第３６卷第１期
Ｖｏｌ．３６Ｎｏ．１
红外与激光工程
ＩｎｆｒａｒｅｄａｎｄＬａｓｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
２００７年２月Ｆｅｂ．２００７
多光谱、超光谱成像技术在军事上的应用
许洪，王向军
（天津大学精密仪器与光电子工程学院，天津３０００７２）
摘
要：对多光谱、超光谱成像技术的原理、特点，以及二者之间的区别和联系等技术问题进行了
较为详细的讨论，并重点列举了该项技术在军事上的应用，较全面地介绍了多光谱、超光谱成像技术在军事应用中的使用方法和研究状况，以及成像光谱仪器的发展水平和有关技术，并对该技术的发展趋势进行了展望。
关键词：多光谱成像；中图分类号：ＴＰ７５１
超光谱成像；文献标识码：Ａ
军事应用；
成像光谱仪；
光谱探测
文章编号：１００７－２２７６（２００７）０１－００１３－０５
Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆｍｕｌｔｉｓｐｅｃｔｒａｌ／ｈｙｐｅｒｓｐｅｃｔｒａｌｉｍａｇｉｎｇ
ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｉｎｍｉｌｉｔａｒｙ
ＸＵＨｏｎｇ，ＷＡＮＧＸｉａｎｇ!ｊｕｎ
（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＰｒｅｃｉｓｉｏｎＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｎｄＯｐｔｏ!ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＴｉａｎｊｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ３０００７２，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｍｕｌｔｉｓｐｅｃｔｒａｌａｎｄｈｙｐｅｒｓｐｅｃｔｒａｌｉｍａｇｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓａｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄ，ａｎｄｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅａｎｄｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｍ，ａｓｗｅｌｌａｓｏｔｈｅｒｔｅｃｈｎｉｃａｌｃｏｎｃｅｐｔｓ，ａｒｅａｌｓｏｅｘｐｌａｉｎｅｄ．Ｔｙｐｉｃａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆｓｕｃｈｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｏｎｍｉｌｉｔａｒｙａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｓａｎｄｅｘｉｓｔｉｎｇｓｔａｔｅａｒｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅｔｅｃｈｎｉｃａｌｌｅｖｅｌｏｆｉｍａｇｉｎｇｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒｓａｎｄｒｅｌａｔｅｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓａｒｅｔｈｅｎｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｔｒｅｎｄｏｆｍｕｌｔｉｓｐｅｃｔｒａｌａｎｄｈｙｐｅｒｓｐｅｃｔｒａｌｉｍａｇｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｉｓｅｘｐｅｃｔｅｄ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｍｕｌｔｉｓｐｅｃｔｒａｌｉｍａｇｉｎｇ；
ｍｅｔｅｒ；
Ｈｙｐｅｒｓｐｅｃｔｒａｌｉｍａｇｉｎｇ；
Ｍｉｌｉｔａｒｙａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ；
Ｉｍａｇｉｎｇｓｐｅｃｔｒｏ!
