高光譜成像系統(tǒng)：光譜成像技術(shù)在海域目標(biāo)探測中的應(yīng)用

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，信息對抗已經(jīng)成為決定戰(zhàn)爭勝負(fù)的關(guān)鍵，而基于航空平臺獲取軍事信息具有時(shí)效性強(qiáng)，偵查范圍廣等特點(diǎn)，是重要的偵察手段之一。利用高光譜成像技術(shù)對地、對海進(jìn)行偵察將獲取更豐富的目標(biāo)信息，極大地提高了航空偵察能力，相對于其他偵察方式具有一定的優(yōu)越性

與傳統(tǒng)的遙感數(shù)據(jù)源相比，高光譜數(shù)據(jù)具有光譜范圍寬、譜段多、光譜分辨率高的特點(diǎn)，高光譜成像儀的工作波長覆蓋太陽反射光譜區(qū)，波段寬度達(dá)到納米量級，波段數(shù)急劇增多，從可見光到近紅外光譜區(qū)間的波段數(shù)可達(dá)幾十個乃至幾百個?

高光譜成像儀在軍事上的應(yīng)用

20世紀(jì)70年代末，美國加州理工學(xué)院的相關(guān)學(xué)者首先提出了光譜成像儀的研究計(jì)劃，開展了碲鎘汞面陣探測器推掃式(Pushbroom)光譜成像儀(AIS)機(jī)載試驗(yàn)樣機(jī)的研制工作，并獲得了NASA的支持，其中AIS系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。

圖1 AIS系統(tǒng)工作原理示意圖

20世紀(jì)80年代，擺掃式(Whiskbroom)光譜成像儀AVIRIS其光機(jī)結(jié)構(gòu)及機(jī)載平臺如圖2所示?在0.4~2.5μm的光譜范圍內(nèi)可獲取224個波段的光譜信息，空間分辨率為20m，穿軌方向的像元數(shù)達(dá)到了600，是目前最常用的機(jī)載光譜儀之一?

圖2 AVIRIS系統(tǒng)光機(jī)結(jié)構(gòu)及ER-2機(jī)載平臺

采用無人機(jī)平臺，搭載可見光、近紅外高光譜載荷及線陣高分辨率相機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，重點(diǎn)驗(yàn)證高光譜載荷的相關(guān)算法和處理能力，其中高光譜成像儀(HSI)在可見和近紅外部分(450~900nm)可覆蓋64個譜段，視場角為9.3°，在典型飛行高度3km時(shí)像元分辨率為1m?

圖3 HSI地面處理系統(tǒng)及獲得的高光譜數(shù)據(jù)

基于高光譜技術(shù)的海面目標(biāo)探測

高光譜數(shù)據(jù)具有多通道、譜段窄、準(zhǔn)確度高、信息量大等特點(diǎn)，與單一波段的目標(biāo)識別方式相比具有較大優(yōu)勢，因此被廣泛應(yīng)用于海面軍事目標(biāo)探測的研究中，主要包括海島偽裝軍事目標(biāo)的探測、海面艦船目標(biāo)探測、導(dǎo)彈預(yù)警等?

2.1基于高光譜數(shù)據(jù)海面目標(biāo)探測的物理基礎(chǔ)

高光譜數(shù)據(jù)具有圖譜合一的特點(diǎn)，因此在提取艦船目標(biāo)時(shí)，可以同時(shí)利用圖像特征及光譜特征進(jìn)行目標(biāo)信息的提取?隨著技術(shù)的進(jìn)步，高光譜設(shè)備的幾何分辨率及光譜分辨率不斷提升?例如美國戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星-3上搭載的高光譜成像儀，其幾何分辨率已經(jīng)達(dá)到5m，機(jī)載的高光譜成像儀分辨率可達(dá)10m?而海面的軍事艦艇目標(biāo)，其長度基本都在百米以上、寬度在數(shù)十米?因此，利用高光譜成像儀探測目標(biāo)時(shí)，基本上可以探測出目標(biāo)的外形輪廓?

另外，由于艦船等目標(biāo)一般為金屬結(jié)構(gòu)，而海洋背景為海水，根據(jù)近海岸海洋環(huán)境污染物和海洋水包信息的多樣性，一般認(rèn)為沿海海洋的光譜信號主要位于0.9μm以下。背景與目標(biāo)的輻射、散射特性存在明顯的差異，光譜圖像也有所不同，因此利用高光譜數(shù)據(jù)可以有效地區(qū)分水面上的目標(biāo)和背景?

