0.   引言

在信息时代，人类的生产实践活动与信息传播密不可分。光作为传播信息的媒介，其在人类社会的各个领域有着举重若轻的作用。光电探测技术是连接光信号和电信号的桥梁，它的重要性更是不言而喻，尤其在军事领域，没有光电探测器就等于失去了信息主导权。在紫外光谱范围内，光电探测器可用于导弹预警和追踪、航天探测、紫外通讯等；在可见光和近红外光谱，光电探测器可用于监视和瞄准、可见光通信、光学测量等；在红外光谱范围，光电探测器主要用于制导、成像、遥感等方面^[1-4]。在科学技术空前发展的今天，许多智能武器的概念被提出，其不仅要求武器系统具有传统意义上的打击目标的能力，还要“有意识”地辨别、瞄准、跟踪目标，如智能导弹、智能步枪、智能地雷、无人驾驶战争机器人等^[5]。这种人工智能技术在军事上的应用可以很大程度上削减人员伤亡，能够高效高质量地完成军事任务，被认为是未来战争的主力军^[6]。然而这种复杂的多功能融合技术仅仅只靠传统的单光谱探测是很难实现的。由于每种物质对特定光谱波段的吸收和反射上的差异，因此我们可以利用多种光谱探测来获取更多的空间物质信息，进而达到智能化技术的需求。多光谱探测技术可以同时检测电磁波段中多个光谱的光信号，为精确识别并打击目标创造了条件，其无疑将是未来智能武器装备技术的发展趋势。本文主要介绍了棱镜光谱探测仪、光栅光谱探测仪、滤光式光谱探测仪和傅里叶变换光谱探测仪等4种多光谱探测仪器和技术，综述了多光谱探测技术在军事方面的应用现状，展望了多光谱探测技术在军事领域的发展趋势。

1.   多光谱探测仪器和技术

实现多光谱探测的前提是需要将包含有许多波长信息的复合光分离成单色光或者一系列波段的光。多光谱探测仪可以根据光谱分光系统和原理的不同，分为利用色散作用分光的棱镜光谱探测仪、利用光栅结构分光的光栅光谱探测仪、利用具有不同透过率的滤光片进行分光的滤光式光谱探测仪和利用傅里叶变换原理进行分光的傅里叶变换光谱探测仪^[7]，如图 1所示。由于棱镜光谱探测系统和光栅光谱探测系统以及滤光式光谱探测系统所需的光学元件简单，且具有较高的光谱分辨率和准确性，十分适用于复杂多变的战场环境，因此应用较广。尽管傅里叶变换光谱探测系统光谱分辨率高，扫描速度快，但是其结构复杂，所需光学元件较为精密，限制了它在恶劣环境中的应用。

图  1  四种常见的多光谱探测系统的基本原理示意图：(a) 棱镜光谱探测系统；(b) 光栅光谱探测系统；(c) 滤光式光谱探测系统；(d) 傅里叶变换光谱探测系统

Figure  1.  Schematic illustration of the basic principles of four common multispectral detection systems: (a) prism spectral detection system; (b) grating spectral detection system; (c) filtered spectral detection system; and (d) Fourier transform spectral detection system

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1.1   棱镜光谱探测仪

棱镜光谱探测仪利用不同波长的光经过棱镜的折射角不同实现分光。这种系统通过透镜和多个光学组件将入射光线聚焦到棱镜上，然后棱镜把各个波长的光分离，使分离后的光进入不同的探测器中进行信号采集，便可以得到多个光谱的图像。这种多光谱探测系统可以捕获非离散的连续波长范围内的图像，而且由于其基于折射和色散原理工作，因此具有非常小的光损耗。然而，其涉及到的光路调节所需的多个光学元件导致其成本高，体积较大。如普林斯顿Acton LS-785系列棱镜型光谱仪，可以分辨785~1100 nm连续波长的光，f/2的孔径比和高透射率光学部件使其具有很高的光通量，但是高达数十万的成本价格和10 kg以上的重量限制了其在小型化和集成化领域的应用^[8]。

