热成像系统通用技术

1、热成像系统通用技术,热成像系统通用技术,目录,4. 电子稳像技术,3. 微扫描技术,1. 非均匀校正技术,2. 坏点校正技术,5. DDE图像锐化技术,6. 红外系统作用距离计算,7. 伺服稳定技术,1 非均匀性校正,定义： 由于制作材料的缺陷、掺杂的非均匀性以及生产工艺过程控制的不稳定等，造成了红外焦平面阵列的不同像元在同一均匀入射辐射下，其视频输出信号（即X值）幅度不同，这就是所谓的红外焦平面阵列响应的非均匀性（Nonuniformity，NU）。,非制冷探测器X数据,制冷探测器X数据,1 非均匀性校正,非均匀性产生的原因： 器件自身的非均匀性 器件工作状态引入的非均匀性 与外界输入相关的

2、非均匀性,1 非均匀性校正,非均匀性校正方法： 常用校正方法：基于定标校正方法，如一点校正、两点校正、多点校正等。 其他校正方法：基于场景的自适应校正。,原始图像：,非均匀性校正后：,均匀黑体的输出图像：,目录,4. 电子稳像技术,3. 微扫描技术,1. 非均匀校正技术,2. 坏点校正技术,5. DDE图像锐化技术,6. 红外系统作用距离计算,7. 伺服稳定技术,2 坏点校正,坏点：是指在红外图像中坐标不随目标变化的明暗斑点，是由探测器的单个探测元对红外辐射的响应率过高或过低造成的，也称无效像元。 过热像元（白点）：像元噪声电压大于平均噪声电压10倍 死像元（黑点）：像元响应率小于平均响应率1

3、/10 常用的坏点校正方法：左点替换、上点替换、邻域中值或均值替换等。,坏点图像,坏点替换后,2 坏点校正,坏点与噪声、场景细节的区别： 坏点的灰度值相对于周围像素点会发生大幅度跳跃，而噪声的灰度浮动范围通常小于3倍的邻域方差（3原则）。 虽然场景细节的灰度值相对其周围像素点也会有大幅度跳跃，往往也会伴随着弥散现象。 坏点的位置是固定的，而场景细节的位置则随场景运动发生变化。,(a) 坏点 (b) 平坦区域内噪声 (c) 场景亮细节,2 坏点校正,演示视频（请点击图片观看）,目录,4. 电子稳像技术,3. 微扫描技术,1. 非均匀校正技术,2. 坏点校正技术,5. DDE图像锐化技术,6. 红

4、外系统作用距离计算,7. 伺服稳定技术,3 微扫描成像技术,超分辨率重建,亚像元成像技术,通过光学微扫描、探测器错位拼接等方法对成像过程进行控制，实现过采样成像，并结合后续的信号处理，获得小于探测器几何尺寸的空间分辨率。,在现有一定空间分辨率的多帧图像基础上，根据信号处理的有关理论与方法，将具有相异信息并且相互重复的图像融合到一起，获得高分辨率图像。,微扫描成像：可以看作是一个过采样过程，是对同一场景进行多次采样成像。具体地说，微扫描成像就是把焦平面器件对场景每次采样得到的图像存储下来，然后将得到的一系列图像的象素按照获取图像的方式和顺序进行交叉，通过进一步处理得到高分辨率的图像。 作用：可以

5、在一定程度上弥补单帧图像由于欠采样而损失的信号，因而可以提高系统的空间分辨率。,3 微扫描成像技术,4幅320256的微扫描图像,640512的超分辨率重建图像,目录,4. 电子稳像技术,3. 微扫描技术,1. 非均匀校正技术,2. 坏点校正技术,5. DDE图像锐化技术,6. 红外系统作用距离计算,7. 伺服稳定技术,4 电子稳像,应用背景： 在飞机、车辆、舰船等运动载体上用热像仪观瞄目标时，由于机座的震动，像面上的图像不稳定，使观察者易于疲劳，同时也降低了测瞄精度。 原理及效果： 利用电子设备和数字图像处理技术相结合的方法，通过检测出参考图像和被比较图像的运动矢量，并利用其补偿被比较图像，

6、从而消除或减轻视频图像序列帧间的不稳定，获取清晰而稳定的视频图像序列。,4 电子稳像,演示视频（请点击图片观看）,目录,4. 电子稳像技术,3. 微扫描技术,1. 非均匀校正技术,2. 坏点校正技术,5. DDE图像锐化技术,6. 红外系统作用距离计算,7. 伺服稳定技术,5 DDE图像锐化,方法：通过图像增强模板，增强图像的细节和边缘轮廓，使得目标细节更清晰，对图像有去模糊的作用。,处理后,5 DDE图像锐化,演示视频（请点击图片观看）,目录,4. 电子稳像技术,3. 微扫描技术,1. 非均匀校正技术,2. 坏点校正技术,5. DDE图像锐化技术,6. 红外系统作用距离计算,7. 伺服稳定技

7、术,6. 红外系统作用距离计算,6.1 作用距离概述 6.2 点目标作用距离 6.3 面目标作用距离,6.1 作用距离概述,作用距离（也称为“视距”）的关键要素： 1. 指定气象条件：能见距离、相对湿度、环境温度 2. 特定目标：类型、大小、温差 3. 观察等级：探测、识别、认清,6.1 作用距离概述,热成像系统对面目标（扩展源）的作用距离： 面目标：当辐射源（目标）的角尺寸超过系统的瞬时视场时，该辐射源为面目标（扩展源）。 目标辐射的能量+几何尺寸、形状、观察等级决定其作用距离。,热成像系统对点目标的作用距离： 点目标：目标的张角小于或等于系统的瞬时视场时，这时目标为点目标。 目标的细节不可

