楊俊才

（國防科技大學(xué)理學(xué)院，湖南 長沙 410073）

光學(xué)是一個古老的學(xué)科，但又充滿了生機(jī)和活力.從人們的日常生活到現(xiàn)代高科技前沿，處處展示著光學(xué)的風(fēng)采與魅力.今年是國際光年，編輯部希望寫一篇關(guān)于光學(xué)國防應(yīng)用的文章，自己深感題目很大，學(xué)識有限，難以勝任.光學(xué)在國防上的應(yīng)用很廣，從偵察監(jiān)視、目標(biāo)識別、探測預(yù)警到制導(dǎo)導(dǎo)航，甚至直接毀傷性武器，都離不開光學(xué)技術(shù).光學(xué)在國防上的應(yīng)用，每個領(lǐng)域都是一篇大文章，考慮到本期刊是物理教學(xué)與工程應(yīng)用相結(jié)合的特色，覺得應(yīng)該介紹一點(diǎn)兒最新應(yīng)用，因而選擇了“光譜技術(shù)國防應(yīng)用”這個題目.希望通過本文的簡要介紹，既能起到對國際光年的紀(jì)念作用，又能對高校的物理教學(xué)有所幫助.此外，因國防應(yīng)用一般保密要求較高，最新應(yīng)用則更加敏感，且資料受限.因此，本文中的資料和圖片大多采用已出版或網(wǎng)絡(luò)上的公開資料.

1 光譜及其分類

光譜（spectrum）是指電磁輻射強(qiáng)度按照波長的分布，一般包含從X光到太赫茲頻段的電磁輻射.

光譜研究具有輝煌的歷史.1666年，牛頓（I-saac Newton，1642—1727，英國人）用玻璃棱鏡觀察太陽光譜，是最早的光譜實(shí)驗(yàn).光譜學(xué)是研究光譜的發(fā)生、性質(zhì)、規(guī)律及其應(yīng)用的學(xué)科，是光學(xué)的一個重要分支.有關(guān)光與物質(zhì)相互作用的現(xiàn)象和規(guī)律性，主要是通過光譜學(xué)方法獲得的.1821年，夫瑯禾費(fèi)（Joseph von Franhofer，1787—1826，德國人）發(fā)明了衍射光柵，并測定了太陽光譜中的黑線；1859年，基爾霍夫（Gastav Robert Kirchhoff，1824—1887，德國人）研究了各種火焰和火花的光譜，確認(rèn)各種物質(zhì)具有自己的特征譜線，創(chuàng)立光譜分析法；1868年，埃格斯特朗（Anders Jonas Angstrom，1814—1874，瑞典人）發(fā)現(xiàn)氫光譜，發(fā)表了標(biāo)準(zhǔn)太陽光譜的圖表；19世紀(jì)80年代光譜學(xué)取得重大的發(fā)展，羅蘭（Henry Augustus Rowland，1848—1901，美國人）發(fā)明凹面光柵，波長測量分辨率可以達(dá)到0.1nm；1913年，玻爾（Niels Bohr，1885—1962，丹麥人）運(yùn)用量子化的概念，提出了定態(tài)躍遷原子模型理論；20世紀(jì)30年代，分子光譜學(xué)也發(fā)展起來；1960年，第一臺激光器的出現(xiàn)是光譜學(xué)發(fā)展的又一個里程碑，各種新的激光光譜技術(shù)不斷出現(xiàn)，使光譜測量的探測靈敏度、光譜分辨率，以及時間和空間的分辨本領(lǐng)都提高了幾個數(shù)量級.

光譜反映了物理系統(tǒng)的能級結(jié)構(gòu)和能級壽命.按照量子理論，微觀粒子系統(tǒng)處于束縛態(tài)時，其能量只能具有一系列不連續(xù)的分立值，稱為能級.在光的作用下，初態(tài)和終態(tài)之間可能發(fā)生以下3種過程：自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收.分立的能級間的躍遷會發(fā)射或吸收光子.由于每種物質(zhì)的結(jié)構(gòu)不同，能級分布不同，其光譜各不相同.實(shí)際應(yīng)用中，形象地稱為物體的“指紋”特征.

按照電磁輻射與物質(zhì)相互作用的過程不同，光譜可分為發(fā)射光譜、吸收光譜與散射光譜；按照發(fā)生作用的微觀粒子不同，可分為原子光譜、分子光譜、固體光譜等；按照波長范圍不同，可分為紫外光譜、可見光譜、紅外光譜、X射線譜等；按照強(qiáng)度對波長的分布特點(diǎn)，可分為線狀光譜、帶狀光譜和連續(xù)光譜.圖1為幾種典型的光譜圖.

