红外成像原理与红外多波段图像特征对比复习课程.docx

红外成像原理与红外多波段图像特征对比

红外成像原理与红外多波段图像特征对比
由于红外成像具有被动工作、抗干扰性强、目标识别能力强、全天候工作等特点，已被多数发达国家应用于军事侦查、监视和制导方面。红外成像侦察、监视和制导意已成为当代武器技术发展的主流方向之一。红外辐射是整个电子频谱中的一个重要组成部分。红外探测器是依靠探测目标辐射和反射的红外线而工作的。
通常红外光谱的划分是这样的：近红外（760纳米-3微米），中红外（3微米-8微米），远红外（8微米-1毫米）。
红外辐射的物理本质是热辐射。大气是红外辐射的主要传输介质。由于大气中各种气体和物质对太阳光谱均有一定的吸收能力。综合各气体吸收情况，得出了3个对太阳光谱吸收较弱的区段，即2-2.6微米、3-5微米、8-14微米。在这几个波段，大气相对说来是比较透明的，常称为“大气窗口”，对于从事红外光谱亚牛、红外技术应用研究尤为重要。一般红外仪器和红外系统都工作在这三个窗口之类。
根据测量分析，一些重要的军事目标的热辐射波长集中在3-5微米的中红外线区和8-10微米的远红外线区内。利用这一特点，目标红外传感器常选用适用于3-5微米红外大气窗口的碲化铟和适用于8-14微米红外大气窗口的碲铜汞。
红外辐射也成为红外线，辐射过程除了取决于温度之外，还受到许多其他因素的影响。对于理想黑体（黑体或绝对黑体是指对于任何波长的电磁辐射都全部吸收，且具有最大辐射率的物体）而言，红外辐射的基本规律归结为普朗克黑体辐射定率、维恩位移定律和斯蒂芬-玻尔兹曼3个基本定律。
1. Plank黑体辐射定律---该规律描述了黑体单色辐射力随波长及温度的变化规律

其中C1、C2分别称为普朗克第一常数和第二常数
2. Wein位移定律---随着温度T增高，最大单色辐射力M所对应的峰值波长λmax逐渐向短波方向移动。

3. Stefan-Boltzmann定律---描述了黑体辐射力随表面温度的变化规律， 也可以计算某一波长范围内的辐射力。

其中σ为黑体辐射系数
从工作波段可以把红外探测器分为3种类型：SWIR（短波红外）探测器，工作于1-2.5微米短波红外波段；MWIR（中波红外）探测器，工作于3-5微米中波红外波段；LWIR（长波红外）探测器，工作于8-14微米长波红外波段。
SWIR探测器由于工作波段的限制，不适用于军事领域，发展的速度较慢，主要应用于天文科学。
由于受到探测单元灵敏度的限制，MWIR探测器近年来才得到了突飞猛进的发展特，别是在军事领域的应用。较高温度的目标3-5微米波段有很强的辐射，MWIR探测器适用于观察和跟踪空中目标；其次，在潮湿或大气水分高的地区，3-5微米波段的大气透射要优于8-14微米波段。
首先先对比一下一杯冷水的中(a)、远(b)两波段红外图像（室温10摄氏度）。

（a） (b)
由图可见，中红外图像的杯子灰度值要小于远红外图像。
忽略成像仪之间的差异，原因如下：杯子水温对应于室温10摄氏度，即283K，将结果代入普朗克公式，得到关于黑体辐射通量密度M和波长之间的关系曲线，可以算出辐射峰值对应的波长位10微米，因而远红外成像效果更佳。

接着再对比一下热水的中(c)、远(d)两波段红外图像（水温90摄氏度）。

(c) (d)
同样，将水温90摄氏度（363K）代入普朗克公式，可得：

可见辐射峰值对应波长为8微米，远红外探测器（8-14微米）成像效果较佳。而，8微米也相对接近中红外探测器的（3-5微米）。因此，中红外成像效果也不错。
下面再来看看军事红外小目标的红外辐射特性
1. 炮弹
炮弹的辐射热源主要是在空气中的高空运动引起的摩擦生热，及气动加热。一般飞行速度为600-1200m/s，对应的表面温度分别为430-800K，将结果代入普朗克黑体辐射定律，其光谱辐射峰值波长范围为3.2-6.8微米。因此，用中红外探测器效果更佳。
2. 飞机
飞机的红外特征主要表现为气动加热引起的蒙皮辐射，蒙皮温度为290-570K，其光谱辐射峰值波长范围为6-10微米。因此，远红外探测器效果更佳。
3. 火箭弹
火箭弹的红外特征主要表现在尾焰辐射，尾焰温度为800-1500K，其光谱辐射峰值波长范围为2-4微米。因此，用中红外探测器效果更佳。
4. 巡航导弹
对于巡航导弹，在前向探测时，更多考虑的是由气动加热产生的蒙皮辐射，其光谱辐射峰值波长范围为6-10微米。因此，在前向探测时用远红外探测器效果更佳。

参考：李俊山等 “红外图像处理、分析与融合” 科学出版社