Ｓｐｅｃｔｒａｌｄｅｔｅｃｔｉｏｎ
该技术达到了一定的应用水平。
０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２０世纪８０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
１原理
１．１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间信息，还包含随波长分布的光谱辐射信息，形成所谓的“数据立方”，如图１所示。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。
收稿日期：２００６－０８－１９；修订日期：２００６－１１－０１
作者简介：许洪（１９７５－），男，北京人，博士研究生，主要从事红外多光谱目标探测方面的研究。Ｅｍａｉｌ：ｘｕｈｏｎｇｐｏｓｔ＠１６３．ｃｏｍ
导师简介：王向军（１９５５－），男，黑龙江哈尔滨人，博士生导师，主要从事精密测试技术及仪器、光电探测技术、影像与视觉测量方面的研
究工作。Ｅｍａｉｌ：ｘｄｏｃｕｘｊｗ＠ｖｉｐ．１６３．ｃｏｍ
１４
红外与激光工程第３６卷
图１超光谱成像的“数据立方”
Ｆｉｇ．１Ｈｙｐｅｒｓｐｅｃｔｒａｌｄａｔａｃｕｂｅ
１．２技术划分和内在联系
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!λ／λ＝０．１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!λ／λ＝０．０１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１０００个，
!λ／λ≤０．００１。
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。
１．３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（０．３５～２．５μｍ）、中波红外波段（３～５μｍ）、长波红外波段（８～１４μｍ）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
２．１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（３～１２μｍ）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）”
，有关情况可见参考文献［１－４］。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８ｃｍ－１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３００ｍ的观测塔上对目标、背景进行观测，如图２所示。
超光谱成像光谱仪的设图２傅里叶变换光谱仪构造的光谱数据采集设备
Ｆｉｇ．２ＨｙｐｅｒｓｐｅｃｔｒａｌｄａｔａｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｃｏｎｓｔｉｔｕｔｅｄｂｙＦＴＳ
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，如图３所示，中波分辨率为
图３中波、长波红外超光谱成像光谱仪ＳＥＢＡＳＳ系统
Ｆｉｇ．３ＭＷＩＲ／ＬＷＩＲｈｙｐｅｒｓｐｅｃｔｒａｌｉｍａｇｉｎｇｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒＳＥＢＡＳＳ
第１期
许洪等：多光谱、超光谱成像技术在军事上的应用１５
长波分辨率为０．０４!ｍ。第三阶段中，在大范!ｍ、
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２００ｎｍ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［５］，基本结构如图４所示。
气传输率很低的波段，合并一些波段后，得到简化的数据集，从而可以满足实时处理的要求。采用超光谱成像技术的新型空－空导弹导引头已申请专利［６］。
保密与安全在告警技术研究中，荷兰ＴＮＯ国防、
研究机构研究了在中波红外范围寻求两个波段最佳组合的方法［７］，该方法主波段取在４．４９～４．５６μｍ，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。
２．３超光谱成像技术在地雷探测中的应用
高效安全的地雷探测，特别是小体积反步兵的地雷探测，一直是军事领域中的难点。近年来，超光谱探测技术在地雷探测领域也展现了巨大的潜力。关于超光谱成
图４多光谱探测前视红外系统（ＦＬＩＲ）通用组件
像技术在地雷探测方面的研究可参见参考文献［８－１０］。
地雷可分为掩埋雷和地表放置雷，根据选取照明源不同，可分为被动或主动探测方式。
对于掩埋雷，利用超光谱技术探测的依据为：当被掩埋雷的表层为裸土，由于埋雷过程中的翻动，底部小颗粒土壤翻至表层，通常自然界中总是大颗粒土壤置细土壤的光谱反射率、辐射率不相同，于上层，由于粗、
有雷地表和无雷地表在超光谱图像上呈现出差异。如果被掩埋雷表层长有草被，由于土壤中地雷的阻隔，上、下土层水分不流通，干旱时会导致上层缺水，由于干旱应激反应，从而致使其反射率、辐射率发生改变，这样就可以通过超光谱成像技术探测到地雷。
