超光谱多光谱.doc

高光谱成像仪军事用途的寻求 引言： 多光谱、超光谱成像技术是新一代光电探测技 术，兴起于2O世纪8O年代，90年代后形成研发热潮， 至今仍在迅速发展之中。由于其特有的兼具成像和光 谱探测的优点，已广泛应用于陆地海洋地理遥感，大 气、土壤和水体的污染物遥感监测，医疗光谱成像诊 断，军事目标侦查探测、监视等多个军事和民用领域。 任何先进技术总是优先应用于军事领域，超光谱 成像技术也是为满足军事上的需求而发展起来的，军 事技术较发达的国家对此倾注了大量资金和人力，使 该技术达到了一定的应用水平。　　原理：　　光谱成像技术原理和特点 多光谱、超光谱成像技术不同于传统的单一宽波 段成像技术，而是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『白J信息，还包含随波长分 布的光谱辐射信息，形成所谓的“数据立方”。丰富的目标光谱信息结合目标空间影像极大提高了目标探测的准确性、扩展了传统探测技术的功能。 　　多光谱探测技术采用的工作波段较少，一般为 10~20个，光谱分辨率在AA／A=O．1左右。超光谱探测技 术采用更多的工作波段，一般为100-200个，光谱分辨 率在AA／A=O．01左右。随着技术的进步，已经出现了超 高光谱探测技术的概念，即工作波段达到约l 000个。 超光谱探测技术的工作波段比多光谱探测技术 多，但并不意味前者优于后者，它们各有不同的适用场 合。多光谱探测设备往往为特定的应用而设计，工作波 段数目和宽度都是经过事先优化选择的，适用于一个 场合的设备通常不适用其他场合。超光谱探测设备有 更高的光谱分辨率，可用于多种工作场合，有更强的适 应性，可作为多光谱探测设备波段选择的研究工具。但 是，对于特定的工作环境和对象，采用多光谱探测技术 更经济、简便，信噪比更高，数据处理更简单。?　　 工作光谱区的应用 光谱成像技术可根据不同的需要应用于可见／近 红外波段(0．35-2．5 p,m)、中波红外波段(3-5 p,m)、长 波红外波段(8-14 m)等光谱范围。 可见／近红外波段是太阳反射光谱区，在该波段 探测地表物体的反射可以获取土壤类型、水体特性、 植被分布及军事装备、军队部署等信息；中波红外波 段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；长波红外波段则是实现昼夜战场侦 查、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军事应用 热红外多光谱目标，背景探测技术 20世纪90年代的海湾战争中，美军很难探测到 处于中、高沙漠热背景中伪装的“飞毛腿”导弹发射 车、坦克等军事目标。工作于单一宽波段的热红外探测器经常会受到背景热杂波信号干扰，并且在昼夜、 夜昼交替的两个温度变化时刻，目标和背景的宽波段 辐射差异基本为零，处于不可用状态。 针对此类问题，美军提出了热红外(3—12 m)波 段多光谱探测的概念，由空军、海军、陆军和国防部高 级计划署等部门协同启动了“联合多光谱计划 (JMSP)”， 1993~1994年，分别在红石兵工厂、赖特·帕特森 空军基地和陆军白沙导弹试验场等地进行了一系列 红外超光谱现场测试，使用密歇根环境研究所的光谱 分辨率为8 cm 的高灵敏度傅里叶变换红外光谱仪， 在树冠、草地、雪地和沙漠等背景中，对涂有军用涂料 的靶板、军用和民用车辆进行了试验。结果表明，自然 背景的辐射谱段之间存在很高的相关性，可以选择合 适的探测谱段区分目标和背景，即使在昼夜、夜昼交 替时刻探测性能也不受影响。 该项目包括试验论证、超光谱成像光谱仪论证设 计和机载超光谱成像验证三个阶段。试验论证阶段，使 用傅里叶变换红外光谱仪，在约300 m 的观测塔上对目 标、背景进行观测，超光谱成像光谱仪的设计中，设计制造了中波、长波双焦平面阵列棱镜色散式 成像光谱仪SEBASS系统。第三阶段中，在大范 围的场景中对该技术进行了机载超光谱成像验证。 经过对目标、背景光谱特征数据分析，确定200 nm 带宽，中心波长为8．7、9．15、9．35 m 的三个波段为热红 外探测最佳组合波段，成为推荐的机载前视红外系统的 探测波段。　　智能导弹导引头和飞机、导弹告警 随着红外对抗措施和诱饵技术的发展，空一空或 地一空导弹的导引头需要具备自主识别目标和诱饵的 能力，该问题同样存在于飞机、导弹告警装置中。超光 谱成像技术为此提供了有前景的解决方案，同时利用 目标的图像和光谱信息，有可能得到具有目标，诱饵 高度自主识别能力的智能导引头。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／近红外光谱区及 中波红外光谱区。为了实现信号处理的实时化，开发了一项称之为 “伪光谱”的技术，从原来的超光谱信号数据中去除大 气传输