国外成像侦察技术现状及发展趋势

王 捷，周 伟，姚力波

（海军航空工程学院电子信息工程系，山东 烟台 264001）

未来战场瞬息万变，实时掌握准确的情报是取得战争主动权的重要因素[1]。在各种类型的情报中，图像情报(IMINT)以其信息丰富、形象直观、准确度高、时效性强的特点尤其受到重视[2]。近年来，各国均在大力发展各种先进的成像侦察装备，并开展相关的图像情报解译技术研究，以期提高战场感知能力，为军事行动提供强有力的情报保障。分析研究国外航空航天成像侦察技术的发展现状及趋势，借鉴和吸取成功经验，找出存在的差距，提出应对的发展建议，对于我国成像侦察能力建设具有重要的现实意义。

1 国外成像侦察技术现状

1.1 大力发展以SAR和高光谱技术为重点的高性能航空侦察装备

现代高科技局部战争中，各种作战行动越来越依赖于准确及时的战场图像情报。据美国空军统计，在2001年阿富汗和2003年伊拉克地区的主要作战行动期间，情报—监视—侦察(ISR)飞行架次与打击架次的比例约为1∶12.5。而在2008年6月，北约联军在伊拉克和阿富汗飞行的ISR架次为5 541、打击架次为16 459，比例约为1∶2.9。为了获取及时的战场图像情报，提高对时敏目标的侦察—打击能力，“捕食者”、“全球鹰”无人侦察机[3]、以及各种有人侦察机、预警机，甚至包括装备了战术空中侦察舱(TARPS)系统的F-14战斗机都被用来执行ISR任务。这些航空侦察设备通常同时装载光电、前视红外和SAR等图像传感器，能够在复杂地形和不良气象条件下，对敌方纵深重要活动目标进行不间断侦察，并将侦察图像实时传回指挥所进行处理。所有这些侦察装备中，SAR和高光谱侦察系统是各国发展的重点。

高性能机载SAR具有多波段、多极化、多模式、高分辨率的性能特点，能够实施全天时全天候的战术级战场侦察与监视[4-5]。如美国Sandia国家实验室开发的Twin-Otter机载多波段SAR系统可工作于Ka、Ku、X和UHF/VHF 4个波段，条带成像分辨率为2～10 m，聚束模式分辨率为0.3～3 m；美国NASA/JPL的AIRSAR系统可以同时获取P、L和C 3个波段的全极化数据；美国ERIM研制的P-3 SAR系统可工作于4个波段，其中P、L、C这3个波段的距离向分辨率为1.5 m，UHF/VHF分辨率为0.3 m×0.7 m。德国空间中心(DLR)的E-SAR系统可工作于P、L、C、S和X 5个波段；丹麦遥感中心开发的EMI-SAR系统可以工作于L和C波段，并可获取全极化数据；此外，俄罗斯的Tu-134A机载IMARC SAR系统、加拿大的CCRS/MDASAR、日本的PI-SAR，以及法国的CNES SAR等等都具备多波段多极化成像能力。美国的高空侦察机上装备的先进合成孔径雷达系统(ASARS)已多次改进，分辨率高达0.3 m，具备了全天候战术侦察能力，可先以宽幅搜索模式探测目标，然后在几秒钟内切换到聚束模式或指引另一个传感器探测该处，以获得更详细的信息。