对于投放于地表的小地雷，可以直接利用超光谱成像技术进行探测，并且由于地雷表面多具有一定几何形状，还可利用空间图像信息辨别地雷，但要求有较高的空间分辨率。
弹道导弹助推段分辨２．４毁伤效果评估、
高要求的弹药毁伤效果评估需要对重金属成分的辐射光谱和爆炸火球的形态发展进行探测；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。这些应用都属于高速运动场景的探测，由于物体的高速运动和可以探测的光谱波段数目存在矛盾，因此通常只在少数几个波段以凝视成像方式进行。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起来，以ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ为材料制备的量子阱、量子点阵列，具有良好的像元均匀性和光谱响应可连续调谐等优点，在制作大尺寸、多色阵列上
Ｆｉｇ．４ＣｏｍｍｏｎｍｕｌｔｉｓｐｅｃｔｒａｌＦＬＩＲｍｏｄｕｌｅ
导弹告警２．２智能导弹导引头和飞机、
随着红外对抗措施和诱饵技术的发展，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，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。
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，试验装置如图５所示。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。卡塞格林物镜会聚入射光，分束镜将
５００～１０００ｎｍ可见／近红外光反射至相应分光光路，由２５６×２５６元ＣＣＤ接收；将２．５～５μｍ中波红外辐射透射至红外分光光路，由１６０×１２０元ＩｎＳｂ阵列接收。
图５智能导弹导引头（ＩＭＳ）超光谱实验装置
Ｆｉｇ．５ＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＭｉｓｓｉｌｅＳｅｅｋｅｒ（ＩＭＳ）ｈｙｐｅｒｓｐｅｃｔｒａｌｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ
ａｐｐａｒａｔｕｓ
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
１６
红外与激光工程第３６卷
具有优势，目前已制备出６４０×５１２元双色和四色中、长波焦平面阵列［１１］。
在美国的“国家导弹防御计划”中，采用了可见光、短波红外、中波红外和长波红外四个光谱段对地基动能拦截器的大气层外目标拦截的效果进行观测评估，如图６所示。
图６地基拦截器大气层外目标拦截场景的多波段成像观测
Ｆｉｇ．６Ｍｕｌｔｉｓｐｅｃｔｒａｌｉｍａｇｉｎｇｏｆｅｘｏａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃｉｎｔｅｒｃｅｐｔｉｏｎ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３～５μｍ和８～１２μｍ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了成像探测
［１２］
，发现火箭弹体在８～１２μｍ长波
区可见，而在３～５μｍ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。
３仪器与技术
按照分光的不同机理，光谱仪器主要分为滤波式、色散式、时间型和空间型傅里叶变换红外光谱仪四大类。成像技术结合不同的光谱分光技术，形成了相应的成像光谱仪器，由于工作原理不同，各类仪器有结构差异，适用于不同的使用需要。军事上，由于色散式和滤波式成像光谱仪往往能满足恶劣的战场条件，所以应用较广；傅里叶变换红外成像光谱仪具有光谱分辨率高、通光量大等优点，但因为结构精密复杂、需要稳定平台，不适宜恶劣工作环境，所以在现场中应用较少。
实践证明，色散式成像光谱仪是一种能很好地适应现场使用的超光谱成像仪器，结构坚固紧凑、光谱分辨率高、不怕震动，图３中的ＳＥＢＡＳＳ系统就是其典型代表。近来，由ＳＳＧＰｒｅｃｉｓｉｏｎＯｐｔｒｏｎｉｃｓ公司为美空军研制的用于卫星、机载遥感的中波／长波红外双倍频超光谱成像光谱仪用一块闪耀光栅对中波和长波红外辐射同时分光，用一块中波／长波双色焦平面阵列同时探测接
收，不必使用分光镜，构成一体化光路，如图７所示，使得系统质量、体积、能耗和热性能等指标大为改善，代表了目前色散式成像光谱仪的较高水平［１３］。
图７红外双倍频超光谱成像光谱仪的光机设计
Ｆｉｇ．７Ｄｕａｌ"Ｏｃｔａｖｅｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒｏｐｔｏ"ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｄｅｓｉｇｎ
传统的滤波片滤波方式是构造多光谱成像光谱仪的常用手段。近十几年来，随着微机电技术的发展，开发出了可连续调整光谱透过率、单元尺寸和像元尺寸匹配的新型滤波器阵列。这种可调谐的滤波器阵列置于光电传感器阵列前方，经过与像元配准，就可实现一种超光谱成像光谱仪。图８所示是一个腔长可
