（通信与信息系统专业论文）近红外成像及其信号处理研究.pdf

华中科技大学硕士学位飞文 为r 保证夜间行车安全，本项目采用一种廉价的具有增透作用的2 i 外光学材 料来制作近红外光源，将红外成像技术与实时信号处理技术结合，研究种工作 波段从f j j 见光到近红外的宽光谱范围内的近红外成像系统。 近红外辐射在大气中的传输时，会发生吸收衰减和散射衰减，引起辐射能量 的袭减。文中对吸收衰减采取了经验公式的方法进行定量分析，列散射衰减采取 了蒙特卡罗立法进行了计算机模拟，得 t5 了水蒸气透过率、雾滴透过二簪和雨滴透 过率与波长之间的关系。在此基础f ：选取了近红外成像系统的系统t ：作参数( f 作波段为o7 6 1 0 t am 、成像距离3 0 0 m ) 。矿 由于系统是可见光c c d 近红外应用，针对近红外图像对比度较低，噪声较大 的特点，在信号处理部分，首先采用分段线性灰度变换和空间高通滤波方法进行 红外图像预处理，初步分离背景和目标，并使图像的整体对比度得到增强。然后 针对图像的相关性和噪声的不相关性，在已有算法的基础上，提出了种改进的 帧间处理技术一阶i i r 自适应递归滤波来消除图像噪声，研究了各部分时序分 配，并完成了硬件实现。 为了优化实时降嗓系统的设计，用计算机模拟滤波器系数k 、数据字长与滤 波器运算精度的关系，得出的结论是：用差值法从( 0 1 ，0 0 1 ，o 0 0 1 ，o0 0 0 1 ) 2 四个_ _ 二进制数中选取k 值可以大人提高系统输出信噪比。从而确定系统的字长选 取原则。 由丁采用a l t e r a 公司的e p l d 芯片e p f l 0 k 3 0 e ，整个系统的硬f | ：量明显减小， 约为7 4 系列芯片设计的系统的1 1 0 ，并且系统运行速度大大提高，滤波器完成一 次迭代运算的时间为3 8 8 n s ，处理一幅2 5 6 x 2 5 6 的c c d 图像为13 1 m s ，这样可 对c c d 摄像机摄取的2 5 帧秒的2 5 6 x2 5 6 图像做到实时处理。 给出了焦监上匕改善程度的理论计算公式，对所设计的系统进行r 实测当字 长为8 位( 7 位整数、1 位小数) ，k = ( 0 0 0 0 1 ) 2 时，系统信噪比改善为1 3 6 2 d b ， 与理论计算值的1 4 9 d b 相差较小。实验结果表明，本文设计的实时数字降噪器的 噪声抑制效果良好，它能显著地改善近红外成像系统的性能。 关键词：近参h吸菽散翻蒙特卡箩芳法实时画像处理 数字降噪图像滤波 、 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t f o rt h e g u a r a n t e e o ft h ec a r s a f e t y a t n i g h t ，t h i sp r o j e c ta d o p t s ac h e a pa n d p e n e t r a t e d i n f r a r e d o p t i c a l m a t e r i a lt ob ea l li n f r a r e d l i g h ts o u r c e c o m b i n i n gt h e i n f r a r e di m a g i n gt e c h n o l o g ya n dt h er e a l t i m es i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , d e s i g na n e a r i n f r a r e d i m a g i n gs y s t e m t h a t w o r k i n gw a v e l e n g t h i sf r o mv i s i b l e l i g h t t o n e a r - i n f r a r e dl i g h t b e c a u s eo ft h ea t m o s p h e r i cc o m p o s i t i o ni s v e r yc o m p l i c a t e d ，t h en e a r i n f l a r e d r a d i a t i o nt r a n s m i t t a n c ea tt h ea t m o s p h e r ew i l lt a k ep l a c et h ea b s o r p t i o na t t e n u a t i o na n d s c a t t e r i n g a t t e n u a t i o nt h a tc a u s et h er a d i a t i o n e n e r g y r e d u c e i nt h i s p a p e r , t h e a b s o r p t i o na t t e n u a t i o ni sq u a n t m c a t i o n a l l ya n a l y z e db yu s eo fe m