高光谱遥感的发展及其对军事装备的威胁

高光谱遥感融合了光谱分析和成像遥感的优点,可以利用精细光谱特征分析、识别目标的种类和表面状态,给军事装备带来了新的威胁.介绍了高光谱侦察的基本原理和发展概况.分析了高光谱在军事侦察、伪装识别和热红外探测方面的优势,并指出利用植被的光谱特征识别技术可以有效分辨林地背景中的绿色伪装目标;在热红外波段高光谱可以通过探测目标的真实温度和发射率来检测伪装.     

面向高光谱探测的伪装效果评价方法

20世纪80年代发展起来的高光谱成像技术能充分探测并利用地物的光谱信息,有着较强的伪装识别能力,而传统的伪装评价方法主要基于伪装和背景的空间特征,不适用于基于光谱特征的高光谱伪装探测技术。提出了一种面向高光谱探测的伪装效果评价方法。该方法以伪装目标和背景的光谱特征及光谱导数特征的综合相似度为评价指标,综合相似度值越大则说明伪装效果越好。同时通过实验评价了三种伪装材料的伪装效果,其中绿色棉质布料与背景综合相似度为0.976 6,伪装效果最佳。最后在高光谱图像分类技术基础上提出了错分率的概念,验证了评价方法的客观性。所提出的伪装评价方法对于面向高光谱探测的新型伪装材料的设计有一定的指导意义。     

典型伪装材料高光谱偏振特性实验检测与分析

针对传统检测方法无法在复杂背景下同时获取伪装材料偏振信息与光谱信息的局限性,本文利用高光谱偏振成像技术对典型伪装材料检测并分析其高光谱偏振特性。使用一套分孔径同时式高光谱偏振成像系统,对伪装涂层和伪装网等典型伪装材料进行高光谱偏振检测并解析出伪装材料的9个偏振参量,获得了伪装材料与背景的相对反射率随光谱改变的变化规律。结果表明,利用伪装材料与背景的偏振特性差异,选择合适偏振参量可以增加目标的纹理细节特征并提高其对比度;分析其光谱偏振特性,选择760 nm检测波段有利于快速准确地检测伪装材料。     

有监督的高光谱图像伪装目标检测方法

针对伪装目标检测问题,提出了一种有监督的高光谱伪装目标检测方法。以植被型伪装目标为研究对象,在分析伪装材料与绿色植被光谱之间特性的基础上,先通过光谱重排、光谱微分以及光谱差异性增强处理,对植被型伪装材料与真实植被（背景）之间的光谱差异进行放大,然后利用主成分分析（PCA）变换进行降维,从而实现了一种适用于大面积植被型伪装目标的高光谱检测方法。实验结果表明,该检测方法在检测时间和检测效果上要优于基于加权的约束能量最小化法（WCM-CEM）和基于非监督目标生成处理的正交子空间投影法（UTGP-OSP）。     

Relief-F筛选波段的植被伪装揭露研究

为了快速揭露植被伪装,基于Relief-F算法进行了高光谱波段选择,将高光谱研究问题转化为多光谱应用问题。首先以常见植物云杉模拟植被伪装目标,利用HH2地物光谱仪采集实验数据,然后引入Relief-F算法筛选特征波段子集,与其它两种常用算法得到的波段子集进行了分类实验。结果表明,使用Relief-F算法筛选特征波段子集分类精度达96.4%,高于其它两种算法。该研究对于揭露植被伪装问题是有帮助的。     

基于高光谱遥感技术的伪装材料的光谱特性分析

通过采集9种常见伪装材料及背景的光谱,进行基于反射率光谱的伪装材料的光谱分析和提取工作,然后对原始反射率光谱曲线和经包络线去除法变换后的曲线进行分析,并利用多种光谱差异算法对光谱数据进行计算,进而对伪装效果进行评估.通过实验得到了在可见光图像上难以区分的几组伪装目标的光谱特征差异,对伪装检测的波段选取及伪装材料的选择提供了参考依据.     

