本發(fā)明屬于光電探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，涉及對(duì)海天背景下的遠(yuǎn)距離目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)，并基于紅外熱成像系統(tǒng)對(duì)海天環(huán)境的實(shí)時(shí)參數(shù)進(jìn)行反演。

背景技術(shù)：

紅外熱成像系統(tǒng)在軍事探測(cè)領(lǐng)域起著越來(lái)越重要的作用，因此對(duì)于紅外熱成像系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)研究也越來(lái)越深入，對(duì)特定目標(biāo)的作用距離是評(píng)價(jià)一個(gè)紅外成像系統(tǒng)性能的重要參數(shù)。紅外成像系統(tǒng)的作用距離不僅與系統(tǒng)性能有關(guān)，而且與實(shí)時(shí)大氣的影響、觀測(cè)目標(biāo)以及背景輻射特性等有關(guān)。

有關(guān)的中國(guó)專利(cn101320475)公開了一種復(fù)雜背景條件下紅外成像系統(tǒng)作用距離的預(yù)測(cè)方法，但其未考慮紅外圖片中目標(biāo)的位置信息以及遠(yuǎn)距離目標(biāo)的作用距離預(yù)測(cè)，有一定的局限性。文獻(xiàn)“海空背景凝視紅外成像系統(tǒng)作用距離研究”提出了基于圖像信噪比檢測(cè)依據(jù)的作用距離計(jì)算模型，并計(jì)算了海空背景下的作用距離，該方法雖考慮了目標(biāo)背景對(duì)比度對(duì)作用距離的影響，但是考慮的影響因子較少，且沒(méi)有結(jié)合實(shí)際海天紅外圖像進(jìn)行分析，單純套用作用距離模型進(jìn)行計(jì)算，缺少可靠性。進(jìn)一步檢索，迄今為止尚未發(fā)現(xiàn)有結(jié)合紅外海天圖像實(shí)時(shí)信息對(duì)大氣環(huán)境參數(shù)進(jìn)行反演的例子，且未發(fā)現(xiàn)結(jié)合實(shí)時(shí)海天圖像的海天線信息對(duì)熱成像系統(tǒng)作用距離進(jìn)行計(jì)算的研究。本發(fā)明從拍攝的海天紅外圖像入手，深入分析反映在紅外圖像上的大氣影響因素，并基于此反演出實(shí)時(shí)大氣環(huán)境參數(shù)，且進(jìn)一步計(jì)算得到紅外熱成像系統(tǒng)對(duì)特定目標(biāo)的有效作用距離。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明通過(guò)分析海天紅外圖像提出了?？沾髿饽Ｐ停鶕?jù)?？沾髿饽Ｐ湍軌蛴?jì)算得到真實(shí)海天線離紅外熱成像系統(tǒng)的距離，由于艦船大多出現(xiàn)在海天線附近，故可由此海天線距離反推出觀測(cè)斜程上的實(shí)時(shí)大氣透過(guò)率和大氣程輻射，進(jìn)而求出實(shí)時(shí)作用距離。此方法結(jié)合了實(shí)時(shí)海天紅外圖像和實(shí)際大氣影響因素，達(dá)到了精確求解熱成像系統(tǒng)作用距離的效果，克服了傳統(tǒng)的作用距離方程無(wú)法利用實(shí)時(shí)圖像和實(shí)時(shí)大氣透過(guò)率而導(dǎo)致求解精度低的問(wèn)題。

基于紅外熱成像系統(tǒng)的海天環(huán)境參數(shù)計(jì)算方案包括：

a)建立改進(jìn)的作用距離求解模型，該模型包括作用距離方程和作用距離的求解方法；

b)獲取海天紅外圖像；

c)計(jì)算真實(shí)海天線距離；

d)由海天線距離計(jì)算真實(shí)大氣透過(guò)率和大氣程輻射值；

e)由海天紅外圖像的目標(biāo)背景輻射對(duì)比度求出零視距時(shí)目標(biāo)的輻射值；

f)由海天紅外圖像求出目標(biāo)的背景輻射值；

g)對(duì)探測(cè)器的mrtd進(jìn)行修正；

h)將c)、d)、e)、f)、g)所得的參數(shù)代入a)中的作用距離方程中計(jì)算紅外熱成像系統(tǒng)對(duì)特定目標(biāo)的有效作用距離值。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：

1、針對(duì)海天紅外圖像提出了對(duì)應(yīng)的海空大氣模型，準(zhǔn)確快速地求出海天線離紅外熱成像系統(tǒng)的實(shí)際距離，此海天線距離可作為紅外熱成像系統(tǒng)對(duì)特定目標(biāo)作用距離的參照標(biāo)準(zhǔn)；

2、通過(guò)分析實(shí)時(shí)紅外海天圖像的海天線距離和目標(biāo)背景輻射對(duì)比度，準(zhǔn)確地求出觀測(cè)路徑上的實(shí)時(shí)大氣透過(guò)率、大氣程輻射、大氣對(duì)比傳遞函數(shù)值，同時(shí)根據(jù)大氣對(duì)比傳遞函數(shù)和目標(biāo)背景輻射對(duì)比度的關(guān)系準(zhǔn)確求出零視距時(shí)目標(biāo)的輻射值，相比目標(biāo)進(jìn)行仿真建模求其零視距時(shí)的輻射值，精度得到提高；

