中波红外多光谱成像技术研究

1、中波红外多光谱成像技术研究兰卫华 万敏 王凯 杨小儒 （中航工业洛阳电光设备研究所， 洛阳 471023）摘要：多光谱成像技术结合成像和光谱测量技术，同时探测目标的光谱和几何特征，在目标识别和抑制背景杂波方面具有技术优势。研制了一套工作于中波红外波段的4通道多光谱成像系统。利用窄带滤光片和面阵探测器，构建了基于时序扫描的凝视成像型红外多光谱成像系统。根据红外探测器性能参数，对各个光谱通道的温度灵敏度进行了估算。在系统设计时通过合理的滤光片布局，尽量延长各个光谱通道的信号积分时间，以提高各个光谱通道温度灵敏度。利用研制的中波多光谱成像系统，对室外进行了成像，并对各个通道的成像结果进行了比较分析。

2、关键词：多光谱；中波红外；滤光片；目标探测The Study of MWIR Multispectral Imaging Technology LAN Wei-hua，Wan Min，Wang Kai，Yang Xiao-ru(Luoyang Institute of Electro-Optical Equipment of AVIC , Luoyang 471023, China)Abstract： Multispectral imaging integrating imaging and spectral measuring technology, can adopt the spectr

3、al and geometric  characteristic of target simultaneously. The multispectral imaging has technical advantage  in restraining the clutter backgrounds and identifying target. A Multispectral imaging system with four channels working in MWIR band has been developed. Using the narrow opti

4、cal filter and the infrared FPA, the staring multispectral imaging system can work based on time sequence sweeping. According to the detector performance, the temperature  sensitivity  of each channels has been analyzed. For improving the sensitivity of each spectral channels, th

5、e optical filters were schemed carefully to extend  the integral  time of the detector. Using the developed MWIR Multispectral imaging system, the imaging test has been carried out, and the results of each channels have been compared .Key words：Multispectral; MWIR; optical filter

6、; taget detecting1 引言多光谱成像技术是一种图谱合一的信息获取技术，不仅可以获取成像目标的几何形状信息，也可识别目标的光谱特征差异。目标、伪目标和背景之间的光谱特征具有差异，在各个光谱通道具有不同的光谱亮度。通过多光谱成像的目标/背景之间的对比度反差增大，可有效抑制背景杂波，分辨真假目标，提高系统目标识别能力1。多光谱成像技术已经在航空航天遥感领域得到了广泛地应用，应用领域包括：国土资源调查、森林防火、环境检测、海洋应用、农业估产等。遥感领域的多光谱成像技术主要是摇扫或者推扫成像，对于需瞬时成像的高速平台并不适用，该类平台需要多光谱成像技术可以瞬时获取整幅图像，并且具有较大的

7、光学通量2。基于高速平台的多光谱应用，开展了中波多光谱成像技术研究，采用滤光片分光技术和高速滤光片轮控制技术，中波多光谱成像系统在中波红外波段获取4个光谱通道的红外图像。多光谱图像帧频达到25Hz，满足高速平台实时获取多光谱图像的需要。2 中波多光谱成像系统设计2.1 构成和工作原理如图1所示是中波红外多光谱成像系统的原理图。由红外光学系统、滤光片轮、红外探测器和多光谱信号处理模块构成。红外辐射经光学系统聚焦和滤光片轮分光后在红外探测器上成像。滤光片轮上放置4个窄带滤光片，通过滤光片轮的转动，红外探测器可以依次获取4个光谱通道的红外图像，经多光谱信号处理模块处理后就可以获取中波红外多光谱图像。

8、图1 中波多光谱成像系统原理图Fig.1 Scheme of MWIR multispectral system2.2 光谱波段选择中波多光谱探测系统选用Sofradia公司320×256中波制冷型红外探测器，工作波段为3.74.8m，中波多光谱探测系统将该工作波段分为4个光谱通道。考虑3.74.8m波段范围大气的吸收，中波多光谱的光谱通道划分避开大气吸收光谱，在大气窗口内根据探测器的敏感波段划分4个中波多光谱成像通道。通过对窄带滤光片的光谱透射曲线测试，中波多光谱成像系统的光谱采样间隔为0.2m，光谱分辨率为0.21m，满足系统的需求。2.3 滤光片轮控制及探测器的时序配合为获取帧

9、频为25Hz的多光谱图像，滤光片轮的转速设为1500转/分。在每个滤光片轮转动周期内，探测器采集四幅红外多光谱图像，红外探测器的工作帧频为100Hz。滤光片轮每转动一周，中波多光谱系统完成4个光谱通道的图像采集，通过图像融合可以获取帧频为25Hz的多光谱图像。在探测器采集图像期间，滤光片轮连续转动，光学系统光线落在滤光片上形成一个圆弧状光斑。滤光片轮的布局设计要避免各个光谱通道的混叠，在结构尺寸允许的情况下，通过增大滤光片轮的尺寸可以延长探测器的积分时间，从而提高系统的温度度灵敏度。最终系统设计的滤光片轮布局可以使探测器积分时间最长调整为5.7ms而不产生光谱混叠，最大限度提高系统的温度灵敏度