p i r i c a l f o r m u l aa n d t h es c a t t e r i n ga t t e n u a t i o ni ss i m u l a t e db yu s eo fm o n t ec a r l om e t h o d t h er e l a t i v e p e r m e a n c e r a t eo fv a p o r ，f o g d r o p ，a n dr a i n d r o pa saf u n c t i o no fw a v e l e t i g t ha r e p r e s e n t e d b a s e do nt h er e s u l tt h es y s t e mw o r k i n gp a r a m e t e r sa r es e l e c t e d ，w h i c ha r e t h ew a v e l e n g t ho f0 7 6 louma n dt h em a x i m a g i n gd i s t a n c e o f3 0 0 m w h e ns i g n a lp r o c e s s i n g f i r s t l y 、t h ed i v i d i n gg r e y l e v e lt r a n s f o r ma n ds p a c eh i g h p a s sf i l t e r i n g m e t h o da r e a d o p t e d t o s e p a r a t eb a c k g r o u n dw i t ht a r g e t ，a n d s t r e t c h c o n t r a s t t h e n ，b a s e d o n a l r e a d yp u b l i s h e dm e t h o d s ，a ni m p r o v i n g i n t e r f l a m e p r o c e s s i n gt e c h n o l o g y - - - - - - - o n es t e pa d a p t i v ei i rr e c u r s i o nf i l t e ri sp r e s e n t e dt o r e d u c e n o i s e m a dt h et i m ea l l o c a t i o ni ss t u d i e d a tl a s t ，t h eh a r d w a r ed e s i g ni sa c c o m p l i s h e d i no r d e rt oo p t i m i z et h ed e s i g no ft h er e a l - t i m er e d u c en o i s es y s t e m ，t h er e l a t i v e o p e r a t i o na c c u r a c ya sa f u n c t i o no ff i l t e rc o n s t a n tka n dd a t aw o r d l e n g t ha r ep r e s e n t e d b yc o m p u t e rs i m u l a t i o n t h ec o n c l u s i o ni s t h a tt h es n ri sc o n s u m e d l yi m p r o v e db y s e l e c t i n gt h ev a l u eo fk f r o mf o u rb i n a r yc o d e s - 0 1 ，o 0 1 ，o 0 0 1 ，o0 0 0 1a c c o r d i n gt o t h ed i f f e r e n c ev a l u em e t h o d b e c a u s eo ft h ea d o p t i o no ft h ea l t e r ae p f l0 k 3 0 ee p l dc h i p 。t h es y s t e m h a r d w a r ei sr e d u c e dt oo n et e n t ho ft h eo r i g i n a lq u a n t i t y , a tt h es a m et i m et h es y s t e m s p e e dc o n s u m e d l yi n c r e a s e a tt h es p e e do f 3 8 8 n s ，t h ef i l t e rc i r c l ec a l c u l a t i n gt i m e ，t h e s y s t e ma c c o m p l i s ht h ep r o c e s s i n go fa 2 5 6 2 5 6i m a g ei n13 1 m s s ot h es y s t e