图８法－珀微腔干涉滤波单元
Ｆｉｇ．８ＴｕｎａｂｌｅＦａｂｒｙ"Ｐａｒｏｔｆｉｌｔｅｒ
由电压控制的法－珀微腔干涉滤波单元，通过电压改变腔长，可以控制透过干涉微腔的出射光波长。此外，常用的可调谐滤波器还有电压调谐晶体滤波器和声光调谐滤波器。
近年来，随着技术的发展，出现了一些原理新颖的红外成像光谱仪器［１４－１５］，典型的有美国太平洋高级技术公司研制的利用单个透镜的轴向色差色散成像的成像光谱仪，以及美国固态科学公司研制的计算层析型超光谱成像光谱仪。
第１期
许洪等：多光谱、超光谱成像技术在军事上的应用１７
４发展趋势
多光谱、超光谱成像技术的发展趋势主要为以下五方面：
（１）多光谱、超光谱成像技术在军事上的应用越来越广泛。
（２）各种目标／背景光谱特性的研究将越来越深入，建立大量标准光谱特征数据库。
（３）各种新材料、新技术的应用导致新的成像光谱仪器体积更小、性能更高。
（４）大规模传感器阵列、
读出电路、存储介质和信息处理技术的发展，推动该技术向更高的光谱分辨率、更高的空间分辨率方向发展。
（５）光谱、
图像数据的处理算法将更高效、快捷，进一步满足实时处理的需要。
５总结
多光谱、超光谱成像技术由于其独特的优点，受到各军事强国的重视，该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具有重大的意义。我国在这方面起步较晚，与先进国家相比还有相当差距，但相信随着该领域研究工作的展开，相比一定会在不久的将来逐渐缩小这一差距。参考文献：
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ＳＰＩＥ，Ａｉｒｂｏｒｎｅ
Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ，
Ｓｕｒｖｅｉｌｌａｎｃｅ，
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Ｓｐｅｃｔｒａｌ
Ｓｉｇｎａｔｕｒｅ
Ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎｓ
ａｎｄ
Ｄａｔａ
Ａｒｃｈｉｖｅ，Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ
Ｒｅｐｏｒｔ＃１００１２２００!１５!ＴｕｎｄｅｒｐｒｏｊｅｃｔＤＡＡＢ０７!９８!Ｃ!６００９，ＣＤＲＬＡ００４［Ｒ］．Ｍｉｃｈ：ＥＲＩＭＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＩｎｃ，１９９９．［９］
ＨＡＳＫＥＴＴ
ＨＴ，ＲＥＡＧＯＤＡ，ＲＵＰＰＲＲ．Ｄｅｔｅｃｔａｂｉｌｉｔｙｏｆ
ｂｕｒｉｅｄｍｉｎｅｓｉｎ３－５μ
ｍａｎｄ８－１２μｍｒｅｇｉｏｎｓｆｏｒｖａｒｉｏｕｓｓｏｉｌｓｕｓｉｎｇｈｙｐｅｒｓｐｅｃｔｒａｌｓｉｇｎａｔｕｒｅｓ［Ｃ］／／ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆＳＰＩＥ，ＤｅｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＲｅｍｅｄｉａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｆｏｒＭｉｎｅｓａｎｄＭｉｎ!
ｅｌｉｋｅＴａｒｇｅｔｓＶＩ，２００１，４３９４：２９６－３０９．
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ｌａｎｄｍｉｎｅｓｕｓｉｎｇａＣＡＳＩｈｙｐｅｒｓｐｅｃｔｒａｌｉｍａｇｅｒ［Ｃ］／／ＰｒｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆＳＰＩＥ，ＤｅｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＲｅｍｅｄｉａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｆｏｒＭｉｎｅｓａｎｄＭｉｎｅｌｉｋｅＴａｒｇｅｔｓＩＩ，１９９７，３０７９：７３８－７４９．
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ｎａｒｒｏｗ!ｂａｎｄ，ｆｏｕｒ!ｂａｎｄ，ａｎｄｂｒｏａｄ!ｂａｎｄｑｕａｎｔｕｍｗｅｌｌｉｎｆｒａｒｅｄｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒｆｏｃａｌｐｌａｎｅａｒｒａｙｓ［Ｊ］．ＩｎｆｒａｒｅｄＰｈｙｓｉｃｓａｎｄＴｅｃｈ!ｎｏｌｏｇｙ，２００３，４４（５－６）：４１１－４２５．
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ｈｙｂｒｉｄ
ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ／ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ
ｏｆｆ!ａｘｉａｌ
ｏｐｔｉｃａｌ
ｓｙｓｔｅｍ
ｆｏｒ
