高光譜成像在內多傳感器探測地雷進行了研究,至2010年證實采用多傳感器進行探測比單一傳感器探測可獲得更好的探測結果。2015年,加拿大開展了TELOPS試驗,驗證了機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,國際上開展了多年的研究工作,研發了多種高光譜探測技術及處理算法,但目前尚未見到成熟的高光譜探測系統。
出于對海洋資源的爭奪以及對海洋軍事活動的監測,美國、日本、澳大利亞等國家都在積極地研發專門用于海岸海洋探測的高光譜探測技術。
自1990年為支持美國海軍作戰戰略從深海作戰向近海聯合作戰的轉移,海軍研究實驗室用機載可見光/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,驗證了高光譜成像可從海底反射信號中分離葉綠素、識別近海混濁水、探測懸浮沉積和溶解有機物的光譜信號等,這些結果為光譜信號的驗證建立了半分析模型。
20世紀90年代中期,美國海軍研究辦公室(ONR)和海軍研究實驗室(NRL)開展了HRST計劃,為海軍和潛艇部隊提供更加精確的涉及到淺水區探測、海底結構類型、水下危險事件探測、海水清晰度和能見度等信息,同時為研制星載對地觀測高光譜成像載荷,開發數據處理技術提供支撐。
為了將高光譜圖像與測量細節建立聯系,并發展相關算法,進而通過獲得的高光譜數據得到近岸海域情況,1994年,NRL研制了海洋 Portable Hyperspectral Imager for Low-Light Spectroscopy (PHILLS)機載成像光譜儀, PHILLS采用了全反射式凸面光柵Offner分光結構,該結構具有固有像差小的特點,使用背照式CCD,實現對弱信號的探測,工作波段400~1000 nm,譜段數64/128個。高光譜圖像及部分分析結果如圖14所示。

圖14 高光譜圖像及部分分析結果
1999年,ONR與STI (Science and Technology International)簽訂了5千萬美元、5年以上的合同,研發系列近海機載高光譜成像傳感器(LASH)計劃,該計劃最初瞄向反潛戰應用,后來擴展到包括探測地雷及其它的應用。LASH采取推掃成像,視場40°,具有三軸穩定功能,光譜分辨率6.7 nm,光譜范圍410~730 nm,裝在P-3反潛飛機和“海鷹”直升機上進行反潛大范圍試驗,如圖15所示。試驗證實在近海戰術深度具有探測、定位和分類水下潛艇的能力,而在這個深度聲納常常受限。2001年8月,LASH裝載在飛艇上在美國東海岸進行了多種試驗。

圖15 裝載在P-3上的LASH系統
LASH的另一種變形,稱為近海快速偵察地雷對抗系統,裝載在直升機上,2000年8月參加了艦艇作戰試驗,2001年3月的試驗證明其在海浪帶具有探測地雷的能力,這些地雷嚴重影響兩棲登陸任務。為解決各種干擾引起的探測困難,LASH在目標提取算法中,采取了兩種雜散剔除方式,一種是完全基于統計方法,另一種是基于高光譜探測深水目標的線性解混處理算法,這種算法在進行圖像分割和異常探測前已經將雜散信號從場景中剔除,在沒有增加時間的情況下卻取得了令人吃驚的結果。2003 年, 美國海軍使用可見光波段海岸機載高光譜成像光譜儀LASH在日本海進行了淺海潛艇探測的實驗, 試圖通過高光譜技術克服淺海區域因存在復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載高光譜淺海海底構造探測試驗,為兩棲作戰登陸提供信息。采用機載HyMap高光譜成像光譜儀,波段范圍在0.4~2.5 μm,126個譜段,地面分辨率3 m。試驗證明它在20m以內的水深,可有效地探測到海底的構造,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載HyMap高光譜成像光譜儀采集了近海海域的光譜數據,繪制了等深圖和通航路線圖,用于6月13至16日開展的“護身刀”(Talisman-Saber)2009軍事演習制定計劃。
從20世紀90年代開始,美軍進行了一系列研究試驗,進行了多次數據采集實驗, 獲取了大量軍事目標的特征光譜,評估各類典型地貌背景條件下, 高光譜成像對軍事目標檢測的有效性。實驗以沙漠、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境,證實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,包括軍事車輛、誘餌、偽裝網、噴漆的木頭、金屬物和布制面板等,都體現出有效的可探測性能,為高光譜的軍事應用打下了很好的基礎。證明了高光譜成像技術在軍用方面具有如下應用:獲取戰場信息、區別真假目標、揭露偽裝、空間監視及遠程導彈的早期告警、大規模殺傷武器的探測、水下探測、地雷探測、有害氣體探測、打擊效果評估、監督國際條約履行情況等。
鑒于無人機在軍事偵察中的優勢,美軍在完成一系列的高光譜成像試驗之后,制定了相應的無人機載高光譜成像技術展線路。在《無人機系統路線圖2005-2030》中,將高光譜成像傳感器技術作為2010-2015年重點發展的無人機載靜態圖像傳感器系統,用以替代前期發展的全色成像傳感器和多光譜成像傳感器技術,計劃裝配超過100個譜帶的高光譜成像載荷;2015-2020年計劃裝配1000個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年開展的戰術偵察發展計劃,采取多功能偵察倉,適應F/A-18 E/F等多種飛機平臺使用,艙內包括可見光、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,給倉內的SPIRITT光學偵察系統提供高光譜成像設備,用于基于光譜特征進行自動探測、分類并確認偽裝和隱藏的目標。
2004年美國NRL和AFRL聯合研制的機載實時高光譜探測偵察系統ARCHER(Airborne Real-time Cueing Hyperspectral Enhanced Reconnaissance)裝配在GA-8飛機上,如圖17所示,用于搜素和救援任務。高光譜成像系統視場37.9°,譜段數52個,工作在可見近紅外波段。

