紅外成像試題2013答案

西安電子科技大學(xué)

研究生課程考試試題答案考試科目：紅外成像與應(yīng)用課程編號：0521007/0543001考試日期：2013年6月24日考試時間： 120―分考試方式：■（閉卷）飛課教師廠徐軍邵曉鵬班號學(xué)術(shù)型與工程型的學(xué)生各選100分的題目，其中四、五題每人只能選做一道。一、 紅外探測的常見波段有哪些？試分析地面目標(biāo)、海面目標(biāo)與空中目標(biāo)的紅外制導(dǎo)分別采用哪個波段比較有效，說明原因。5-8“m—般不使用的原因是什么？（10分）答：紅外探測的常見波段有：1?3卩m、3~5卩m、8~12卩m。地面目標(biāo)：3~5pm,海面目標(biāo)：0.35~3pm和8~14pm,空中目標(biāo)：1?3pm和3?5pm。原因：因?yàn)楦鶕?jù)維恩位移定律可知，在1?3pm、3~5pm和8~12pm三個波段工作的紅外探測器感應(yīng)的絕對溫度的峰值分別為1000k、500k和300k,制導(dǎo)武器所要攻擊的軍事目標(biāo)紅外輻射溫度是：飛機(jī)渦輪發(fā)動機(jī)尾焰約為1000k；加熱的飛行器表面溫度為300?400k；行進(jìn)中坦克溫度在400k以上；靜止的坦克約為300k,—般在這幾個工作波段之內(nèi)。二、 闡述約翰遜準(zhǔn)則及其意義。（10分）答：約翰遜準(zhǔn)則：在不考慮目標(biāo)本質(zhì)和圖像缺陷的情況下，用目標(biāo)等效條紋的分辨力來確定紅外熱像儀成像系統(tǒng)對目標(biāo)的識別能力。等效條紋圖案的分辨力為目標(biāo)臨界尺寸中所包含的可分辨的條紋數(shù)，即目標(biāo)在探測器上成像所占的像素數(shù)。目標(biāo)探測可分為探測、識別和辨認(rèn)三個等級。探測：在視場內(nèi)發(fā)現(xiàn)一個目標(biāo)，這時目標(biāo)所成的像在臨界尺寸方向上必須占到1.5個像素以上。識別：可將目標(biāo)分類，即可識別出目標(biāo)、坦克、卡車或者人類，這時目標(biāo)所成的像在臨界方向上必須占到6個像素以上。辨認(rèn)：可區(qū)分目標(biāo)的型號及其它特征，這時目標(biāo)所成的像在臨界尺寸方向上必須占到12個像素以上。這一準(zhǔn)則的提出對于客觀評價紅外熱像儀成像質(zhì)量和探測能力具有重要意義。三、 衡量紅外熱像儀的主要指標(biāo)有哪些？這些指標(biāo)的意義如何？（15分）答：主要指標(biāo)：1） 工作波段：波長8?14pm。空氣中的氣體、固體、液體分子對紅外線均有吸收作用。他們對不同波段的紅外線吸收不盡相同，8?14pm波段的紅外線比較容易穿過空氣且比較連續(xù)。2） 空間分辨率與視域空間分辨率是指每個像素在物空間所張開的角度，即系統(tǒng)所能分辨的最小角度。3） 幀頻幀頻是指一秒鐘內(nèi)，熱像儀能夠完成圖像拍攝、處理、顯示的數(shù)量。傳感器響應(yīng)越快，內(nèi)部電路處理速度越高，則可實(shí)現(xiàn)的幀頻越大。高幀頻熱像儀適合抓拍高速物體的溫度場分布。4）像素陣列和像元間距目前紅外熱像儀探測器為非制冷焦平面探測器，生產(chǎn)過程中在氧化釩或多晶硅材料上加工出陣列排布的傳感單元，每個單元之間有一定間距。5）信噪比為了獲取更好的圖像質(zhì)量和較高的溫度分辨率，采取求和平均法。6）噪聲等效溫差用熱成像系統(tǒng)觀察標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)圖案，圖案上目標(biāo)和背景之間能夠基準(zhǔn)化電路輸出端產(chǎn)生峰值信號與均方根噪聲之比為1的溫差，稱為NETD,即噪聲等效溫差，是表征熱成像系統(tǒng)受客觀信噪比限制的溫度分辨率的一種。7）最小可分辨溫差（MRTD）衡量紅外系統(tǒng)中目標(biāo)與背景之間的溫度分辨力，即目標(biāo)與背景的最小可分辨的溫差。四、 什么是紅外弱小目標(biāo)？基于背景預(yù)測的紅外弱小目標(biāo)檢測的原理是什么，適用條件是什么？（15分）答：紅外弱小目標(biāo)是在紅外探測器焦平面上占像元數(shù)量非常少的目標(biāo)，通常只占幾個像素，甚至只有一個或不到一個像素數(shù)目的大小。基于背景預(yù)測的紅外弱小目標(biāo)檢測的原理是：通過預(yù)測紅外圖像上每一點(diǎn)背景應(yīng)有的亮度值（灰度），并與原因做比較，原圖中與預(yù)測背景值差異大的點(diǎn)被認(rèn)為是目標(biāo)。（中間還需要一些數(shù)字圖像處理的步驟）適用條件是：背景較為均勻，且噪聲不是很大的情況。五、 什么是時域廓線？時域廓線檢測紅外弱小目標(biāo)的原理是什么，適合什么情況下的弱小目標(biāo)檢測？（15分）答：時域廓線：圖像中固定位置上像素點(diǎn)的灰度值在序列圖像中的變化曲線。時域廓線檢測弱小目標(biāo)原理：將天空背景下的紅外序列圖像中的元素分為四種，分別為天空背景、云內(nèi)部背景、云邊緣和弱小目標(biāo)。天空背景與云內(nèi)部像素點(diǎn)時域廓線的起伏變化較平穩(wěn)，基本上沿著某一常數(shù)做小幅度的擾動，唯一不同的是云內(nèi)部像素點(diǎn)亮度較高。云層邊緣的時域廓線會產(chǎn)生一些峰，由于云層移動的速度比目標(biāo)慢很多，這些峰的寬度一遍比目標(biāo)脈沖的寬度要寬很多，而目標(biāo)的時域廓線會有很明顯的脈沖。將背景與雜波濾除，分析時域廓線偏離包絡(luò)線的分布特性，可以檢測出脈沖目標(biāo)。使用條件：適用于復(fù)雜的天空背景、低信噪比、目標(biāo)和溫度相對穩(wěn)定序列圖像，相鄰幀間的目標(biāo)灰度值可以假設(shè)不變化。六、 解釋紅外圖像增強(qiáng)的DDE技術(shù)，簡要說明DDE的原理與實(shí)現(xiàn)。（10分）答：DDE算法流程如下圖：DDE技術(shù)：DDE即DigitalDetailEnhancement，數(shù)字圖像增強(qiáng)。是一種高級非線性圖

