下面对当前新兴发展的多/高光谱探测技术、偏振成像技术、激光三维成像技术、光量子雷达探测技术,以及相关复合探测技术和智能探测识别技术分别进行论述。
(1)多/高光谱探测技术
物体光谱可反映其材料的内在特性,对于可见光、红外成像,不同谱段的反射/辐射强度存在差异,利用物体的光谱身份特征属性,可实现目标与背景、干扰以及各种目标间的区分,提升抗干扰能力。传统红外成像是宽谱段内辐射强度的累积成像,在一些光谱上本来可以区分的两个目标,因为累积成像变得特征差异不明显,难以区分。多/高光谱成像可以在谱段内对光谱进行细分,将信息维度从空间维的辐射强度特性拓展至“空间维+光谱维”,从而增强目标与背景、干扰的可区分性,提升抗干扰和识别能力。多光谱成像的光谱分辨一般为3到10个谱段,高光谱的分辨能力更强可以达到数百个谱段,超光谱则可达到1 000个以上谱段。通过多光谱探测进行谱段细分,能够获得不同的目标特征对比度,增强目标与背景环境、干扰的可区分性。
图4中将传统中波谱段红外成像(图4(a))分为前后两个谱段,3.4~4.1 μm的图像(图4(b))和4.2~5.0 μm的图像(图4(c)),可以看出:不同谱段的明显差异。而图4(d)~(f)则分别显示了在某些特定光谱上的成像差异。
多/高光谱探测中的关键技术是自适应谱段选择和光谱特征大气传输校正。前者实现系统自主的谱段选择,以利用最佳的探测谱段,实现目标与背景、干扰的区分,该技术的研究需要以大量的光谱特性研究基础作为支撑。在多/高光谱探测中,目标是否可正确识别,需要找到目标的本征光谱特征,但由于大气传输,目标光谱特征发生退化,并且与背景变化程度有差异,如何还原出目标光谱特征以实现准确识别,需要研究大气传输特性及校正方法。
(2)偏振成像技术
偏振成像技术利用不同偏振态下的目标图像,一方面增强了目标的区分能力,另一方面,通过对大气、目标等偏振状态的解算和复原,可以实现一定的穿透雾霾、雨雪、烟幕的能力,提升光学探测性能。
相较于常规成像对二维空间光振幅及波长(光谱)两维度的敏感,偏振成像在此基础上加入偏振维度,可以获取偏振度、偏振角等信息,提升了探测信息的维度。自然环境与人造物体的偏振特性差异明显:自然环境的地物背景偏振度一般小于1.5%,而如坦克飞机类人造目标偏振度一般达到2%~7%,因而,偏振成像可以将复杂自然景物背景与军事目标区分,对于光电制导武器实现复杂背景下作战具有重要应用价值。
此外,通过大气偏振成像特性可以获取大气退偏模型,国内合肥工业大学等单位已经开发了有效算法[8],可通过偏振成像结合大气偏振模型估计算法,一定程度上去除大气影响,增强光电成像透雾透雨能力,提升图像信息对比度。
偏振测量原理包括时分法、空分法等方法,不同方法有各自优势劣势。时分法各个偏振方向无法同时成像,不利于动平台应用。而空分法的好处是可以同时成像,从高速动平台应用角度考虑,宜采用分振幅、分焦平面等空分法。
偏振成像所获取的偏振度可以反映物体表面粗糙度、材料特性,偏振角反映空间信息。圆偏振光则在雾中、水中传输时具有优良的保偏性和持久性,为解决雾的影响、水下远距离传输提供了一种途径。通过传输路径的偏振特性建模和处理,也可提升对恶劣气象环境的适应能力。图5(a)~(c)依次为偏振方向0°、60°、120°获取的图像,图5(d)为结合三个偏振方向图像以及偏振度、偏振角等信息,利用大气偏振模型去除雾的影响,解算得到的去雾图像。可以看出:采用偏振成像技术显著增强了雾天成像能力。
在精确制导领域应用偏振成像技术,目标偏振特性的获取、恶劣大气模型的建立和去雾增强方法的设计都是其关键技术。
(3)激光三维成像技术
激光三维成像利用平台上的激光器主动发射激光照射目标,平台上接收机接收目标散射回波,通过光的飞行时间高精度计时,可以对目标测距。利用面阵探测器就可以获得阵列测距信息,并且信息中包含目标反射强度信息,因此,利用激光三维成像可以同时获取二维空间、目标距离和反射强度,即三维空间上目标强度图像。
该技术应用于制导武器中具有以下优势:一方面,激光成像反映了目标三维轮廓和表面材料反射率信息,不易受光照、温度等影响,很好地解决红外辐射弱、昼夜反转、时段影响、光照阴影影响、目标与背景辐射温差低导致对比度差等问题,也能够解决电视成像无法夜间工作的问题;另一方面,激光发射光谱很窄,可达纳米以下,其他谱段对其探测无影响,如果不知道激光谱段,难以形成干扰。同时,激光可通过距离选通,抑制复杂背景干扰、不同距离上的重复模式影响,容易实现目标的分割提取。激光具有的穿透稀疏物质能力,可以穿透伪装网和叶簇成像,发现隐蔽目标。这些优势使激光成像具有较强的抗干扰能力;再有,激光成像获取的是三维信息,更容易获取目标的实际大小、形状、姿态,从而为精确制导武器进行目标分类辨识和打击点选择提供更大的能力提升空间。
