高光谱成像系统：光谱成像技术在海域目标探测中的应用

在现代战争中，信息对抗已经成为决定战争胜负的关键，而基于航空平台获取军事信息具有时效性强，侦查范围广等特点，是重要的侦察手段之一。利用高光谱成像技术对地、对海进行侦察将获取更丰富的目标信息，极大地提高了航空侦察能力，相对于其他侦察方式具有一定的优越性

与传统的遥感数据源相比，高光谱数据具有光谱范围宽、谱段多、光谱分辨率高的特点，高光谱成像仪的工作波长覆盖太阳反射光谱区，波段宽度达到纳米量级，波段数急剧增多，从可见光到近红外光谱区间的波段数可达几十个乃至几百个｡

高光谱成像仪在军事上的应用

20世纪70年代末，美国加州理工学院的相关学者首先提出了光谱成像仪的研究计划，开展了碲镉汞面阵探测器推扫式(Pushbroom)光谱成像仪(AIS)机载试验样机的研制工作，并获得了NASA的支持，其中AIS系统的工作原理如图1所示。

图1 AIS系统工作原理示意图

20世纪80年代，摆扫式(Whiskbroom)光谱成像仪AVIRIS其光机结构及机载平台如图2所示｡在0.4~2.5μm的光谱范围内可获取224个波段的光谱信息，空间分辨率为20m，穿轨方向的像元数达到了600，是目前最常用的机载光谱仪之一｡

图2 AVIRIS系统光机结构及ER-2机载平台

采用无人机平台，搭载可见光、近红外高光谱载荷及线阵高分辨率相机进行试验，重点验证高光谱载荷的相关算法和处理能力，其中高光谱成像仪(HSI)在可见和近红外部分(450~900nm)可覆盖64个谱段，视场角为9.3°，在典型飞行高度3km时像元分辨率为1m｡

图3 HSI地面处理系统及获得的高光谱数据

基于高光谱技术的海面目标探测

高光谱数据具有多通道、谱段窄、准确度高、信息量大等特点，与单一波段的目标识别方式相比具有较大优势，因此被广泛应用于海面军事目标探测的研究中，主要包括海岛伪装军事目标的探测、海面舰船目标探测、导弹预警等｡

2.1基于高光谱数据海面目标探测的物理基础

高光谱数据具有图谱合一的特点，因此在提取舰船目标时，可以同时利用图像特征及光谱特征进行目标信息的提取｡随着技术的进步，高光谱设备的几何分辨率及光谱分辨率不断提升｡例如美国战术卫星-3上搭载的高光谱成像仪，其几何分辨率已经达到5m，机载的高光谱成像仪分辨率可达10m｡而海面的军事舰艇目标，其长度基本都在百米以上、宽度在数十米｡因此，利用高光谱成像仪探测目标时，基本上可以探测出目标的外形轮廓｡

另外，由于舰船等目标一般为金属结构，而海洋背景为海水，根据近海岸海洋环境污染物和海洋水包信息的多样性，一般认为沿海海洋的光谱信号主要位于0.9μm以下。背景与目标的辐射、散射特性存在明显的差异，光谱图像也有所不同，因此利用高光谱数据可以有效地区分水面上的目标和背景｡

另外对于一些隐形的水面舰艇，考虑到发动机及螺旋桨产生的温度差异，利用高光谱获取这些特征波段可以有效提取出舰船目标｡对于海岛上的伪装军事目标，由于当前伪装技术很难做到谱线与真实环境谱线一致，因此从高光谱数据中选择特征波段，在光谱图像中可以看出真实材料与伪装材料之间的明显差异，即利用高光谱目标探测技术来实现对伪装目标的探测｡图4为利用超光谱探测的伪装目标，左图为传统的彩色图像，右图为获取伪装目标的伪彩图像，此伪彩图像是通过选取特定波段的光谱图像进一步合成的，可以明显探测出伪装坦克所在位置｡

图4 超光谱探测坦克试验

基于高光谱成像技术的水下目标探测现状

基于高光谱成像技术的水下目标探测研究开始于上世纪90年代，研究主要集中在对接收到的潜艇反射光形成的高光谱图像进行分析，其探测结果依赖于反射光在水中的透射深度。1996年，先进机载高光谱成像系统(AAHIS)被应用于航空平台上，借助于AAHIS光谱分辨能力，该系统可以很容易地探测出隐藏在海面下的暗礁、鱼雷、潜艇、鲸鱼等水下目标。

图5 美国海军利用高光谱成像仪进行水雷及潜艇探测实验

虽然通过试验表明采用光谱成像技术可实现最小地元分辨率米级或更小､水深30m内的潜艇探测｡但在实战情况下，潜艇的下潜深度往往超过这一水深，因此，通过直接接收潜艇反射出来的光信号进行潜艇目标探测难以满足深海区域的实战要求｡

由于高光谱设备探测深度有限，为了探测更深的水下潜艇目标，考虑采用间接探测方式｡已知潜艇在水下航行的过程中会产生尾流并扩展到海面，通过检测海面尾流来探测水下潜艇｡根据尾流的产生机理，可将其分为四类，分别是由内波､湍流和kelvin尾迹与海洋环境互相作用形成的航迹尾流;由螺旋桨推进器或者泵喷推进器在运转时使海水空化产生的气泡尾流;由潜艇航行时与海水摩擦及潜艇冷却排放的热量形成的热尾流，以及由潜艇在航行时干扰海水各层的生物场，从而形成的生物光尾流｡

针对不同类型的尾流，可采用不同类型的探测手段进行检测｡目前，国内外对尾流气泡的研究主要基于SAR成像技术和激光雷达技术，本文在此基础上就高光谱成像技术在热尾流和生物光尾流探测上的应用进行初步的探讨｡

结论

本文概述了高光谱成像仪在海军军事目标探测中的应用，总结了光谱成像技术在海域目标探测中的应用现状，对基于高光谱数据进行海面军事目标探测和水下目标探测的分析方法进行了探讨。研究表明，用于海面军事目标探测的高光谱成像仪在光谱分辨率、谱段范围以及空间分辨率等方面的指标不断提升，并且在搭载于无人机平台的目标探测中表现优异。

光谱成像技术在海域目标探测中具有独特的优势，光谱成像设备将在海军的各武器装备体系中发挥重要作用，成为支撑军事力量变革和新质战斗力生成的重要技术途径。

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审核编辑 黄宇