1.2   光栅光谱探测仪

光栅光谱探测仪利用具有周期性结构的光栅和光的衍射效应使不同波长的光发生不同角度的偏转来实现分光。首先该系统通过光学元件将入射光进行准直，准直后的光平行入射到由许多光栅线组成的光栅上，利用每个波长的光离开光栅的角度不同，通过控制出射狭缝的位置可以精准地控制探测的波段。光栅光谱探测仪具有分辨率高、精度高、工作波长范围宽、可同时测量多个波长的光等优点。但其和棱镜光谱探测仪一样面临着价格昂贵、体积较大、使用复杂的问题。尽管如此，光栅光谱仪的应用仍十分广泛，如化学成分分析、遥感卫星、天文观测、医疗光谱诊断等领域。欧洲航天局2017年发射的哨兵五号卫星（Sentinel-5P）搭载的便是紫外-可见-近红外光栅光谱探测仪，它能以高时间和空间分辨率实时动态监测全球环境状况^[9]。

1.3   滤光式光谱探测仪

滤光式光谱探测仪利用一系列具有不同波长透过率的滤光片将入射光分离成多个波长的光来实现分光。该系统可以采用旋转滤光轮的方式获取多波长通道信号。这种方式是将一组滤光片按照一定间隔均匀地贴在转轮上，旋转滤光轮时会使不同的滤光片对准探测器，从而得到入射光中不同波长的光信息。其优势是空间分辨率高，可以根据需求定制和更换滤光片。不足之处在于成像速度较慢，不利于捕捉动态目标。除了使用滤光轮外，还可以将滤光片阵列固定排布在光电探测器和入射光之间，这种方式能同时对可见光、近红外和短波红外多个波段进行探测和成像，且不会增加尺寸和成本，被广泛用于环境监测和遥感卫星领域。但是，受尺寸和结构限制，该系统支持的滤光片数目有限，因此只能探测有限离散的光谱范围^[10]。

1.4   傅里叶变换光谱探测仪

傅里叶变换光谱探测仪基于迈克尔逊干涉仪将入射光分成两束，使其发生干涉来进行分光。这种探测系统利用两束光信号经过反射镜和扫描镜形成的光程差来实现干涉现象，探测器捕捉到干涉光信息后再经过傅里叶变换对信号进行处理即可得到不同波长的光谱数据。由于没有光栅和棱镜结构且所用光学元件不多，因此傅里叶变换光谱探测仪比以上3种光谱探测系统具有更低的光损耗和更高的信噪比。除此之外，傅里叶变换光谱探测仪是对全波段数据信号进行采集和处理，最终的光谱数据是对每次采集的信号取平均得到的，因此它的扫描速度也相对快很多。另一方面，采用高精度的动态扫描镜产生的光程差来获得精细的干涉条纹，使得这种探测仪具有很高的波数精度，通常可达到0.01 cm^－1。但是由于使用的扫描镜较为精密，傅里叶变换光谱探测仪的应用场景有限，一般常用于生物化学领域，如高分子材料鉴定、大气成分分析、生物蛋白检测等。另外，受限于扫描反射镜的平稳性和精度，该系统多用于探测红外光谱，难以获得高精度的紫外和可见光波段的光谱信息^[11]。

2.   多光谱探测技术的军事应用

根据探测器能够探测的光谱波段数和光谱带宽，一般可以将光谱成像技术分为3类：1）多光谱：3≤光谱波段数≤10，光谱带宽100 nm左右；高光谱：10≤光谱波段数≤1000，光谱带宽10 nm左右；超光谱：光谱波段数≥1000，光谱带宽1 nm左右^[12]，如图 2所示。多光谱、高光谱和超光谱成像技术是传统单光谱成像技术的延伸和拓展。它们不仅能获取目标图像的空间信息，还可以获得目标图像的一系列光谱特征。例如常见的彩色相机就是利用多光谱探测和成像技术，来实现空间中红色、绿色和蓝色3种光谱的信息提取。多光谱、高光谱和超光谱成像技术因其出色的图像识别能力，在军事应用中可以大幅提高目标探测的精准度，提供强有力的信息支持。例如在0.35~2.5 μm的可见/近红外波段，提供武器装备和军队的位置信息；在3~5 μm的中红外范围，探测高温爆炸气体及飞行器尾焰等；在8~14 μm的远红外波段，可用于夜晚热成像来实现战场侦查和监视，另外还可以探测生化武器等^[13]。

