无人机载多光谱侦察效能研究

第38卷第5期 2017年9月

应用光学

Journal of Applied Optic:

Vol. 38 No. 5

Sep. 2017

文章编号：l〇〇2-2082(2017)05-0685-04

无人机载多光谱侦察效能研究

成刚1，方帆2,宁飞\闫明\高泽东\丁娜1

(1.西安应用光学研究所，陕西西安710065; 2. 63961部队科技处，北京100012)

:光谱成像探测技术将成像技术和光谱技术结合在一起，能够提供丰富的目标场景信息。对多光谱成像探测技术进行了详细研究，针对迷彩伪装目标侦察设计了无人机载多光谱摄像机，重点分析了多光谱侦察探测、识别的计算方法。通过试验验证，多光谱侦察效能提高20%〜50%。

:光谱成像探测技术；无人机载多光谱侦察；光谱特征；信噪比；空间分辨率中图分类号：T N2文献标志码：A doi：10. 5768/J A O201738. 0501001

Study on performance of multi spectral reconnaissance of

unmanned aerial vehicle

Cheng Gang1，Fang Fan2，Ning Fei1，Yan Ming1，Gao Zedong1，Ding Na1

(1. X i’an Institute of Applied Optics，X i’an 710065，China;

2. Science and Tec h n o l o g y Division of the 63961 Army,Beijing 100012,China)

Abstract：Spectral imaging detection technology combines imaging technology and spectral tech­nology,which can provide rich information of the target scene.The multi-spectral imaging de­tection technology is studied in detail,and multi-spectral camera of unmanned aerial vehicle is designed for the camouflage target reconnaissance.The calculation method of multi-spectral re­connaissance detection and recognition is analyzed emphatically.Experimental results show that the efficiency of multi-spectral reconnaissance performance is improved by 20%〜50%.

Key words：spectral imaging detection technology；unmanned airborne multispectral reconnais­sance；spectral feature；signal to noise ratio；spatial resolution

引言

近年来，为了应对空中和地面侦察，各国加强 了光电对抗研究，利用迷彩伪装等各种遮蔽手段将重要的军事目标隐身起来，最大限度地降低目标和背景的对比度，使得经过伪装的目标在复杂背景条件下被探测和侦察变得极为困难。光谱成 像探测技术将成像技术和光谱技术结合在一起，在原有的空间成像的基础上增加了光谱信息，相 比传统的单一宽波段光电探测技术，能够提供更加丰富的目标场景信息，极大提高了对迷彩伪装目标的探测概率。1多光谱摄像机

l.i多光谱成像探测

无人机载多光谱侦察设备是一种利用多光谱成像探测技术实施侦察的无人机载新型任务设备，利用目标与背景杂波的固有光谱差别，同时获 取目标的光谱特征信息和几何图像信息，通过多 通道窄带光谱成像、图像融合处理、伪彩色增强等 手段，实现目标的光谱特征识别，提高战场迷彩、伪装目标的侦察能力。

针对无人机载实时处理设备，如何在有限的体积、质量范围内实现光谱信息融合处理就成为

收稿日期=2016-08-23 ;修回日期：2017-05-23

作者简介：成刚（1970 —），男，陕西蓝田人，研究员，主要从事光电系统总体设计。E-m a i l:y g l23c g@21c n. c o m

•686•应用光学2017,38(5)成刚，等：无人机载多光谱侦察效能研究

设计关键。相比超光谱和高光谱，多光谱成像探测虽然成像波段数目少，但是在特定的观测场景下，可以在多个经过预先选择的特征光谱波段对目标场景进行成像探测，较好地实现颜色相近的真伪目标识别、杂乱背景抑制等传统单一宽波段图像探测器不能完成的任务。并且多光谱摄像机结构简单、体积小，对多光谱信息可进行机上融合处理，形成综合信息，再经一定的压缩，利用无人机数据链信道进行下传，从而解决信息带宽和传输作用距离的矛盾，满足战术观测的需要，是技术 上的首选方法之一。

1.2多光谱摄像机组成

多光谱摄像机是将多个光谱图像融合成一幅图 像，为了使融合图像能够包括更多的目标、背景的光 谱数据特性，就需要同步获取更多的光谱数据图像，光谱图像越多，融合图像所包含的信息越丰富;但是 随着光谱图像的增多，需要的探测器数量越多，数据 处理的实时性越差，综合考虑多光谱摄像机探测性 能、光谱图像配准融合处理的实时性，采用如图1所 示4路独立双视场摄像机同步获取四路光谱视频。每个通道的摄像机由双视场镜头、滤光片组件、CCD 探测器、电机控制电路组成。

通讯口

电机控

制电路

图1多光谱摄像机及单路构成原理图

Fig. 1 Multi spectral camera and structure

diagram of single path

相应光谱特征波长点应根据迷彩、伪装等典型目标与背景的光谱反射对比度特征来选择，每 个通道可以同时安装4种光谱特征波长点滤光片，将光谱特征波长滤光片根据不同伪装目标的光谱特性进行优化分组，就保证了所选择光谱波段与探测相应伪装目标所需采集图像相对应。

2多光谱侦察探测与识别

目标探测与识别由目标与背景信号之间的强 度对比和目标所成图像的大小决定，即系统信噪比和空间分辨率。

2.1系统信噪比

在多光谱探测中，即使目标和背景的信号差异微弱，但是在某些特征波段上，目标和背景的光 谱信号仍然可能具有显著的差异，可以通过信号差异将目标从背景之中区分开来。

影响多光谱成像摄像机信噪比的因素有信号强度和系统噪音。信号强度与光学系统的相对孔径、使用光谱范围、大气透过率、光学系统透过率、光学系统视场角、太阳高度角、探测器的像元大小、积分时间、量子效率等因素有关。噪音则主要 包括系统的散粒噪音、暗电流噪音和电路噪音等。

一般信噪比以电子数为单位，定义为

式中：是在一定时间内收集到的信号电子数; n_S6是在同一时刻收集到的所有噪声源的噪声电子数。

根据公式：S

t2

J L(A) • ^(A) •d A

%

式中：乃为大气光谱透过率；T2为窄带滤光片透过率；T3为多光谱摄像机光学系统透过率；S P为探测器像元的面积^为探测器的光谱响座度；f

久2

为光学系统相对孔径；1 L(A)• ^(A)•d A为光谱

%

辐照度。

系统信噪比反映了光谱图像相对于背景的可辨识度。信噪比越大，图像反差越大，越容易看出 更多的信息；反之，图像反差越小，对比度不大，则 看不出太多的信息。

2.2探测识别距离

虽然可以通过多光谱信息将目标从背景中提取出来，但鉴于光谱分辨率不足以辨识目标，只能 依赖成像传感器的空间分辨能力进行识别。0前，用线状靶标代替真实目标进行成像系统的分析和评估，在不考虑目标本质和图像缺陷的情况下，用目标等效条带图案可分辨力来评价成像系统对目标的识别能力。

约翰逊根据实验把目标探测与等效条带图案探测问题联系起来，将视觉识别分为4个等级：

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