圖1 氫元素的發(fā)射光譜（上）鐵元素的發(fā)射光譜（中）某型飛機(jī)尾焰的遙測光譜（下）

發(fā)射光譜：線狀光譜主要產(chǎn)生于原子，帶狀光譜主要產(chǎn)生于分子，連續(xù)光譜則主要產(chǎn)生于熾熱固體或放電氣體.現(xiàn)在觀測到的原子的發(fā)射譜線已有上百萬條了.在分子中，由于電子態(tài)的能量遠(yuǎn)大于振動態(tài)的能量，振動態(tài)的能量遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)動態(tài)的能量，因此在分子的電子態(tài)之間的躍遷中，總是伴隨著振動躍遷和轉(zhuǎn)動躍遷，因而許多光譜線就密集在一起而形成帶狀光譜.

吸收光譜：其范圍很寬，大約從10nm到1000μm.在200nm到800nm的光譜范圍內(nèi)，可以觀測到固體、液體和溶液的吸收，這些吸收有的是連續(xù)的，稱為一般吸收光譜；有的顯示出一個或多個吸收帶，稱為選擇吸收光譜.分子的紅外吸收光譜一般是研究分子的振動光譜與轉(zhuǎn)動光譜.

散射光譜：其中，喇曼光譜是最重要的光譜學(xué)技術(shù).當(dāng)光通過物質(zhì)時，除了光的透射和吸收外，還觀測到光的散射.在散射光中除了原來的入射光頻率外，還出現(xiàn)一些新的頻率，這種產(chǎn)生新頻率的散射稱為喇曼散射，其光譜稱為喇曼光譜.喇曼散射的強(qiáng)度極小，大約為瑞利散射的千分之一.喇曼光譜技術(shù)在研究燃燒過程、探測環(huán)境污染、分析材料結(jié)構(gòu)等方面已成為很有用的工具.

光譜學(xué)和光譜技術(shù)的發(fā)展推動了原子分子物理、量子力學(xué)等微觀物理學(xué)的發(fā)展，同時也滲透到化學(xué)、生物學(xué)和醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)、大氣科學(xué)、計量科學(xué)、天文物理學(xué)和環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域.

光譜技術(shù)在軍事領(lǐng)域應(yīng)用很多，有的已經(jīng)發(fā)展成熟，有的處在研究探索階段.本文簡要介紹光譜成像、高光譜遙感、多光譜瞄準(zhǔn)與制導(dǎo)等內(nèi)容.

2 光譜成像

光譜技術(shù)在國防中的應(yīng)用，從物理原理來看，一是利用不同的環(huán)境背景對太陽光的反射光譜不同，如樹林、草地、沙漠、湖泊等對太陽光的反射光譜不同，且受氣象、環(huán)境等因素的影響；二是利用軍事目標(biāo)的特殊發(fā)射光譜，如運(yùn)動或運(yùn)行后的坦克的熱輻射、導(dǎo)彈的尾焰輻射、高超聲速飛行器的高溫等離子體輻射等；三是利用吸收光譜，如大氣對二氧化碳和水在2.7μm和4.3μm處的吸收、特殊材料對應(yīng)的光譜吸收等等.

光譜可通過光譜儀來進(jìn)行測量，物理學(xué)發(fā)展過程中設(shè)計出了多種光譜儀.光譜儀獲得的光譜曲線一般具有明顯的特征，如包絡(luò)線、吸收峰、發(fā)射峰等，一般稱為光譜特征，而目標(biāo)的特殊發(fā)射譜線一般稱為特征光譜.光譜特征在遙感偵察等方面應(yīng)用較多，而特征光譜主要用于目標(biāo)識別、瞄準(zhǔn)與制導(dǎo).

20世紀(jì)80年代以前，為了提高成像偵察的效果，人們采用多個波段成像的方式，如衛(wèi)星上的多光譜相機(jī).這種多光譜相機(jī)因遙感波段太少，難以滿足人們揭示地物和目標(biāo)光譜特性的需求，而非成像方式的光譜測量，又難以將光譜信息準(zhǔn)確地匹配到具體的地物和目標(biāo)上，這就需要一種能將光譜和影像融合并集于一體的技術(shù)，因而誕生了光譜成像技術(shù).

