光谱成像技术是新一代光电探测技术,兴起于20世纪末,而后迅速形成研发热潮,至今方兴未艾。光谱成像技术兼具成像和光谱探测2个特性,其早期应用主要是针对其光谱探测特性,即通过对目标的连续谱进行分析,达到对目标的性质甚至是成分进行判断的目的,可用于遥感、遥测、探雷以及化学毒剂的非接触性探测等领域。这一类用途要求光谱分辨率较高,在数微米的波段范围内通常需要细分几十甚至几百个波段来进行光谱识别。本文概述的光谱成像在光电侦察告警领域的应用,是通过对细分的每个谱图的空间二维信息进行图像解读,用于侦察、探测、瞄准,提高识别概率。
1 光谱成像的概念
光电成像在侦察领域的常规应用,基本上都是基于可见光或红外波段的信号强度来建立的图像输出,而忽略了电磁波信号除振幅之外的大量信息,如光谱信息。利用光谱成像技术把这些信息加以综合利用可以大幅增强图像的可读性,从而有效提高对目标的辨识能力及作用距离。
1.1 单波段成像
通常人们对光电成像技术的认识有个误区:光敏器件的响应波段越宽越好,因为进入光学系统的能量会越多,探测距离也就越远。从某些方面看这种说法是有道理的,但从实际对目标识别的实际效果上看并不是这么回事。光电成像尤其是红外成像对目标的辨识,不止要关心接收到的辐射强度,更确切地说是通过目标与背景的对比度来实现的。响应带宽比较宽的话,目标的能量是增多了,但有可能背景增加的能量更多,有可能会让不必要的背景杂波进入画面,反而导致图像杂乱,对比度下降,更不容易识别目标。
理论上,仅从能量的角度考虑,按照普朗克(Planck)辐射曲线(如图1所示),假设目标温度为310K,背景温度为300K,计算目标背景对比度:全频段的对比度为C0~o~0.0657;长波宽波段(8μm~12μm)的对比度C8~12~0.0791;窄(200nm)波段(8μm~8.2μm)的对比度C8~8.2~0.0956。由此可以看出,在合适的谱段,谱带越宽,对比度越差,全频段的对比度最差。因此,单一宽波段成像,其效果可能反倒不如窄波段,但通过适当的技术手段将单一波段细分成若干个子波段进行多光谱成像,就会提高对目标的探测、识别效率。
1.2 光谱成像
光谱成像是将电磁波进行波长细分,在不同的波长段进行成像,可同时探测目标辐射强度的二维几何空间分布以及这一空间分布随波长的变化,它是一种成像技术和光谱技术相结合的信息获取技术。如果在目前军事应用较广的短波、中波或长波中的2个以上波段同时成像,可叫多色或多波段成像。在上述波段内再持续细分成像,通常根据传感器的光谱分辨率对光谱成像技术进行分类,一般分为3类:多光谱成像、高光谱成像和超光谱成像技术,即:
1)多光谱(multispectral)—△λ/λ=0.1左右;
2)高光谱(hyperspectral)—△λ/λ=0.01左右;
3)超光谱(ultraspectral)—△λ/λ=0.001左右。
图1 光谱辐射度曲线
光谱成像技术不同于传统的单一的宽波段成像技术的地方在于,它将成像技术和光谱测量技术相结合,获取的信息不仅包括二维空间信息,还包含随波长分布的光谱辐射信息,极大提高了目标探测的准确性,扩展了传统成像探测技术的信息量和功能。
依据不同目标的特性,结合大气传输的窗口特性,光谱成像的不同波段范围适合探测识别不同的目标。可粗略地分解为如下几个波段范围:
1)紫外波段(0.1μm~0.3μm)。用于大气中高速运动物体(如火箭、导弹、喷气式飞机等目标)的探测及其冲击波特性研究。由于大气对紫外的吸收很厉害,因此紫外探测仪器主要装备于卫星飞行平台。
2)可见光波段(0.39μm~0.76μm)。是太阳反射光谱区,与白天人眼观察效果等同。该波段的探测可以直观地反映出目标的物理特性,当然是目标探测不可或缺的手段。由于军事装备、军队部署等重要信息都进行了伪装,故对重要军事目标的识别反而不能过分依赖此波段。
3)近红外波段(0.76μm~2.5μm)。可见光至近红外波段是光谱测量最常利用的波段,本波段对应于植被的峰值反射。含有丰富的地物光谱信息,因而有利于植被的探测、分类与评估。在光谱分辨率提高到10nm时,对于识别军事目标,尤其是识别伪装具有突出的应用价值。