高光谱图像组合光谱特征研究

在此分析了典型植被、岩矿、土壤和水体地物的光谱特性曲线及其一阶和二阶导数的特点与异同。研究表明通过光谱导数技术,可以快速分析出高光谱特性曲线的反射峰和吸收谷谱带的相关特征,且不同类别地物目标在原始光谱曲线和各阶光谱导数曲线上存在不同敏感波段。因此提出将高光谱原始数据和其各阶导数曲线的敏感波段综合起来构成组合光谱特征,以此达到优化高光谱特征性和降低分类难度,从而进一步提高分类性能的方法。实验结果表明组合光谱特征可以实现高光谱图像有效分类。     

用于高光谱图像分类的归一化光谱指数的构建与应用

成像高光谱的近地田间应用为农业定量遥感的发展提供了新的契机。如何发挥其图谱合一的数据优势,尤其在解析土壤、阴影等背景地物对作物养分反演模型的影响需要关注。该研究借助可见/近红外成像高光仪,在近地田间采集小麦群体的成像立方体,根据影像中光照裸土、阴影裸土、光照叶片和阴影叶片的反射光谱特征建立了归一化光谱分类指数,并应用该指数提取大豆影像中不同类型地物的光谱,分析了背景土壤剔除前后的大豆植被归一化光谱与叶绿素密度的决定系数变化情况。结果表明:土壤和阴影叶片光谱去除后,反演叶绿素密度的敏感波段由红-近红外区间（727 nm,922 nm）向蓝、绿,尤其是红波段（710 nm,711 nm）移动。对叶绿素密度敏感的波段区间表现为可见光增加,近红外减少,且红边波段决定系数最高。由此说明,基于归一化光谱指数的植被光谱提纯对定量遥感反演研究具有重要意义。     

伪装材料的偏振散射光谱研究

采用多波段偏振CCD相机在光学与红外波段测试了镜面反射方向伪装材料的偏振特征.研究了不同入射条件下具有粗糙表面的伪装材料的偏振散射过程,得到了材料的偏振散射光谱.在镜面反射方向,伪装材料表面具有高的线偏振度,而草地背景的线偏振度很低.利用Kirchhoff近似理论分析了粗糙表面的偏振散射过程,分析结果与实验测试的偏振光谱相一致.由于伪装材料与背景的偏振散射光谱不同,因此利用偏振信息成像能够识别复杂背景中的伪装目标.偏振遥感在伪装目标识别方面具有重要的军事应用价值.     

非致冷长波红外高光谱成像

8μm～14μm波段的高光谱成像无论对于军用遥感还是对于民用遥感都是很重要的．长波红外高光谱成像的昼夜观察能力加上它探测伪装目标、地雷和化学气体的能力,已使它成为了一种很有吸引力的军用侦察手段．此外,长波高光谱成像技术的化学分析能力还可以对可见光、近红外和短波红外高光谱方法进行补充。然而,长波高光谱成像技术所用的光子焦平面体积大、成本高,这就限制了它在许多平台上的使用。     

一种新型近红外伪装涂层的制备及光谱性能研究

以聚氨酯为基体,叶绿素、铬绿、水等为填料,研制出一种可有效模拟植物反射光谱的近红外伪装涂层.实验结果表明,涂层在近红外波段具有明显的水吸收峰,克服了传统的材料因不含水而无法实现“同谱”的不足;含水量60 wt%时,涂层在300~2500 nm波段呈现出与植物相似的光谱反射特征,相似度高达99%,且符合美军标光谱通道要求,有望成为对抗现代光谱侦察的有效手段.此外,通过FT-IR、SEM等表征手段,简要讨论了涂层组成及微观结构对其光谱性能的影响.     

油漆涂层对板材红外光谱特性影响分析

通过对不同油漆涂层覆盖下板材的光谱特性进行研究,发现板材的光谱特性随油漆颜色和厚度的不同呈规律性变化,并提出了用于探测油漆覆盖下板材的短波红外“窗口波段”.最后,本文对试验的基础数据进行了系统的误差分析,讨论了进一步开展相关试验所应注意的几个问题.此项研究可以为城市建筑材料和军事伪装材料的探测技术研究提供重要的理论依据和参考.     