8、能探测，但从能量角度看，只要信号足够大就可以探测，既要求信噪比达到探测阈值。,6.1 作用距离概述,点目标模型 不关注目标细节 1）应用场合：对空 2）目标类型：较小、较远 3）红外辐射能量：探测阈值 例如：各类高速战斗机（J8、J7、F22等）、导弹（战斧式巡航导弹等）。,（图像经过放大）,6.1 作用距离概述,面目标模型 关注目标细节 1）应用场合：对地、对空 2）目标类型：较大、较近、需要确认目标类型、型号等 3）考虑因素：目标辐射特性、大小、形状等 例如：对地（坦克、行人、建筑物、地堡等），对空的低慢小目标（无人机、航模、三角翼等）。,6.2 点目标作用距离,点目标作用距离条件： 目标

9、张角小于系统的瞬时视场，不能分辨目标的细节。 目标与背景的温差足够大，探测器依然能够探测到目标。 总之：目标与背景间的温差经大气传输衰减后的温差，在一定的探测概率和大气条件下，与修正后的NETD相比仍要大于SNR倍。,6.2 点目标作用距离,探测像元响应输出与目标大小的关系： 如图所示，当目标较小的时候（目标A），探测像元对目标的有效成像面积较小，该探测像元的响应输出值较小；当目标较大的时候（目标B），探测像元响应输出中，目标温差占据比例较大，该探测像元的响应输出值较大；当目标充满整个探测像元的时候，探测像元响应输出仅由目标温差决定。,6.2 点目标作用距离,点目标理论计算模型的公式如下：,6

10、.3 面目标作用距离,探测(Detection) ：在视场内发现一个目标。 识别(Recognition) ：可将目标分类（如坦克、卡车、装甲车）。 确认(Identification) ：可区分出目标型号及其他特征（如T-72坦克、豹坦克）。 约翰逊准则：热成像系统作用距离分为探测距离、识别距离和确认距离，对目标进行探测、识别、确认的概率为50%时，目标的最低等效线对数1:3:6（或1:4:8），对应的目标的最低像素个数分别为2:6:12（或2:8:16）。,6.3 面目标作用距离,目标的等效条带：作用距一组黑白间隔相等的条带状图案，其总高度为基本上能被识别的目标临界尺寸，及目标的最小投影尺

11、寸，其长度为垂直于临界尺寸方向的横跨目标的尺寸，等效条带图案的可分辨力为目标临界尺寸所包含的可分辨的条带数（周临界尺寸）。 约翰逊论证了等效条带图案可分辨力能用来预测目标的探测识别，通过实验确定了各类目标探测识别准则。,约翰逊准则：,目标的等效条带图案,6.3 面目标作用距离,人眼通过热成像系统能够观察到目标的基本条件是： 视在温差：对于空间频率为f的目标，它与背景的实际等效温差在经过大气衰减后到达热像仪时，仍大于或等于热像仪对应于该频率的MRTD(f)。 成像大小：目标在热像仪上的成像点数满足约翰逊准则，即目标对系统的张角应大于或等于观察等级所要求的最小视角。,6.3 面目标作用距离,在对目

12、标探测、识别和认清时，包含人为的主观判断，因而在目标搜索中存在着搜索概率的问题。搜索概率的大小在一定程度上提供了对光电成像系统性能的评价。当然搜索概率还与观察人员的状态有关，也与一定的搜索任务相关联，例如是探测还是识别。,视距概率表：,6.3 面目标作用距离,典型目标夏季野外平均温差统计值,6.3 面目标作用距离,红外热像仪基本参数 探测器：制冷型 中波 320 x256 30um 光学镜头 f=240mm 视场角: 2.3x1.8系统分辨率: 0.125mrad,要求作用距离,6.3 面目标作用距离,空间分辨率要求：,热像仪的空间分辨率满足要求。,6.3 面目标作用距离,温度分辨率要求：,热

13、像仪的温度分辨率满足要求。,查表：温度27、湿度60%，能见度6km时,根据测试热像仪的MRTD可知：,作用距离的影响因素： 目标与背景的温差 背景的复杂程度（对空、对海、对地） 目标是运动还是静止 热像仪的聚焦好坏 热像仪的壳体温度（无热化设计） 热像仪的图像算法（锐化、天地模式） 显示器的好坏（灰度分辨率、聚焦，OLED、CRT、LCD） 观测者的先验知识,6.3 面目标作用距离,6. 红外系统作用距离计算,目录,4. 电子稳像技术,3. 微扫描技术,1. 非均匀校正技术,2. 坏点校正技术,5. DDE图像锐化技术,7. 伺服稳定技术,基于运动载体上的系统，要实现对目标的准确测量和跟踪，必须采用视轴稳定技术，在运动状态下，各种干扰力矩以及惯性力矩将使平台光轴偏离瞄准目标，同时，载体在方位、俯仰、横滚方向上的角运动或振动通过轴承摩擦耦合到光电平台上造成平台的振动，从而引起光电成像传感器瞄准线视轴的抖动，这种抖动引起图像模糊，不仅影响成像质量，而且影响瞄准、影响跟踪器提取目标脱靶量的精度，导致跟踪性能下降。 伺服稳定技术是一种基于伺服补偿原理的稳定技术，它通过惯性测量传感器（如陀螺、倾角仪）测量出光轴偏离的程度，采用驱动电机等执行机构进行补偿，以此消除扰动，确保