CN107273697A - 一种基于红外热成像系统的海天环境参数计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光电探测技术领域，公开了一种基于红外热成像系统的海天环境参数计算方法，可根据实时红外海天图像反推大气环境的关键参数，如实时大气透过率和大气程辐射以及大气对比传递函数，由此关键环境参数可以计算得到红外热成像系统对特定目标的有效作用距离。本发明的优点在于有效改进了传统作用距离求解模型，首次引入了由红外图像反演实时大气环境参数，突破了传统作用距离方程未考虑实时大气影响的局限，使得红外热成像系统对目标作用距离的预测精度大大提高。

Description

一种基于红外热成像系统的海天环境参数计算方法

技术领域

本发明属于光电探测技术领域，涉及对海天背景下的远距离目标进行探测，并基于红外热成像系统对海天环境的实时参数进行反演。

背景技术

红外热成像系统在军事探测领域起着越来越重要的作用，因此对于红外热成像系统的性能评价研究也越来越深入，对特定目标的作用距离是评价一个红外成像系统性能的重要参数。红外成像系统的作用距离不仅与系统性能有关，而且与实时大气的影响、观测目标以及背景辐射特性等有关。

有关的中国专利(CN101320475)公开了一种复杂背景条件下红外成像系统作用距离的预测方法，但其未考虑红外图片中目标的位置信息以及远距离目标的作用距离预测，有一定的局限性。文献“海空背景凝视红外成像系统作用距离研究”提出了基于图像信噪比检测依据的作用距离计算模型，并计算了海空背景下的作用距离，该方法虽考虑了目标背景对比度对作用距离的影响，但是考虑的影响因子较少，且没有结合实际海天红外图像进行分析，单纯套用作用距离模型进行计算，缺少可靠性。进一步检索，迄今为止尚未发现有结合红外海天图像实时信息对大气环境参数进行反演的例子，且未发现结合实时海天图像的海天线信息对热成像系统作用距离进行计算的研究。本发明从拍摄的海天红外图像入手，深入分析反映在红外图像上的大气影响因素，并基于此反演出实时大气环境参数，且进一步计算得到红外热成像系统对特定目标的有效作用距离。

发明内容

本发明通过分析海天红外图像提出了海空大气模型，根据海空大气模型能够计算得到真实海天线离红外热成像系统的距离，由于舰船大多出现在海天线附近，故可由此海天线距离反推出观测斜程上的实时大气透过率和大气程辐射，进而求出实时作用距离。此方法结合了实时海天红外图像和实际大气影响因素，达到了精确求解热成像系统作用距离的效果，克服了传统的作用距离方程无法利用实时图像和实时大气透过率而导致求解精度低的问题。

基于红外热成像系统的海天环境参数计算方案包括：

a)建立改进的作用距离求解模型，该模型包括作用距离方程和作用距离的求解方法；

b)获取海天红外图像；

c)计算真实海天线距离；

d)由海天线距离计算真实大气透过率和大气程辐射值；

e)由海天红外图像的目标背景辐射对比度求出零视距时目标的辐射值；

f)由海天红外图像求出目标的背景辐射值；

g)对探测器的MRTD进行修正；

h)将c)、d)、e)、f)、g)所得的参数代入a)中的作用距离方程中计算红外热成像系统对特定目标的有效作用距离值。

本发明的优点是：

1、针对海天红外图像提出了对应的海空大气模型，准确快速地求出海天线离红外热成像系统的实际距离，此海天线距离可作为红外热成像系统对特定目标作用距离的参照标准；

2、通过分析实时红外海天图像的海天线距离和目标背景辐射对比度，准确地求出观测路径上的实时大气透过率、大气程辐射、大气对比传递函数值，同时根据大气对比传递函数和目标背景辐射对比度的关系准确求出零视距时目标的辐射值，相比目标进行仿真建模求其零视距时的辐射值，精度得到提高；

3、通过海天线检测算法确定目标的背景区域，并根据温度和灰度的辐射定标数据计算得到探测器入瞳处的背景辐射值，相比于利用MODTRAN、LOWTRAN等软件求解背景辐射，精度得到提高。

4、利用由红外图像提取的参数进行最终的作用距离计算，相对于传统作用距离计算模型需要假设初始作用距离的方法，本方法的精度明显高于传统模型，且计算结果可信度更高。

附图说明

图1为本发明实施针对特定舰船目标的长波红外图像。

图2为由海天红外图像演变而来的海空大气模型。

图3为红外海天图像的海天线检测及背景区域大小确定示意图。

图4为红外热成像系统的MRTD与目标空间频率的曲线关系图。

图5为实时海况红外热成像系统环境参数计算软件界面。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明的工作过程做进一步说明。