高光谱即超高分辨力成像光谱，也称为成像光谱[6-7]。它通过数百个细小分散的连续波带对地物目标成像，将确定地物性质的光谱和确定地物空间几何特性的图像有机地结合在一起，可在紫外至近红外较宽波段内以高光谱分辨率对指定地域进行侦察。这样就可以将光谱信号明显区别于自然背景的目标检测出来，还可以准确辨别经过某种伪装而使其在部分谱段与自然背景极其相似的目标。由于高光谱传感器是依靠目标与背景杂波的固有光谱差别来探测目标，因而具有更好的反伪装、反隐身和反欺骗能力，已经成为各国争相发展的重点[6]。美国军方和情报机构自上世纪70年代就开始关注成像光谱技术，并进行了相关的研究与实验[7-8]。美国国防部的测量与信号情报处(MASINT)在1994年和1995年先后进行了5次数据采集实验，用来评估高光谱成像对军事目标探测应用的有效性。实验以沙漠、森林、城市和岛屿等具有典型地貌的场景为背景环境，表明了高光谱成像在不同场景中对多种不同大小、不同方向、完全暴露、部分暴露或隐藏的军事目标，包括军事车辆、诱饵、伪装网、喷漆的木头、金属物和布制面板等，都体现出有效的探测性能。2000年以来，美国国防部高级研究计划署先后资助了多项利用高光谱系统进行目标检测和识别的研究。鉴于一些高光谱图像目标检测系统的成功应用，美国国防部所属的国防秘书办公室在其制定的《无人机系统路线图2005-2030》中[9]，将高光谱成像传感器技术作为2010-2015年重点发展的无人机载静态图像传感器系统，用以替代前期发展的全色成像传感器和多光谱成像传感器技术。

1.2 加快打造以高分辨率成像卫星为核心的天基战略侦察平台

成像侦察卫星视野开阔，平台稳定，不受国界、地理和气候条件的限制，是实施战略侦察的最佳途径[2]。主要包括光学成像侦察卫星和雷达成像侦察卫星两类，前者的优点是空间分辨率高，但不能全天候、全天时进行侦察；而后者有一定的穿透能力，其幅宽也比较大，可全天候全天时进行侦察，但是分辨率不如光学卫星。目前各国正加快打造以高分辨率卫星为核心的多源图像战略侦察平台[10]。

美军利用多颗高分辨率侦察卫星构筑了强大的天基侦察系统，可全面了解和掌握全球的军事部署情况[11-12]。由多颗“锁眼”(Keyhole)系列光学成像卫星和“长曲棍球”(Lacrosse)雷达成像卫星组成的“天眼”卫星网，可运用可见光、红外、合成孔径雷达等多种手段获取分辨率高达0.1～0.15 m的地面图像。其中“锁眼”系列卫星为第6代，称为KH-12，分辨率为0.1 m；“长曲棍球”卫星已发射5颗，不仅适合跟踪舰船和装甲车辆的活动，监视机动或弹道导弹的动向，还能发现伪装的武器和识别假目标，甚至能穿透干燥的地表，发现藏在地下数米深处的设施。目前美国现役的侦察卫星均为传输型，可连续在轨长期运行，侦察图像数据是通过跟踪与数据中继卫星系统实时传递到美国本土的地面站[13]。此外，美军在近几次局部战争中还多次订购Quickbirds、Ikonos、Geoeye、worldview-1、worldview-2等多颗商用卫星提供亚米级的高分辨率图像，为美国在局部战争和军事冲突中提供了最及时最有力的情报保障。

日本天基侦察系统由2颗光学成像卫星和2颗雷达成像卫星组成[10，14]，已于2007年3月初步建成。光学成像卫星全色分辨率为1 m，多光谱分辨率为5 m；雷达成像卫星的分辨率为1～3 m。利用该系统，日本每天可以对全球任意地区进行一次拍照，从而使全球纳入其一日监视圈范围。第3颗光学成像卫星于2009年11月28日成功入轨，以接替2003年3月发射、设计寿命为5年的“光学1号”卫星。2011年9月23日，日本成功发射第4颗光学成像卫星，其最高分辨率可达0.6 m。2011年12月12日，日本又成功发射了第3颗雷达成像卫星，使其全球情报收集网络得以进一步完善。

印度的天基侦察系统近年来发展迅速[10]，相继成功发射了IRS-1 系列卫星(IRS-1A，IRS-1B，IRS-1C，IRS-1D)以及IRS-P 系列卫星(IRS-P2，IRS-P3，IRS-P4，IRS-PS，IRS-P6，IRS-P7)。2010年7月12日，印度成功发射了高分辨率遥感卫星(Cartosat-2B)，该卫星携带1台全色相机，空间分辨率高达0.8 m，幅宽9 km，其能力已经逐步接近世界上最先进的民用对地观测卫星水平。军方启动的“试验评估卫星”(TES)项目，包括至少6颗TES卫星以组成侦察卫星星座，其综合分辨率可达到0.5 m。目前印度完全具备军事侦察所需的普查能力并具有一定的详查能力，整体水平处于世界前列。

