【正文】 紅外成像系統(tǒng)簡(jiǎn)介 1 紅外成像系統(tǒng)的應(yīng)用 隨著紅外成像技術(shù)的發(fā)展，紅外成像系統(tǒng)已廣泛地應(yīng)用在光學(xué)遙感、夜間導(dǎo)航、目標(biāo)探測(cè)以及火控、制導(dǎo)等民用和軍事領(lǐng)域。 紅外成像系統(tǒng)簡(jiǎn)介 ? 從二十世紀(jì)五十年代開始，紅外成像技術(shù)被廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，尤其是在紅外成像制導(dǎo)、紅外告警和偵察方面。 ? 機(jī)載前視紅外裝置能在 1500m上空探測(cè)到人、小型車輛和隱蔽目標(biāo)，在 20220m高空能分辨出汽車乃至能探測(cè)水下 40m深處的潛艇。軍事需求始終是推動(dòng)紅外成像技術(shù)發(fā)展的最強(qiáng)動(dòng)力，軍事領(lǐng)域也是紅外成像新技術(shù)首先得到應(yīng)用的領(lǐng)域。 紅外成像系統(tǒng)簡(jiǎn)介 ? 海灣戰(zhàn)爭(zhēng)充分顯示了紅外技術(shù)特別是熱成像技術(shù)在軍事上的作用和威力。 ? 海灣戰(zhàn)爭(zhēng)從開始、作戰(zhàn)到獲勝都是在夜間，夜視裝備應(yīng)用的普遍性乃是這次戰(zhàn)爭(zhēng)的最大特點(diǎn)之一。在戰(zhàn)斗中投入的夜視裝備之多，性能之好，是歷次戰(zhàn)爭(zhēng)所不能比擬的。美軍每輛坦克，每個(gè)重要武器直到反坦克導(dǎo)彈都配有夜視瞄準(zhǔn)具，僅美軍第二十四機(jī)械化步兵師就裝備了上千套夜視儀。多國(guó)部隊(duì)除了地面部隊(duì)，海軍陸戰(zhàn)隊(duì)廣泛裝備了夜視裝置外，美國(guó)的 F117隱形戰(zhàn)斗轟炸機(jī)、阿帕奇直升機(jī)、 F15E戰(zhàn)斗機(jī)、英國(guó)的旋風(fēng) GRI對(duì)地攻擊機(jī)等都裝有先進(jìn)的熱成像夜視裝備。正因?yàn)槎鄧?guó)部隊(duì)在夜視和光電裝備方面的優(yōu)勢(shì)，所以在整個(gè)戰(zhàn)爭(zhēng)期間他們掌握了絕對(duì)的主動(dòng)權(quán)。多國(guó)部隊(duì)利用飛機(jī)發(fā)射的紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈在海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中發(fā)揮了極大的威力，他們僅在 10天內(nèi)就摧毀伊軍坦克 650輛、裝甲車 500輛。 紅外成像系統(tǒng)簡(jiǎn)介 ? 同時(shí)，紅外成像技術(shù)也廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、交通等各個(gè)行業(yè)和部門。紅外測(cè)溫、紅外理療、紅外檢測(cè)、紅外報(bào)警、紅外遙感、紅外防偽更是各行業(yè)爭(zhēng)相選用的先進(jìn)技術(shù)。 紅外成像系統(tǒng)簡(jiǎn)介 ? 紅外成像系統(tǒng)與雷達(dá)成像系統(tǒng)、電視成像系統(tǒng)一起構(gòu)成當(dāng)代三大成像系統(tǒng)。 ? 紅外成像系統(tǒng)與雷達(dá)相比，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、分辨率高、隱蔽性好、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)；與可見光相比，有透過(guò)煙塵能力強(qiáng)、可晝夜工作等特點(diǎn)，因而在中近距離成像跟蹤系統(tǒng)中，紅外成像傳感器受到特別重視。 ? 下表比較了幾種常用成像系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)： 紅外成像系統(tǒng)簡(jiǎn)介 紅外成像系統(tǒng)簡(jiǎn)介 ? 紅外成像系統(tǒng)研究發(fā)展 ? 目前紅外成像系統(tǒng)的研究主要集中在三個(gè)方面： ? 一、焦平面探測(cè)器陣列的研究。探測(cè)器材料從傳統(tǒng)的銻化銦（ InSb）、硅化鉑（ PtSi）和銻鎘汞（ HgCdTe）向 III— V族化合物發(fā)展；探測(cè)器陣列的大小從最初的 64 64元向 512 512元、 1024 1024元甚至更高元數(shù)發(fā)展，隨著探測(cè)器元數(shù)的增多和單元尺寸的減小，對(duì)讀出電路的要求也越來(lái)越高。 紅外成像系統(tǒng)簡(jiǎn)介 ? 二、圖像信號(hào)處理器硬件系統(tǒng)的研究。