高光譜成像系統：光譜成像技術在海域目標探測中的應用

在現代戰爭中，信息對抗已經成為決定戰爭勝負的關鍵，而基于航空平臺獲取軍事信息具有時效性強，偵查范圍廣等特點，是重要的偵察手段之一。利用高光譜成像技術對地、對海進行偵察將獲取更豐富的目標信息，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越性

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

高光譜成像儀在軍事上的應用

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

圖1 AIS系統工作原理示意圖

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

圖2 AVIRIS系統光機結構及ER-2機載平臺

采用無人機平臺，搭載可見光、近紅外高光譜載荷及線陣高分辨率相機進行試驗，重點驗證高光譜載荷的相關算法和處理能力，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時像元分辨率為1m?

圖3 HSI地面處理系統及獲得的高光譜數據

基于高光譜技術的海面目標探測

高光譜數據具有多通道、譜段窄、準確度高、信息量大等特點，與單一波段的目標識別方式相比具有較大優勢，因此被廣泛應用于海面軍事目標探測的研究中，主要包括海島偽裝軍事目標的探測、海面艦船目標探測、導彈預警等?

2.1基于高光譜數據海面目標探測的物理基礎

高光譜數據具有圖譜合一的特點，因此在提取艦船目標時，可以同時利用圖像特征及光譜特征進行目標信息的提取?隨著技術的進步，高光譜設備的幾何分辨率及光譜分辨率不斷提升?例如美國戰術衛星-3上搭載的高光譜成像儀，其幾何分辨率已經達到5m，機載的高光譜成像儀分辨率可達10m?而海面的軍事艦艇目標，其長度基本都在百米以上、寬度在數十米?因此，利用高光譜成像儀探測目標時，基本上可以探測出目標的外形輪廓?

另外，由于艦船等目標一般為金屬結構，而海洋背景為海水，根據近海岸海洋環境污染物和海洋水包信息的多樣性，一般認為沿海海洋的光譜信號主要位于0.9μm以下。背景與目標的輻射、散射特性存在明顯的差異，光譜圖像也有所不同，因此利用高光譜數據可以有效地區分水面上的目標和背景?

另外對于一些隱形的水面艦艇，考慮到發動機及螺旋槳產生的溫度差異，利用高光譜獲取這些特征波段可以有效提取出艦船目標?對于海島上的偽裝軍事目標，由于當前偽裝技術很難做到譜線與真實環境譜線一致，因此從高光譜數據中選擇特征波段，在光譜圖像中可以看出真實材料與偽裝材料之間的明顯差異，即利用高光譜目標探測技術來實現對偽裝目標的探測?圖4為利用超光譜探測的偽裝目標，左圖為傳統的彩色圖像，右圖為獲取偽裝目標的偽彩圖像，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

基于高光譜成像技術的水下目標探測現狀

基于高光譜成像技術的水下目標探測研究開始于上世紀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行分析，其探測結果依賴于反射光在水中的透射深度。1996年，先進機載高光譜成像系統(AAHIS)被應用于航空平臺上，借助于AAHIS光譜分辨能力，該系統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。

圖5 美國海軍利用高光譜成像儀進行水雷及潛艇探測實驗

雖然通過試驗表明采用光譜成像技術可實現最小地元分辨率米級或更小?水深30m內的潛艇探測?但在實戰情況下，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行潛艇目標探測難以滿足深海區域的實戰要求?

由于高光譜設備探測深度有限，為了探測更深的水下潛艇目標，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生尾流并擴展到海面，通過檢測海面尾流來探測水下潛艇?根據尾流的產生機理，可將其分為四類，分別是由內波?湍流和kelvin尾跡與海洋環境互相作用形成的航跡尾流;由螺旋槳推進器或者泵噴推進器在運轉時使海水空化產生的氣泡尾流;由潛艇航行時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行檢測?目前，國內外對尾流氣泡的研究主要基于SAR成像技術和激光雷達技術，本文在此基礎上就高光譜成像技術在熱尾流和生物光尾流探測上的應用進行初步的探討?

結論

本文概述了高光譜成像儀在海軍軍事目標探測中的應用，總結了光譜成像技術在海域目標探測中的應用現狀，對基于高光譜數據進行海面軍事目標探測和水下目標探測的分析方法進行了探討。研究表明，用于海面軍事目標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不斷提升，并且在搭載于無人機平臺的目標探測中表現優異。

光譜成像技術在海域目標探測中具有獨特的優勢，光譜成像設備將在海軍的各武器裝備體系中發揮重要作用，成為支撐軍事力量變革和新質戰斗力生成的重要技術途徑。

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審核編輯 黃宇