圖17 裝置在CA-8飛機上的ARCHER高光譜成像系統
2006年,美國軍方從BAE系統公司采購5套高光譜成像載荷,裝備在軍用RQ-7隱形無人機上,用于巴爾干半島沖突中的智能、監控、偵察(ISR)任務,對偽裝識別和尋找隱藏的裝備等。2006年在WB-57F飛機上裝載加拿大Itres公司的可見近紅外高光譜成像光譜儀CASI-1500,在阿富汗進行為期兩年的軍事和民用探測任務,如圖18所示。

圖18 高光譜成像載荷裝配WB-57F高空偵察飛機在阿富汗進行軍事偵察
NASA在2009年9月研制機載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構,分光系統采用Dyson結構,波帶寬度分別為20 nm和40 nm。2012年投入使用。PRISM 集兩臺獨立的成像光譜儀與一體,一臺光譜范圍從可見光到近紅外350~1050 nm,另一臺為雙波段(1240 nm,1610 nm)短波紅外成像光譜儀。系統具有高信噪比、高均勻性、低偏振靈敏度特點。它可以對近岸海域進行高空間分辨率和高時間分辨率的光譜測量,以彌補低軌衛星測量的不足。
2012年美國空軍將雷神公司的AN/DSQ-68 ACES HY 機載戰術紅外高光譜載荷,裝配在MQ-1“捕食者”,用于探測地面化學物質和地表變化。2012年以色列的埃爾比特(Elbit)系統公司在Hermes 450和Hermes 900無人機上,裝配智能化高光譜成像偵察系統,可自動解譯高光譜圖像數據,基于目標的材質特性進行探測、跟蹤。由于哈馬斯和真主黨經常利用地道和地下堡壘攻擊以色列,因此該系統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,可以通過測量草叢中與周邊環境背景不匹配的地方確定地下可能的隱藏。
2000年NASA發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據
2009年發射的Tacsat-3星上的先進的快速響應戰術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5 nm。用于發現偽裝目標、威脅,隱藏爆炸裝置、隱藏的洞口、坑道。通過分析探測物光譜,并與存儲的數據庫比較可以發現潛在的匹配目標。具有實時處理高光譜數據能力,提取出目標信息,發送到戰場滿足一線指揮官對信息的要求,也可將數據傳輸到地面詳細分析。
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射進入國際空間站,用于海下重要的水文資料采集、濱海可展開性研究、沿海淺海軍事目標識別、偽裝識別等;給出進入在海圖上未標出作戰區域的安全出口和入口,評估淺海水質、海底構造、海上大氣能見度,以及探測水下障礙物外等。HICO的瞬時視場 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拍攝得到的中國揚子江出海口葉綠素濃度分布
目前先進的目標偽裝技術,如美國BEA系統公司研制的“變色龍”多光譜自適應主動式偽裝系統,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,如圖22(a)。美國裝甲工程公司研制的一種三維戰術攝像系統,根據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硬的三維面板快速創建一種使其適應于周圍環境的偽裝圖案,如圖22(b)所示。偽裝隱身技術的最新發展,對探測偵察技術提出了更高的要求。

圖22 多光譜自適應主動式偽裝系統
高光譜成像特有的在高空間分辨率成像的同時獲取景物每個像元光譜細微差別的能力,使其具備其它探測技術不具備的特點。21世紀初高光譜技術在許多領域尚未廣泛應用,但是最近十年的迅猛發展,滿足了眾多軍、民領域對高光譜探測的需求。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、愛沙尼亞等十個國家針對當前技術狀態下軍事目標、偽裝目標及環境等特性,在軍事遙感試驗場,使用多種型號的可見近紅外、短波紅外高光譜成像光譜儀,在同樣的目標場景進行了大量的成像試驗,試驗現場如圖23所示。采集了各種特征光譜,并開展光譜數據分析及算法研究,以保持軍用目標數據庫的動態更新,適應軍事目標光譜特性的變化。

圖23 現有各種軍事目標及環境光譜特征測量試驗場景
20世紀末十多年及21世紀十余年軍用高光譜技術的研究發展及應用表明,其在偵察領域具有巨大應用價值及潛力,由此對高光譜載荷性能的期望也越來越高。
為對抗隱身技術最新發展的“同譜同色”,需要進一步提高光譜分辨率、信噪比等,滿足對偽裝軍用目標搜索、偵察的需要。
美國軍方曾經指出以往由于圖像解譯能力相對滯后,大量有價值的偵察圖像沒有及時得到解譯,從而多次錯失打擊“時敏目標”的最佳戰機。因此自適應光譜成像探測技術將是未來重點研究方向,通過譜段數、波長、光譜分辨率實時選擇調整,實現高光譜成像實時數據處理,從復雜多變的背景中快速準確地檢測判定目標,提高系統的實時性和環境適應性。
軍事上對有害氣體、地雷、藏兵洞穴、地下工事等軍事目標探測的需要,將進一步推動熱紅外高光譜成像技術的發展。
針對復雜環境的偵察,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,可用于機載、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共享偵察
在總體技術方面,需要開展大速高比平臺高光譜成像總體技術研究,優化總體指標設計,研究高光譜像移補償技術,在高速飛行平臺,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。
本文分析了高光譜偵察技術在軍事探測中的應用和發展,包括探測偽裝目標、地雷及爆炸物、近海水下等,介紹了相關試驗和國外軍用高光譜載荷裝備,并對高光譜偵察技術的發展趨勢進了展望。由于高光譜成像的獨特優勢和巨大潛力,它必然在軍事偵察領域發揮越來越大的作用。