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Ｖｏｌ．３６Ｎｏ．１
红外与激光工程
ＩｎｆｒａｒｅｄａｎｄＬａｓｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
２００７年２月Ｆｅｂ．２００７
多光谱、超光谱成像技术在军事上的应用
许洪，王向军
（天津大学精密仪器与光电子工程学院，天津３０００７２）
摘
要：对多光谱、超光谱成像技术的原理、特点，以及二者之间的区别和联系等技术问题进行了
较为详细的讨论，并重点列举了该项技术在军事上的应用，较全面地介绍了多光谱、超光谱成像技术在军事应用中的使用方法和研究状况，以及成像光谱仪器的发展水平和有关技术，并对该技术的发展趋势进行了展望。
关键词：多光谱成像；中图分类号：ＴＰ７５１
超光谱成像；文献标识码：Ａ
军事应用；
成像光谱仪；
光谱探测
文章编号：１００７－２２７６（２００７）０１－００１３－０５
Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆｍｕｌｔｉｓｐｅｃｔｒａｌ／ｈｙｐｅｒｓｐｅｃｔｒａｌｉｍａｇｉｎｇ
ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｉｎｍｉｌｉｔａｒｙ
ＸＵＨｏｎｇ，ＷＡＮＧＸｉａｎｇ!ｊｕｎ
（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＰｒｅｃｉｓｉｏｎＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｎｄＯｐｔｏ!ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＴｉａｎｊｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ３０００７２，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｍｕｌｔｉｓｐｅｃｔｒａｌａｎｄｈｙｐｅｒｓｐｅｃｔｒａｌｉｍａｇｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓａｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄ，ａｎｄｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅａｎｄｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｍ，ａｓｗｅｌｌａｓｏｔｈｅｒｔｅｃｈｎｉｃａｌｃｏｎｃｅｐｔｓ，ａｒｅａｌｓｏｅｘｐｌａｉｎｅｄ．Ｔｙｐｉｃａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆｓｕｃｈｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｏｎｍｉｌｉｔａｒｙａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｓａｎｄｅｘｉｓｔｉｎｇｓｔａｔｅａｒｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅｔｅｃｈｎｉｃａｌｌｅｖｅｌｏｆｉｍａｇｉｎｇｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒｓａｎｄｒｅｌａｔｅｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓａｒｅｔｈｅｎｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｔｒｅｎｄｏｆｍｕｌｔｉｓｐｅｃｔｒａｌａｎｄｈｙｐｅｒｓｐｅｃｔｒａｌｉｍａｇｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｉｓｅｘｐｅｃｔｅｄ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｍｕｌｔｉｓｐｅｃｔｒａｌｉｍａｇｉｎｇ；
ｍｅｔｅｒ；
Ｈｙｐｅｒｓｐｅｃｔｒａｌｉｍａｇｉｎｇ；
Ｍｉｌｉｔａｒｙａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ；
Ｉｍａｇｉｎｇｓｐｅｃｔｒｏ!
Ｓｐｅｃｔｒａｌｄｅｔｅｃｔｉｏｎ
该技术达到了一定的应用水平。
０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２０世纪８０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
１原理
１．１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间信息，还包含随波长分布的光谱辐射信息，形成所谓的“数据立方”，如图１所示。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。
收稿日期：２００６－０８－１９；修订日期：２００６－１１－０１