图  2  宽光谱、多光谱、高光谱以及超光谱的区别

Figure  2.  Difference among broadband, multispectral, hyperspectral and ultraspectral data

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2.1   目标/背景识别

当探测目标进行热伪装、探测背景是高度结构化的或者目标被隐藏在植被中时，目标与背景的热对比度很小，再加上热对比度极其依赖于环境参数（如天气）和一天中的时间（早晨和晚上的热交叉），基于单一光谱的热成像几乎不可能实现对目标的探测，因此，美军于1994年首次提出在3~12 μm的热红外宽光谱区实现分立的多光谱探测的概念，并启动了“联合多光谱计划（Joint Multispectral Program，JMSP）”，将峰值波长分别为9.35 μm、9.15 μm、8.7 μm，半峰宽为200 nm的3个光谱波段作为红外热探测的最佳组合。由于自然背景辐射的光谱之间的强关联性，在昼夜、夜昼交替时刻，可以选择合适的探测谱段来区分目标和背景，从而使探测性能不会受到很大的影响^[14-15]。

2008年美国的FluxData公司推出了一系列可定制的新型多光谱成像系统，用户可以选择预先配置好的3、5、7或9通道RGB-NIR相机，或者选择具有特定应用的3-CCD系统，该系统具有自定义的滤波器，可以在400~1100 nm波段内进行滤波。如图 3(a)所示的FD-1665 3-CCD多光谱成像系统可在恶劣环境下实现非接触、隐蔽性监视，有效增强了现有的监控、安防和传感器系统^[16]。

图  3  FD-1665 3-CCD多光谱相机及其应用：(a) FD-1665 3-CCD多光谱相机；(b) 利用多光谱相机拍摄的多个波长通道图像；(c) 多光谱成像系统在战场上拍摄的坦克、导弹和卡车^[16]

Figure  3.  FD-1665 3-CCD multispectral camera and its applications: (a) FD-1665 3-CCD multispectral camera system; (b) The multiple wavelength channel images captured using a multispectral camera; (c) Multispectral imaging systems captured tanks, missiles and trucks on the battlefield^[16]

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2014年8月13日由美国Maxar公司研制的WorldView-3卫星从美国范登堡空军基地发射，运行在高度为617 km的轨道上，主要用来观测云层、气溶胶、蒸汽、冰和雪等气象数据，也可用来进行军事观察。该卫星搭载的WorldView-110多光谱相机在可见光全色成像中的分辨率达到0.31 m，是世界上清晰度最高的商业卫星^[17]；在可见-近红外（Visible and Near-infrared，VNIR）8个光谱波段中的分辨率达到1.24 m，能实现夜晚成像；在短波红外（Short-wave infrared，SWIR）8个光谱波段（1195~2365 nm）中的分辨率为3.7 m，可以发现军车、坦克和飞机等装备；在云、气溶胶、蒸汽、冰和雪（Clouds, aerosols, vapour, ice, and snow，CAVIS）的吸收波段（405~2245 nm）以30 m的分辨率收集气象图像。在现代战争中，WorldView-3卫星拍摄了许多战场上军队的高清卫星照片。如图 4(b)中呈现的机场、战斗机、卡车和军事建筑等武装力量信息。

图  4  WorldView-3卫星及其应用：(a) WorldView-3卫星；(b) WorldView-3卫星拍摄的俄军装备^[17]

Figure  4.  Worldview-3 satellite and its applications: (a)WorldView-3 satellite; (b) Russian military equipment captured by WorldView-3 satellite ^[17]