4)中波红外波段(3μm~5μm)。高温目标辐射区,可用于探测飞机尾喷气流、爆炸气体等高温物体的辐射光谱特征。
5)长波红外波段(8μm~14μm)。常温目标辐射区,是实现昼夜战场侦察、监视,识别伪目标、消除背景干扰的主要工作波段,并且也是多种化学物质的特征吸收光谱所在区,可用于生化战剂的探测。
2 光谱成像的应用
光谱成像在军事上的应用可分为两类:第一类是通过细分的每个谱图的空间二维信息进行图像解读,在侦察中用于识别伪装,提高识别概率。它主要是针对目标和背景的辐射对比度来进行目标探测和识别的,利用不同波段间背景的高相关性来抑制杂波,提高信噪比,因此需要针对特定的目标进行谱段的划分和带宽的选择[3]。第二类用途是对目标的连续谱进行谱分析,从而对目标的性质甚至是成分进行特征鉴别,可用于遥感、遥测、探雷以及化学毒剂的非接触性探测等。这一类用途由于要进行发射或吸收光谱的分析,要求的光谱分辨率较高,在数微米的波段范围内通常需要细分几十甚至几百个波段来进行谱识别。
2.1 可见光/近红外光谱侦察
美国海军研究室(NRL)支持开发的高光谱数字图像仪是一款机载扫描式超光谱成像光谱仪,范围覆盖可见到近红外(0.4μm~2.5μm),以10nm光谱间隔采集206个波段数据。1999年,NRL进行了Dark-HORSE实验项目,其目的是为搭载在无人机上进行战场侦察提供支持。两次飞行试验获得了Weather/Aberden山地的图像数据。数据处理结果表明:高分辨率全色图像和高光谱图像能为战略级的侦察提供良好辅助,特别是在战术目标的自动、实时检测方面取得了较好的效果。
2.2 红外目标背景探测
在20世纪第一次海湾战争中,美军发现很难探测到处于沙漠热背景中伪装的导弹发射车、坦克等军事目标。工作于单一宽波段的红外热像仪经常会受到背景的热杂波信号干扰,并且在夜昼交替温度变化的时刻,目标和背景的宽波段辐射探测信号差异基本为零,处于不可用状态。
针对此类问题,美军提出了红外波段多光谱探测的概念,由空军、海军、陆军和国防部高级计划署等部门联合启动了"联合多光谱计划(JMSP,随后展开了一系列试验研究,经过对目标、背景的光谱特征数据的综合分析,确定中心波长为8.7μm、9.15μm、9.35μm,具有200nm带宽的3个波段为红外探测的最佳组合波段。在这几个波段探测,可以将绝大多数目标正确区分。这3个波段已成为推荐的机载前视红外(FLIR)系统的探测波段。
2.3 导引头对飞机的识别
空-空或地-空导弹的导引头需要具备自主识别目标和诱饵的能力,超光谱成像技术为此提供了解决方案。同时利用目标的图像和光谱信息,导引头可以自主区分与识别飞机目标和诱饵。美国OKSI公司在1992年左右,对超光谱成像技术在智能导引头上的应用进行了研究。由于飞机尾喷、引擎外壁等目标和红外诱饵都是高温物体,该成像光谱仪工作于可见/近红外光谱区(0.5μm~1μm)及中波红外光谱区(2.5μm~5μm)。卡塞格林物镜会聚入射光,分束镜将0.5μm~1μm光反射至可见/近红外分光光路,由CCD接收;将2.5μm~5μm红外辐射透射至红外分光光路,由InSb阵列接收,实现了在诱饵中识别飞机的目的。
荷兰TNO国防、保密与安全研究机构研究了在中波红外范围寻求2个波段最佳组合的方法,该方法主波段取在4.49μm~4.56μm,第二波段取在3.5μm附近的一个窄带光谱,不但可以提高红外传感器的探测距离,而且还可以区分多种导弹推进剂。
2.4 弹道导弹告警
对处于助推段的弹道导弹进行光谱成像探测,可以准确探测到导弹的发射地点,从而进行拦截,并且通过尾焰光谱特征还可获知推进剂类型、发动机尺寸等重要参数。处于助推阶段的弹道导弹,由于尾焰大量放热,相对于飞行中段和再入大气层阶段更容易探测。在最近的试验中,采用3μm~5μm和8μm~12μm的中波/长波量子阱双色焦平面阵列对Atlas5运载火箭的助推段进行成像探测,发现火箭弹体在8μm~12μm长波区可见,而在3μm~5μm的中波区探测不到,这给导弹弹体形心瞄准点的确定提供了依据。因此,适应这种远距离、大视场、高速探测的、大尺寸、双色或多色红外焦平面阵列器件迅速发展了起来。