mc a l l r e a l t i m ep r o c e s st h e2 5f l a m e si nas e c o n d t h et h e o r e t i c a lf o r m u l af o rc o m p u t a t i o no fi m p r o v e m e n to ns n ri sp r o v i d e d t h e p r a c t i c a lm e a s u r e m e n t h a sb e e nc a r r i e do u ta n ds n ri si m p r o v e db y1 3 6 2 d bw h e nt h e w o r dl e n g t hi s8 d i g i t s ( s e v e nd i g i t si n t e g e r ，o n ed i g i tf r a c t i o n ) a n dc o n s t a n tki sb i n a r y c o d e00 0 0 1 t h ee x p e r i m e n tr e s u l ts h o w sa no b v i o u si m p r o v e m e n to fn e a r - i n f l a r e d i m a g i n gs y s t e m c a nb ea c h i e v e db yu s eo ft h er e a l t i m ed i g i t a lr e d u c en o i s es y s t e m k e yw o r d s ：n e a r i n f r a r e d ，a b s o r p l i o n r e a l - t i m ei m a g e p r o c e s s i n g ， s c a t t e r i n g ， m e n t ec a r l om e t h o d d i g i t a ln o i s er e d u c e ，i m a g ef i l t e r i n g 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 项目研究背景及意义 汽车和其他交通工具在夜间行驶时，刈面交通工具产生的强烈光束会使驾驶员 造成眩目及瞬间失明的现象，这种眩光现象经常造成夜间交通事故。九十年代初， 欧洲一些国家( 如英国) 曾尝试将近g l 外成像系统安装在汽车上，并获得了良好 的效果。但这是种类似于夜视望远镜的观察孔装置，使用不方便，易产生视觉 疲劳，而且是纯光学处理，实用性差。九十年代末，美国通用汽车公司成功地将 红外技术与电视技术结合1 2j ，可将车辆前方地景物实时地显示在车内的显示屏上， 从而完成了系统的实用化研究工作，并将它作为2 1 世纪的新一代车型推向全球市 场【3 _ ，5 】。目前，日本的许多车一t z 都已配置有电视显示屏，用来接收前方的路况和各 种服务信息【6 i 。 将红外成像技术和实时信号处理技术结合起来可以很好地解决这些问题。国外 带有图像增强器的红外观察系统一般采用昂贵的锗材料，因而售价很高。例如美 国一家警察用品商店( t h ep o l i c es u p p l ys t o r e ) 出售的3 8 0 i p 型全套夜视系统，价 格为6 0 0 0 多美元 i l l 。而本项目采用一种廉价的具有增透作用的红外光学材料来制 作红外光源，它能将可见光变成近红外光，在此基础上研究从可见光到近红外的 宽光谱范围内的实时成像与增强。该成像系统是一种多功能的成像系统，可在两 个波段上工作：可见光波段和近红外波段。当工作于近红外波段时，可以是主动 式红外成像，也可以是被动式红外成像。系统采用全数字化技术，可显著改善成 像系统的性能。因而，系统的性价比将大大提高。 由于系统可工作于3 8 0 n m 1 0 0 0 r i m 波段，用一种成像器可工作于主动成像、 被动成像两种方式，因此具有一定反伪装识别功能，也可用于军事、监视系统。 1 2 国内外研究状况 自从1 9 3 4 年第一只红外变像管问世至今，红外成像技术已经走过了近7 0 年 的路程。在这7 0 年的历程中，红外成像技术同新月异。到目前为止，红外成像系 统已经历了两代的发展，正向第三代发展。 第一代红外成像系统由于多元线列探测器受制作工艺的限制，中波3 5um 的i n s b 器件和长波8 1 4um 的h g c d t e 器件只能做到2 0 0 元以下1 7 , 1 1 1 ”j ，若在此 基础卜进一步提高器件的灵敏度和分辨率已无潜力可挖，加上旋转的光机扫描成 像体制受速度、抖动、系统稳定性的限制及在方位、俯仰上不同空间问距的约束， 使图像产生畸变、重叠、伪像，甚至不规则的错位变化，降低了红外成像识别跟 踪和制导的效果。因此，国外的红外成像识别跟踪和制导技术应用正由第一代多 华中科技大学硕士学位论文 ! ! = ! 竺苎烹i i i i i = i ! = ! ! 苎! 竺苎! ! ! ! ! ! 暑竺巴! 儿线列圳速向第? 