本实例中，长波红外热成像系统的参数如下：探测器焦距为f＝10mm，F数为1.4，视场角为7°×5.2°，响应波段为7.5-13.5μm，像元数为640×512，像元尺寸为15×15μm，NETD≤50mk。整个实例的具体实现过程如下：

步骤1：建立改进的作用距离求解模型

传统的作用距离方程如下式所示：

式中，f为目标的空间特征频率；h为目标高度；N_e为按约翰逊准则发现、定位、识别和认清目标所需的等效条带数；R为目标的距离；ΔT为热成像系统入瞳处目标与背景的表观温度差；MRTD(f)为热成像系统的最小可分辨温差，满足方程的最大距离值R即为系统对目标的作用距离。

本发明建立的改进的作用距离方程式如下：

式中，M_t0为零视距时目标的辐射出射度；τ(R)为距离R路径上的大气透过率值，M_Rt为距离R路径上的大气程辐射值，M_b为探测器像面入瞳处的背景辐射值，是温差为MRTD_a(f)时的辐射出射度差值。式(2)中τ(R)和M_Rt直接由海天红外图像的信息计算得到，能够很好的反映实时大气的影响，由此方程计算的作用距离可信度高。

作用距离的求解方法：

1)根据海天红外图像和海空大气模型求解得到真实海天线距离；

2)将真实海天线距离值代入MODTRAN软件中运行得实时大气透过率τ(R)和大气程辐射值M_Rt；

3)由海天红外图像求出像面目标背景的辐射对比度，再利用大气对比传递函数和目标背景对比度的关系求出零视距时目标的辐射值M_t0。

4)由海天红外图像求出舰船目标在探测器入瞳处的背景区域和背景辐射值M_b。

5)MRTD的修正得到其修正系数。

6)将2)、3)、4)、5)所得的参数代入公式(2)可求得最终的有效作用距离R。

步骤2：获取海天红外图像

利用长波红外热像仪拍摄海天背景下的舰船红外图像，如图1所示，并记录了相应的拍摄条件：拍摄时间为某年冬天上午十时；地点为中国沿海某城市海边；天气条件为无雨、温度16℃、相对湿度56％、海拔为2-8m。

步骤3：计算真实海天线距离

为了计算拍摄红外海天图像时的真实海天线距离，我们针对海天图像建立海空大气模型，如图2所示。图2中，地球球心位于O点，红外热成像系统置于H点，它的垂直视场角为∠W₁'HW₁，HC为垂直视场的角平分线，在红外热成像系统对远处海空目标成像的过程中，理想的最远海天线位于图中R₀处，由于实时海况的影响，大气环境对红外辐射有衰减作用，故真实的海天线必然会更靠近观测点，图2中由于实时海况大气的影响，真实海天线移到R₁处。由海空大气模型的几何关系可得真实海天线距离为：

式中：r表示红外图像底部至海天线处的像素数，对图1进行海天线检测可得出r的值，a表示探测器的垂直像元数，ω表示探测器垂直方向半视场角，h是观测高度，R₀是地球半径，α表示红外热像仪俯仰角的余角。将红外热成像系统的参数和拍摄时的地理条件代入式(3)，计算得到的真实海天线距离为5.677km。

步骤4：由海天线距离计算真实大气透过率和大气程辐射值

将步骤2记录的拍摄时间地点信息以及天气条件等参数和步骤3计算得到的海天线距离值输入到MODTRAN软件中，得到该条件下的观测路径上的实时大气透过率和大气程辐射值。本实例计算得到的大气透过率为0.449，大气程辐射为45.956W·m^-2·μm^-1。

步骤5：计算零视距时目标的辐射值

由海天红外图像求出像面目标背景的辐射对比度C_R，由公式C_R＝C₀·T_C(C₀为目标和背景的固有对比度，T_C为大气对比传递函数)以及公式可得：

式中：

K为天空背景亮度比。M_b0可由环境温度代入普朗克辐射公式求得。对图1进行图像处理后，得到像面上目标背景辐射对比度C_R＝0.104，大气对比传递函数为T_C＝0.620，最后得到零视距时的目标下辐射为M_t0＝170.263W·m^-2·μm^-1。

步骤6：计算探测器入瞳处目标的背景辐射值

基于自适应Canny算子及Hough变换的直线检测算法对红外海天图像的海天线进行检测，检测结果如图3中的红色直线所示。在检测出海天线位置后，取海天线上下各40个像素大小的区域作为目标的背景区域，如图3中的绿色直线所包含的区域。通过图像处理可得背景区域的平均灰度值，然后由红外热成像系统的温度、灰度辐射定标数据可得背景区域的平均温度值，再将此平均温度值代入普朗克辐射求解公式可得探测器入瞳处目标的背景辐射值M_b。本实例利用上述方法得到入瞳处目标的背景辐射值为M_b＝116.205W·m^-2·μm^-1。