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我国于2020年发射的祝融号火星车也搭载了对星球表面形貌、地质组成与构造、表层土壤与水和冰分布特征进行成像的多光谱相机，多光谱相机位于双目导航地形相机之间，共有9个成像谱段，它可以直视太阳成像，成像距离是1.5 m至无穷远，有效像元数量为2048×2048。利用多光谱探测的优势，其不仅能提供360°的空间背景图像识别，还具有识别火星上铁、盐等矿物的功能^[18]。

2022年美国的柯林斯公司（Collins Aerospace）在已经被广泛部署的DB-110吊舱的基础上，设计了一种新型空中侦察吊舱——MS-110多光谱机载侦察系统。MS-110系统通过以下方式能够提供比原系统更好的情报信息：①可见光波段和红外波段的多光谱成像；②所有波段共同覆盖地面；③更好地远距离区域覆盖；④改善的图像质量；⑤搭配了与MS-110独特功能匹配的图像开发软件；⑥通过高速数据链接能力快速处理多光谱图像，几乎可以做到实时传递图像给用户。

2.2   导弹导引和导弹预警

传统的单一光谱红外制导是利用热成像原理探测导弹尾部的高温喷焰将导弹识别出来再进行追踪和打击。但是这种制导方式容易受云、雾、太阳热辐射、红外诱饵等影响，因此其制导作用距离比较有限。此外，导弹的高温尾焰一般位于其后方，导弹本体的热辐射特征相对较弱，所以红外制导很难迎头拦截目标。另一方面，单一光谱紫外光制导利用空中紫外线强度的变化实现制导。具体来说，当空中无目标时，传感器接收到的紫外线强度比较强；而一旦出现目标，传感器窗口视野内的某个位置会因目标遮住了阳光中的紫外线而产生强度变化，紫外制导利用这种空间中紫外线强度的变化来识别目标。但是，紫外线制导只能工作在白天有紫外线辐射的时候，不适合夜间作战。多光谱成像技术可以获取极为精细的目标光谱信息，为需要精确自主识别或作为诱饵的智能导弹提供了解决方案。例如利用紫外/红外双色制导方式可以将上述两种制导技术取长补短，使双色导引头可同时工作于白天和黑夜两种环境。在白天，使用红外制导锁定目标，紫外制导排除干扰；在夜晚红外制导可以更好地发挥它夜间成像的优势，从而更加精确地打击目标^[19]。

在无人机侦察预警导弹方面，利用搭载有红外光电传感器的无人机探测、识别并跟踪刚起飞的导弹，美军对此开展了长期的研究。MQ-9长航时无人机被美军选作进行该项研究的试验平台，该平台装备了雷神公司研制的AN/DAS-1“多光谱瞄准传感器-B（MTS-B）”，这种弹道导弹预警传感器首次实现了利用光电/红外传感器数据直接生成弹道导弹助推段的跟踪数据，使MQ-9具备高分辨能力以及多目标跟踪能力等。2020年11月，美国海军“约翰保罗琼斯（DDG-53）”号驱逐舰成功利用无人机侦察预警进行了一次反导试验。在该试验中，他们并未对导弹进行实际拦截，而是由一架搭载了MTS-B型多光谱瞄准系统的无人机成功对目标进行了探测、识别和跟踪导引。已然说明美军已经在无人机反导领域取得了重要的进展。

在卫星预警方面，美国的天基红外系统-低轨预警卫星（Space based infrared system-low orbit early warning satellite，SBIRS-LOWS）利用可见光、短波红外、中波红外和长波红外多光谱探测技术，可以通过对着地球背景观察导弹的明亮火焰对弹道导弹进行全飞行过程跟踪，并将弹头从其他物体中识别出来^[20]。

在战斗机导弹预警方面，配备了远距离多光谱探测导弹告警系统的战斗机，能排除背景视野中的阳光和水面等信息的干扰，利用最新的机载分布式孔径红外预警系统（Airborne distributed aperture infrared warning system，ADAIWS），可实现全空间范围内的连续高分辨成像。该系统可同时具有导航、感知、预警、目标指示等功能，可与飞行员的头盔瞄准系统连接成像，使飞行员观察到机身周围全方位的信息。图 5是装备了AN/AAQ-37分布式孔径红外预警系统的F-35战机，该红外预警系统由6个双色红外传感器组成，可以提供机身360°空间视角范围^[21]。