代凝视焦平面阵列方向发展1 7 8 ，”。这样，可以大幅度提高其探测 灵敏艘和分辨率，有效抑制背景r 扰，利f 从背景中识别目标的外形或基本结构， 提高识别概枣利跟踪、制导精度，直接命中目标的要害部位。 绡一代红外成像体制是在中大规模焦平面集成器件和高速计算机信息处理基 础f 发展起来的【1 3 , 1 4 ，其器件既可用扫描方式，也可用凝视方式，从而解决了多 元线列器件及其成像体制的缺点，深受美国及西方国家高度重视。目前，第二代 红外成像体制的器件有单片式和混合式两种，并与c c d 配合使用，具有光子探测、 l 电存f f 孙和多路读 等功能，其中单片型器件( 如p t s i ) 是把探测器和信号处理器 制作n 二m芯片卜，成本低”1 , 1 2 而混合型器件( 如h g c d t e ) 是把焦平面探测器 阵列利信号处理器分别集成在两种不同的基底上，用铟材料连为一体，具有热灵 敏度、窄问分辨率和可靠性高且结构紧凑、体积小、价格低的优点。目前红外成 像用焦平面器件已发展到i 1 0 4 1 0 0 元，能大批生产的有6 4 6 4 元长波h g c d t e 器件，2 5 6 2 5 6 元中波l n s b 器件和5 1 2 5 1 2 元p t s i 器件。其中i n s b 器件的量子 效率可达9 0 ，h g c d t e 器件量子效率可达6 0 7 0 ，而p t s i 器件的量子效率 仅为o 1 1 【7 , 8 , 9 1 。 应用上，扫描方式常用小规模焦平面器件，介于线列和面阵之间，串并扫方 式，采用时间延迟积分( t d i ) 技术，灵敏度比线列器件高一个数量级且均匀性好， 成本比凝视器件低，是当代最先迸器件，其中法国的3 2 1 元、6 4 1 元、2 8 8 1 元长波伏h g c d t e 焦平面器件，如6 2 5 8 元、1 2 8 1 2 8 元、2 5 6 2 5 6 元中波 l n s b 器件，6 4 6 4 元、1 2 8 1 2 8 元长波h g c d t e 器件和2 5 6 2 5 6 元中波p t s i 器 件及5 1 2 5 1 2 元中波p t s i 器件是凝视焦平面器件的典型代表1 7 _ j 。其特点是探测 元多、灵敏度和分辨率明显高于小规模焦平面器件；但器件集成规模大、结构复 杂、成本高，特别对于1 2 8 1 2 8 元以上的凝视长波h g c d t e 焦平面器件目前仍存 在可生产性和实用性问题有待解决。 目前，美国正开发第三代焦平面阵列灵巧探测器，通过。个微型透视镜阵列 会聚热辐射能量，使其占空系数接近于1 ，并可消除阵列上的“死区”，使微型透 视镜经神经网络原理完成光学处理功能。该器件采用g a a s 量子阱结构，同时可以 探测紫外、可见光和近、中、远红外及毫米波等各种传输窗口的信号。一旦信号 射入与探测器材料匹配的晶格既用光纤将信号送到硅靶上，就能完成先进而复杂 的图象信息处理。要研制出第三代焦平面阵列器件，必须解决：红外材料生长( 分 子束外延) 工艺、材料和器件( 二极管和异质结构) 处理、现场和真空( 激光和 光刻蚀工艺) 测试、数字和光学处理、饵元光学透镜阵列、微型透镜阵列及硅读 出电路等关键技术。美国陆军通信电子司令部夜视和电子传感器管理局极为关注 第二j 代灵巧焦平面阵列器件研制，预计2 1 世纪的坦克、直升机、战斗机及导引头 用先进的红外目标图象跟踪和制导系统将采用第三代焦平面阵列器件1 ” i 。 华中科技大学硕士学位论文 1 3 红外成像系统的组成 红外辐射占据相当宽的电磁波段( o 7 6 1 0 0 0 um ) ，习惯上又把红外波段进 一步划分为近、中、远和极远四个区域，其中0 7 6 1 5 u m 为近红外匿，1 5 6 um 为中红外区，6 1 5pm 为远红外区，1 5 1 0 0 0 um 为极远红外区i ”。本课题 的主要工作就是近红外区的成像特性及信号处理研究。红外成像系统按工作方式 的不同可分为主动式和被动式两大类。 1 3 1 主动红外成像系统 主动红外成像系统的系统框图如图1 1 所示【1 8 图1 1主动红外成像系统的基本框图 红外探照灯发出的红外辐射照射前方目标和背景，发生发射后由光学系统的 物镜接收。大气的吸收和散射使传输到成像系统的场景辐射削弱，而大气扰动( 湍 流1 会使图像发生畸变，变得模糊。同时大气又是一种重要的辐射源。光学系统对 场景信号实施空间滤波，以尽可能小的损失，尽最大可能地将场景辐射会聚到探 测器上。由于光学材料对不同波长的吸收以及折射的不同，使得图像产生各种光 学效应，如几何效应、辐射效应、空间效应等。探测器是成像系统的核心，它把 接收到的辐射转换成电信号，同时它也是最复杂的部分。探测器给图像带来的影 响是与其物理结构相关的，物理结构不同所考虑的主导因素也不同。经探测器转 换得到的信号通过两种输出通道得到场景的信息，一种是把信号转换成图像，直 接在显示器显示，供观察者使用；而另一种输出通道是把得到的信号直接输入信 号处理器，为后续的探测或识别目标以及其它图像处理算法提供数据，处理完成 之后再显示。 主动红外成像系统的工作波段在o 7 6 1 2um 的近红外光谱区。主动红外成 像系统利用近红外波段辐射工作有许多优点。