光谱成像技术是新一代的光电检测技术。它出现于20世纪末，随后迅速形成了研发热潮。光谱成像技术兼具成像和光谱检测特性。其早期应用主要在于其光谱探测特性，即通过分析目标的连续光谱，达到判断目标性质甚至成分的目的，可用于遥感。 、遥测、地雷探测和化学药剂的非接触式探测。这类应用需要很高的光谱分辨率，通常需要细分几十个甚至上百个波段，在几微米范围内进行光谱识别。本文概述的光谱成像在光电侦察与预警领域的应用，就是解读每幅细分光谱图像的空间二维信息，用于侦察、探测、瞄准，提高识别概率。
1 光谱成像的概念
光电成像在侦察领域的常规应用基本是根据可见光或红外波段的信号强度来建立图像输出，而忽略了电磁波信号幅度以外的大量信息，比如光谱信息。通过光谱成像技术对这些信息的综合利用，可以大大增强图像的可读性，从而有效提高对目标的识别能力和作用范围。
1.1 单波段成像
人们对光电成像技术的认识通常存在一个误区：光敏器件的响应带越宽越好，因为进入光学系统的能量越多，探测距离就越远。从某些方面来说，这种说法是有道理的，但从目标识别的实际效果来看却并非如此。光电成像，尤其是红外成像对目标的识别，不仅仅关注接收到的辐射强度，更准确地说是通过目标与背景的对比。如果响应带宽更宽，目标的能量会增加，但有可能背景增加更多的能量，这可能会导致不必要的背景杂波进入图片，从而导致图像杂乱，对比度下降，并且识别目标会更加困难。
理论上，仅从能量的角度，根据普朗克辐射曲线（如图1），假设目标温度为310K，背景温度为300K，计算目标背景对比度：全频段为C0~o~0.0657；长波段（8μm~12μm）对比度为C8~12~0.0791；窄 (200nm) 波段 (8μm~8.2μm) C8~8.2~0.0956 的对比度。可以看出，在合适的光谱带内，光谱带越宽，对比度越差，整个频带内对比度最差。因此，单个宽带成像的效果可能不如窄带，但通过适当的技术手段，将单个波段细分为多个子波段进行多光谱成像，将提高目标的检测识别效率。
1.2 光谱成像
光谱成像是对电磁波进行波长细分，在不同波段成像，可以同时检测目标辐射强度的二维几何空间分布以及该空间分布随波长的变化。它是一种成像技术和信息获取技术与光谱技术相结合的技术。如果短波、中波或长波中的两个或多个波段同时广泛用于军事应用，则可称为多色或多波段成像。在上述波段中，成像不断细分，光谱成像技术通常根据传感器的光谱分辨率进行分类，一般分为多光谱成像、高光谱成像和高光谱成像技术三类，即：
1)多光谱—△λ/λ=0.约1；
2)高光谱—△λ/λ=0.约01；
3)超光谱——△λ/λ=0.001左右。
图1光谱辐射度曲线
光谱成像技术与传统的单一宽带成像技术不同，它将成像技术与光谱测量技术相结合，获得的信息不仅包括二维空间信息，还包括随波长分布的光谱辐射信息，大大提高了目标检测的准确性激光侦察技术在战争中，扩展了传统成像检测技术的信息和功能。
根据不同目标的特性，结合大气透射的窗口特性，光谱成像的不同波长范围适用于探测和识别不同的目标。大致可以分为以下几个波段范围：
1)紫外波段（0.1μm~0.3μm）。用于探测大气中高速运动的物体（如火箭、导弹、喷气式飞机等）并研究其冲击波特性。由于大气对紫外线的强烈吸收，紫外线探测仪器主要装备在卫星飞行平台上。
2)可见光波段（0.39μm~0.76μm）。它是太阳反射光谱区域，相当于人眼白天的观察效果。该波段的检测可以直观地反映目标的物理特性，当然是目标检测必不可少的手段。因为军事装备、军队部署等重要信息都是伪装的，所以重要军事目标的识别不能太依赖这个频段。
3)近红外波段（0.76μm~2.5μm）。可见光到近红外波段是光谱测量中最常用的波段，该波段对应植被的峰值反射率。它包含丰富的地物光谱信息，有利于植被的检测、分类和评价。当光谱分辨率提高到10nm时，在识别军事目标，尤其是识别伪装方面具有突出的应用价值。