作者简介：许洪（１９７５－），男，北京人，博士研究生，主要从事红外多光谱目标探测方面的研究。Ｅｍａｉｌ：ｘｕｈｏｎｇｐｏｓｔ＠１６３．ｃｏｍ
导师简介：王向军（１９５５－），男，黑龙江哈尔滨人，博士生导师，主要从事精密测试技术及仪器、光电探测技术、影像与视觉测量方面的研
究工作。Ｅｍａｉｌ：ｘｄｏｃｕｘｊｗ＠ｖｉｐ．１６３．ｃｏｍ
１４
红外与激光工程第３６卷
图１超光谱成像的“数据立方”
Ｆｉｇ．１Ｈｙｐｅｒｓｐｅｃｔｒａｌｄａｔａｃｕｂｅ
１．２技术划分和内在联系
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!λ／λ＝０．１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!λ／λ＝０．０１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１０００个，
!λ／λ≤０．００１。
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。
１．３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（０．３５～２．５μｍ）、中波红外波段（３～５μｍ）、长波红外波段（８～１４μｍ）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
２．１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（３～１２μｍ）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）”
，有关情况可见参考文献［１－４］。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８ｃｍ－１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３００ｍ的观测塔上对目标、背景进行观测，如图２所示。
超光谱成像光谱仪的设图２傅里叶变换光谱仪构造的光谱数据采集设备
Ｆｉｇ．２ＨｙｐｅｒｓｐｅｃｔｒａｌｄａｔａｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｃｏｎｓｔｉｔｕｔｅｄｂｙＦＴＳ
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，如图３所示，中波分辨率为
图３中波、长波红外超光谱成像光谱仪ＳＥＢＡＳＳ系统
Ｆｉｇ．３ＭＷＩＲ／ＬＷＩＲｈｙｐｅｒｓｐｅｃｔｒａｌｉｍａｇｉｎｇｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒＳＥＢＡＳＳ
第１期
许洪等：多光谱、超光谱成像技术在军事上的应用１５
长波分辨率为０．０４!ｍ。第三阶段中，在大范!ｍ、
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２００ｎｍ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［５］，基本结构如图４所示。
气传输率很低的波段，合并一些波段后，得到简化的数据集，从而可以满足实时处理的要求。采用超光谱成像技术的新型空－空导弹导引头已申请专利［６］。
保密与安全在告警技术研究中，荷兰ＴＮＯ国防、
研究机构研究了在中波红外范围寻求两个波段最佳组合的方法［７］，该方法主波段取在４．４９～４．５６μｍ，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。
２．３超光谱成像技术在地雷探测中的应用
高效安全的地雷探测，特别是小体积反步兵的地雷探测，一直是军事领域中的难点。近年来，超光谱探测技术在地雷探测领域也展现了巨大的潜力。关于超光谱成
图４多光谱探测前视红外系统（ＦＬＩＲ）通用组件
像技术在地雷探测方面的研究可参见参考文献［８－１０］。
地雷可分为掩埋雷和地表放置雷，根据选取照明源不同，可分为被动或主动探测方式。
对于掩埋雷，利用超光谱技术探测的依据为：当被掩埋雷的表层为裸土，由于埋雷过程中的翻动，底部小颗粒土壤翻至表层，通常自然界中总是大颗粒土壤置细土壤的光谱反射率、辐射率不相同，于上层，由于粗、
有雷地表和无雷地表在超光谱图像上呈现出差异。如果被掩埋雷表层长有草被，由于土壤中地雷的阻隔，上、下土层水分不流通，干旱时会导致上层缺水，由于干旱应激反应，从而致使其反射率、辐射率发生改变，这样就可以通过超光谱成像技术探测到地雷。
对于投放于地表的小地雷，可以直接利用超光谱成像技术进行探测，并且由于地雷表面多具有一定几何形状，还可利用空间图像信息辨别地雷，但要求有较高的空间分辨率。
弹道导弹助推段分辨２．４毁伤效果评估、
高要求的弹药毁伤效果评估需要对重金属成分的辐射光谱和爆炸火球的形态发展进行探测；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。这些应用都属于高速运动场景的探测，由于物体的高速运动和可以探测的光谱波段数目存在矛盾，因此通常只在少数几个波段以凝视成像方式进行。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起来，以ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ为材料制备的量子阱、量子点阵列，具有良好的像元均匀性和光谱响应可连续调谐等优点，在制作大尺寸、多色阵列上
