红外成像概述

红外成像概述

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1 红外线

红外线（Infrared，简称IR）是波长介乎微波与可见光之间的电磁波，其波长在760奈米（nm）至1毫米（mm）之间，是波长比红光长的非可见光，对应频率约是在430 THz到300 GHz的范围内。室温下物体所发出的热辐射多都在此波段。

1.1 一般使用者的分类是：

• 近红外线（NIR, IR-A DIN）：波长在 0.75 － 1.4 微米，以水的吸收来定义，由于在二氧化硅玻璃中的低衰减率，通常使用在光纤通信中。在这个区域的波长对影像的增强非常敏锐。例如，包括夜视设备，像是夜视镜。
• 短波长红外线（SWIR, IR-B DIN）：1.4 － 3 微米，水的吸收在 1,450 nm显著的增加。1,530 至 1,560 nm是主导远距离通信的主要光谱区域。
• 中波长红外线（MWIR, IR-C DIN）：也称为中红外线：波长在 3 － 8 微米。被动式的红外线追热导向导弹技术在设计上就是使用 3 － 5 微米波段的大气窗口来工作，对飞机红外线标识的归航，通常是针对飞机引擎排放的羽流。
• 长波长红外线（LWIR, IR-C DIN）：8 － 15 微米。这是”热成像”的区域，在这个波段的感测器不需要其他的光或外部热源，例如太阳、月球或红外灯，就可以获得完整的热排放量的被动影像。前视性红外线（FLIR）系统使用这个区域的频谱。，有时也会被归类为”远红外线”
• 远红外线（FIR）：50 － 1,000 微米（参见远红外线激光）。
• NIR和SWIR有时被称为 “反射红外线” ，而MWIR和LWIR有时被称为”热红外线”，这是基于黑体辐射曲线的特性，典型的’热’物体，像是排气管，同样的物体通常在MW的波段会比在LW波段下来得更为明亮。
  
  

1.2 感测器回应分类方案

可以依不同感测器可侦测的范围来分类：

1. 近红外线： 波长范围为 0.7 至 1.0 µm（由人眼无法侦测的范围到硅可响应的范围）
2. 短波红外线：波长范围为 1.0 至 3.0 µm（由硅的截止频率到大气红外线窗口的截止频率），InGaAs范围可以到 1.8 µm，一些较不灵敏的铅盐也可侦测到此范围。
3. 中波红外线：波长范围为 3.0 至 5.0 µm（由大气红外线窗口定义，也是锑化铟及HgCdTe可覆盖的范围，有时是硒化铅可覆盖的范围）
4. 长波红外线：波长范围为 8.0 至 12.0 或是 7.0 至 14 µm（是HgCdTe及微测辐射热计可覆盖的范围）
5. 远红外线（VLWIR）：波长范围为 12.0 至 30 µm，是掺杂硅可覆盖的范围

1.3 红外线辐射源区分

红外线辐射源可区分为四部分：

• 白炽发光区（Actinic range）：或称“光化反应区”，由白炽物体产生的射线，自可见光域到红外域。如灯泡（钨丝灯，TUNGSTEN FILAMENT LAMP），太阳。
• 热体辐射区（Hot-object range）：由非白炽物体产生的热射线，如电熨斗及其它的电热器等，平均温度约在400℃左右。
• 发热传导区（Calorific range）：由滚沸的热水或热蒸汽管产生的热射线。平均温度低于200℃，此区域又称为“非光化反应区”（Non-actinic）。
• 温体辐射区（Warm range）：由人体、动物或地热等所产生的热射线，平均温度约为40℃左右。

站在照相与摄影技术的观点来看感光特性：光波的能量与感光材料的敏感度是造成感光最主要的因素。
波长愈长，能量愈弱，即红外线的能量要比可见光低，比紫外线更低。但是高能量波所必须面对的另一个难题就是：能量愈高穿透力愈强，无法形成反射波使感光材料撷取影像，例如X光，就必须在被照物体的背后取像。因此，摄影术就必须往长波长的方向——“近红外线”部分发展。
以造影为目标的近红外线摄影术，随着化学与电子科技的进展，演化出下列三个方向：

1. 近红外线底片：以波长700nm～900nm的近红外线为主要感应范围，利用加入特殊染料的乳剂产生光化学反应，使此一波域的光变化转为化学变化形成影像。
2. 近红外线电子感光材料：以波长 700nm～2,000nm 的近红外线为主要感应范围，它是利用以硅为主的化合物晶体产生光电反应，形成电子影像。
3. 中、远红外线热像感应材料：以波长 3,000nm～14,000nm 的中红外线及远红外线为主要感应范围，利用特殊的感应器及冷却技术，形成电子影像。

2 红外成像

由第一节可知，我们所见到的红外图像，其实是通过目标场景的热辐射获得完整的热排放量的被动影像。而常见的民用安防类“红外机芯”成像系统，主要是长波红外（参考公司：IRay/广微...）。需要注意的是，中波红外一般不拿来做视频成像，进几年其结合偏振则可以实现极好的效果。
因为长波的能量较弱，以及国产的焦平面的性能指标（国外进口的B、C类探测器）较低，进而产生了一系列红外机芯图像处理算法诸如：

• 红外校正算法；
• 红外图像DDE（细节增强算法）；
• 红外图像的融合算法；
• 红外目标跟踪算法等。

红外成像系统的构成：

Created with Raphaël 2.1.2 红外（热）辐射 光学镜头结构 焦平面-[热信号->电信号] ADC-[模拟信号->数字信号] FPGA(DSP)-[图像处理算法] DAC-[数字信号->模拟信号] 视频显示 输出视频

红外焦平面探测器的发展极大丰富了红外成像技术的内容，包括扫描/凝视/微扫描红外成像、中波/长波/短波红外成像、制冷/非制冷红外成像等。这里看一张红外探测器（机芯的发展图），如下：

从器件结构可以发现，第四代的红外焦平面在第三代结构之上已经开始整合偏振结构。其关键点变为：像元级光场聚焦，光学滤波与偏振选择。
我们再看一下经典的焦平面结构，如下图所示。上面橙色部分为焦平面，下面为读出电路(ROIC: ReadOut IC)，两边为桥腿结构。

2.1 红外图像的特点

红外热成像系统因其成像波长较长，导致了红外图像存在噪声大、对比度低、非均匀性大、空间分辨力差等缺陷，为克服这些缺陷，自红外热成像技术诞生之初，红外探测器材料、制造工艺和成像电子学组件的研究便成为三大热点研究方向[1][红外图像处理技术现状及发展趋势]。

缺点：

1. 红外成像受非均匀性及无效像元的影响，实际温度分辨率不高，；

如下表所示，针对这个问题，我们使用非均匀性校正处理

1. 红外成像普遍存在噪声大、图像对比度低、信噪比低、边缘不清晰、视觉效果模糊、灰度范围窄的现象。
   对红外图像进行增强是解决上述难题的有效方法之一。常见的直方图均衡、平台直方图、反锐化掩膜（UM）等。

优点：

1. 被动工作、抗干扰性较强、全天候工作特性等；
2. 局部特征稳定。
   诸如：角点、边缘、直线、纹理等特征。

Reference：

[1] 红外图像处理技术现状及发展趋势;
[2] Book：红外图像处理、分析与融合；
[3] 红外成像技术中的 9 个问题。