首先，能充分利用人造目标和自然 界景物之间反射能力的显著差异，而获得目标与背景的高对比度图像在一定程度 上识别伪装。其次，近红外辐射比可见光受大气散射的影响小而较易通过大气层。 但在有雾的恶劣天气条件下，近红外辐射同样受到大气散射的影响。第三，由于 系统自身携带光源而“主动照明”目标，而使这类系统在工作时不受环境照明的 影响，可以在“全黑”条件下工作。同时，主动照明还可以充分利用红外探照灯 华中科技大学硕士学位论文 的狭窄光束照明目标，使目标在视场中突出出来，造成与背景较大的反差，从而 获得较为清晰的图像。因此在夜间驾驶、观察和瞄准等方面有广阔应用前景。但 对于军事上的应用来说，灯源本身又成为了对方侦察的目标而易于暴露自己，这 是主动红外成像系统最致命的弱点。 1 32 被动红外成像系统 被动红外成像系统的系统框图与主动红外成像系统的框图相比只是少了一个 红外探照灯，如图1 2 所示。 被动红外成像系统的优点正好是主动红外成像系统的缺点。它不需要红外光 源，而是依靠目标和背景组成的场景自身发出的红外辐射做是辐射源，其辐射经 系统形成了反映场景特征的图像。因而，它不易被对方发现和干扰，广泛运用于 军事和民用，例如美国的f l i r ( 前视红外) 成像系统【l5 】和英国g e c 马可尼传感 器公司的p r 0 2 5 0g e c s e n t r y 手持热像仪一j 。 图1 2 被动红外成像系统的基本框图 正是因为主动和被动式两种红外成像系统各有优缺点，所以，在某些场合下 应该主被动结合，即用被动式系统捕获目标后，再用窄视场红外探照灯光束照射 目标，用主动系统进行更清晰的观察。 1 4 本课题的研究方法与论文的主要内容 1 4 1 课题的研究方法 本课题的研究重点是近红外成像和相关的数字信号处理技术。我们采用的系 统框 图1 - 3 汽车夜间行使防目眩前视系统框图 华中科技大学硕士学位论文 图中，红外光源车灯是在普通车灯上面涂上一层特殊的化学材料，能够将可 见光变成不可见光，照射前方目标和背景；光学滤波部分只允许近红外波段范围 内( o 7 6 1 2 pm ) 的光通过；成像器采用低照度c c d 摄像机，它可以工作在近 红外波段；图像增强器进行红外图像的的实时增强，其中包括实时对比度增强、 空间高通滤波和实时去噪；最后图像输出到显示屏供驾驶员观看。 1 4 2 论文的主要内容 论文的主要内容包括：论文的研究背景、意义和国内外研究现状；大气近红 外辐射传输特性的研究，包括水蒸气吸收衰减的经验公式定量分析、雨滴散射衰 减的统计分析和雾滴散射衰减的蒙特卡罗模拟；近红外图像的对比度增强、空间 高通滤波等预处理；近红外图像的实时去噪等。其中大气近红外辐射传输特性的 研究作为后续近红外图像处理研究的基础，也为整机系统的参数选取提供了理论 依据。近红外图像的预处理增强了图像的对比度，抑制了强背景噪声，初步分离 了背景和目标，为后续的近红外图像实时去噪部分着重针对目标来进一步进行噪 声抑制打下了坚实的基础。重点介绍了数字降噪器的设计，对运算器的误差来源 和符号位的设计处理进行了详细的讨论，用计算机模拟了运算器的运算精度，对 整个系统进行了功能和时序仿真。这些作为本文的研究重点，也是本文的主要创 新点所在。在论文的最后，总结了全文各部分的模拟、仿真及实验结果，得出了 全文的结论和实际应用意义。 5 华中科技大学硕士学位论文 2 近红外辐射在大气中的传输特性 地球表面环绕着厚厚的大气层，它是人类赖以生存的重要条件。现在的各种 图像探测器，不论是在大气层内对层内或层外目标的探测，还是在外层大气对层 内目标的探测，都是以大气作为辐射的传输媒介。本课题研制的近红外成像系统 更是直接在接近地表的对流层中工作。大气本身对辐射有吸收和散射等作用，将 造成辐射能的衰减，图像对比度和清晰度的下降1 1 8 ，2 ”。因此大气的传输特性直接 影响探测器的探测效果，特别是在夜间红外成像系统中。本章将介绍大气组成； 针对本课题关心的近红外波段分析了其辐射能在大气中的光学现象，讨论大气的 吸收和散射效应；最后用蒙特卡罗方法在计算机上模拟了近红外辐射在大气中的 传输特性。 2 1 大气的组成 大气是由多种元素和化合物混合而成，大致可分为干洁大气、水蒸气以及其它 悬浮的固体和液体粒子i l 。 2 1 1 干洁大气 干洁大气指不含水蒸气和气溶胶粒子等的大气。大致可分为两类：一是常定 成分，主要有氮( n 2 ) 、氧( 0 2 ) 、氦( h e ) 、氢( h 2 ) 、氖( n e ) 、氩( a r ) 、氪( k r ) 等，它们在大气中的含量随时间地点变化很小，但占据了绝大部分干洁大气的体 积；另一类是可变成分，如c 0 2 、c o 、c h 4 、0 3 、n h 3 、s 0 2 、n o 、n 0 2 等，其含 量随时间地点而变化，虽在大气中所占体积很小，但对辐射的吸收和散射有重要 的作用。 2 1 2 水蒸气( h , o ) 通常大气并不是干燥的，总是含有水蒸气，而水蒸气的含量随地理位置、温 度、季节及气层高度而变化。全球地面水蒸气含量可相差5 个数量级，并主要集 中在4 k m 以下气层中，在1 4 k m 以上的气层中，水蒸气含量变化很小。 