意大利国防部与航天局合作开发的“宇宙—地中海”(Cosmo-Skymed)星座[15]，由4颗X波段雷达成像卫星组成。2010年11月6日，意大利国防部用美国德尔他-2运载火箭从美国范登堡空军基地发射了自行研制的第4颗星，这也是意大利国防部拟组建的第一代成像侦察卫星星座的最后1颗。此前，意大利已先后用德尔他-2火箭于2007年6月、2007年12月和2008年10月发射了3颗Cosmo-Skymed系列卫星，它们均部署于距地约620 km的太阳同步圆轨道。Cosmo-Skymed雷达成像卫星对地最高分辨率约为0.7 m，最低分辨率为100 m，幅宽最窄为10 km，最宽为200 km，具有较强的全天候侦察能力。整个星座能以12 h的重访周期拍摄地球上任何地方的图像，并可根据特定用户的需求对重点领域进行平均约数小时的重访。根据意大利航天局公布的数据显示，在3颗“宇宙—地中海”卫星在轨的情况下，最短重访周期可达18 min。第4颗“宇宙—地中海”入轨后，最短重访时间还有望进一步缩短。在我国汶川大地震期间，“宇宙—地中海”就曾紧急生成并下传了相关地理图像数据，为我国开展震后救援工作提供了宝贵资料。

法国在其商业遥感卫星SPOT系列取得成功的基础上，与意大利、西班牙合作研制发射了“太阳神-1”成像侦察卫星，地面分辨率为1 m。2004年12月10日发射了第二代“太阳神-2A”卫星，地面分辨率达0.5 m。2009年12月18日，法国在圭亚纳航天发射场成功发射“太阳神-2B”光学侦察卫星[16]，对地最高分辨率约为0.35 m，在进行为期3个月的光学仪器在轨测试后，已于2010年3月交付使用。“太阳神-2B”侦察卫星将和“太阳神-1A”、“太阳神-2A”一起执行卫星侦察任务。法国还计划在近期发射两颗分辨率为0.5 m的商业成像卫星，并已着手“太阳神-3”侦察卫星的研制。

德国的全天候天基侦察系统从2006年12月19日发 射SAR-Lupe-1 开 始到2008年7月22日第5颗SAR-Lupe卫星成功入轨[13]，不到2年的时间就宣告建成。SAR-Lupe系统由5颗X波段雷达成像卫星组成星座，这些卫星分布在3个高度500 km的轨道面上，卫星之间具备星间链路能力，可以确保地面用户在成像指令发出11 h后接收到对全球任一点拍摄的图像数据。德国SAR-Lupe卫星系统将为欧洲的北约军事指挥官提供高分辨率雷达图像。卫星的空间分辨率小于1 m，并能在夜间以及透过云层成像。法国也可使用德国SAR-Lupe雷达系统，作为回报，德国可以使用法国“太阳神-2”获取的光学侦察图像数据。

1.3 大力资助多源图像处理与解译技术研究提升图像情报软实力

随着各种先进的成像侦察设备的成功研制和大量应用，获取全面的战场图像已经不是太困难的事。但是要在较短的时间内将来自不同传感器、具有不同属性的多源图像信息进行综合的分析和解译，判定目标属性，形成有价值的战场实时情报，却是一项巨大的挑战。采用人工进行信息处理的传统方法已经不可能满足及时图像情报保障的需要。随着侦察技术的进步，图像的空间分辨率有了显著提高，时间分辨率、辐射分辨率以及光谱分辨率也不断提高，多波段、多极化、多视角、多光谱(高光谱、超光谱)成为多源遥感数据的新特点，由此导致目标的特征维数也大大增加，需要新的处理方法与之适应；同时影像数据量的爆炸式增长，也需要采用新的理论与方法来解决侦察图像情报处理的效率问题。

