信息光學(xué)技術(shù)：在一些國(guó)家的軍事行動(dòng)中大顯身手

　　●信息光學(xué)技術(shù)，采用信息論的觀點(diǎn)和方法研究光學(xué)系統(tǒng)并解決光學(xué)問(wèn)題

　　●借助信息光學(xué)技術(shù)，光學(xué)探測(cè)設(shè)備不僅看得更遠(yuǎn)，還看得更細(xì)致、更高效

　　●信息光學(xué)技術(shù)在戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)感知、戰(zhàn)場(chǎng)適應(yīng)性訓(xùn)練等領(lǐng)域具有極高的應(yīng)用價(jià)值

　　今天，我們聊聊信息光學(xué)技術(shù)

　　■袁梓洋　王金霞　　

　　信息光學(xué)技術(shù)發(fā)展時(shí)間軸線圖。

　　2021年3月23日，一艘貨輪卡在了埃及蘇伊士運(yùn)河，造成河道嚴(yán)重堵塞。世界各國(guó)利用光學(xué)探測(cè)衛(wèi)星拍攝到的一組高分辨率大視場(chǎng)照片，在網(wǎng)上刷屏，其精度、視野和色彩飽和度對(duì)比，成為各方炫技的焦點(diǎn)。

　　空中客車公司的Pleiades衛(wèi)星、長(zhǎng)光衛(wèi)星技術(shù)有限公司的吉林一號(hào)高分衛(wèi)星拍攝的“作品”不分伯仲。得益于信息光學(xué)技術(shù)支持，吉林一號(hào)高分衛(wèi)星的全色分辨率約為1米，可得到視野大于17千米的圖像。

　　信息光學(xué)技術(shù)，是將信息處理中的相關(guān)理論與方法，如傅里葉分析、壓縮感知、機(jī)器學(xué)習(xí)等移植到光學(xué)領(lǐng)域而形成的一種新型交叉技術(shù)。信息處理中的經(jīng)典理論和技術(shù)手段，被引入光學(xué)領(lǐng)域后，實(shí)現(xiàn)了一系列突破性革命，給傳統(tǒng)光學(xué)注入了新的生機(jī)。

　　誕生與成型

　　傅里葉分析，是信號(hào)處理領(lǐng)域的基石。將其引入光學(xué)領(lǐng)域進(jìn)行研究，最早可追溯到1873年德國(guó)物理學(xué)家阿貝所提出的成像理論。該理論驗(yàn)證了提高顯微成像分辨率的可能性，并在1906年被波特等研究人員驗(yàn)證。

　　受阿貝理論啟發(fā)，研究人員認(rèn)識(shí)到，光學(xué)成像系統(tǒng)與信息通信系統(tǒng)類似，也可分為信息收集、信息傳遞以及信息處理3個(gè)部分。從1930年開(kāi)始，以傅里葉分析為基礎(chǔ)的大量信息論成果被應(yīng)用于光學(xué)系統(tǒng)中。

　　信息論的引入，不僅是以新的概念來(lái)理解熟知的物理光學(xué)現(xiàn)象，更孕育了一門技術(shù)性很強(qiáng)的交叉學(xué)科——信息光學(xué)。

　　信息光學(xué)領(lǐng)域中一個(gè)重要的理論基礎(chǔ)，是利用探測(cè)器的采樣信息，重建光學(xué)信號(hào)，以提升光學(xué)信號(hào)的完整性和傳播效率?；萏乜?香農(nóng)采樣定理要求，探測(cè)器的采樣量需要足夠大才能重建信號(hào)，其對(duì)硬件的要求非常高，極大限制了信息光學(xué)技術(shù)的成型。

　　2004年，壓縮感知理論作為一個(gè)全新的采樣理論，由艾曼紐·坎德斯以及陶哲軒等人提出。該理論證明了可用遠(yuǎn)低于惠特克-香農(nóng)采樣定理所要求的采樣量，完美地恢復(fù)信號(hào)。因此，借助于壓縮感知理論，信息光學(xué)中大部分技術(shù)便可降低高速采樣壓力，從而減少了光學(xué)信息處理、存儲(chǔ)以及傳輸?shù)某杀?，顯著提高了成像效率。