3、通過(guò)海天線檢測(cè)算法確定目標(biāo)的背景區(qū)域，并根據(jù)溫度和灰度的輻射定標(biāo)數(shù)據(jù)計(jì)算得到探測(cè)器入瞳處的背景輻射值，相比于利用modtran、lowtran等軟件求解背景輻射，精度得到提高。

4、利用由紅外圖像提取的參數(shù)進(jìn)行最終的作用距離計(jì)算，相對(duì)于傳統(tǒng)作用距離計(jì)算模型需要假設(shè)初始作用距離的方法，本方法的精度明顯高于傳統(tǒng)模型，且計(jì)算結(jié)果可信度更高。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施針對(duì)特定艦船目標(biāo)的長(zhǎng)波紅外圖像。

圖2為由海天紅外圖像演變而來(lái)的?？沾髿饽Ｐ汀?/p>

圖3為紅外海天圖像的海天線檢測(cè)及背景區(qū)域大小確定示意圖。

圖4為紅外熱成像系統(tǒng)的mrtd與目標(biāo)空間頻率的曲線關(guān)系圖。

圖5為實(shí)時(shí)海況紅外熱成像系統(tǒng)環(huán)境參數(shù)計(jì)算軟件界面。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)例對(duì)本發(fā)明的工作過(guò)程做進(jìn)一步說(shuō)明。

本實(shí)例中，長(zhǎng)波紅外熱成像系統(tǒng)的參數(shù)如下：探測(cè)器焦距為f＝10mm，f數(shù)為1.4，視場(chǎng)角為7°×5.2°，響應(yīng)波段為7.5-13.5μm，像元數(shù)為640×512，像元尺寸為15×15μm，netd≤50mk。整個(gè)實(shí)例的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：

步驟1：建立改進(jìn)的作用距離求解模型

傳統(tǒng)的作用距離方程如下式所示：

式中，f為目標(biāo)的空間特征頻率；h為目標(biāo)高度；ne為按約翰遜準(zhǔn)則發(fā)現(xiàn)、定位、識(shí)別和認(rèn)清目標(biāo)所需的等效條帶數(shù)；r為目標(biāo)的距離；δt為熱成像系統(tǒng)入瞳處目標(biāo)與背景的表觀溫度差；mrtd(f)為熱成像系統(tǒng)的最小可分辨溫差，滿足方程的最大距離值r即為系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)的作用距離。

本發(fā)明建立的改進(jìn)的作用距離方程式如下：

式中，mt0為零視距時(shí)目標(biāo)的輻射出射度；τ(r)為距離r路徑上的大氣透過(guò)率值，mrt為距離r路徑上的大氣程輻射值，mb為探測(cè)器像面入瞳處的背景輻射值，是溫差為mrtda(f)時(shí)的輻射出射度差值。式(2)中τ(r)和mrt直接由海天紅外圖像的信息計(jì)算得到，能夠很好的反映實(shí)時(shí)大氣的影響，由此方程計(jì)算的作用距離可信度高。

作用距離的求解方法：

1)根據(jù)海天紅外圖像和?？沾髿饽Ｐ颓蠼獾玫秸鎸?shí)海天線距離；

2)將真實(shí)海天線距離值代入modtran軟件中運(yùn)行得實(shí)時(shí)大氣透過(guò)率τ(r)和大氣程輻射值mrt；

3)由海天紅外圖像求出像面目標(biāo)背景的輻射對(duì)比度，再利用大氣對(duì)比傳遞函數(shù)和目標(biāo)背景對(duì)比度的關(guān)系求出零視距時(shí)目標(biāo)的輻射值mt0。

4)由海天紅外圖像求出艦船目標(biāo)在探測(cè)器入瞳處的背景區(qū)域和背景輻射值mb。

5)mrtd的修正得到其修正系數(shù)。

6)將2)、3)、4)、5)所得的參數(shù)代入公式(2)可求得最終的有效作用距離r。

步驟2：獲取海天紅外圖像

利用長(zhǎng)波紅外熱像儀拍攝海天背景下的艦船紅外圖像，如圖1所示，并記錄了相應(yīng)的拍攝條件：拍攝時(shí)間為某年冬天上午十時(shí)；地點(diǎn)為中國(guó)沿海某城市海邊；天氣條件為無(wú)雨、溫度16℃、相對(duì)濕度56％、海拔為2-8m。