在总结海湾战争经验的时候，美国军方曾经指出由于图像解译能力相对滞后，大量有价值的侦察图像没有及时得到解译，从而多次错失打击“时敏目标”的最佳战机。为此，美国加大了对侦察图像解译人员的培训以及先进的图像处理技术的经费投入和支持力度[17]，先后开展了ADTS(Advanced Detection Technology Sensor)、MSTAR(Moving and Stationary Target Acquisition and Recognition)和SAIP (Semi-Automated IMINT Processing)计划，获取了大量军事目标的高分辨率图像数据，建立起了较完整的典型目标和场景的特征数据信息库，开发了从数据仿真到实时处理的一系列软硬件系统。为了系统解决多源侦察图像信息处理技术的瓶颈，美国还组织实施了以ATR(Automatic Target Recognition)和HPC(High Productivity Computing)为核心的SIP(Signal Image Processing)战略，并取得重大进展。到了阿富汗战争和伊拉克战争期间，美军的图像情报保障能力得到了明显改善，初步实现了从传感器到射手不超过5 min，使其对恐怖分子的定点精确打击能力明显提高。美国军方的大力扶持，吸引了一大批有实力的公司参与相关项目的研究。比如由SAIC开发的BCAMS军事区域监视系统具有易于使用的解译环境，可以实现图像与观测区域模型自动配准，自动生成可视化图像判读报告，并可视化叠合先前的解译结果，深受美军情报部门的好评。该系统曾获得美国国防高级研究计划署颁发的永久杰出技术奖章。Mercury计算机公司为美国军方新开发的ARIES(Airborne Reconnaissance Image Exploitation System)[18]将图像情报信息处理平台从地面搬到了无人机上，从而大大提高了系统的反应时间和运作效率，其核心算法模块全部硬件实现并集成到一个小黑匣子里。

ADSS(Analyst Detection Support System)[19]是澳大利亚国防部资助DSTO下属的CSSIP开展的BASS(大范围空中监视)计划的重要部分，系统经不断升级改进，目前已经具备从静态图像到动态视频的多源多基图像情报处理能力。德国、法国、英国、意大利、加拿大在北约框架内，联合开展了多个涉及天基侦察与监视情报保障的研究计划，图像解译能力得到了明显增强。德国、西班牙和英国联合开展的SAHARA (Semi-Automatic Help for Aerial Region Analysis)计划针对遥感图像中机场检测与识别。在该系统作业流程中，操作员输入检测对象的相关知识，并可以干预整个检测与识别的过程，随时更正系统检测和识别的错误。

为了验证天基SAR平台的全天候海洋船只监测能力，各国开展了多次海上联合实验[20]，如英国/美国联合Linnhe'89实验、加拿大MARCOT'96实验和MARCOT'98实验。近年来，在加拿大遥感中心、渔业和海洋部、加拿大海岸警卫队、国防部和加拿大空间局的经费和技术支持下，诸多学者共同努力，开发出了用于海洋监视的商业软件OMW(Ocean Monitoring Workstation)。为了实现大范围联合监视与海上安全保障，加拿大正在开展了Polar Epsilon计划[21]，该计划综合运用两颗RADARSAT卫星，配合航空遥感和岸基高频表面波雷达(HFSWR)构建一个全方位立体监视网络，其目标是从传感器观测任意海域到生成情报的时间不超过6 min。

2 国外成像侦察技术发展趋势

由于成像侦察装备在现代信息化战争中发挥着越来越重要的作用，世界军事强国都很重视成像侦察技术的发展和应用，并制定了相应的规划和路线图，明确优先发展的目标和重点，加速成像侦察技术的发展。

1)高空间分辨率和高时间分辨率是成像侦察技术的长期发展目标。

准确识别敏感军事地区的重点目标，要求成像侦察系统具有较高的空间分辨率；对全球热点区域实施持续监视，要求成像侦察系统具有较高的时间分辨率。从各国天基成像侦察技术现状和后续规划来看，进一步提高成像侦察卫星的空间分辨率和时间分辨率，大力发展具有全天时全天候侦察能力的合成孔径雷达卫星、实现多颗不同类型侦察卫星的组网[22]将是未来军用成像侦察卫星发展的主要方向。预计到2020年，将有更多国家的光学成像卫星成像分辨率将达到亚米级，雷达成像卫星分辨率将达到米级。

