热红外高灵敏度高光谱图像信息处理技术研究

发布时间：2020-03-07 18:56

【摘要】：电磁波谱的长波红外(Long Wave Infra-red,LWIR,8~14μm)谱段在物理学上也可以称为热红外谱段,地球表面的物体在室温(300K)下热辐射的绝大部分能量都集中在该波段。物体热辐射能量的大小和物体表面的温度直接相关,人们可以根据接收到的辐射信号反演出物表温度和比辐射率等信息。此外热红外波段位于大气窗口,穿透能力强,而且可以昼夜全天时工作,可广泛应用于民事以及军事领域。但受限于高性能热红外焦平面的研制难度,成熟的热红外探测器的性能相较于短中波红外探测器有较大的差距。尤其在探测微弱红外信号时,成像仍然无法达到较高的质量。所以在硬件条件的限制下,如何进一步突破对目标微小辐射探测的极限,提高微弱辐射探测的灵敏度是一个热红外领域永恒的主题。对于更高灵敏度所需要的探测方法和处理技术,国内外也有过一些研究。但大都局限在非均匀性校正算法上,这些方法要么有一定的局限性,表现为对提升温度分辨率有限,要么对降低空间噪声无能为力。文献[71]通过数字TDI技术做出了系统NETD16.4mk水平,但仍然有许多局限。同时大多的处理方法都只着眼于最终系统的时间等效温差上,而对实际上更加影响最终图像中物体的识别能力的空间噪声的关注十分少,为此有必要从更多的角度考量热红外图像的温度灵敏度。为此本文着重基于对热红外图像剩余非均匀性的理论分析,全面分析了不同非均匀性校正算法的优劣。研究了针对热红外图像非均匀性校正的后处理方法,以期更进一步的削减非均匀性校正后图像的剩余非均匀性。对整个定标方式中的影响因素进行了单一变量的研究;为更进一步的提高最终图像的灵敏度,提出一种基于现有硬件条件下的提高微弱热红外辐射信号探测灵敏度的新方法,该方法可以使得在现有硬件的基础上,极大的提高系统对热红外微小辐射的探测能力,这为微弱红外信号的探测增添了一种可行的手段,更为其他传感器使用过程中灵敏度的提高开辟了一种新的途径。具体工作和创新点如下:(1)系统噪声模型全面分析了热红外成像系统的噪声原理和产生原因,通过分离时间噪声和空间噪声,结合自行研制的热红外成像系统的电路硬件,对两者都进行了量化分析,指出空间噪声是影响最终灵敏度的更重要因素;针对空间噪声的去除方法-非均匀性校正,着重分析了现有算法导致剩余非均匀性产生的原因,通过对焦平面非线性响应模型的理论分析,指出了剩余非均匀性这种系统误差是无法通过非均匀性校正算法完全去除的,并给出了理论上会残余的剩余非均匀性大小。这一工作不仅指出了焦平面空间噪声的传统处理方法-非均匀性校正的不足,并给出了校正算法会导致的剩余非均匀性的理论计算值,也为后续的高灵敏时空叠加技术的提出提供了理论依据。因此,对剩余非均匀性模型的详细研究和分析具有一定的创新性。(2)热红外图像非均匀性的去除方法本文详细的研究了针对热红外图像的处理方法,包括处理算法到定标方式。针对系统响应特性研究了不同热红外成像系统的非均匀性算法,并进行了对比试验;同时针对不同非均匀性校正算法的不足,结合前文中对剩余非均匀性的理论分析,首次提出两种非均匀性校正后处理方法,分别针对条纹噪声和背景固定噪声,可以使得非均匀性校正后的图像进一步的降低剩余非均匀性。实验表明,这两种方法简明有效,为进一步降低热红外凝视图像的非均匀性提供了新的途径。同时研究了定标过程中的种种不同影响因素,得出了可以得到最好非均匀性校正结果的定标方法,并通过实验,验证了上述方法的有效性。本文首次提出的非均匀性校正后处理方法和定标方式的研究,具有很强的工程应用价值,具有创新性。(3)极大提高热红外图像灵敏度的时空交替叠加技术针对热红外高灵敏度探测的应用场合,结合前文剩余非均匀性的理论分析,提出了时空交替叠加技术。通过对序列热红外图像的配准叠加,可以极大的降低图像的时间噪声和空间噪声。在结合使用前文的处理方法的基础上,基于一套自行研制的时间NETD32mk的热红外成像系统实现了最终空间NETD3.9mk的探测灵敏度,实现了对远超探测器灵敏度的微弱信号的探测。通过结合实验室和室外飞行数据,量化分析了本文方法所能达到的灵敏度水平,并与理论值进行了比对,验证了方法的有效性。该部分工作实现了极高灵敏度热红外探测,得到了海面的高灵敏度热红外图像,为国内首次,具有很强的创新性和工程应用价值。(4)热红外高光谱图像处理技术基于首次在国内开展相关仪器工程样机研制的863项目“星载热红外高光谱成像仪”,研究分析了热红外高光谱成像仪的信号成分。结合前文提出的非均匀性校正后处理方法,基于863项目热红外高光谱成像仪的飞行数据,提出一套实用的高光谱数据处理方法。通过一系列的处理方法,最终得到高质量的热红外高光谱数据集,为后续的进一步应用打下了良好的基础,具有很强的工程应用价值,也具有一定的创新性。
【图文】：

示意图,大气透射率,红外波段,示意图

在太阳光线中，还有别的组成成分，，这是一种人们看不到的光线，并且是一种“热线”，其波长比红色光长，因此叫做红外线。波长 0.75~1000μm 的谱段称为红外波段，可细分近红外/短波红外波段（0.75~3μm）、红外/中波红外波段（3~6μm）、热红外波段（6~15μm）和极远红外波段（15~1000μm）。由维恩位移定律，在地球表面的常温物体的热辐射的能量绝大部分都在热红外波段，其定理表明物体的辐射的强度是由物体的温度和物体表面的辐射率决定的。同时，由于大气对此波段的辐射能量吸收率很低，这个波段的辐射能量可以轻易的穿过大气进行传输，因此存在所谓的热红外波段大气窗口，如下图所示[1]。正因为物体热红外波段的辐射的这些特性，其可以穿透大气的能力很强、加之作用距离远、同时有很强的抗干扰性，因此这个谱段的探测仪器可以不分白天黑夜的工作，在黑暗中或者烟云弥漫等恶劣环境下，由于物体热红外辐射的普遍性，依然可以通过探测物体在这个谱段的辐射来观察物体。因此随着空间技术、计算机技术、传感器技术、航空航天遥感等技术的飞速发展，热红外探测仪器已经称为人类获取信息的重要手段之一。

成分分布,宽波段,红外图像

一：引言技术最主要的应用领域之一就是地质勘探。谱成像仪由于受到自身的限制，在 400~2500nm含水矿物基频振动的合频与倍频，无法检测在热动，很大程度上限制了系统对岩矿信息提取的能以很好的弥补这一缺陷，大大提高了对相关地物遥感技术探测更多的物质。个成功案例是美国的 AHI 系统。银湖（Silver Death Valley）中干涸的湖泊沉积床之一。这个近，因此被 NASA 选为火星漫步者研制的测试基成分组成，美国利用机载热红外高光谱成像仪 A地质成分分布图，为 NASA 研究提供参考[11]。下图为 AHI 五次飞行得到的合成图，图中不连续部造成的。
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(上海技术物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP751

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