光谱技术国防应用

2015-07-02杨俊才

物理与工程 2015年6期

杨俊才

（国防科技大学理学院，湖南长沙 410073）

光学是一个古老的学科，但又充满了生机和活力.从人们的日常生活到现代高科技前沿，处处展示着光学的风采与魅力.今年是国际光年，编辑部希望写一篇关于光学国防应用的文章，自己深感题目很大，学识有限，难以胜任.光学在国防上的应用很广，从侦察监视、目标识别、探测预警到制导导航，甚至直接毁伤性武器，都离不开光学技术.光学在国防上的应用，每个领域都是一篇大文章，考虑到本期刊是物理教学与工程应用相结合的特色，觉得应该介绍一点儿最新应用，因而选择了“光谱技术国防应用”这个题目.希望通过本文的简要介绍，既能起到对国际光年的纪念作用，又能对高校的物理教学有所帮助.此外，因国防应用一般保密要求较高，最新应用则更加敏感，且资料受限.因此，本文中的资料和图片大多采用已出版或网络上的公开资料.

1 光谱及其分类

光谱（spectrum）是指电磁辐射强度按照波长的分布，一般包含从X光到太赫兹频段的电磁辐射.

光谱研究具有辉煌的历史.1666年，牛顿（I-saac Newton，1642—1727，英国人）用玻璃棱镜观察太阳光谱，是最早的光谱实验.光谱学是研究光谱的发生、性质、规律及其应用的学科，是光学的一个重要分支.有关光与物质相互作用的现象和规律性，主要是通过光谱学方法获得的.1821年，夫琅禾费（Joseph von Franhofer，1787—1826，德国人）发明了衍射光栅，并测定了太阳光谱中的黑线；1859年，基尔霍夫（Gastav Robert Kirchhoff，1824—1887，德国人）研究了各种火焰和火花的光谱，确认各种物质具有自己的特征谱线，创立光谱分析法；1868年，埃格斯特朗（Anders Jonas Angstrom，1814—1874，瑞典人）发现氢光谱，发表了标准太阳光谱的图表；19世纪80年代光谱学取得重大的发展，罗兰（Henry Augustus Rowland，1848—1901，美国人）发明凹面光栅，波长测量分辨率可以达到0.1nm；1913年，玻尔（Niels Bohr，1885—1962，丹麦人）运用量子化的概念，提出了定态跃迁原子模型理论；20世纪30年代，分子光谱学也发展起来；1960年，第一台激光器的出现是光谱学发展的又一个里程碑，各种新的激光光谱技术不断出现，使光谱测量的探测灵敏度、光谱分辨率，以及时间和空间的分辨本领都提高了几个数量级.

光谱反映了物理系统的能级结构和能级寿命.按照量子理论，微观粒子系统处于束缚态时，其能量只能具有一系列不连续的分立值，称为能级.在光的作用下，初态和终态之间可能发生以下3种过程：自发辐射、受激辐射和受激吸收.分立的能级间的跃迁会发射或吸收光子.由于每种物质的结构不同，能级分布不同，其光谱各不相同.实际应用中，形象地称为物体的“指纹”特征.

按照电磁辐射与物质相互作用的过程不同，光谱可分为发射光谱、吸收光谱与散射光谱；按照发生作用的微观粒子不同，可分为原子光谱、分子光谱、固体光谱等；按照波长范围不同，可分为紫外光谱、可见光谱、红外光谱、X射线谱等；按照强度对波长的分布特点，可分为线状光谱、带状光谱和连续光谱.图1为几种典型的光谱图.

图1 氢元素的发射光谱（上）铁元素的发射光谱（中）某型飞机尾焰的遥测光谱（下）

发射光谱：线状光谱主要产生于原子，带状光谱主要产生于分子，连续光谱则主要产生于炽热固体或放电气体.现在观测到的原子的发射谱线已有上百万条了.在分子中，由于电子态的能量远大于振动态的能量，振动态的能量远大于转动态的能量，因此在分子的电子态之间的跃迁中，总是伴随着振动跃迁和转动跃迁，因而许多光谱线就密集在一起而形成带状光谱.

吸收光谱：其范围很宽，大约从10nm到1000μm.在200nm到800nm的光谱范围内，可以观测到固体、液体和溶液的吸收，这些吸收有的是连续的，称为一般吸收光谱；有的显示出一个或多个吸收带，称为选择吸收光谱.分子的红外吸收光谱一般是研究分子的振动光谱与转动光谱.

散射光谱：其中，喇曼光谱是最重要的光谱学技术.当光通过物质时，除了光的透射和吸收外，还观测到光的散射.在散射光中除了原来的入射光频率外，还出现一些新的频率，这种产生新频率的散射称为喇曼散射，其光谱称为喇曼光谱.喇曼散射的强度极小，大约为瑞利散射的千分之一.喇曼光谱技术在研究燃烧过程、探测环境污染、分析材料结构等方面已成为很有用的工具.