2)多平台多传感器组网融合与集成是情报侦察系统发展的重要内容。

未来战争中，面对日趋复杂的战场环境和形式多样的情报保障需求，必须将部署在天基、空基和地基平台的多种成像传感器和非成像传感器综合组网，使不同平台、执行不同任务的多种侦察装备最优地联接起来，实现信息的快速获取、融合和分发，解决目前各信息系统条块分割、不便访问、一致性差等问题，极大地提高信息融合和集成能力，使情报侦察能力得到全面提升。已有多个国家将搭载多种成像侦察装备的多功能卫星和高分辨率侦察卫星星座列入其天基情报系统发展规划，预计在3～5年内，主要军事强国都将建立起在轨运行的高分辨率多功能侦察卫星星座。与此同时搭载高性能SAR、高光谱、光电成像装备的高空长航时无人机、临近空间飞行器将作为成像侦察卫星的重要补充手段，在未来5～10年成为各国发展的重点装备。

3)成像侦察技术领域的多国合作和资源共享机制将进一步加强。

欧洲各国在天基成像侦察系统的建设上进行了广泛合作，拥有不同侦察卫星资源的国家进行能力共享，在较短的时间内为欧洲建立起独立于美国的天基情报侦察能力；日本更是依赖于同美国的密切合作，建立起了亚洲最强大的综合情报侦察力量；韩国、印度成像侦察技术也在多国合作的过程中，逐步得以提高的。可以预见，成像侦察技术领域的多国合作和资源共享机制将进一步得以加强。

4)成像侦察技术的发展将更加注重军民结合，寓军于民和军民兼用。

欧洲国家和日本在发展航天侦察系统时都是先通过发展先进的民用对地观测卫星来积累发展高分辨率成像侦察卫星的技术经验，欧洲近期的“奥菲欧”计划就是一个军民两用对地观测系统，可同时提供光学和雷达成像能力。日本的情报搜集卫星(IGS)是由民间的宇宙航空研究开发机构运作的，至今还被日本宣称为民用的，该卫星系统也是基于日本先期发射的民用ALOS先进陆地观测系统发展而来。美国多颗商业遥感卫星的分辨率都在1 m以下，可以协助完成情报搜集、国防监视、精确制图等军事侦察任务，还可用于监视机场跑道、导弹发射井、武器试验场和防御设施等目标的施工进展情况，以及部队集结和武器部署等军事活动准备情况，其军事应用价值丝毫不亚于其他国家的军用卫星。成像侦察技术特别是高分辨率成像卫星的发展将更加注重军民结合和军民兼用。

5) 各国将加大侦察图像解译技术研发和图像情报判读人员培训的力度。

美军在最近的几场局部战争中仍然暴露出对时间敏感目标情报保障不及时、对隐蔽或伪装目标难以准确判定、图像情报人员经验不足等突出问题。为此，美国对侦察情报处理技术的相关研究和图像判读人员的培训的支持力度持续加大。为了使作战指挥部门或战斗单元在复杂多变的战场条件下近实时地获取重要目标图像情报的需要真正得以满足，各国将在发展高性能侦察装备的同时，持续加大先进图像解译技术的研发力度和高水平图像情报人员的培训力度。

3 结束语

现代战争中，军事目标分布范围广、机动性强、采取多种隐蔽伪装反侦察措施，探测难度越来越大，客观上要求综合运用多种传感器、多角度、连续观测，才能全方位地获取战场环境和感兴趣目标的信息。必须加大投入，研发大量先进光学、红外光电成像探测设备和合成孔径雷达(SAR)搭载到各种卫星、战斗机、预警机、侦察机、无人机上，以获取侦察图像。然而高性能成像侦察装备的发展并不意味着图像情报能力的跨越式增长，其瓶颈恰恰是多源图像信息处理能力的相对滞后。因此，在侦察图像数据获取能力得到提升的同时，只有进一步提高现有多源侦察与监视系统的信息处理与解译能力，特别是目标检测、识别与定位能力，才能充分发挥多基多源成像探测系统的整体效能进而提高对战场的多维感知能力。

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