由于水蒸气对辐射衰减特别严重，所以是人们研究的主要大气成分之一。通 常用以下三种方法来描述水蒸气含量【2 。 ( 1 ) 绝对湿度：即单位体积空气中所含水蒸气的质量，懒 g m 3 1 ； ( 2 ) 饱和水蒸气含量：在一定温度下，单位体积空气中所含有的水蒸气质量 的最大值，单位) b g m 3 1 ，该值仅与温度有关。当给定空气样品中的水 蒸气含量时，可通过降低温度使其中的水蒸气从非饱和变为饱和状态， 对应的饱和温度称为“露点”温度；表2 一l 为标准大气下的饱和水蒸气 含量，表中第一列为露点温度。 ( 3 ) 相对湿度：即单位体积空气中所含水蒸气的质量与同温度下饱和水蒸气 含量之比，用百分数( ) 表示。 6 华中科技大学硕士学位论文 t r o c 、0 i23 456 789 4 00 1 2 0 00 0 7 5 00 9 6 20 0 8 6 l00 7 6 900 6 8 7 0 0 6 1 200 5 4 50 4 8 500 4 3 1 - 3 003 4 l03 0 8 02 7 902 5 2 02 2 702 0 50 1 8 4 901 6 60 1 4 901 3 4 2 008 8 8 08 1 007 3 806 7 206 l l05 5 6 05 0 504 5 80 4 l503 7 6 1 021 4 5 19 7 ll8 0 816 5 8l5 2 0l3 9 3 12 7 5 11 6 61 0 6 609 7 3 048 4 44 741 338 235 23 2 529 927 625 423 3 04 8 451 8 55 559 463 56 7 972 577 482 68 _ 8 l 1 093 9 1 00 01 06 4l l3 31 20 51 28 11 36 l1 44 51 53 41 62 8 2 01 731 83 l942 052 l72 302 432 572 722 87 3 03 033 203 373 563 753 954 l64 364 6 14 85 4 05 1 05 365 635 926 2 16 526 84 797 537 8 9 根据定义，绝对湿度h ，饱和水蒸气含量吃和相对湿度所之间的关系为： h = h ，h 。 ( 2 一l 2 1 3 气溶胶粒子 大气中悬浮着大量固体和液体粒子。通常将半径小于几十微米的固体微粒口l 大气气溶胶粒子。液态粒子的尺度一般较大，具有可见的形态，按其形态分别稍 为云滴、雾滴、雨滴、冰晶、雪花和冰雹等。另外，由于人类活动排放的烟尘， 或者海上差生的盐粒漂浮于大气中的固态气溶胶系统称为霾 2 1 , 2 2 1 。 由于重力作用，大气气溶胶粒子浓度随高度按指数衰减，在对流层中其浓度 随高度的变化可表示为【2 3 j ： ( z ) = ( o k 一魂 ( 2 2 1 式中：为粒子浓度；z 为高度；h o 为特征高度( 与气候和地区有关) 。表2 2 给 不同地面能见度条件下的气溶胶特征高度。 表2 2 不同地面能见度条件下的气溶胶特征高度 l 能见度( k m ) 2345 681 01 32 5 lh o ( k m )0 8 40 9 00 9 5 0 9 91 0 31 1 011 51 2 3l4 5 对气溶胶粒子的另一个重要概念是尺度分布。由于不同尺度( 大小) 的粒亍 对不同波长光波的散射不同，因此应知道气溶胶粒子尺度分布。但是气溶胶种茭 繁多，形态各异，尺度分布也相当复杂，目前尚无完整的理论可以解释某种分布 的原因，但有许多经验公式来描述其分布，应用最广的是广义伽马分布1 2 z 】： n ( ，j = a r 6 e x p ( 一c r 4 ) ( 2 - 3 式中：r 为粒子半径( um ) ；n j 为半径，处单位半径间隔内气溶胶粒子浓度 7 华中科技大学硕士学位论文 ( 。m - 3 脚一) ；口、b 、c 、d 为拟合参数。选择不同的拟合参数可较好地描述霾、 云、雾、雨等粒子的尺度分布。表2 3 给出了大气成分的分类以及各成分粒子半径 的均值 f 1 9 1 。 l 类别疆m 霾l莲h雾云cl 云c2云c3云c4雨m雨l f ( r u m 00 500 7 0 1 0 1 1 0 40 04 0 020 0 40 00 0 5 r a m0 0 7 m m 2 2 辐射在大气中传输的光学现象 由多种成分组成的大气是复杂的光学介质。辐射在这种介质中传输时，将产 生折射和大气消光等物理过程而导致辐射的衰减，这使成像系统对目标的探测产 生直接的影响，它使景物信息衰减，图像不清晰。其中折射对成像系统的影响主 要在长距离的探测和遥测中较为明显，在短距离上其影响可忽略不计。因为本课 题主要是研究近红外光在几百米以内的辐射成像，所以可不考虑折射的影响，将 重点研究大气消光对近红外辐射的衰减影响。大气消光作用主要是由于大气中各 种气体成分及气溶胶粒子对辐射的吸收和散射造成的“。 为了描述辐射通过大气时的透射特性，定义大气透射比t 为1 2 i 】： 仁矧一e 冲【_ t 。捌 ( 2 4 ) 式中：妒( u ，s ) 位s 处的光谱辐射通量；矿( u ，0 ) 为初始光谱辐射通量；u 为波数， u = 形( c 啪。) ：j 为大气厚度；k ( o ) 为光谱质量消光系数( m 。