3 光谱成像的实现途径
光谱成像的实现主要有3种方式:多通道、多色器件和分光方式。
3.1 多通道成像
多通道成像的本质其实就是通过多台不同波段的成像设备或共孔径分光路多探测器成像设备进行各波段分别成像,由于此方式实现成本比较高,设备体积较大,因此基本只能实现几个波段的成像。由于多波段图像同时输出,如果用人眼判读反应时间较长,且短时间内很难把有效特征综合,因此通常选择在后期进行图像融合,关键点是不同图像间的像素空间配准和图像融合策略,如果融合的不好,反而会导致降低对图像的分辨能力。
3.2 多色器件成像
其实大家最熟悉也是最普通的光谱成像装置是人的眼睛。人眼与普通的光电成像系统在结构上大体相同,但实质上两者有个重要区别在于人眼可同时对颜色(即波长)和亮度(即振幅)敏感,而普通光电成像系统(如热像仪)只对某个波段的信号幅度敏感,并不能进行颜色的细分,这其中源于人眼视网膜上有感受强光和颜色的视椎细胞,使得人脑可对不同波长的光线进行颜色合成,因此人眼实质上是一台光谱成像设备。
从人眼成像的原理可看出,实现光谱成像最简单的方法就是采用多色探测器。目前国内外主要红外探测器研发单位均把多色器件作为研究重点,其中双色探测器已经投入实用,正在研发多色器件,美国QWIPTECH公司及JPL实验室已研发出多色量子阱器件。
3.3 分光成像
分光光谱成像是多光谱、超光谱成像的主要方式,是通过各种分光手段将需要的光谱波段细分,同时将入射的目标辐射信号投射到单个探测器上进行光谱成像,典型的分光手段有滤光片方式和干涉方式。
法国LETI实验室研发出一款紧凑型多光谱红外热像仪,其技术关键是基于微透镜阵列和滤光片技术的红外探测器组件,通过不同谱带的光谱滤光片将入射光分成n个光谱通道,再通过微透镜阵列将相应的入射光汇聚到多元面阵的碲镉汞探测器上,再加上1个无滤波通道,可以在一个红外探测器上实时的得到n+1幅不同谱段的红外图像。
此外,还有一种应用较广的多光谱成像手段是干涉光谱成像,如傅里叶变换光谱成像。基本原理是通过场景扫描和麦克尔逊干涉仪在红外探测器上形成场景的不同光程差的红外信号干涉图,再进行傅里叶变换既可将干涉图转变为光谱图。这类光谱成像的光谱分辨率较高,可用于战场毒剂探测等应用。
4 光谱成像的关键技术
光谱成像技术用于光电侦察告警工程技术领域需要重点关注如下关键技术问题:
1)高光谱、超光谱成像光谱仪设计。涉及到光学、精密机械、伺服控制及图像数据处理技术等领域,系统集成复杂。较之传统的成像仪器增加了分光部件等,必然导致体积重量增加、可靠性下降等问题。能否解决好这些问题是其走向工程化应用的一个关键。
2)大气传输的校正。要得到真实的光谱辐射信息,必须研究对光谱细分的大气传输模型。由于大气污染等原因,实际大气成分变化较大,利用传统的大气传输计算软件LOWTRAN或MODTRAN来进行透过率计算偏差较大。而实际大气传输数据库,尤其是光谱传输数据积累并不充分。
3)光谱数据的分析处理。由于光谱细分必然带来海量数据处理,对现有的信号处理系统的处理速度和数据存储能力都是一个挑战,同时要加强各种算法研究,如多元假设分类算法、相关分析、匹配滤波器、最佳波段选择、亚像素目标判别和神经网络分类等。与该领域的处理硬件发展速度相比,更应大力加强光谱数据软件处理技术的研究。
4)光谱数据库的建立。在有效地运用多光谱、高光谱和超光谱成像技术探测目标之前,需要对各种特定目标进行光谱特征测定,建立标准目标光谱数据库,这是一个庞大而艰巨的任务。
5 结论
多光谱、高光谱等光谱成像技术将传统二维成像技术与光谱仪技术有机结合,能在获取二维空间几何信息的同时,以高光谱分辨率获取目标的光谱信息,可大幅度地提高光电设备性能。在军事应用领域越来越受到重视,不仅可以有效提高侦察与告警设备对目标的识别概率,降低虚警率,还可识别伪装,且可用于战场毒剂探测和成分分析。光谱成像技术的掌握和运用必将对未来高技术战争中掌握战场信息主动权发挥更大的作用。
本文转载于《应用光学》，版权归《应用光学》编辑部所有