光譜成像（spectral imaging）是一種對觀測對象在光譜維上展開來進(jìn)行成像的技術(shù).來自觀測對象的光束一般為復(fù)色光，傳統(tǒng)的光電成像是復(fù)色光在二維成像器件（如CCD）上的綜合效應(yīng)，不能反映出目標(biāo)的光譜特性.為了獲得二維空間圖像上各點(diǎn)的的光譜信息，需要進(jìn)行光譜分光，以得到單色或窄帶光的圖像，從而獲得觀測對象的反射、吸收、散射等光譜特性.常用的光譜分光方式包括色散系統(tǒng)（光柵、棱鏡等）、可調(diào)諧濾光器（如聲光濾波器AOTF）、時（空）域傅里葉變換等.

光譜成像在獲取觀測對象的二維空間信息的同時，通過幾十到幾百個很窄波段的連續(xù)光譜成像，從而對同一目標(biāo)既能得到空間圖像，又能在光譜維上進(jìn)行展開，直接反映出被觀測對象的光譜特性.實(shí)際應(yīng)用中，一般可以收集到上百個非常窄的光譜波段信息，形成圖像立方體.圖2為上海技術(shù)物理研究所研制的推掃式成像光譜儀（PHI）的光譜成像系統(tǒng)原理圖.圖3為光譜成像圖像立方體示意，它是單波段圖像的集合，又能獲得單像元的光譜.

圖2 PHI光譜成像系統(tǒng)原理圖

圖3 光譜成像圖像立方體

光譜成像是以圖譜合一為特征的新型遙感技術(shù)，是光學(xué)遙感技術(shù)的重大突破，是軍事偵察技術(shù)的重大進(jìn)步.

3 光譜遙感

通過氣球、風(fēng)箏等工具，將照相機(jī)帶到空中對地面攝影，是人類最初的光學(xué)遙感活動.飛機(jī)出現(xiàn)后，空中攝影變成了一種常用的測量和繪圖技術(shù)，在軍事偵察中得到了廣泛應(yīng)用.20世紀(jì)60年代，隨著衛(wèi)星的出現(xiàn)，遙感技術(shù)問世了，并開始發(fā)展成為一個新的學(xué)科領(lǐng)域.以對地觀測為主要目的的遙感，通過探測地物的幾何空間特性和物理特性，來達(dá)到偵察、監(jiān)視的目的.幾何空間特性探測用于地圖測繪、地物分類和識別等，已成為測繪科學(xué)中攝影測量學(xué)的發(fā)展方向.物理特性主要是研究地物和目標(biāo)的光譜特性，已成為遙感的重要基礎(chǔ).

光譜遙感是光譜成像的主要應(yīng)用，它是利用飛機(jī)、飛艇和衛(wèi)星等遙感平臺，通過照相機(jī)、掃描儀等遙感器，從目標(biāo)獲得許多窄頻段數(shù)據(jù)，包含空間、輻射和光譜三重信息，從而有效識別目標(biāo)的性質(zhì)和運(yùn)動狀態(tài).

光譜技術(shù)的軍事應(yīng)用，早期主要是多光譜成像技術(shù).典型的應(yīng)用是裝在衛(wèi)星上的多光譜遙感相機(jī).根據(jù)偵察對象、目標(biāo)特點(diǎn)等，選定幾個特殊的波段來進(jìn)行光譜成像，從獲得的遙感圖像中，利用背景／目標(biāo)對太陽光的反射光譜的差異，以及目標(biāo)發(fā)射的特征光譜來進(jìn)行目標(biāo)識別.由于多光譜相機(jī)的波段較少，一般只有3～5個，且應(yīng)用中主要分布在紅外波段，具有較大的局限性，難以滿足目標(biāo)識別和高分辨?zhèn)刹斓男枰蚨髞碛职l(fā)展了高光譜遙感技術(shù).

根據(jù)國際遙感界的共識，當(dāng)光譜分辨率在λ／10數(shù)量級范圍時稱為多光譜遙感（Multispectral Remote Sensing），這樣的遙感器一般在可見光和近紅外光譜區(qū)只有幾個波段，如美國LandsatMSS，TM，法國的SPOT等；當(dāng)光譜分辨率在λ／100數(shù)量級時稱為高光譜遙感（Hyperspectral Remote Sensing）；當(dāng)光譜分辨率達(dá)到λ／1000數(shù)量級時，遙感即進(jìn)入超高光譜（ultraspeetral）階段.如圖4所示.