针对叶簇遮蔽下的隐蔽目标,通过三维像的地面曲面拟合,可以消除地面的影响,同时也可通过高程先验知识,对数据继续滤波,滤除如高于目标的树冠、树叶等背景,可解决丛林背景下目标检测问题,过程如图6所示。
同时,在复杂城区背景环境下进行目标分割,也是该技术的一大优势。激光成像可利用距离像信息,将其转换为水平投影图,并通过距离聚类获取不同的平面,实现简单的目标分割。此外,还可以通过距离选通门的改变,使复杂场景图像得到简化,从而分割出不同距离处的目标,过程如图7所示。
激光三维成像制导当前亟需发展的关键技术,一是激光焦平面的工艺提升,发展256×256更大像素规模的焦平面器件。另一方面,需要发展三维图像处理和识别技术,三维信息的利用,以及实现更高级的目标分类识别,是当前仍未很好解决的问题。
(4)光量子雷达探测技术
光量子雷达探测技术应用光子的量子关联特性,受障碍物、烟尘雾霾、大气湍流等环境因素影响较小,具有超高灵敏度,成像分辨率可突破衍射分辨率极限、抗干扰能力大幅增强、获取信息能力更加精准与反隐身能力提升等特点,在军事领域具有巨大的潜在应用价值。
光量子雷达基于光场的量子特性,利用双光子之间存在的量子关联现象实现目标探测。系统工作时,光子分为两路,其中一路经过目标,另一路没有通过目标的光子也有目标的信息,通过两光子关联符合检测可以得到目标的信息。目前的量子探测系统主要包括非纠缠态的量子关联雷达、纠缠态光子量子雷达等。
光子的量子特性可用隐身目标探测。2012年,美国罗切斯特大学光学研究所研发了一种抗干扰的量子雷达[9],利用偏振光子的量子特性对目标探测和成像,并且由于任何物体在收到光子信号后都会改变其量子特性,这种雷达可探测隐身飞机。该方案借鉴了量子保密通信的绝对安全性原理,如果一架隐身飞机试图拦截这些光子,并以某种方式重新发送虚假信号以伪装自己形状或伪装自己的方位,雷达回波可能仅相当于一只鸟的面积,但量子雷达在这一欺骗过程中可发现对方的干扰行为,并可确定目标飞机的踪迹。
光量子雷达探测技术还处于发展阶段,距离工程应用仍有较大差距,特别是产生纠缠光子的激光光源技术仍是当前的难点,实现稳定的、真正的量子探测和成像还需要突破。2008年,美国洛克希德·马丁公司申请了量子雷达专利,他们利用纠缠态光子测量方案,既可以保证光量子信号在空间中的传播距离,又可以提高探测的分辨率,宣称可以同时测量目标的“位置、速度、运行轨迹、距离、图像、大小、面积、体积、维度、RCS、表面粗糙度和表面材料”,而且可以“穿透任何障碍”。洛克·马丁公司的专利在申请后的若干年,都没有后续的跟踪报道,主要原因是纠缠光子波形发生器以及超导单光子探测器等关键器件尚未有大的突破性进展。
(5)复合探测技术
以红外和其它模式复合为推动,如红外/毫米波复合、红外/激光复合、红外/雷达复合、红外/毫米波/激光三模复合等体制,是当前光电探测技术应用领域的重点发展方向之一[10]。
红外/毫米波复合制导方式比其他多模制导方式具有更好的抗干扰性能,是目前公认的最有前途的复合制导技术之一。通过毫米波和红外复合,可使系统具有目标成像和高分辨能力,并提升全天候和对烟、雾的良好穿透性能。该方向的关键技术是实现紧凑、小型的复合集能设计。
激光三维成像与红外成像双模复合,结合了激光成像、距离选通和红外高分辨、大视场成像能力优势,提升了信息获取维度,可在复杂地物背景、岛岸背景、红外弱特征、阴影遮挡、昼夜反转等条件下实施目标精确打击,并提升目标识别和命中点选择能力,图8为一组激光红外复合成像结果。
复合探测的关键技术为光学特征及数据信息的融合技术,以及系统共孔径紧凑集成小型化设计技术。
(6)智能探测与识别技术
发展智能光电探测与识别技术,包括宽谱/多维光学智能感知与运用、基于人工智能方法的目标图像分类、云层和烟幕识别抗干扰等技术,可从智能化信息获取、智能化信息融合和智能化识别跟踪三个方面,增加对干扰的辨识能力[11-12]。
智能光电探测重在研究先进可重构的光电传感器,如传统的复合型传感器、高度集成的宽光谱可重构传感器,以及当前正在发展中的光谱和偏振共用的集成型微阵列传感器等,通过环境认知自主改变工作状态,实现探测模式的重构,进而增强对战场环境变化的适应能力。同时,发展智能光电探测信息处理技术,如利用神经网络、基于人工智能深度学习等自动目标识别方法,可提升光电探测系统的智能化水平,提升抗干扰和自主选择能力。小样本条件下的数据增广和机器学习是该领域的重要关键技术。