　　隨后，基于壓縮感知理論而產(chǎn)生的信息光學(xué)技術(shù)如雨后春筍般涌現(xiàn)。比如，欠采樣核磁共振成像、超薄成像、新型超分辨成像等。

　　傳統(tǒng)的信息光學(xué)技術(shù)，大都依靠經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵约叭斯は闰?yàn)，不能較為真實(shí)、客觀地刻畫自然界的物理過(guò)程以及數(shù)據(jù)分布規(guī)律。深度學(xué)習(xí)作為機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域中最熱的研究方向之一，能利用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，從海量數(shù)據(jù)中挖掘得到數(shù)據(jù)的內(nèi)在規(guī)律，并提取數(shù)據(jù)特征。

　　因此，大量深度學(xué)習(xí)算法被引入信息光學(xué)技術(shù)之中，涌現(xiàn)出一系列從成像時(shí)間以及成像效果上大大超越經(jīng)典算法的新方法。

　　發(fā)展與應(yīng)用

　　評(píng)價(jià)望遠(yuǎn)鏡成像質(zhì)量的重要指標(biāo)之一是分辨率。決定望遠(yuǎn)鏡分辨率的主要因素是望遠(yuǎn)鏡的尺寸以及觀測(cè)光的波長(zhǎng)。

　　在波長(zhǎng)確定的情況下，望遠(yuǎn)鏡尺寸越大，所能獲得的分辨率越高。現(xiàn)實(shí)中，我們可制造的望遠(yuǎn)鏡尺寸是有限的?？吹酶h(yuǎn)的甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量法，就可利用多臺(tái)望遠(yuǎn)鏡協(xié)同觀測(cè)來(lái)間接增大望遠(yuǎn)鏡尺寸。因此，借助遍布全球的天文望遠(yuǎn)鏡，使用甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量法，便可制造出一個(gè)尺寸和地球一樣大的虛擬望遠(yuǎn)鏡，從而大大增加探測(cè)距離。

　　2019年，借助于甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量技術(shù)，事件視界望遠(yuǎn)鏡首次拍到了黑洞照片，使人類深化了對(duì)于宇宙的認(rèn)知。

　　1873年，德國(guó)物理學(xué)家阿貝指出了光學(xué)顯微鏡存在分辨率極限的概念。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，生物醫(yī)學(xué)、材料學(xué)等領(lǐng)域?qū)︼@微技術(shù)的發(fā)展提出了更高要求。但由于分辨率極限的存在，傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡無(wú)法滿足微納尺度觀測(cè)所需。掃描隧道顯微鏡等技術(shù)出現(xiàn)后，實(shí)現(xiàn)納米量級(jí)的分辨率雖然成為可能，但仍存在對(duì)樣品破壞性較大等缺點(diǎn)，并不適合對(duì)生物活體樣品的觀測(cè)。

　　這時(shí)，光學(xué)超分辨率技術(shù)的出現(xiàn)，突破了分辨率極限。利用光學(xué)顯微鏡，能觀測(cè)到尺寸在十幾納米的活體生物結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了“看得更細(xì)致”的目標(biāo)。2014年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了艾力克·貝齊格等3名物理學(xué)家，以表彰他們?cè)诠鈱W(xué)超分辨顯微方面做出的巨大貢獻(xiàn)。

　　而信息光學(xué)領(lǐng)域，能夠看得更高效的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)成像技術(shù)，則是指利用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)算法，比如模式識(shí)別、深度學(xué)習(xí)等方法，來(lái)提升傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)成像效率。憑借算力強(qiáng)大的硬件及海量的數(shù)據(jù)作支撐，以深度學(xué)習(xí)為代表的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)算法，自2012年AlexNet網(wǎng)絡(luò)贏得了ImageNet圖像分類比賽第一名后，就在信息科學(xué)領(lǐng)域掀起了新高潮。數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)算法以其強(qiáng)大的特征提取以及泛化能力，被廣泛應(yīng)用于信息光學(xué)領(lǐng)域。如超光譜成像、相干衍射成像、傅里葉疊層成像等。

　　在數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)算法輔助下，傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)既能顯著提升成像效率，又能減少對(duì)數(shù)據(jù)的采樣。

　　“從軍”與前程

　　當(dāng)前，大量信息光學(xué)技術(shù)已應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，在一些國(guó)家的軍事行動(dòng)中大顯身手。這一技術(shù)“從軍”的代表作，為各國(guó)研發(fā)的合成孔徑雷達(dá)、穿墻透視雷達(dá)以及采用的全息影像技術(shù)。