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和大型集成電路的發(fā)展，DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）和 FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件）已廣泛使用在圖像信號(hào)處理器中。大容量存儲(chǔ)器和多處理器并行結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，使信號(hào)處理的能力和容量成數(shù)量級(jí)的增長(zhǎng)。 紅外成像系統(tǒng)簡(jiǎn)介 ? 三、各種檢測(cè)、識(shí)別和跟蹤算法和軟件的研究。隨著探測(cè)器水平和圖像信號(hào)處理器處理能力的提高，各種復(fù)雜的算法得以在系統(tǒng)中實(shí)時(shí)運(yùn)行。近年來(lái)針對(duì)復(fù)雜背景和各種干擾條件下的檢測(cè)和識(shí)別的新算法不斷涌現(xiàn)，更加智能化的狀態(tài)判決和跟蹤處理算法也得以應(yīng)用。尤其是有關(guān)紅外目標(biāo)檢測(cè)的技術(shù)也得到迅速發(fā)展。 紅外成像系統(tǒng)簡(jiǎn)介 ? 紅外目標(biāo)的檢測(cè)技術(shù)是紅外成像系統(tǒng)中的核心技術(shù)之一，它利用圖像處理算法對(duì)處于雜亂背景和強(qiáng)噪聲環(huán)境中的目標(biāo)進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，算法的性能對(duì)紅外成像系統(tǒng)的作用距離和智能化程度十分關(guān)鍵。 紅外成像系統(tǒng)簡(jiǎn)介 ? 從二十世紀(jì)八十年代末 人們已經(jīng)開始利用紅外傳感器來(lái)檢測(cè)遠(yuǎn)距離的熱源 ? 隨著熱成像技術(shù)的成熟 紅外圖像中的目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)成為一項(xiàng)獨(dú)立的、具有明顯特色的研究方向。尤其在軍事領(lǐng)域，目前在歐美國(guó)家的一些先進(jìn)的武器系統(tǒng)，包括航空母艦的預(yù)警系統(tǒng)、各種飛機(jī)的紅外搜索跟蹤系統(tǒng)、紅外成像制導(dǎo)導(dǎo)彈和一些地面軍事設(shè)施的告警系統(tǒng)中，紅外弱小目標(biāo)的檢測(cè)技術(shù)的地位舉足輕重。可以說(shuō)遠(yuǎn)距離的飛機(jī)、導(dǎo)彈等飛行物的自動(dòng)檢測(cè)已成為成像制導(dǎo)、告警系統(tǒng)和光電對(duì)抗的核心技術(shù)。 紅外成像系統(tǒng)簡(jiǎn)介 ? 紅外圖像信號(hào)處理硬件系統(tǒng)的性能和容量是與受探測(cè)器和電路技術(shù)發(fā)展水平相對(duì)應(yīng)的；而紅外目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)可以最大程度上發(fā)揮系統(tǒng)性能，使系統(tǒng)整體性能達(dá)到最優(yōu)。 ? 近年來(lái)計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)字圖像處理技術(shù)迅速發(fā)展，有關(guān)紅外圖像中目標(biāo)檢測(cè)的理論、方法和技術(shù)方面的研究也在廣泛地開展。 紅外圖像的目標(biāo)檢測(cè)及跟蹤 ? 紅外目標(biāo)檢測(cè)算法可分為 “ 先跟蹤后檢測(cè)（ TBD） ” 類檢測(cè)算法和 “ 先檢測(cè)后跟蹤（ DBT） ” 類檢測(cè)算法兩大類。 ? 典型的 DBT目標(biāo)檢測(cè)算法 ? 經(jīng)典的 DBT目標(biāo)檢測(cè)算法較為清晰分解了單幀目標(biāo)初檢測(cè)和多幀目標(biāo)確定這兩項(xiàng)任務(wù)，所以從宏觀上說(shuō)，將不同的圖像預(yù)處理及單幀目標(biāo)分割算法與不同的多幀目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡確定算法組合起來(lái)，就可以構(gòu)成適合于不同具體研究對(duì)象的 DBT目標(biāo)檢測(cè)算法。 紅外圖像的目標(biāo)檢測(cè)及跟蹤 ? 閾值法 ? 依據(jù)分割閾值將目標(biāo)從背景中分割出來(lái)，通常是成像跟蹤算法中必須首先解決的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，它包括閾值計(jì)算和目標(biāo)分割兩個(gè)過(guò)程。