CN107356338A - 一种大幅宽高温度灵敏度的红外遥感成像装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大幅宽高温度灵敏度的红外遥感成像装置及方法。装置包括红外探测器、光学镜头、45°反射镜与横滚环架，并在横滚环架的带动下绕横滚轴做穿轨方向摆扫运动，同时45°反射镜在沿轨方向上补偿飞行移动产生的像移。每个摆扫周期内连续曝光成像，利用成像时的扫描角度值作为图像配准初始位置并由配准技术获取精确偏移量；对每一帧图像进行均匀性校正，根据偏移量将校正后图像的重叠部分进行吻合并叠加。采用本发明的红外遥感成像方法，在扩大视场范围的同时降低了红外图像的空间与时间噪声，从而实现大幅宽高温度灵敏度的红外遥感成像，提高了遥感图像覆盖范围与图像质量。
Description
技术领域
本发明属于红外遥感成像与运动控制领域，具体涉及一种大幅宽高温度灵敏度的红外遥感成像装置及方法。
背景技术
红外成像技术利用对红外波长范围敏感的器件，显示出不同物体自身辐射或者反射的差异性，从而反映出物体表面的不同特性。由于红外成像技术的这种特点，使得它在目标搜救、伪装识别、森林预警等诸多领域有广泛用处，成为各国重点发展技术之一。常见红外探测器分为热敏效应与光电效应两类，其中热敏效应是利用红外辐射引起温度变化而制成的器件，无需低温环境下工作，但灵敏度较低且响应速度较慢。光电效应红外探测器，通常需要低温制冷，它依赖于光子的直接吸收而不经过探测器的加热过程，灵敏度较高且响应速度快。
然而由于红外焦平面阵列制作材料与工艺的特殊性，其像素规模要远小于可见光的CCD与CMOS型探测器，从而导致成像时的视场幅宽较小。同时阵列中材料特性以及读出电路工作状态不同，焦平面阵列中每个像元的暗电流与响应一致性较差且会波动，表现为图像的空间噪声与时间噪声，导致系统的温度灵敏度下降，成像效果无法直接观察。
为解决红外遥感探测系统视场幅宽较小的问题，出现了光机扫描型、多视场拼接型以及面阵摆扫型等多种成像方式。其中光机扫描型最先出现，用到单元探测器，通过穿轨方向的高速连续扫描实现大幅宽；多视场拼接利用多个探测器拼接成为具有大面阵规模的探测器，成本较高、代价大；而面阵扫描型利用运动机构在穿轨方向进行各角度连续扫描成像，后期通过图像处理方式获得大幅宽图像。此外为解决红外图像灵敏度低的问题，现有方法是通过多帧叠加方式降低时间噪声，通过非均匀性校正降低空间噪声，以及通过连续运动的多帧图像配准后叠加可同时降低空间与时间噪声。
本发明提出的一种大幅宽高温度灵敏度的红外遥感成像装置及方法，利面阵摆扫技术扫描成像并在穿轨方向上将多帧图像配准后叠加。相比传统的红外遥感成像技术，本发明扩大视场范围的同时降低噪声，实现了大幅宽高温度灵敏度的红外遥感成像。
发明内容
本发明旨在提供一种具有摆动扫描与配准叠加技术的红外遥感成像装置及方法，解决红外遥感成像系统中视场范围较小以及图像温度灵敏度低的问题。
本发明提出的红外遥感成像装置及方法包括以下内容：
1)红外遥感成像的扫描方式为往复摆动扫描，其扫描成像方向垂直于飞行器的运行轨道即穿轨方向；在每个摆扫周期内连续曝光成像，扫描速度与曝光成像的帧频相匹配，应满足如下公式：
ω＝f*N*β，
其中ω是扫描角速度，f是红外相机帧频，N是采样间隔，β是红外相机的角分辨率；
将曝光成像时的摆扫角度值作为图像配准初始位置，利用图像配准技术获得图像之间的精确偏移量；对每一帧图像进行均匀性校正，根据偏移量将校正后图像的重叠部分进行吻合并叠加。
2)装置包括红外探测器1、光学镜头2、45°反射镜3、横滚环架4，所述的红外探测器1与光学镜头2用于获取红外遥感图像，45°反射镜2将视场方向调整为对地向下，红外探测器1、光学镜头2、45°反射镜3在横滚环架4的带动下绕横滚轴做穿轨摆扫运动，同时45°反射镜3绕俯仰轴向后转动对飞行产生的像移量进行补偿。
本发明的优点是：
相比于一般的红外遥感成像技术，本发明扩大了遥感成像时的视场范围，并降低红外图像的空间与时间噪声，从而实现大幅宽高温度灵敏度的红外遥感成像，提高了遥感图像覆盖范围与图像质量。
附图说明
图1是本发明的大幅宽高温度灵敏度的红外遥感成像方法示意图。
图2是本发明的大幅宽高温度灵敏度的红外遥感成像装置结构图。
图3是本发明实施例中扫描一行获取的长波红外遥感图像。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明的技术方法进行清楚、完整地描述，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
实施例中采用Sofradir公司320×256元制冷型长波红外探测器MARS VLW RM4，工作波段8～12μm，最大帧频220Hz，像元平均NETD为32mK；镜头焦距30mm，F数为2；成像瞬时视场角为1mrad，扫描总视场θ＝60°。
如图2所示，探测器与镜头在横滚环架的带动下绕横滚轴于穿轨方向上摆扫运动，每经过一个瞬时视场角曝光成像一次，其扫描角速度为11.46°/s。由于飞行方向的运动，需要45°反射镜绕俯仰轴向后补偿像移，补偿角速度为1.03°/s。
光机扫描结构每扫描一行获得1047帧长波红外图像，利用实验室定标数据对图像作基于分段两点法的均匀性校正，对校正后的图像利用曝光时的扫描角度偏差(1mrad左右)作为图像匹配的初始值，通过基于互信息的匹配方法获取图像间精确的偏移量，最后利用图1所示方法对多帧图像进行配准后叠加。使用本方法扫描一行所获取的长波红外遥感图像如图3所示。经测算，利用该方法的长波红外图像NETD仅为8mK左右且图像幅宽扩大至60°。
Claims (2)
1.一种大幅宽高温度灵敏度的红外遥感成像方法，其特征在于成像方法如下：
所述的红外遥感成像方法为往复摆动扫描成像，其扫描成像方向垂直于飞行器的运行轨道即穿轨方向；在每个摆扫周期内连续曝光成像，扫描速度与曝光成像的帧频相匹配，应满足如下公式：
ω＝f*N*β，
其中ω是扫描角速度，f是红外相机帧频，N是采样间隔，β是红外相机的角分辨率；
将曝光成像时的摆扫角度值作为图像配准初始位置，利用图像配准技术获得图像之间的精确偏移量；对每一帧图像进行均匀性校正，根据偏移量将校正后图像的重叠部分进行吻合并叠加。
2.一种实现如权利要求1所述的大幅宽高温度灵敏度的红外遥感成像方法的装置，其特征在于：
所述的装置包括红外探测器(1)、光学镜头(2)、45°反射镜(3)、横滚环架(4)，所述的红外探测器(1)与光学镜头(2)用于获取红外遥感图像，45°反射镜(2)将视场方向调整为对地向下，红外探测器(1)、光学镜头(2)、45°反射镜(3)在横滚环架(4)的带动下绕横滚轴做穿轨摆扫运动，同时45°反射镜(3)绕俯仰轴向后转动对飞行产生的像移量进行补偿。
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