图  5  装配有AN/AAQ-37分布式孔径红外预警系统的F-35战机^[21]

Figure  5.  F-35 fighter equipped with AN/AAQ-37 distributed aperture infrared warning system^[21]

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在紫外和近红外双色制导方面，美国、欧洲和俄罗斯等多个军事强国对此极为重视，他们已经发展出了许多成熟的地空制导导弹，如美国的“毒刺”导弹（图 6）^[22]、俄国的“松鸡”导弹等^[23]。“毒刺”导弹的首次实战应用是在英阿马岛战争，后在阿富汗战争中名声大噪。美国于1986年向阿富汗游击队提供了“毒刺”导弹，在此后两年内发射340枚，击落269架苏军飞机，命中率高达79%。现代战争中，乌克兰士兵所使用的FIM-92“毒刺”防空导弹就是由美、德等国援助，其不仅具有全方位识别打击目标能力，还使用紫外/红外双色制导技术，能够更加精准地命中目标，并且具有出色的抗红外干扰能力^[24]。

图  6  美国研制的毒刺导弹^[22]

Figure  6.  The US-developed Stinger missile^[22]

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2.3   地雷识别和探测

在战场上，地雷这种高杀伤性的武器给士兵、坦克、装甲车等造成了巨大的威胁。目前虽然出现了大量的排雷方法，例如机器人扫雷、扫雷车扫雷、炮击扫雷等。这些方法大多受地形等环境因素干扰，最精确有效的仍是用金属探测器的人工扫雷方式，但是这种技术耗时长且危险性高，此外其无法识别利用新技术制造的非金属地雷。因此，急需一种可以远距离识别和探测地雷的新技术。针对这个问题，1994年美国的超光谱地雷探测计划（Hyperspectral Mine Detection Program，HMDP）开始实施。由于超光谱探测技术可以精确地识别战地表面土壤成分分布信息，当地雷被埋在土里时，地雷上面表层土壤与周围土壤的成分与颗粒大小会产生很明显的差异，利用这种差异产生的光谱特征，多光谱成像可以很轻松地将地雷探测出来。通过把多光谱传感器安装在飞行器上，他们可以实时接收到传感器传回的图像，从而绘制出战地上的地雷分布图，有效避免人员和车辆伤亡^[25]。

TacSat-3（图 7）是美军首个具备超光谱成像能力的卫星，其搭载了先进的成像光谱仪及其相关传感器处理器，可以在周围灌木丛中辨别伪装车辆；鉴定路边掩埋的炸弹、简易爆炸装置，以及探测某些化学武器等^[26]。

图  7  战术卫星三号（TacSat-3）^[26]

Figure  7.  Tactical Satellite No. 3 (TacSat-3) ^[26]

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3.   多光谱探测技术在军事应用上的发展趋势

智能化武器装备的迅速发展将对多光谱探测技术提出新的要求：①光谱仪光谱分辨率更高，体积更小，成本更低；②针对每种物质的光谱成像特点建立庞大的数据库，光谱数据处理更加迅速，检测更加准确；③新材料、新技术和新理论与多光谱技术的结合，开发出新的应用场景；④结合大数据、互联网、AI等技术实现多系统、各模块功能的优化整合，构建立体化、全天候的战场体系，提供全方位、多维度的动态战场监控平台。

4.   总结

多光谱探测技术因其可以获取多个维度的信息，在军事战场上应用价值极大，深受各国的密切关注和研究，目前其在军事领域已经取得了十分瞩目的研究进展。多光谱探测技术与其他高新技术的结合，开发出更加智能、性能更好的设备将是未来发展的主要趋势。我国在该领域仍与世界强国之间存在较大的差距，目前对多光谱探测技术的探索相对较少，但是随着我国对科学技术的日益重视以及自主创新意识的逐渐提高，相信对该技术的研究将越来越多，从而突破关键技术难题，更好地做好国防工作。