10、。滤光片轮的转速误差会导致各个通道之间的光谱混叠，必须提高滤光片轮的转速精度。通过数字MR编码器反馈电机的转速，使用PWM控制模块闭环控制电机转速，滤光片轮的转速精度优于8，可以避免滤光片轮快速转动中的光谱混叠。探测器的图像采集要和各个光谱通道的滤光片位置精确配合，在滤光片轮上设置了霍尔器件以产生一个霍尔信号，传递给探测器接口电路，作为探测器图像采集的启动信号，探测器通过霍尔信号和滤光片轮转动同步，保证探测器采集的光谱图像和各个滤光片对应。2.4 多光谱图像信号处理多光谱信号处理模块要完成红外图像的非均匀性校正、直方图统计和图像格式编码等功能。由于多光谱各个通道的光通量差别比较大，给红外图像的

11、非均匀性校正带来较大困难，在非均匀性校正过程中，要分别对每个光谱通道进行非均匀性校正。随后对多光谱图像进行直方图统计和图像格式编排，输出帧频25Hz的多光谱视频图像。3. 光谱通道的探测灵敏度分析探测灵敏度是衡量红外系统性能的一个重要指标。对于中波红外波段，各个光谱通道的探测灵敏度由噪声等效温差（NETD）来表征3。NETD是一种实用的设计和分析指标，与系统的透过率和系统噪声等参数有关，能反映系统的热灵敏度特性，按如下公式计算：F 系统F数；Df 噪声等效带宽，；t。 光学透过率；D*探测率, ；D0 入瞳直径； 瞬时视场立体角；微分辐出度。中波多光谱各通道的NETD受窄带滤光片光谱带宽以及滤

12、光片的透过率影响。滤光片的透过率影响整个光学系统的透过率t。，滤光片光谱带宽决定了微分辐射度的波长上下限。根据NETD公式，应提高探测器的积分时间，以减小噪声等效带宽Df，可以提高各个通道的温度探测灵敏度。各个通道的噪声等效温差计算结果如下表1所示。表格1各光谱通道的NETD Table 1 NETD of each spectral bandBand(µm)d（ms）TNETD10.174591.20.26K20.18592.30.18K30.21576.50.10K40.22568.50.09K4 多系统成像实验及结果分析中波多光谱成像系统分别在室内和室外对不同的场景目标进行了成

13、像实验。目的是检验中波多光谱的成像效果，针对不同目标，寻找中波多光谱成像的光谱成像规律。图2 室内火焰的多光谱图像Fig.2 Multispectal image of fire in room如图2所示是中波多光谱成像系统对室内打火机火焰进行的多光谱成像，火焰在各个光谱通道表现出不同的形状。在多光谱的短波通道只能看到火焰的焰心，而在长波通道则可以看到火焰的整个形状、火焰对周围空气的加热效应以及拿火机的人手。说明在短波光谱通道火焰的焰心和人手之间具有非常大的辐射能量差异，因此只能看到火焰焰心之类高温目标，而人手之类常温目标则因为相对火焰的辐射能量很小，在图像中难以显现。在长波光谱通道则由于人手

14、和火焰的光谱辐射能量反差较小，能够在光谱图像中全部呈现。根据以上的成像结果，多光谱技术可以通过各个光谱图像的对比，剔除成像设备附近的飞鸟等常温目标的干扰，而识别高温目标。图3 室外汽车的多光谱图像Fig.3 Outdoor Multispectal imaging for automobile图4 目标在各个光谱通道的光强对比Fig.3 Comparing intensity of each spectral band如图3所示是中波多光谱成像试验对室外行驶中的汽车进行的多光谱成像实验。图4是对汽车尾部的阳光反射部位在四个光谱通道进行的光强对比。通过多光谱图像对比，同一目标在4个光谱通道的图像

15、中表现出明显的差异，这些差异反映了目标的光谱特征，目标辐射在不同光谱通道具有不同的光通量。阳光的反射在短波光谱通道的光通量较大，而在长波光谱通道的光通量很小。因此通过多光谱成像技术可以剔除阳光反射对目标成像的影响。5. 结论本文对中波多光谱成像技术进行了系统研究，分析了各个光谱通道的探测灵敏度，并进行了中波多光谱成像实验。成像结果的分析表明，多光谱成像技术可以识别目标和干扰之间的光谱差异，有效抑制背景干扰。中波多光谱成像技术的后续研究还需通过大量的目标成像实验，获取目标光谱特征，对多光谱的波段选择和图像处理算法进行优化4。参考文献1 许洪，王向军. 多光谱、超光谱成像技术在军事上的应用J. 红外与激光工程, 2007, 36(1): 13