光谱学和光谱技术的发展推动了原子分子物理、量子力学等微观物理学的发展，同时也渗透到化学、生物学和医学、材料科学、大气科学、计量科学、天文物理学和环境科学等领域.

光谱技术在军事领域应用很多，有的已经发展成熟，有的处在研究探索阶段.本文简要介绍光谱成像、高光谱遥感、多光谱瞄准与制导等内容.

2 光谱成像

光谱技术在国防中的应用，从物理原理来看，一是利用不同的环境背景对太阳光的反射光谱不同，如树林、草地、沙漠、湖泊等对太阳光的反射光谱不同，且受气象、环境等因素的影响；二是利用军事目标的特殊发射光谱，如运动或运行后的坦克的热辐射、导弹的尾焰辐射、高超声速飞行器的高温等离子体辐射等；三是利用吸收光谱，如大气对二氧化碳和水在2.7μm和4.3μm处的吸收、特殊材料对应的光谱吸收等等.

光谱可通过光谱仪来进行测量，物理学发展过程中设计出了多种光谱仪.光谱仪获得的光谱曲线一般具有明显的特征，如包络线、吸收峰、发射峰等，一般称为光谱特征，而目标的特殊发射谱线一般称为特征光谱.光谱特征在遥感侦察等方面应用较多，而特征光谱主要用于目标识别、瞄准与制导.

20世纪80年代以前，为了提高成像侦察的效果，人们采用多个波段成像的方式，如卫星上的多光谱相机.这种多光谱相机因遥感波段太少，难以满足人们揭示地物和目标光谱特性的需求，而非成像方式的光谱测量，又难以将光谱信息准确地匹配到具体的地物和目标上，这就需要一种能将光谱和影像融合并集于一体的技术，因而诞生了光谱成像技术.

光谱成像（spectral imaging）是一种对观测对象在光谱维上展开来进行成像的技术.来自观测对象的光束一般为复色光，传统的光电成像是复色光在二维成像器件（如CCD）上的综合效应，不能反映出目标的光谱特性.为了获得二维空间图像上各点的的光谱信息，需要进行光谱分光，以得到单色或窄带光的图像，从而获得观测对象的反射、吸收、散射等光谱特性.常用的光谱分光方式包括色散系统（光栅、棱镜等）、可调谐滤光器（如声光滤波器AOTF）、时（空）域傅里叶变换等.

光谱成像在获取观测对象的二维空间信息的同时，通过几十到几百个很窄波段的连续光谱成像，从而对同一目标既能得到空间图像，又能在光谱维上进行展开，直接反映出被观测对象的光谱特性.实际应用中，一般可以收集到上百个非常窄的光谱波段信息，形成图像立方体.图2为上海技术物理研究所研制的推扫式成像光谱仪（PHI）的光谱成像系统原理图.图3为光谱成像图像立方体示意，它是单波段图像的集合，又能获得单像元的光谱.

图2 PHI光谱成像系统原理图

图3 光谱成像图像立方体

光谱成像是以图谱合一为特征的新型遥感技术，是光学遥感技术的重大突破，是军事侦察技术的重大进步.

3 光谱遥感

通过气球、风筝等工具，将照相机带到空中对地面摄影，是人类最初的光学遥感活动.飞机出现后，空中摄影变成了一种常用的测量和绘图技术，在军事侦察中得到了广泛应用.20世纪60年代，随着卫星的出现，遥感技术问世了，并开始发展成为一个新的学科领域.以对地观测为主要目的的遥感，通过探测地物的几何空间特性和物理特性，来达到侦察、监视的目的.几何空间特性探测用于地图测绘、地物分类和识别等，已成为测绘科学中摄影测量学的发展方向.物理特性主要是研究地物和目标的光谱特性，已成为遥感的重要基础.

光谱遥感是光谱成像的主要应用，它是利用飞机、飞艇和卫星等遥感平台，通过照相机、扫描仪等遥感器，从目标获得许多窄频段数据，包含空间、辐射和光谱三重信息，从而有效识别目标的性质和运动状态.

光谱技术的军事应用，早期主要是多光谱成像技术.典型的应用是装在卫星上的多光谱遥感相机.根据侦察对象、目标特点等，选定几个特殊的波段来进行光谱成像，从获得的遥感图像中，利用背景／目标对太阳光的反射光谱的差异，以及目标发射的特征光谱来进行目标识别.由于多光谱相机的波段较少，一般只有3～5个，且应用中主要分布在红外波段，具有较大的局限性，难以满足目标识别和高分辨侦察的需要，因而后来又发展了高光谱遥感技术.

根据国际遥感界的共识，当光谱分辨率在λ／10数量级范围时称为多光谱遥感（Multispectral Remote Sensing），这样的遥感器一般在可见光和近红外光谱区只有几个波段，如美国LandsatMSS，TM，法国的SPOT等；当光谱分辨率在λ／100数量级时称为高光谱遥感（Hyperspectral Remote Sensing）；当光谱分辨率达到λ／1000数量级时，遥感即进入超高光谱（ultraspeetral）阶段.如图4所示.