l 2 ) ；p 为衰减介质密 度( g m 3 ) 。可见，t 是波数u ，大气厚度s 和介质密度口的函数。 理论与实践表明：大气不同成分与不同物理过程造成的消光效应具有线性叠 加特性，即总透射比为各单项透射比之积： f = 嘭f 嚣f ；筇 ( 2 - 5 ) 式中前两项表示分子的吸收和散射，后两项表示气溶胶粒子的吸收和散射。分别 求出各因素的大气衰减后，相乘就得到整体透射比。 下面我们分别讨论大气吸收和大气散射对近红外辐射的衰减。对由于大气吸 收造成的衰减我们采用l a n g e r 的经验公式来定量分析：对大气散射造成的衰减我 们采用蒙特卡罗方法来模拟。 8 华中科技大学硕士学位论文 2 2 1 大气吸收衰减 大气的吸收光谱与波长相关，且具有明显的选择性。图2 - 1 给出了典型的大气 透射谱图1 19 1 。 图2 - 1典型大气透射谱图 由图可以看出，除可见光范围外，在o 7 6 1 1um 、1 2 1 3ur f l 、1 6 1 7 5 u m 、2 1 2 4 u 1 1 1 、4 4 5 4 u m 、8 1 4 u 1 t i 等波段有较大的透射比，犹如辐射透 射的窗口，称为“大气窗口”。有效地利用大气窗口可增加成像系统地作用距离和 成像效果。常用地大气窗口有近红外o 7 6 1 1um 、中红外3 5ui n 、远红外8 1 4um 。本课题研究的成像系统就是利用了近红外窗1 3 。 另外从图2 1 还可看出，在近红外窗口内，大气中的水蒸气对红外辐射的吸收 是强吸收，其它气体的吸收是弱吸收，对大气透过率影响不大。因此着重讨论水 蒸气对大气辐射的吸收。 l 水蒸气( h 2 0 ) 的吸收 对水蒸气的吸收进行精确的理论计算很困难，实用的计算方法有经验公式法 和l o w t r a n 法。水蒸气的吸收通常用可降水分( ) 来表示，即截面积1 c m 2 ，长度 等于l k m 辐射路程( 海平面水平路径) 的空气柱中所含水蒸气凝结成液态水后的 水柱长度( m m k m ) 。利用( 2 - 1 ) 式可得： 0 9 ：日，h 么 ( 2 6 ) 式中：研、蜴分别为相对湿度和饱和水蒸气含量，d 为水密度( g m 3 ) 。 为了计算水蒸气的吸收，l a n g e r 把0 7 1 5t am 红外波段分为8 个窗口【2 4 1 ，表 2 4 列出了近红外区的四个窗口。 o 华中科技大学硕士学位论文 皇竺! ! ! ! i ii 竺竺竺! ! 苎苎! 竺! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 鼍! ! ! ! 暑竺苎! ! ! 窗口 波长( um ) b 凡 q i u j ( m m ) 1 07 0 0 9 2 0 0 3 0 5 0 3 0 0 0 1 1 2 5 4 i l0 9 2 1 1 0 o 0 3 6 3 0 2 6 5 o 1 3 4 5 4 l l i1 1 0 1 4 0 1 3 0 3 0 8 3 0 0 0 9 3 2 0 l v 1 4 1 9o 2 1 l 0 8 0 2 o 1 i l 1 1 在不同的温度、湿度和成像距离下，先根据式( 2 - 6 ) 求出可降水分u ，然后 分别用以下两个公式计算各个窗口的水蒸气透过率。 ( 2 7 ) 式中：f 第i 个窗口的有效透过率；b i ，r i ，q 广一第i 个窗口的经验常数， 见表2 - 4 ；u 路程上的可降水分，单位为( m m ) ：m i 窗口的吸收从弱带变 成强带时的可降水分( m m ) ，见表2 - 4 。 对于高度为h 的水平路程，可作如下修正： rp 、 “= o 【詈l ( 2 - 8 ) “：o i 声i u 嗡 式中：z h 高度为h 时的透过率；0 海平面的透过率 p h 高度为h 时的压强；p o 海平面的压强。 根据以上方法，在本课题研究中，我们取成像系统工作的三种气候参数和系 统参数，用c 语言编程计算了近红外波段( 0 7 6 1 5pm ) 的水蒸气透过率的数 值，如表2 - 5 所示，并且做出了如图2 - 2 所示的水蒸气透过率和波长的关系曲线。 表2 - 5 近红外波段不同气候条件和不同成像距离下的水蒸气透过率与波长的关系表 参数i参数i i参数i l i ( t = 2 0 0 c ，h ，= 8 0 ，l = 1 0 0 m )( t = 4 0 0 c ，h ，= 9 0 ，l = 2 0 0 m )( 卢0 0 c ，h ，= 7 0 ，l = 3 0 0 m ) 可降水分= 1 3 8 5 6 ( r a m )可降水分= 45 9 ( r a m )可降水分u = 0 3 3 8 8 ( r a m ) 波长( u m )水蒸气透过率波长( 1 1 i n )水蒸气透过率波长( u m )水蒸气透过率 0 7 6 o 9 20 9 6 4 7 0 7 6 o9 2 0 9 3 6 7 0 7 6 o 9 2 09 8 2 4 o 9 2 1 1 009 5 8 20 9 2 1 1 00 9 2 5 20 9 2 1 1 009 7 9 1 l1 0 1 4 008 5 7 81 1 0 1 4 00 3 6 1 71 1 0 1 4 00 9 2 7 0 l ，4 1 50 6 3 6 71 4 1 50 1 9 2 21 4 1 50 8 8 4 4 即书一，l r 义r 强 华中科技大学硕士学位论文 图2 2 不同气候参数和成像距离下的水蒸气透过率与波长关系曲线 从表2 5 、图2 2 可以得出以下结论： ( 1 ) 在近红外波段，随着辐射波长的增大，水蒸气透过率越小，也即随着波长 增大，水蒸气对红外辐射的衰减越大。 ( 2 ) 不同气候条件下，水蒸气透过率变化很大，特别是在波长越长的时候。 ( 3 ) 成像距离和大气湿度越大，大气中的水蒸气含量越高，因而水蒸气透过率 越小，即水蒸气对红外辐射的衰减越大。 ( 4 ) 图2 2 中曲线之所以为折线，是因为采用的l a n g e r 经验公式对波长处理也 是分段的。 2 2 2 大气散射衰减 大气中的各种悬浮粒子( 如雾、霾、雨) 对红外辐射有散射衰减作用。在仅 考虑散射的情况下，通过x 长度路程的透过率为1 9 1 ： 式中r 为散射系数。 ( 2 9 ) 红外辐射的散射衰减主要由气溶胶粒子引起，大气中常见的气溶胶粒子有霾、 雾、云、雨等。而在近地面的大气中，霾、雾和雨发生的最为频繁，但是疆的粒 子密度和粒子半径都是大气各种成分中最小的，因此它对光的衰减量最小，散射 函数的前向性也最弱。下面我们分别介绍霾、雾和雨三种介质的光学特点及它们 对近红外辐射的散射衰减，其中重点介绍雾和雨两种介质。 1 霾 霾是大气中最常见的自然现象，基本上是由o 0 5 到ll am 的微粒组成，衰减 华中科技大学硕士学位论文 委骜娈竺纛1 箍j 轰镯搿棠寓薰裴警、置嚣荔揣箍蚕萋翥 銮薏曩橥譬箔宴磊害譬耗? 訾裹翼粪蓑荔翌荐君弃：瑟纂娄筹罴肄晶萎谍芙翟釜 雾馨篓兰喜磊奎，耄柔篙甬筝爹菱竿鬃嚣鬟霾姜棠诂斧差篱霎骧桨嚣荔霉天弋蓑减带来一定偏差。实际应用中常以下述经验模式来估计殛阴曩佩糸裂一j y = 詈( 孚 。 ( 2 _ l o ) 0 5 8 5 v v 。 o 9 9 9 9 ，则新的方向由下式计算 i ，= s i n 0 。c o s 缈 。 n 。“= s i n s i n 少。 【：，= s i g n ( u ：。) o o s o 。 式中： s i g n ( , u 。) = ： 4 ) 碰撞后的权值 ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) 华中科技大学硕士学位论文 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 竺竺i 一 二= i 一一! i ! 暑! ! ! ! ! ! ! ! 碰撞后的权值应当等于碰撞前的权值乘以介质的单次散射率，即 + ，= 眠 ( 2 2 4 ) 5 ) 介质边界处的处理方法 光子运动遇到介质的边界会发生两种情况，透射或反射。处理方法如下：首 先通过新的碰撞点的位置与介质边界条件的比较。判断光子是否将遇到介质的边 界；如果新的碰撞点的位置在介质边界以外，则可以判定光予将遇到介质边界。 然后，计算光子运动到界面上点的位置气= 阮，y 。，毛) 、已走的自由程长度t 和剩余的自由程的长度，”，其中a l ”= a l a l 。 接着，计算光子被界面反射的概率。对于垂直z 轴的界面，光子发生内反射 的概率只：) 为 毗) = 越端矧+ 研协2 ( o 而, - o o ) p z s ， 其中入射角谚= c o s 10 以i ) ，折射角0 。与入射角的关系为s i n 0 ，= s i n , 9 0 。 最后，我们确定如何处理这个光予。如果光子飞离该界面对我们感兴趣的模 拟统计量没有贡献，那么用强迫碰撞法处理。即认为光子一定发生内反射，这时 折射的影响通过按下式修改光子的权值来计算 既= c 。j( 2 2 6 ) 然后按新的运动方向如。，2 。，- 1 ：。) 前进a i “长度，即到达下一个碰撞点。如果 光子飞离该界面对我们感兴趣的模拟统计量有贡献，除非发生全反射，否则认为 光子一定发生折射，且权值变为 吒= u 一只协：。) j ( 2 2 7 ) 如果发生全反射，则按前一种情况处理，只不过这时只( ，。) ：1 。 6 ) 光子历史终止的判断 光子历史的终止= f f c i 种情况，一是上面讲过的光子飞离介质界面而终止：另 一种是光子仍在介质内传输，但是它的权值逐渐衰减到低于某个阂值( 如0 0 0 01 ) ， 这时我们采用“俄国轮盘赌”的处理方法处理。具体的方法是这样的：提取随机 数e ，如果乒0 ，则光子复活，其权值相应地增加1 0 倍；如果毒 0 ，则光子历 史终止。 _ - _ _ - - _ 一 华中科技大学硕士学位论文 7 ) 结果统计 在本文中，用蒙特卡罗方法模拟的统计量为散射的透过率。散射透过率的无 偏估计为 ，：，一丢兰吸( ) v 肚0 ( 2 - 2 8 ) 其中，n 是跟踪的总的光子数，n 。为被接收机捕获的光子的个数，w 。( n ) 是光子 的最终权值。 2 蒙特卡罗方法的误差 蒙特卡罗方法的误差可表示