圖4 光譜遙感分類（紅外）示意圖

高光譜遙感是20世紀(jì)80年代發(fā)展的遙感前沿技術(shù)，是目前大力發(fā)展和應(yīng)用開發(fā)的技術(shù).隨著光電對抗技術(shù)的不斷深入，特別是隱身、偽裝及干擾等技術(shù)發(fā)展，對目標(biāo)的偵察、監(jiān)視與識別的難度越來越大，需要充分深入地利用目標(biāo)的各種信息.高光譜遙感就是充分挖掘目標(biāo)的光譜特征信息，利用目標(biāo)光譜的唯一性，在戰(zhàn)場詳查、反隱身／偽裝、目標(biāo)搜尋與精確識別等方面具有重要應(yīng)用.圖5為衛(wèi)星高光譜遙感過程及圖像立方體示意圖.

圖5 衛(wèi)星高光譜遙感示意圖

高光譜遙感技術(shù)發(fā)展還面臨很多技術(shù)難題，除圖像處理之外，在地物及目標(biāo)光譜特征探測、高分辨率成像光譜儀設(shè)計、大氣光譜特性研究、光譜特征分析與匹配等方面，還有很多物理問題，有待進(jìn)一步研究解決.

4 多光譜瞄準(zhǔn)

多光譜瞄準(zhǔn)是根據(jù)目標(biāo)的特征光譜來進(jìn)行目標(biāo)識別，從而實(shí)現(xiàn)武器系統(tǒng)的瞄準(zhǔn)、制導(dǎo)和打擊.重要的軍事目標(biāo)，特別是帶有動力推進(jìn)裝置、處在飛行運(yùn)動狀態(tài)等目標(biāo)，如導(dǎo)彈、飛機(jī)等，都會產(chǎn)生一定的電磁輻射，而且往往具有明顯的特征光譜.利用這些特征，通過匹配分析，就可以實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的瞄準(zhǔn)與跟蹤.一般來說，如果有3個特征實(shí)現(xiàn)匹配，那么目標(biāo)識別的概率就可以達(dá)到95%左右.在實(shí)際應(yīng)用中，還要考慮到環(huán)境及干擾等因素的影響.

多光譜瞄準(zhǔn)的技術(shù)原理，主要是通過在光學(xué)成像系統(tǒng)前加濾光裝置，只允許特征波長的光通過，其他波長則不允許通過.當(dāng)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)時，則在成像器件上顯示一亮點(diǎn).如果有多個亮點(diǎn)出現(xiàn)，則表明多個特征光譜匹配，從而可以確定目標(biāo).

多光譜瞄準(zhǔn)系統(tǒng)因其具有很高的實(shí)時識別目標(biāo)的能力，在軍事上得到了廣泛的應(yīng)用.圖6為美國雷聲公司生產(chǎn)的AN／ASS-52多光譜瞄準(zhǔn)系統(tǒng)（Multi-Spectral Targeting System，MTS），號稱具有卓越的戰(zhàn)場監(jiān)視偵察、情報獲取和精確捕獲目標(biāo)的能力.通過采用增強(qiáng)目標(biāo)定位精度和高分辨率升級技術(shù)，多光譜目標(biāo)捕獲系統(tǒng)將提供更準(zhǔn)確的目標(biāo)定位.

圖6 雷聲公司的AN／ASS-52多光譜瞄準(zhǔn)系統(tǒng)

2009年，雷聲公司獲得了美國空軍一份合同，將為其提供多型多光譜瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，以及用于支持“捕食者／死神（Predator／Reaper）”無人機(jī)計劃.有報道稱，雷聲公司的機(jī)載多光譜瞄準(zhǔn)系統(tǒng)可幫助戰(zhàn)場上的士兵、情報分析人員和指揮官作出行動抉擇.2011年，雷聲公司為美國空軍生產(chǎn)首套機(jī)載戰(zhàn)術(shù)超光譜傳感器系統(tǒng)——機(jī)載超光譜提示與開 發(fā) 系 統(tǒng) （Airborne Cueing and Exploitation System Hyperspectral，ACES HY）.該系統(tǒng)是一種紅外傳感器系統(tǒng)，可根據(jù)目標(biāo)光譜特征對其進(jìn)行識別.

圖7為安裝在美國“捕食者”無人機(jī)上的雷聲公司AN／ASS-52多光譜瞄準(zhǔn)系統(tǒng)（MTS）.