步骤7：求解探测器MRTD的修正系数

在进行作用距离估算之前，需要根据实际目标高宽比进行MRTD的修正：

式中，α₀为实际目标的高宽比，N_e为根据约翰逊准则决定的条带数。本实例中探测器MRTD的修正系数为3.270。

步骤8：求解该大气条件下红外热成像系统对舰船的有效作用距离

本实例中，红外热成像系统的MRTD和目标空间频率的关系曲线如图4所示。将本实例中步骤4得到的大气透过率和大气程辐射值、步骤5得到的零视距时的目标辐射值、步骤6得到的探测器入瞳处目标的背景辐射值、步骤7得到的MRTD的修正系数值代入到步骤1建立的改进的作用距离方程中，同时结合图4的关系曲线可求得本实例中红外热成像系统对舰船的识别距离为R＝4.718km，实时海况红外热成像系统环境参数计算软件的界面如图5所示。

Claims (8)

1.一种基于红外热成像系统的海天环境参数计算方法，其特征在于：

步骤1：建立改进的作用距离求解模型，该模型包括作用距离方程和作用距离的求解方法；

步骤2：获取海天红外图像；

步骤3：根据步骤2获得的海天红外图像计算真实海天线距离；

步骤4：根据步骤3获得的真实海天线距离计算真实大气透过率和大气程辐射值；

步骤5：由海天红外图像的目标背景辐射对比度求出零视距时目标的辐射值；

步骤6：由海天红外图像求出目标的背景辐射值；

步骤7：对探测器的MRTD进行修正；

步骤8：将步骤3、4、5、6、7所得的参数代入步骤1中的作用距离方程中计算红外热成像系统对特定目标的有效作用距离值。

2.根据权利要求1所述的一种基于红外热成像系统的海天环境参数计算方法，其特征在于：

改进的作用距离方程式如下：

式中，M_t0为零视距时目标的辐射出射度；τ(R)为距离R路径上的大气透过率值，M_Rt为距离R路径上的大气程辐射值，M_b为探测器像面入瞳处的背景辐射值，ΔM_MRTD(f)为温差为MRTD(f)时的辐射出射度差值，式中τ(R)和M_Rt直接由海天红外图像的信息计算得到，能够很好的反映实时大气的影响，由此方程计算的作用距离可信度高；

作用距离的求解方法：

(1)根据海天红外图像和海空大气模型求解得到真实海天线距离；

(2)将真实海天线距离值代入MODTRAN软件中运行得实时大气透过率和大气程辐射值；

(3)由海天红外图像的目标背景辐射对比度求出零视距时目标的辐射值；

(4)由海天红外图像求出舰船目标在探测器入瞳处的背景区域和背景辐射值；

(5)MRTD的修正得到其修正系数；

(6)将2)、3)、4)、5)所得的参数代入作用距离方程可求得最终的有效作用距离。

3.根据权利要求1所述的一种基于红外热成像系统的海天环境参数计算方法，其特征在于：

利用长波、中波红外热像仪拍摄海天背景下的舰船红外图像，并记录拍摄时间、大气温度、相对湿度、拍摄高度、气压、降雨量、风速等环境参数。

4.根据权利要求1所述的一种基于红外热成像系统的海天环境参数计算方法，其特征在于：

由拍摄的红外图像，结合海空大气模型分析得到真实海天线距离的求解公式：

式中：r表示红外图像底部至海天线处的像素数，a表示探测器的垂直像元数，ω表示探测器垂直方向半视场角，h是观测高度，R是地球半径，α表示红外热像仪俯仰角的余角。

5.根据权利要求1所述的一种基于红外热成像系统的海天环境参数计算方法，其特征在于：

将真实海天线距离与大气参数一起输入到MODTRAN大气辐射传输模型，计算大气透过率和大气程辐射，具体计算过程如下：

第一步：将拍摄图像时记录的大气参数与海天线距离写入MODTRAN的输入文件；

第二步：调用MODTRAN，计算大气透过率和大气程辐射。

6.根据权利要求1所述的一种基于红外热成像系统的海天环境参数计算方法，其特征在于：

零视距时目标的辐射值计算公式为：

其中，C_R是由海天红外图像得到的像面目标背景辐射对比度，T_C的计算公式为：

式中K为天空背景亮度比，M_b0可由环境温度代入普朗克辐射公式求得。

7.根据权利要求1所述的一种基于红外热成像系统的海天环境参数计算方法，其特征在于：

使用海天线检测算法检测出红外图像中海天线的位置，然后确定目标的背景区域，根据温度和图像灰度的辐射定标数据求出背景区域的平均灰度值，再将此温度值代入普朗克辐射计算公式求得背景辐射值。

8.根据权利要求1所述的一种基于红外热成像系统的海天环境参数计算方法，其特征在于：

根据实际目标的高宽比进行MRTD修正：

式中，α₀为实际目标的高宽比，N_e为根据约翰逊准则决定的条带数。