能否有效地提取出目標(biāo)，問(wèn)題的關(guān)鍵是尋找一個(gè)合理的閾值。閾值的選取有固定閾值和自適應(yīng)閾值兩種方法，閾值法又可以分為全局閾值法和局部閾值法。 紅外圖像的目標(biāo)檢測(cè)及跟蹤 ? ① 全局閾值法：經(jīng)濾波后的背景噪聲近似看作是高斯白噪聲，可使用全局門限分割算法。設(shè)輸入圖像為 ，門限處理后的圖像為 ，令門限為 Th(k)，則有： Hf (i,j,k)(i,j,k)gHHHf ( i, j, k ) f ( i, j, k ) T h ( k )。g ( i, j, k ) ( 2 .1 )f ( i, j, k ) T h ( k )。0 ??? ? ??紅外圖像的目標(biāo)檢測(cè)及跟蹤 ? 式中， Th(k)是隨序列圖像的變化而自適應(yīng)改變的。即： () ? 其中， λ為加權(quán)值， λ的選擇范圍為 3— 5，mean (k)、 var(k)分別表示第 k幀經(jīng)抑制背景起伏后的圖像灰度均值和方差，設(shè)輸入圖像的大小為 N1 N2，則圖像均值和方差可表示為： T h (k ) m e a n (k ) λ v a r(k )? ? ?紅外圖像的目標(biāo)檢測(cè)及跟蹤 12N 1 N 1Hi 0 j 0121m e a n ( k ) [f ( i , j, k ) ] ( 2 .3 )NN????? ? ??12N 1 N 1 2Hi 0 j 0121v a r ( k ) [f ( i , j, k ) m e a n ( k ) ] ( 2 .4 )NN ??????? ??經(jīng)過(guò)上述的閾值處理以后，得到一個(gè)去除背景干擾和弱噪聲的目標(biāo)圖像， 這時(shí)，可能除了目標(biāo)，還有強(qiáng)噪聲點(diǎn)。 紅外圖像的目標(biāo)檢測(cè)及跟蹤 ? ② 局部閾值法：設(shè) f (i,j)周圍的 3 3方陣中灰度值為 E=∑ ∑ f (i,j)，經(jīng)過(guò) 3x3的高通濾波后，該點(diǎn)灰度值變?yōu)?，則： ?? f ( i, j) E 0f ( i, j)f ( i, j) ( 0 1 ) ( 2 .5 )?0 f ( i, j) E 0? ? ? ??? ? ? ??? ? ? ??紅外圖像的目標(biāo)檢測(cè)及跟蹤 ? 此方法的關(guān)鍵是值的確定，提出了一種自適應(yīng)確定方法，即 =|均值一標(biāo)準(zhǔn)方差 | /標(biāo)準(zhǔn)方差。通過(guò)將高通濾波后的目標(biāo)與它周圍的背景作自適應(yīng)門限比較可以很好地分割出點(diǎn)目標(biāo)，這樣既可以解決由單純的自適應(yīng)門限造成的預(yù)選點(diǎn)過(guò)多，又可解決單純的高通濾波，當(dāng)目標(biāo)出現(xiàn)在強(qiáng)噪聲下分割不出來(lái)的弊病。 紅外圖像的目標(biāo)檢測(cè)及跟蹤 ? 最大距離法 ? 直方圖分割法中的最大距離法是一種簡(jiǎn)單有效的圖像分割方法。它的基本思想是：在直方圖取值范圍內(nèi)，任一灰度級(jí)可將直方圖分為左右兩部分，如果這兩部分的灰度均值與總體的灰度均值相距最大，則該灰度級(jí)就取為分割門限。 紅外圖像的目標(biāo)檢測(cè)及跟蹤 ? 假設(shè)紅外圖像總的灰度級(jí)為 L，在 l灰度級(jí)處有 nl個(gè)像點(diǎn)，則總的像點(diǎn)數(shù)為 ，令 l灰度級(jí)處的概率 Pl 接近于頻率 ,則 。在任一灰度級(jí)處將直方圖分割成左、右兩部分，于是我們有：左邊部分： ；右邊部分： ，它們發(fā)生的概率和分別為： L ll1Nn???llp n /N?0C {1,2 l }?? ??????，1C {l 1, l 2 L }??? ? ? ??????，紅外圖像的目標(biāo)檢測(cè)及跟蹤 l0l l1P ( l ) P ( 2 .6 )??? ? ?L1ll l 1P(l) P???? ??L l Llll 0 1l 1 l 1 l l 101PPμ lP P ( l ) l P ( l ) l ( 2 .8 )p ( l ) p ( l )??? ? ? ???? ? ???? ? ?因?yàn)榭傮w灰度均值： 所以若令 : l i0 l1 0Pμ (l ) l P (l )??? ? ??L i1 l l 1 1Pμ (l ) l P (l )???? ? ??() () () 紅外圖像的目標(biāo)檢測(cè)及跟蹤 ? 則它們分別是集合和集合的灰度均值，于是有： 0 0 1 1μ P (l )μ (l ) P (l )μ (l )? ? ? ???進(jìn)一步，令： lll1λ(l) lP??? ??則 ()式可化為： 00μ (l ) λ(l ) P (l )? ? ?? () () () 紅外圖像的目標(biāo)檢測(cè)及跟蹤 L