4)中波红外波段（3μm~5μm）。高温目标辐射区可用于探测飞机尾翼、爆炸性气体等高温物体的辐射光谱特性。
5)长波红外波段（8μm~14μm）。室温下的目标辐射区是昼夜战场侦察、监视、识别假目标、消除背景干扰的主要工作频段。
2 光谱成像的应用
光谱成像的军事应用可以分为两类：第一类是通过细分每个光谱图的空间二维信息来解读图像，用于侦察识别伪装，提高识别概率它主要是根据目标与背景的辐射对比度来检测和识别目标。它利用不同波段之间背景的高度相关性来抑制杂波并提高信噪比。因此，有必要针对特定目标划分频谱和带宽。选项 [3]。第二类应用是对目标的连续光谱进行光谱分析，从而表征目标的性质甚至组成，可用于遥感、遥测、探雷和非接触式探测化学试剂。由于发射或吸收光谱的分析，这种类型的应用需要高光谱分辨率。在几微米范围内，通常需要细分几十个甚至上百个波段进行光谱识别。
2.1 可见光/近红外光谱侦察
在美国海军研究实验室（NRL）的支持下开发的高光谱数字成像仪是一种机载扫描高光谱成像光谱仪，覆盖可见光到近红外（0.4μm~2.5μm），206以 10 nm 光谱间隔收集数据带。 1999年，NRL开展了Dark-HORSE实验项目，其目的是为无人机进行战场侦察提供支持。 Weather/Aberden Mountains 的图像数据来自两次飞行测试。数据处理结果表明，高分辨率全色图像和高光谱图像可以为战略侦察提供很好的辅助，尤其是在战术目标的自动实时探测方面。
2.2 红外目标背景检测
在 20 世纪第一次海湾战争期间，美军发现在沙漠炎热的背景下很难探测到导弹发射器和坦克等军事目标。工作在单宽带的红外热像仪经常受到背景热杂波信号的干扰，当温度在昼夜交替变化时，目标的宽带辐射探测信号与背景的差值基本为零，处于无法使用的状态。
针对此类问题，美军提出了红外波段多光谱探测的概念。空军、海军、陆军和国防高级计划局联合启动了“联合多光谱计划（Joint Multispectral Program，JMSP），随后进行了一系列实验研究，综合分析目标和背景的光谱特征数据后，确定中心波长分别为8.7μm、9.15μm、9.35μm，带宽为200nm的三个波段是红外探测大部分目标都能正确区分，这三个波段已成为机载前视红外（FLIR）系统的推荐探测波段。
2.3 飞机的导引头识别
空对空或地对空导弹的导引头需要具备自主识别目标和诱饵的能力，而高光谱成像技术为此提供了解决方案。同时，利用目标的图像和光谱信息，导引头可以自主区分和识别飞机目标和诱饵。 1992年前后，美国OKSI公司进行了高光谱成像技术在智能导引头中的应用研究。由于飞机尾翼、发动机外壁和红外诱饵等目标都是高温物体，因此成像光谱仪工作在可见/近红外光谱区域（0.5μm~1μm）和中波红外光谱区域（2. 5μm~5μm）。 Cassegrain物镜会聚入射光，分束器将0.5μm~1μm的光反射到可见/近红外光路，被CCD接收；将2.5μm~5μm的红外辐射发射到红外光路，被InSb阵列接收，实现了识别诱饵中飞机的目的。
荷兰 TNO 国防、安全和安全研究所研究了一种在中波红外范围内找到两个波段的最佳组合的方法。第二个波段是3.5μm附近的窄带光谱，不仅可以提高红外传感器的探测距离，还可以区分各种导弹推进剂。
2.4 弹道导弹警告
弹道导弹助推阶段的光谱成像探测可以准确探测导弹的发射地点，从而进行拦截，并且通过尾焰的光谱特性，还可以得到推进剂类型、发动机尺寸等重要参数获得。由于尾焰释放的大量热量，助推阶段的弹道导弹比飞行中段和再入阶段更容易被探测到。在最近的一次实验中，使用3μm~5μm和8μm~12μm的中波/长波量子阱双色焦平面阵列对Atlas5运载火箭的助推器部分进行成像，发现火箭体在8μm~12μm长波区可见，而在3μm~5μm中波区则无法检测到，为弹体质心瞄准点的确定提供依据。因此，适应这种长距离、大视场、高速检测的大型、双色或多色红外焦平面阵列器件得到迅速发展。
