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）。00.20.40.60.811.21.4x10-500.511.522.5x107波长/米辐射通量密度(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。00.20.40.60.811.21.4x10-50123456789x107波长/米辐射通量密度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