Ｆｉｇ．４ＣｏｍｍｏｎｍｕｌｔｉｓｐｅｃｔｒａｌＦＬＩＲｍｏｄｕｌｅ
导弹告警２．２智能导弹导引头和飞机、
随着红外对抗措施和诱饵技术的发展，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，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。
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，试验装置如图５所示。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。卡塞格林物镜会聚入射光，分束镜将
５００～１０００ｎｍ可见／近红外光反射至相应分光光路，由２５６×２５６元ＣＣＤ接收；将２．５～５μｍ中波红外辐射透射至红外分光光路，由１６０×１２０元ＩｎＳｂ阵列接收。
图５智能导弹导引头（ＩＭＳ）超光谱实验装置
Ｆｉｇ．５ＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＭｉｓｓｉｌｅＳｅｅｋｅｒ（ＩＭＳ）ｈｙｐｅｒｓｐｅｃｔｒａｌｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ
ａｐｐａｒａｔｕｓ
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
１６
红外与激光工程第３６卷
具有优势，目前已制备出６４０×５１２元双色和四色中、长波焦平面阵列［１１］。
在美国的“国家导弹防御计划”中，采用了可见光、短波红外、中波红外和长波红外四个光谱段对地基动能拦截器的大气层外目标拦截的效果进行观测评估，如图６所示。
图６地基拦截器大气层外目标拦截场景的多波段成像观测
Ｆｉｇ．６Ｍｕｌｔｉｓｐｅｃｔｒａｌｉｍａｇｉｎｇｏｆｅｘｏａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃｉｎｔｅｒｃｅｐｔｉｏｎ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３～５μｍ和８～１２μｍ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了成像探测
［１２］
，发现火箭弹体在８～１２μｍ长波
区可见，而在３～５μｍ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。
３仪器与技术
按照分光的不同机理，光谱仪器主要分为滤波式、色散式、时间型和空间型傅里叶变换红外光谱仪四大类。成像技术结合不同的光谱分光技术，形成了相应的成像光谱仪器，由于工作原理不同，各类仪器有结构差异，适用于不同的使用需要。军事上，由于色散式和滤波式成像光谱仪往往能满足恶劣的战场条件，所以应用较广；傅里叶变换红外成像光谱仪具有光谱分辨率高、通光量大等优点，但因为结构精密复杂、需要稳定平台，不适宜恶劣工作环境，所以在现场中应用较少。
实践证明，色散式成像光谱仪是一种能很好地适应现场使用的超光谱成像仪器，结构坚固紧凑、光谱分辨率高、不怕震动，图３中的ＳＥＢＡＳＳ系统就是其典型代表。近来，由ＳＳＧＰｒｅｃｉｓｉｏｎＯｐｔｒｏｎｉｃｓ公司为美空军研制的用于卫星、机载遥感的中波／长波红外双倍频超光谱成像光谱仪用一块闪耀光栅对中波和长波红外辐射同时分光，用一块中波／长波双色焦平面阵列同时探测接
收，不必使用分光镜，构成一体化光路，如图７所示，使得系统质量、体积、能耗和热性能等指标大为改善，代表了目前色散式成像光谱仪的较高水平［１３］。
图７红外双倍频超光谱成像光谱仪的光机设计
Ｆｉｇ．７Ｄｕａｌ"Ｏｃｔａｖｅｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒｏｐｔｏ"ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｄｅｓｉｇｎ
传统的滤波片滤波方式是构造多光谱成像光谱仪的常用手段。近十几年来，随着微机电技术的发展，开发出了可连续调整光谱透过率、单元尺寸和像元尺寸匹配的新型滤波器阵列。这种可调谐的滤波器阵列置于光电传感器阵列前方，经过与像元配准，就可实现一种超光谱成像光谱仪。图８所示是一个腔长可
图８法－珀微腔干涉滤波单元
Ｆｉｇ．８ＴｕｎａｂｌｅＦａｂｒｙ"Ｐａｒｏｔｆｉｌｔｅｒ
由电压控制的法－珀微腔干涉滤波单元，通过电压改变腔长，可以控制透过干涉微腔的出射光波长。此外，常用的可调谐滤波器还有电压调谐晶体滤波器和声光调谐滤波器。
近年来，随着技术的发展，出现了一些原理新颖的红外成像光谱仪器［１４－１５］，典型的有美国太平洋高级技术公司研制的利用单个透镜的轴向色差色散成像的成像光谱仪，以及美国固态科学公司研制的计算层析型超光谱成像光谱仪。
第１期
许洪等：多光谱、超光谱成像技术在军事上的应用１７
４发展趋势
多光谱、超光谱成像技术的发展趋势主要为以下五方面：