图4 光谱遥感分类（红外）示意图

高光谱遥感是20世纪80年代发展的遥感前沿技术，是目前大力发展和应用开发的技术.随着光电对抗技术的不断深入，特别是隐身、伪装及干扰等技术发展，对目标的侦察、监视与识别的难度越来越大，需要充分深入地利用目标的各种信息.高光谱遥感就是充分挖掘目标的光谱特征信息，利用目标光谱的唯一性，在战场详查、反隐身／伪装、目标搜寻与精确识别等方面具有重要应用.图5为卫星高光谱遥感过程及图像立方体示意图.

图5 卫星高光谱遥感示意图

高光谱遥感技术发展还面临很多技术难题，除图像处理之外，在地物及目标光谱特征探测、高分辨率成像光谱仪设计、大气光谱特性研究、光谱特征分析与匹配等方面，还有很多物理问题，有待进一步研究解决.

4 多光谱瞄准

多光谱瞄准是根据目标的特征光谱来进行目标识别，从而实现武器系统的瞄准、制导和打击.重要的军事目标，特别是带有动力推进装置、处在飞行运动状态等目标，如导弹、飞机等，都会产生一定的电磁辐射，而且往往具有明显的特征光谱.利用这些特征，通过匹配分析，就可以实现对目标的瞄准与跟踪.一般来说，如果有3个特征实现匹配，那么目标识别的概率就可以达到95%左右.在实际应用中，还要考虑到环境及干扰等因素的影响.

多光谱瞄准的技术原理，主要是通过在光学成像系统前加滤光装置，只允许特征波长的光通过，其他波长则不允许通过.当发现目标时，则在成像器件上显示一亮点.如果有多个亮点出现，则表明多个特征光谱匹配，从而可以确定目标.

多光谱瞄准系统因其具有很高的实时识别目标的能力，在军事上得到了广泛的应用.图6为美国雷声公司生产的AN／ASS-52多光谱瞄准系统（Multi-Spectral Targeting System，MTS），号称具有卓越的战场监视侦察、情报获取和精确捕获目标的能力.通过采用增强目标定位精度和高分辨率升级技术，多光谱目标捕获系统将提供更准确的目标定位.

图6 雷声公司的AN／ASS-52多光谱瞄准系统

2009年，雷声公司获得了美国空军一份合同，将为其提供多型多光谱瞄准系统，以及用于支持“捕食者／死神（Predator／Reaper）”无人机计划.有报道称，雷声公司的机载多光谱瞄准系统可帮助战场上的士兵、情报分析人员和指挥官作出行动抉择.2011年，雷声公司为美国空军生产首套机载战术超光谱传感器系统——机载超光谱提示与开发系统（Airborne Cueing and Exploitation System Hyperspectral，ACES HY）.该系统是一种红外传感器系统，可根据目标光谱特征对其进行识别.

图7为安装在美国“捕食者”无人机上的雷声公司AN／ASS-52多光谱瞄准系统（MTS）.

图7 “捕食者”上的MTS相机

MTS系统中包含AGM-114海尔法导弹瞄准系统、光电红外系统、激光指示器等，还包含各种用于计算风速、风向以及其他战场变量的传感器，所有这些组件集成在球形转塔内，安装在“捕食者”机鼻下方.MTS系统根据所收集的数据，确定导弹的发射方案，然后发射自身携带的导弹摧毁目标.也可把发射方案传送给其他飞机或地面部队，以便它们摧毁目标.

5 多光谱制导

多光谱识别配上跟踪系统，就可实现多光谱制导.本文不全面介绍多光谱制导系统，只简要介绍一种具有重大意义和前景的应用，也是现代军事技术发展的前沿之一，就是多光谱制导用于拦截高超声速飞行器.

2002年，美国首先提出了快速全球打击的概念，并由此引起了全球对快速打击武器的研发热潮.高超声速飞行器技术一旦实现并应用于军事领域，将改变未来战争的作战样式，并对国家安全产生重大战略威胁.美国HTV系列作为超高音速系类之一，以20倍音速飞行于临近空间，可在一小时内打击全球任何一个位置，这无疑是全球快速打击史上的一个里程碑.面对如此超高速的飞行器，是否能对其进行有效跟踪与拦截，成为技术上极大的挑战.目前，世界上还未出现可用于准确捕捉、拦截HTV系列的武器装备.

对高超声速飞行器的拦截，除了必须具备极高的速度外，对拦截武器的制导实时性要求极高，多光谱制导可以满足这一要求.那么高超声速武器是否具有一定的特征光谱呢？回答是肯定的.图8中，左图为美国高超声速运载工具—HTV-2系列的人牛怪运载火箭，中图为弹体在大气中高超声速飞行时的状态示意图，右图为美国高超声速飞行器X-51A.当飞行器在大气中超高速运动时，弹体与大气作用将会形成所谓的“等离子体鞘套”，产生高温等离子体辐射，如图8所示，这对目标探测来说，具有极高的利用价值，美国已报道了相关研究成果.