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對紅外成像開發理論和技術的全麵總結

內容簡介

本書是作者近二十年來對紅外成像開發理論和技術的全麵總結，是作者搜集瞭國內外*新研究成果，並在研究生講稿的基礎上改編的。本書分7章，主要內容包括：第1～2章介紹紅外探測器的成像原理；第3章介紹紅外成像的硬件係統設計；第4章介紹紅外圖像的非均勻性校正算法；第5章介紹紅外圖像的數字細節增強算法；第6章介紹紅外圖像的超分辨率處理技術；第7章介紹紅外成像係統的測試方法。 本書可作為高等學校光電等相關專業的基礎教材，也可供相關領域的工程技術人員學習、參考。

作者簡介

陳錢，教授，南京理工大學校長助理。美國光學學會會員，中國光學學會會員，江蘇省光學學會副會長，總裝光電火控組專傢。主持和參與國傢重大型號、專項、重點預研和基金等科研任務19項，獲國傢科技進步二等奬1項、省部級科技進步一、二等奬3項。獲教育部首屆優秀青年教師奬、江蘇省第六屆青年科技奬、江蘇省第三屆十大傑齣發明人和江蘇省青年科技創業十大明星提名奬，入選首批"新世紀百韆萬人纔工程”***人選，享受國務院政府特殊津貼。齣版專著一部，申請專利36項，授權13項，發錶學術論文100餘篇，56篇被SCI和EI收錄。

目錄

目 錄
第1章 緒論 1
1．1 紅外輻射 1
1．1．1 引言 1
1．1．2 紅外輻射定律與特性 2
1．1．3 紅外輻射在大氣中的傳輸 3
1．1．4 紅外光學係統 4
1．2 熱成像技術 7
1．2．1 熱成像技術解決的基本問題 8
1．2．2 熱成像技術的作用與地位 8
1．2．3 熱成像技術的軍事應用 9
1．2．4 熱成像技術在國民經濟領域的應用 11
1．3 紅外探測器與熱成像技術的關係 12
第2章 紅外焦平麵陣列 14
2．1 紅外焦平麵陣列簡介 14
2．1．1 掃描型和凝視型紅外焦平麵陣列 14
2．1．2 紅外焦平麵陣列的結構 15
2．1．3 典型的紅外焦平麵陣列 15
2．2 熱絕緣結構的重要性 16
2．3 主要熱探測機理 19
2．3．1 熱電探測器和鐵電測輻射熱計 20
2．3．2 熱電耦探測器 22
2．3．3 電阻微測輻射熱計 23
2．3．4 電阻微測輻射熱計的模型 25
2．3．5 溫差電探測器 35
2．4 重要極限 36
2．4．1 溫度波動噪聲極限 36
2．4．2 背景波動噪聲極限 37
2．4．3 非製冷熱成像焦平麵陣列設計 40
2．5 非製冷凝視紅外焦平麵讀齣電路 41
2．5．1 紅外焦平麵陣列讀齣電路讀齣方式 42
2．5．2 非製冷紅外焦平麵陣列輸入電路 44
2．6 非製冷凝視紅外焦平麵成像模型 49
第3章 紅外成像電子係統設計 53
3．1 引言 53
3．2 低噪聲偏置電壓及高精度數字信號的實現 53
3．3 多次采樣濾波技術 63
3．4 紅外焦平麵自適應偏置電壓技術 65
3．5 係統構架搭建 69
3．5．1 Qsys平颱Avalon總綫和Nios處理器 69
3．5．2 基於Qsys平颱和Avalon總綫的係統架構 72
3．5．3 基於Qsys平颱和Avalon總綫的模塊算法實現 83
第4章 紅外圖像的非均勻性校正 96
4．1 非均勻性定義 96
4．2 非均勻性成因 97
4．3 常用的非均勻性校正方法 99
4．3．1 基於定標的非均勻性校正算法 99
4．3．2 基於場景的非均勻性校正算法 104
4．4 單幀非均勻性去條紋算法 116
4．4．1 基於邊緣灰度級共生矩陣條紋非均勻性校正方法 116
4．4．2 基於中間均衡直方圖條紋非均勻性校正方法 119
4．4．3 基於全變分的條紋非均勻性校正方法 120
4．4．4 基於相鄰灰度繼承的條紋非均勻性校正方法 123
4．4．5 基於自適應灰度調整的條紋非均勻性校正方法 126
4．4．6 基於常數先驗的條紋非均勻性校正方法 128
第5章 紅外圖像細節增強 131
5．1 紅外圖像細節增強的意義和概述 131
5．2 基於頻域和空域紅外圖像細節增強技術 132
5．3 基於雙邊濾波的紅外圖像細節增強技術 134
5．4 基於混閤濾波紅外圖像細節增強技術 137
5．5 基於傅裏葉變換的紅外圖像細節增強技術 139
5．6 基於直方圖的紅外圖像細節增強技術 141
5．6．1 基於梯度直方圖的紅外圖像細節增強技術 142
5．6．2 於自適應雙平颱直方圖均衡細節增強算法 143
5．7 新型紅外圖像細節增強技術 146
5．7．1 基於Retinex紅外圖像細節增強技術 146
5．7．2 基於小波的紅外圖像細節增強技術 148
5．7．3 基於模糊域理論的紅外圖像細節增強技術 150
第6章 紅外圖像的超分辨率處理技術 153
6．1 引言 153
6．2 非製冷凝視紅外焦平麵微掃描理論 153
6．2．1 微掃描成像的理論基礎 154
6．2．2 微掃描成像方案比較 161
6．2．3 改進的平闆光學元件微掃描方案及鍺片傾斜角度模型 165
6．3 微掃描成像技術的具體實現 170
6．3．1 紅外光學係統選取 171
6．3．2 微掃描器的設計 175
6．3．3 驅動電機的選取 182
6．4 圖像超分辨率重建算法 186
6．4．1 基於邊緣定位的多幀紅外微掃描圖像位移誤差補償 187
6．4．2 基於主結構分離的稀疏錶示單幀圖像超分辨率重建 193
6．4．3 基於流形正則協同支持的單幀圖像超分辨率重建 203
第7章 紅外成像係統的測試方法 211
7．1 紅外探測器參數測試方法 211
7．2 基於虛擬儀器的可視化多模式測試與仿真係統 212
7．2．1 虛擬儀器技術 212
7．2．2 基於虛擬儀器的可視化多模式測試與仿真係統組成 214
7．2．3 係統工作原理 216
7．3 凝視焦平麵探測器參數測試技術 217
7．3．1 凝視焦平麵探測器組件 217
7．3．2 凝視焦平麵探測器盲元測試技術研究 219
7．3．3 凝視焦平麵探測器非均勻性測試技術研究 229
7．4 紅外成像機芯測試方法 232
7．4．1 NETD噪聲等效溫差的測試 232
7．4．2 MRTD最小可分辨溫差的測試 233
7．4．3 MTF調製傳遞函數的測試 235
7．4．4 MDTD最小可探測溫差的測試 237
7．4．5 紅外整機性能測試 238
參考文獻 242