圖7 “捕食者”上的MTS相機(jī)

MTS系統(tǒng)中包含AGM-114海爾法導(dǎo)彈瞄準(zhǔn)系統(tǒng)、光電紅外系統(tǒng)、激光指示器等，還包含各種用于計算風(fēng)速、風(fēng)向以及其他戰(zhàn)場變量的傳感器，所有這些組件集成在球形轉(zhuǎn)塔內(nèi)，安裝在“捕食者”機(jī)鼻下方.MTS系統(tǒng)根據(jù)所收集的數(shù)據(jù)，確定導(dǎo)彈的發(fā)射方案，然后發(fā)射自身攜帶的導(dǎo)彈摧毀目標(biāo).也可把發(fā)射方案傳送給其他飛機(jī)或地面部隊，以便它們摧毀目標(biāo).

5 多光譜制導(dǎo)

多光譜識別配上跟蹤系統(tǒng)，就可實(shí)現(xiàn)多光譜制導(dǎo).本文不全面介紹多光譜制導(dǎo)系統(tǒng)，只簡要介紹一種具有重大意義和前景的應(yīng)用，也是現(xiàn)代軍事技術(shù)發(fā)展的前沿之一，就是多光譜制導(dǎo)用于攔截高超聲速飛行器.

2002年，美國首先提出了快速全球打擊的概念，并由此引起了全球?qū)焖俅驌粑淦鞯难邪l(fā)熱潮.高超聲速飛行器技術(shù)一旦實(shí)現(xiàn)并應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，將改變未來戰(zhàn)爭的作戰(zhàn)樣式，并對國家安全產(chǎn)生重大戰(zhàn)略威脅.美國HTV系列作為超高音速系類之一，以20倍音速飛行于臨近空間，可在一小時內(nèi)打擊全球任何一個位置，這無疑是全球快速打擊史上的一個里程碑.面對如此超高速的飛行器，是否能對其進(jìn)行有效跟蹤與攔截，成為技術(shù)上極大的挑戰(zhàn).目前，世界上還未出現(xiàn)可用于準(zhǔn)確捕捉、攔截HTV系列的武器裝備.

對高超聲速飛行器的攔截，除了必須具備極高的速度外，對攔截武器的制導(dǎo)實(shí)時性要求極高，多光譜制導(dǎo)可以滿足這一要求.那么高超聲速武器是否具有一定的特征光譜呢？回答是肯定的.圖8中，左圖為美國高超聲速運(yùn)載工具—HTV-2系列的人牛怪運(yùn)載火箭，中圖為彈體在大氣中高超聲速飛行時的狀態(tài)示意圖，右圖為美國高超聲速飛行器X-51A.當(dāng)飛行器在大氣中超高速運(yùn)動時，彈體與大氣作用將會形成所謂的“等離子體鞘套”，產(chǎn)生高溫等離子體輻射，如圖8所示，這對目標(biāo)探測來說，具有極高的利用價值，美國已報道了相關(guān)研究成果.

圖8 HTV-2運(yùn)載工具——人牛怪運(yùn)載火箭（左）高超聲速彈體飛行狀態(tài)示意（中）美國高超聲速飛行器X-51A（右）

研究和掌握高超聲速飛行器的光譜特性，是一個極端條件下復(fù)雜的物理問題，而多光譜制導(dǎo)攔截高超聲速飛行器，同樣具有極高的技術(shù)挑戰(zhàn)性.

[1]王建宇，等.成像光譜技術(shù)導(dǎo)論[M].北京：科學(xué)出版社，2011

[2]Svanberg S.原子和分子光譜學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2011.

[3]張兵，高連如.高光譜圖像分類與目標(biāo)探測[M].北京：科學(xué)出版社，2011.

[4]余旭初，等.高光譜影像分析與應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社2013.

[5]防務(wù)導(dǎo)航，雷聲公司為美國空軍提供多光譜瞄準(zhǔn)系統(tǒng).2009.

[6]雷聲公司開始為美空軍提供機(jī)載超光譜傳感器[EB／OL][2015-8-10].http：／／www.cannews.com.cn／2011／0621／127232.html.

[7]Multi-Spectral Targeting System [EB／OL].[2015-9-15]http：／／defense-update.com／products／m／MTS.htm.

[8]Valdes R.How the Predator UAV Works[EB／OL].Howstuffwork.[2011-10-11]

[9]Anon.High Speed Strike Weapeon（HSSW）[EB／OL][2015-8-15].http：／／lookheedmartin.com／us／products／High Speed-Strike-Weapeonhssw-html.

[10]HTV-2的來龍去脈.太空探索[J].太空探索.2011，（3）12-13.