　　——合成孔徑雷達(dá)。合成孔徑雷達(dá)是一種新型高分辨率雷達(dá)，用于掃描得到物體的二維或三維信息，尤其是在能見(jiàn)度極低的氣象條件下，依然能得到高分辨率圖像。

　　合成孔徑雷達(dá)利用天線在目標(biāo)區(qū)域上的運(yùn)動(dòng)，并以信息處理的方法，來(lái)提供比傳統(tǒng)固定波束掃描雷達(dá)更精細(xì)的空間分辨率。因此，合成孔徑雷達(dá)通常被安裝在飛機(jī)、航天器等移動(dòng)平臺(tái)上。對(duì)于固定的天線尺寸和方向，因距離更遠(yuǎn)的物體會(huì)保持更長(zhǎng)的照明時(shí)間，為此合成孔徑雷達(dá)具備為更遠(yuǎn)物體創(chuàng)建更大合成孔徑的特點(diǎn)，從而使其擁有較廣的搜索范圍。

　　在20世紀(jì)50年代后期，合成孔徑雷達(dá)一般裝載在RB-47A和RB-57D戰(zhàn)略偵察飛機(jī)上。經(jīng)過(guò)近70年的發(fā)展，合成孔徑雷達(dá)技術(shù)已經(jīng)成熟，不少國(guó)家有了自己的合成孔徑雷達(dá)發(fā)展計(jì)劃，各種新型體制合成孔徑雷達(dá)應(yīng)運(yùn)而生，在軍事領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。

　　——穿墻透視雷達(dá)?，F(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)上，錯(cuò)綜復(fù)雜的建筑和墻體是城市巷戰(zhàn)的最好掩體。在當(dāng)前的軍事應(yīng)用中，有一種穿墻透視雷達(dá)，能發(fā)射穿透力較強(qiáng)的高頻電磁波，對(duì)墻體進(jìn)行掃描探測(cè)。這種雷達(dá)的探測(cè)器通過(guò)接收經(jīng)過(guò)漫反射的回波信號(hào)，并利用算法計(jì)算得到墻體背后的情況，從而使掩體內(nèi)的軍事人員和設(shè)施無(wú)處遁形。

　　如以色列的XAVER400穿墻透視雷達(dá)，能穿透以水泥、石膏、混凝土等為材質(zhì)的墻體，其探測(cè)范圍最遠(yuǎn)可達(dá)20米。它可同時(shí)檢測(cè)靜止和移動(dòng)對(duì)象，并提供相關(guān)房間面積和基礎(chǔ)設(shè)施元素的信息。

　　——全息影像技術(shù)。這是利用干涉和衍射原理記錄并再現(xiàn)物體三維圖像的一種技術(shù)。利用全息投影技術(shù)，觀眾無(wú)須佩戴3D眼鏡，便可從任何角度觀看影像的不同側(cè)面，所觀看的3D影像擁有極強(qiáng)的空間感和真實(shí)感。未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)上，在具有跨越物理域、信息域、認(rèn)知域等多域精確作戰(zhàn)特點(diǎn)的情況下，全息影像技術(shù)將有著特殊應(yīng)用價(jià)值。

　　全息影像技術(shù)應(yīng)用到未來(lái)作戰(zhàn)場(chǎng)景中，可將現(xiàn)代化信息系統(tǒng)的仿真三維戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，以沉浸方式呈現(xiàn)，以便更直觀、更全面地為指戰(zhàn)員決策提供戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)感知支持。同時(shí)，利用此技術(shù)，可開(kāi)展戰(zhàn)場(chǎng)適應(yīng)性訓(xùn)練，以提高指戰(zhàn)員的戰(zhàn)場(chǎng)適應(yīng)能力。

　　除此之外，利用全息影像技術(shù)還可研制出幻覺(jué)武器，如偽造轟炸機(jī)、航母、無(wú)人機(jī)蜂群等作戰(zhàn)武器蜂擁而至的場(chǎng)景，偽造重要軍事目標(biāo)的虛擬影像等，以達(dá)到迷惑敵人、引發(fā)意識(shí)混亂、摧毀敵人戰(zhàn)斗意志的目的;對(duì)武器裝備進(jìn)行視覺(jué)偽裝，如飛行器能實(shí)現(xiàn)與天空融為一體的效果，從而達(dá)到視覺(jué)隱身目的;在戰(zhàn)場(chǎng)上虛擬假目標(biāo)，從而吸引誤導(dǎo)敵軍火力，降低對(duì)手的打擊效率等。

　　(作者系軍事科學(xué)院研究員)