（１）多光谱、超光谱成像技术在军事上的应用越来越广泛。
（２）各种目标／背景光谱特性的研究将越来越深入，建立大量标准光谱特征数据库。
（３）各种新材料、新技术的应用导致新的成像光谱仪器体积更小、性能更高。
（４）大规模传感器阵列、
读出电路、存储介质和信息处理技术的发展，推动该技术向更高的光谱分辨率、更高的空间分辨率方向发展。
（５）光谱、
图像数据的处理算法将更高效、快捷，进一步满足实时处理的需要。
５总结
多光谱、超光谱成像技术由于其独特的优点，受到各军事强国的重视，该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具有重大的意义。我国在这方面起步较晚，与先进国家相比还有相当差距，但相信随着该领域研究工作的展开，相比一定会在不久的将来逐渐缩小这一差距。参考文献：
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ＳＰＩＥ，Ａｉｒｂｏｒｎｅ
Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ，
Ｓｕｒｖｅｉｌｌａｎｃｅ，
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１３４－１４５．
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Ｓｐｅｃｔｒａｌ
Ｓｉｇｎａｔｕｒｅ
Ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎｓ
ａｎｄ
Ｄａｔａ
Ａｒｃｈｉｖｅ，Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ
Ｒｅｐｏｒｔ＃１００１２２００!１５!ＴｕｎｄｅｒｐｒｏｊｅｃｔＤＡＡＢ０７!９８!Ｃ!６００９，ＣＤＲＬＡ００４［Ｒ］．Ｍｉｃｈ：ＥＲＩＭＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＩｎｃ，１９９９．［９］
ＨＡＳＫＥＴＴ
ＨＴ，ＲＥＡＧＯＤＡ，ＲＵＰＰＲＲ．Ｄｅｔｅｃｔａｂｉｌｉｔｙｏｆ
ｂｕｒｉｅｄｍｉｎｅｓｉｎ３－５μ
ｍａｎｄ８－１２μｍｒｅｇｉｏｎｓｆｏｒｖａｒｉｏｕｓｓｏｉｌｓｕｓｉｎｇｈｙｐｅｒｓｐｅｃｔｒａｌｓｉｇｎａｔｕｒｅｓ［Ｃ］／／ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆＳＰＩＥ，ＤｅｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＲｅｍｅｄｉａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｆｏｒＭｉｎｅｓａｎｄＭｉｎ!
ｅｌｉｋｅＴａｒｇｅｔｓＶＩ，２００１，４３９４：２９６－３０９．
［１０］ＭＣＦＥＥＪＥ，ＲＩＰＬＥＹＨＴ．ＤｅｔｅｃｔｉｏｎｏｆＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｂｕｒｉｅｄ
ｌａｎｄｍｉｎｅｓｕｓｉｎｇａＣＡＳＩｈｙｐｅｒｓｐｅｃｔｒａｌｉｍａｇｅｒ［Ｃ］／／ＰｒｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆＳＰＩＥ，ＤｅｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＲｅｍｅｄｉａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｆｏｒＭｉｎｅｓａｎｄＭｉｎｅｌｉｋｅＴａｒｇｅｔｓＩＩ，１９９７，３０７９：７３８－７４９．
［１１］ＧＵＮＡＰＡＬＡＳＤ，ＢＡＮＤＡＲＡＳＶ，ＬＩＵＪＫ．６４０×５１２ｐｉｘｅｌ
ｎａｒｒｏｗ!ｂａｎｄ，ｆｏｕｒ!ｂａｎｄ，ａｎｄｂｒｏａｄ!ｂａｎｄｑｕａｎｔｕｍｗｅｌｌｉｎｆｒａｒｅｄｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒｆｏｃａｌｐｌａｎｅａｒｒａｙｓ［Ｊ］．ＩｎｆｒａｒｅｄＰｈｙｓｉｃｓａｎｄＴｅｃｈ!ｎｏｌｏｇｙ，２００３，４４（５－６）：４１１－４２５．
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ｈｙｂｒｉｄ
ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ／ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ
ｏｆｆ!ａｘｉａｌ
ｏｐｔｉｃａｌ
ｓｙｓｔｅｍ
ｆｏｒ
ｍｕｌｔｉｓｐｅｃｔｒａｌｉｎｆｒａｒｅｄｉｍａｇｉｎｇｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ［Ｊ］．ＩｎｆｒａｒｅｄａｎｄＬａｓｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ（杨新军，王肇圻，母国光．折／衍混合多光谱红外成像光谱仪离轴系统设计．红外与激光工程），２００５，３４
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