利用图谱特征解析和反演作物叶绿素密度

地面成像光谱仪可对作物个体及群体信息进行图谱同步解析,因此在农业定量化研究中具有巨大的应用潜力。利用可见-近红外成像光谱仪采集不同生育期玉米和大豆的冠层图谱数据,在逐步提取影像中光照土壤、阴影土壤、光照植被、阴影植被四种组分光谱的基础上,通过选取的敏感波段构建光谱植被指数和叶绿素密度进行波段自相关分析,探讨各个分量对作物叶绿素密度反演的影响。研究发现:当植被与土壤混合存在时,对叶绿素密度敏感的波段基本在红光与近红外波段;当植被光谱提纯后（剔除土壤光谱）,对叶绿素密度敏感的波段范围增大,表现在蓝、绿波段;当阴影叶片光谱剔除后,对叶绿素密度敏感的波段表现为可见光波段增加,近红外波段减少,红边波段决定系数最高。上述变化特征在不同作物中有相同的趋势,为探索地面成像光谱仪图谱协同反演作物生化参数进行了有意义的探索。     

冻害胁迫小麦的图谱特征解析研究

冻害是造成中国农业生产重大损失的气象灾害之一, 对国内粮食安全生产造成严重威胁。利用图像处理技术提取冻害前后小麦的覆盖度特征, 用高光谱技术研究冻害前后小麦的光谱变化特征并确定遥感诊断的敏感波段。研究结果表明: 可见光波段的绿、红光可用于诊断冻害胁迫, 尤其在绿峰与红谷位置表现明显;近红外波段是判断冻害胁迫的敏感区间。综上, 光谱分析结合图像处理技术用于田间小麦冻害特征区间提取是可行的。     

基于室内高光谱激光雷达的典型树种叶片光谱观测和分类

高光谱激光雷达综合了高光谱和激光雷达特征,可为植被生理生化参数提取提供更加精确的遥感探测,但其应用潜力尚未得到充分挖掘。以北京10个典型树种的单叶为样本,开展室内高光谱激光雷达的叶片观测试验,并进行树种分类研究,为未来高光谱激光雷达的林业应用提供基础。首先进行可调谐高光谱激光雷达(Hyperspectral LiDAR,HSL)叶片高光谱测量,并完成与ASD地物光谱仪所测数据对比实验;其次,应用随机森林方法实现10种叶片的分类研究,其输入的特征指数为融合全部波段、部分敏感波段的光谱指数。结果表明:(a)HSL在波段650～1000 nm (71个通道)内观测的叶片高光谱和ASD光谱一致(R~2=0.9525～0.9932,RMSE=0.0587);(b)只用原始波段反射率分类精度为78.31%,其中分类贡献率最大波段的是650～750 nm,使用此波段进行分类精度为94.18%,表明利用红边波段(650～750nm)进行树种分类是十分有效的;(c)对树种敏感的波段为680 nm、685 nm、690 nm、715 nm、720 nm、725 nm、730 nm;(d)结合敏感波段光谱指数与植被指数分类精度82.65%。该研究结果表明在单叶级别,利用高光谱激光雷达能够准确地反映目标叶片的光谱特征并且能有效进行树种分类;未来将可能在野外应用中精确提取目标的生理生化参数。     

空空导弹多光谱红外成像制导技术研究

从空空导弹红外制导系统的需求出发,探讨多光谱成像制导技术的研究思路与系统设计方法．介绍了共光路与分光路多种多光谱光学系统的结构设计,分析了多光谱红外导引技术中的光谱细分、多光谱红外探测器、系统匹配、多传感器信号融合及光谱特征选取等关键技术。在此基础上给出了一种空空导弹双色成像探测系统实例,该系统利用共光路系统设计实现双波段红外成像探测,并针对红外诱饵干扰进行了基于光谱特征的目标跟踪与抗干扰算法,实验验证该系统具有优于单波段成像导引头的目标识别与干扰抑制能力,显示出了多光谱成像导引头是空空导弹的发展方向。