像處理算法，可以保留高動態(tài)范圍圖像中的細(xì)節(jié)，定位低對比度目標(biāo)。圖像細(xì)節(jié)得到增強(qiáng)，強(qiáng)和動態(tài)壓縮同步處理。從而與原始圖像背景的動態(tài)范圍相匹配，本質(zhì)是：14bit圖像處理+8bit圖像顯示=細(xì)節(jié)增實(shí)現(xiàn)：過程如左圖所示。對直方圖的不同部分分別進(jìn)行動態(tài)范圍壓縮，對直方圖進(jìn)行動態(tài)劃分，將直方圖劃分為若干子直方圖，根據(jù)每個子直方圖的概率密度來確定映射的灰度范圍，直方圖劃分避免了高概率密度對低概率密度的支配作用。強(qiáng)和動態(tài)壓縮同步處理。七、 試舉例說明一種紅外圖像超分辨率成像的方法，原理是什么？（10分）答：1、使用隨機(jī)介質(zhì)超衍射極限成像的方法：1） 通過隨機(jī)相位掩膜版對紅外系統(tǒng)的孔徑進(jìn)行編碼，形成數(shù)字編碼孔徑，然后根據(jù)該掩膜版和光學(xué)系統(tǒng)的綜合MTF對圖像進(jìn)行恢復(fù)。2） 可以使用隨機(jī)編碼曝光。原理是：光學(xué)系統(tǒng)成像可以認(rèn)為是：光學(xué)系統(tǒng)對場景進(jìn)行了調(diào)制，即I=MTFF+VI是所得圖像的傅里葉變換，MTF是光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)，F(xiàn)是場景的傅里葉變換，V是噪聲。通過隨機(jī)相位掩膜對孔徑進(jìn)行編碼，可以使系統(tǒng)的MTF能夠有更高的頻率范圍，然后對圖像進(jìn)行恢復(fù)，可以使圖像保留更高的細(xì)節(jié)，實(shí)現(xiàn)提高分辨率的目的。2.TOMBO成像技術(shù)利用多相機(jī)陣列進(jìn)行成像，即由多個低分辨率相機(jī)構(gòu)成NxN的陣列；利用圖像處理拼接方法將N2幅低分辨率圖像拼接合成一幅大視場高分辨率圖像；相比單個相機(jī)，視場增大；L.耳單元L.耳微透鏡陣列信號通道傳感器陣列八、 紅外偏振成像的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)各是什么？（10分）答：優(yōu)點(diǎn)：1）紅外偏振成像在圖像中引入了新的維度 偏振維，是紅外圖像的信息更加豐富。2）由于自然界的物體的紅外輻射或反射大都是帶有偏振的，而且不同的材質(zhì)其偏振

特性不一樣，因此，使用偏振成像可以獲得一些原來獲取不到的信息?？梢宰R破偽裝，使目標(biāo)與背景的差異更加明顯。3）紅外偏振成像對目前光學(xué)系統(tǒng)的改造相對簡單。缺點(diǎn)：增大了數(shù)據(jù)量，使圖像處理過程更加復(fù)雜；同時也增大了光學(xué)系統(tǒng)的復(fù)雜度，使能量損失變多，沒有有效的融合算法對偏振圖像和其他圖像進(jìn)行融合，設(shè)備體積以及重量較大，可靠性還需改進(jìn)。九、 試設(shè)計一個紅外周視預(yù)警系統(tǒng)，工作高度為h,紅外探測器的像元為M*N,能夠?qū)χ車鷇i到d2距離的視場范圍進(jìn)行車輛進(jìn)入監(jiān)控預(yù)警。要求：需要將系統(tǒng)工作的參數(shù)列舉出來，并設(shè)計檢測算法，說明算法的有效性。（30分）答：如圖所示：探測視場中心到相機(jī)距離為：不妨設(shè)像元數(shù)M>N，且M的方向?yàn)檩S向（法向），N的方向?yàn)榍邢?，并且相機(jī)焦距為f,像面大小為f,像面大小為AxxAy，則應(yīng)有:Ax d-d>T1fl所以有:像元M應(yīng)當(dāng)滿足約翰遜準(zhǔn)則，設(shè)車輛目標(biāo)線度為w，則應(yīng)有：W-f>12x罟所以有M>空巴，即：f>12?心?1，同時系統(tǒng)滿足衍射條件：竺』>AXwf wM AM綜上所述，需要考慮的條件有：1） 紅外焦探測平面大小Ax,Ay2） 相機(jī)孔