光谱成像的三种实现方式
实现光谱成像主要有三种方式：多通道、多色器件和光谱法。
3.1 多通道成像
多通道成像的本质是利用多个不同波段的成像装置或共孔径分光路多探测器成像装置分别在各个波段进行成像。由于设备成本相对较高、体积较大，基本上只能实现几个波段的成像。由于多波段图像同时输出，如果人眼对判读的响应时间较长，难以在短时间内合成有效特征，通常在后期选择图像融合。关键点是不同图像之间的像素空间配准和图像融合。如果融合策略不好，会导致图像分辨率下降。
3.2 多色设备成像
事实上，最熟悉和最常见的光谱成像设备是人眼。人眼在结构上与普通的光电成像系统大致相同，但本质上两者有一个重要的区别在于，人眼可以对颜色（即波长）和亮度（即幅度）敏感。同时，普通的光电成像系统（如热像仪）只对某一波段的信号幅度敏感，不能细分颜色。颜色合成，所以人眼本质上是一个光谱成像设备。
从人眼成像的原理可以看出，实现光谱成像最简单的方法就是使用多色探测器。目前，国内外红外探测器的主要研发单位都以多色器件为主。其中，双色探测器已投入实际应用，多色器件正在研制中。美国QWIPTECH公司与JPL实验室研发出多色量子阱器件。
3.3 光谱成像
光谱成像是多光谱和高光谱成像的主要方法。它通过各种光谱手段细分所需的光谱波段，并将入射的目标辐射信号投射到单个探测器上进行光谱成像。典型的光谱法包括滤波法和干涉法。
法国LETI实验室开发了一款紧凑型多光谱红外热像仪，其关键技术是基于微透镜阵列和滤光片技术的红外探测器组件。将光线分成n个光谱通道激光侦察技术在战争中，然后将相应的入射光通过微透镜阵列聚焦到多元面阵碲化镉汞探测器上，在红外探测器上实时得到一个未滤波通道。 +1 不同光谱波段的红外图像。
此外，另一种广泛使用的多光谱成像方法是干涉光谱成像，例如傅里叶变换光谱成像。其基本原理是通过场景扫描和迈克尔逊干涉仪在红外探测器上形成场景不同光程差的红外信号干涉图，然后进行傅里叶变换将干涉图转换为光谱图。这种光谱成像具有很高的光谱分辨率，可用于战场毒物检测等应用。
4 光谱成像关键技术
光谱成像技术在光电侦察预警工程技术领域的应用应重点关注以下关键技术问题：
1)高光谱和高光谱成像光谱仪设计。涉及光学、精密机械、伺服控制和图像数据处理技术等领域，系统集成复杂。与传统的成像仪器相比，增加了分光元件，必然会导致体积和重量增加，可靠性降低等问题。能否很好地解决这些问题，是其工程应用的关键。
2)大气传输修正。为了获得真实的光谱辐射信息，必须研究光谱细分的大气传输模型。由于空气污染等原因，实际大气成分变化较大，采用传统的大气透射率计算软件LOWTRAN或MODTRAN计算透射率偏差较大。然而，实际的大气传输数据库，特别是光谱传输数据积累还不够。
3)光谱数据的分析和处理。由于频谱细分必然带来海量数据处理，对现有信号处理系统的处理速度和数据存储容量提出挑战。同时，要加强对多假设分类算法、相关分析、匹配滤波、最优波段选择、亚像素目标判别和神经网络分类等多种算法的研究。该领域硬件处理速度的提高，应大力加强光谱数据软件处理技术的研究。
4)光谱数据库的建立。在有效利用多光谱、高光谱和高光谱成像技术检测目标之前，需要对各种特定目标的光谱特征进行测量，建立标准的目标光谱数据库，是一项艰巨而艰巨的任务。
5 个结论
多光谱、高光谱等光谱成像技术将传统的二维成像技术与光谱仪技术相结合，在获取二维空间几何信息的同时，可以获得高光谱分辨率的目标光谱信息，可以大大提高提高光电器件的性能。军事应用领域越来越受到重视。它不仅可以有效提高侦察预警设备对目标的识别概率，降低误报率，还能识别伪装，可用于战场特工检测和成分分析。光谱成像技术的掌握和应用，必将在未来高科技战争中掌握战场信息主动权方面发挥更大的作用。
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