步驟3：計(jì)算真實(shí)海天線距離

為了計(jì)算拍攝紅外海天圖像時(shí)的真實(shí)海天線距離，我們針對(duì)海天圖像建立?？沾髿饽Ｐ?，如圖2所示。圖2中，地球球心位于o點(diǎn)，紅外熱成像系統(tǒng)置于h點(diǎn)，它的垂直視場(chǎng)角為∠w1'hw1，hc為垂直視場(chǎng)的角平分線，在紅外熱成像系統(tǒng)對(duì)遠(yuǎn)處海空目標(biāo)成像的過(guò)程中，理想的最遠(yuǎn)海天線位于圖中r0處，由于實(shí)時(shí)海況的影響，大氣環(huán)境對(duì)紅外輻射有衰減作用，故真實(shí)的海天線必然會(huì)更靠近觀測(cè)點(diǎn)，圖2中由于實(shí)時(shí)海況大氣的影響，真實(shí)海天線移到r1處。由?？沾髿饽Ｐ偷膸缀侮P(guān)系可得真實(shí)海天線距離為：

式中：r表示紅外圖像底部至海天線處的像素?cái)?shù)，對(duì)圖1進(jìn)行海天線檢測(cè)可得出r的值，a表示探測(cè)器的垂直像元數(shù)，ω表示探測(cè)器垂直方向半視場(chǎng)角，h是觀測(cè)高度，r0是地球半徑，α表示紅外熱像儀俯仰角的余角。將紅外熱成像系統(tǒng)的參數(shù)和拍攝時(shí)的地理?xiàng)l件代入式(3)，計(jì)算得到的真實(shí)海天線距離為5.677km。

步驟4：由海天線距離計(jì)算真實(shí)大氣透過(guò)率和大氣程輻射值

將步驟2記錄的拍攝時(shí)間地點(diǎn)信息以及天氣條件等參數(shù)和步驟3計(jì)算得到的海天線距離值輸入到modtran軟件中，得到該條件下的觀測(cè)路徑上的實(shí)時(shí)大氣透過(guò)率和大氣程輻射值。本實(shí)例計(jì)算得到的大氣透過(guò)率為0.449，大氣程輻射為45.956w·m^-2·μm^-1。

步驟5：計(jì)算零視距時(shí)目標(biāo)的輻射值

由海天紅外圖像求出像面目標(biāo)背景的輻射對(duì)比度cr，由公式cr＝c0·tc(c0為目標(biāo)和背景的固有對(duì)比度，tc為大氣對(duì)比傳遞函數(shù))以及公式可得：

式中：

k為天空背景亮度比。mb0可由環(huán)境溫度代入普朗克輻射公式求得。對(duì)圖1進(jìn)行圖像處理后，得到像面上目標(biāo)背景輻射對(duì)比度cr＝0.104，大氣對(duì)比傳遞函數(shù)為tc＝0.620，最后得到零視距時(shí)的目標(biāo)下輻射為mt0＝170.263w·m^-2·μm^-1。

步驟6：計(jì)算探測(cè)器入瞳處目標(biāo)的背景輻射值

基于自適應(yīng)canny算子及hough變換的直線檢測(cè)算法對(duì)紅外海天圖像的海天線進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖3中的紅色直線所示。在檢測(cè)出海天線位置后，取海天線上下各40個(gè)像素大小的區(qū)域作為目標(biāo)的背景區(qū)域，如圖3中的綠色直線所包含的區(qū)域。通過(guò)圖像處理可得背景區(qū)域的平均灰度值，然后由紅外熱成像系統(tǒng)的溫度、灰度輻射定標(biāo)數(shù)據(jù)可得背景區(qū)域的平均溫度值，再將此平均溫度值代入普朗克輻射求解公式可得探測(cè)器入瞳處目標(biāo)的背景輻射值mb。本實(shí)例利用上述方法得到入瞳處目標(biāo)的背景輻射值為mb＝116.205w·m^-2·μm^-1。

步驟7：求解探測(cè)器mrtd的修正系數(shù)

在進(jìn)行作用距離估算之前，需要根據(jù)實(shí)際目標(biāo)高寬比進(jìn)行mrtd的修正：

式中，α0為實(shí)際目標(biāo)的高寬比，ne為根據(jù)約翰遜準(zhǔn)則決定的條帶數(shù)。本實(shí)例中探測(cè)器mrtd的修正系數(shù)為3.270。

步驟8：求解該大氣條件下紅外熱成像系統(tǒng)對(duì)艦船的有效作用距離

本實(shí)例中，紅外熱成像系統(tǒng)的mrtd和目標(biāo)空間頻率的關(guān)系曲線如圖4所示。將本實(shí)例中步驟4得到的大氣透過(guò)率和大氣程輻射值、步驟5得到的零視距時(shí)的目標(biāo)輻射值、步驟6得到的探測(cè)器入瞳處目標(biāo)的背景輻射值、步驟7得到的mrtd的修正系數(shù)值代入到步驟1建立的改進(jìn)的作用距離方程中，同時(shí)結(jié)合圖4的關(guān)系曲線可求得本實(shí)例中紅外熱成像系統(tǒng)對(duì)艦船的識(shí)別距離為r＝4.718km，實(shí)時(shí)海況紅外熱成像系統(tǒng)環(huán)境參數(shù)計(jì)算軟件的界面如圖5所示。