前言/序言

前 言

紅外成像是利用紅外探測器對目標輻射的能量進行探測並成像的光電成像技術，是一種將不可見的紅外光轉換為可見光的光譜轉換技術。由於其能夠探測目標主動發齣的能量，因此不需要陽光及星光的照射就能成像，是一種可以全天候、不分晝夜工作的被動成像技術，非常適用於夜間目標的觀測，因此，紅外成像技術最早在軍工領域獲得廣泛應用。

21世紀以來，紅外成像技術得到瞭長足發展，非製冷探測器的陣列規模從320×240一直發展到1024×1024，製冷探測器也從128×128發展到640×512規模以上，並成為穩定的貨架産品。非製冷探測器的NETD也從100mK發展到當前低至30mK的水平。尤其近5年來，國産紅外探測器的技術水平得到瞭很大提升，無論從探測器陣列規模，還是從NETD水平上來說，都逐漸縮小瞭與西方發達國傢的差距。尤其在國傢提高紅外成像係統國産化率的大背景下，國産紅外探測器在光電類武器裝備中發揮瞭越來越重大的作用。此外，隨著探測器工藝水平和材料生産技術的進步及我國國産化探測器的逐步成熟，紅外成像在民用領域獲得瞭廣泛的應用。由於紅外是對熱量成像，凡是對熱量敏感的場閤均有紅外成像應用的廣泛天地。比如紅外成像非接觸測溫，在2003年國傢防控非典查詢體溫過高人員時，起到瞭非常重要的作用。紅外還廣泛應用於汽車夜間輔助駕駛、紅外人體早期疾病篩查、紅外有毒氣體檢測、紅外電力係統非接觸故障檢測、紅外森林防火監控等領域。紅外成像技術的應用領域必然隨著紅外成像係統性能水平的提升和價格的下降，獲得更為廣泛的拓展。

然而，與可見光係統相比，紅外探測器的可靠性、性能穩定性均有極大差距，紅外探測器對微弱熱量進行探測的定位，決定瞭紅外探測器對噪聲極為敏感，且其性能受環境溫度影響極大。紅外探測器普遍具有的非均勻性又降低瞭係統的性能。上述因素都決定瞭紅外成像係統的技術開發門檻極高，而當前對紅外探測器成像理論、係統開發和算法研究的係統性指導圖書並不多見，這嚴重限製瞭我國紅外成像係統的大規模生産和廣泛應用。為促進我國紅外成像水平的整體提升，培養紅外探測領域的專門人纔，加快我國紅外成像技術在更多領域獲得廣泛應用，作者決定開始本書的編寫工作。

作者近二十年來一直從事紅外成像理論探測和開發，開發瞭大量國外非禁運和國産的製冷、非製冷探測器，對各種材料探測器的理論、性能非常瞭解，承擔瞭國傢和地方的多項紅外科研項目，並獲得國傢科技進步奬二等奬、教育部科技進步奬一等奬和國防技術發明奬等多個國傢級、省部級奬項。本書是作者近二十年來對紅外成像開發理論和技術的全麵總結，是作者搜集瞭國內外最新研究成果，並在研究生講稿的基礎上改編而成的。本書共分7章：第1～2章介紹紅外探測器的成像原理；第3章介紹紅外成像的硬件係統設計；第4章介紹紅外圖像的非均勻性校正算法；第5章介紹紅外圖像的數字細節增強算法；第6章介紹紅外圖像的超分辨率處理技術；第7章介紹紅外成像係統的測試方法。

本書由陳錢、隋修寶編著。其中，陳錢進行瞭章節的統籌規劃，並負責瞭第1、2、5、7章的撰寫，隋修寶負責瞭第3、4、6章的撰寫。本書即將齣版之際，感謝顧國華教授的章節統稿，和高航博士、趙耀博士、劉程威博士、匡小鼕博士、黃熙燕碩士、吳驍斌碩士、錢佳碩士、潘科辰碩士在科研上的貢獻及在文字校對、資料查閱等方麵的工作。

由於編者水平有限，書中難免存在一些缺點和錯誤，懇請各位專傢和廣大讀者批評指正。

陳 錢 隋修寶

2017年12月