另外對于一些隱形的水面艦艇，考慮到發(fā)動機(jī)及螺旋槳產(chǎn)生的溫度差異，利用高光譜獲取這些特征波段可以有效提取出艦船目標(biāo)?對于海島上的偽裝軍事目標(biāo)，由于當(dāng)前偽裝技術(shù)很難做到譜線與真實(shí)環(huán)境譜線一致，因此從高光譜數(shù)據(jù)中選擇特征波段，在光譜圖像中可以看出真實(shí)材料與偽裝材料之間的明顯差異，即利用高光譜目標(biāo)探測技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對偽裝目標(biāo)的探測?圖4為利用超光譜探測的偽裝目標(biāo)，左圖為傳統(tǒng)的彩色圖像，右圖為獲取偽裝目標(biāo)的偽彩圖像，此偽彩圖像是通過選取特定波段的光譜圖像進(jìn)一步合成的，可以明顯探測出偽裝坦克所在位置?

圖4 超光譜探測坦克試驗(yàn)

基于高光譜成像技術(shù)的水下目標(biāo)探測現(xiàn)狀

基于高光譜成像技術(shù)的水下目標(biāo)探測研究開始于上世紀(jì)90年代，研究主要集中在對接收到的潛艇反射光形成的高光譜圖像進(jìn)行分析，其探測結(jié)果依賴于反射光在水中的透射深度。1996年，先進(jìn)機(jī)載高光譜成像系統(tǒng)(AAHIS)被應(yīng)用于航空平臺上，借助于AAHIS光譜分辨能力，該系統(tǒng)可以很容易地探測出隱藏在海面下的暗礁、魚雷、潛艇、鯨魚等水下目標(biāo)。

圖5 美國海軍利用高光譜成像儀進(jìn)行水雷及潛艇探測實(shí)驗(yàn)

雖然通過試驗(yàn)表明采用光譜成像技術(shù)可實(shí)現(xiàn)最小地元分辨率米級或更小?水深30m內(nèi)的潛艇探測?但在實(shí)戰(zhàn)情況下，潛艇的下潛深度往往超過這一水深，因此，通過直接接收潛艇反射出來的光信號進(jìn)行潛艇目標(biāo)探測難以滿足深海區(qū)域的實(shí)戰(zhàn)要求?

由于高光譜設(shè)備探測深度有限，為了探測更深的水下潛艇目標(biāo)，考慮采用間接探測方式?已知潛艇在水下航行的過程中會產(chǎn)生尾流并擴(kuò)展到海面，通過檢測海面尾流來探測水下潛艇?根據(jù)尾流的產(chǎn)生機(jī)理，可將其分為四類，分別是由內(nèi)波?湍流和kelvin尾跡與海洋環(huán)境互相作用形成的航跡尾流;由螺旋槳推進(jìn)器或者泵噴推進(jìn)器在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)使海水空化產(chǎn)生的氣泡尾流;由潛艇航行時(shí)與海水摩擦及潛艇冷卻排放的熱量形成的熱尾流，以及由潛艇在航行時(shí)干擾海水各層的生物場，從而形成的生物光尾流?

針對不同類型的尾流，可采用不同類型的探測手段進(jìn)行檢測?目前，國內(nèi)外對尾流氣泡的研究主要基于SAR成像技術(shù)和激光雷達(dá)技術(shù)，本文在此基礎(chǔ)上就高光譜成像技術(shù)在熱尾流和生物光尾流探測上的應(yīng)用進(jìn)行初步的探討?

結(jié)論

本文概述了高光譜成像儀在海軍軍事目標(biāo)探測中的應(yīng)用，總結(jié)了光譜成像技術(shù)在海域目標(biāo)探測中的應(yīng)用現(xiàn)狀，對基于高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行海面軍事目標(biāo)探測和水下目標(biāo)探測的分析方法進(jìn)行了探討。研究表明，用于海面軍事目標(biāo)探測的高光譜成像儀在光譜分辨率、譜段范圍以及空間分辨率等方面的指標(biāo)不斷提升，并且在搭載于無人機(jī)平臺的目標(biāo)探測中表現(xiàn)優(yōu)異。

光譜成像技術(shù)在海域目標(biāo)探測中具有獨(dú)特的優(yōu)勢，光譜成像設(shè)備將在海軍的各武器裝備體系中發(fā)揮重要作用，成為支撐軍事力量變革和新質(zhì)戰(zhàn)斗力生成的重要技術(shù)途徑。

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審核編輯 黃宇